基于植被和弯道的黄河中下游连续引水放淤场地及黄河放淤方法

1.本发明涉及河流治淤技术领域。


背景技术：

2.黄河是世界上含沙量最大的河流，高泥沙含量使得黄河中下游河道、水库淤积严重，部分河段形成地上悬河，危害极大。
3.放淤是一种降低黄河中下游泥沙含量的工程措施，也是黄河泥沙治理策略中“拦、排、放、调、挖”中的“放”。
4.放淤是指将高含沙的黄河水引入滩地，使其携带的泥沙在指定位置（放淤场地）沉积，之后再将清水引回黄河，从而削减黄河主河道里面的泥沙含量。
5.传统的放淤场地其实就是一片空场，将水引入放淤场地后，需要关闭闸门静置，待泥沙沉降后，再将水放出。传统放淤的缺点是：首先是不能连续作业，关闭闸门静置期间，不能引水放淤；其次是静置耗时较长，这两点严重影响了放淤的效率；最后是开闸放淤到静置再到下次开闸放淤之前形成一个放淤周期，每个放淤周期都需要开闸放淤以及关闸静置，需要不断进行闸门的操作，提高了人工成本和劳动强度。


技术实现要素：

6.本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种基于植被和弯道的黄河中下游连续引水放淤场地，实现连续放淤作业。
7.为实现上述目的，本发明公开了一种基于植被和弯道的黄河中下游连续引水放淤场地，包括整体呈u形的引水放淤区，u形包括两侧边和连接两侧边的弧形段，引水放淤区的弧形段形成第二放淤区，第二放淤区两侧的引水放淤区分别为第一放淤区和第三放淤区；将引水放淤区沿水流方向的河床坡度称为流向坡度；第一放淤区用于阻挡并沉降粗沙，第二放淤区用于阻挡并沉降细沙，第三放淤区用于将水引回黄河；第一放淤区和第三放淤区的端部均与黄河相连通，以水的流动方向为下游方向，第一放淤区至第三放淤区沿由上游向下游的方向依次设置；第一放淤区与黄河相通处设有引水闸门，引水闸门处设有用于将水抽入第一放淤区的水泵；第一放淤区内种植有用于拦截粗砂的沉水植被群，沉水植被群的植被高度小于等于max厘米，第一放淤区的平均水深大于等于2max厘米，沉水植被群处的水流为第一放淤区的高阻挡区，沉水植被群上方的水流区域形成第一放淤区的低流阻区；第二放淤区内种植有挺水植被群；第一放淤区至第三放淤区的流向坡度依次增大；第一放淤区、第二放淤区和第三放淤区的长度均大于等于4公里。
8.沉水植被群的植被高度小于等于50厘米；第一放淤区的平均水深大于等于100厘米；沉水植被群的种植密度为每平方米28－32株；挺水植被群的植被高度大于1.5米且其顶端高于水面，种植密度为每平方米15－17株。
9.第二放淤区为弧形段，弧形段径向外侧的河床低于径向内侧的河床。
10.在第一放淤区与第二放淤区相接处，第二放淤区的河床高于第一放淤区的河床至少0.5米；在第二放淤区与第三放淤区相接处，第三放淤区的河床高于第二放淤区的河床至少0.3米。
11.沉水植被群由菹草、李氏禾、狗牙根、佛子茅或碱蓬中的一种或多种种植而成：挺水植被群由芦苇、香蒲或泽泻中的一种或多种种植而成；挺水植被群种植在第二放淤区上下游方向的中后部。
12.植被的抗弯弹性模量e表示为：；其中f是植物所受横向载荷，l是植物的长度，i是植物的惯性矩，u是植被端点在受到水流冲击时的偏移距离；植物的惯性矩i为：；其中d为植物茎的直径；对于第一放淤区内的沉水植被，e＞1；对于第二放淤区内的挺水植被，e＜0.1。
13.第二放淤区所呈弧形的半径大于等于0.8公里且小于等于1.6公里。
14.本发明还公开了采用上述基于植被和弯道的黄河中下游连续引水放淤场地进行的黄河放淤方法，保持引水闸门处于开启状态，打开水泵将水抽入第一放淤区，水流在通过第一放淤区时，水中粗沙在重力的作用下进入高阻挡区，在沉水植被群的作用下沉积在第一放淤区的河床上；第一放淤区的低流阻区使得水流顺畅进入第二放淤区；水流在第二放淤区的前半段流动的过程中，在离心力的作用下水体中的细沙向第二放淤区的外侧集中，集中后的细沙能够更有效地沉降；水流在通过第二放淤区的挺水植被群时，水中细沙被挺水植被群所阻挡并在重力作用下沉降至第二放淤区的河床上；水流进入第三放淤区后，由于第三放淤区具有三区中最大的流向坡度，因而水流迅速回流入黄河。
15.本发明具有如下的优点：刚刚从黄河引入的水流含沙量很大，粗沙一般聚集在水流的底部，严重时可以形成异重流（上部分是水流，下部分是沙流）。而细沙则较为均匀地分布上水流各处，并不会大量聚集在水流底部，因而对细沙和粗沙分别采用不同的放淤区和不同的沉降策略，以实现既提高沉降效率，又尽量不过多增加水流阻力的目的。
16.粗沙在第一放淤区中沉降。
17.植被的高度如果过高，对水流的阻力就会显著增强，影响水流动的效率。第一放淤区内由于流向坡度在三区之中最小，水流最缓，因而更有利于粗沙下沉。第一放淤区的平均水深大于等于2max厘米，从而使得第一放淤区植被群的上方具有足够高的低流阻区，使水能够在整体较低的阻力条件下向前流向第二放淤区，并在第一放淤区形成上快下慢的水流
（低流阻区流速相较下层的高阻挡区流速较快）。粗沙被第一放淤区密集的植被群阻挡而沉降下来。
18.细沙在第二放淤区中沉降。
19.挺水植被群是促进细沙沉降淤积的第一种技术手段。挺水植被随水流摆动且其顶部出水，能够直到良好的阻拦水中悬沙的作用。
20.弧形段弯道是促进细沙沉降的第二种技术手段，水流经过弯道时，在离心力的作用下，水中泥沙被甩到弯道的外侧集中起来，集中起来的细沙相比分散的细沙更容易沉降，沉降速度更快。
21.在挺水植被群和离心力促使细沙集中于弯道外侧的双重作用下，细沙得以在第二放淤区迅速有效地沉降。
22.本发明第一放淤区的植被群将第一放淤区上下分为低流阻区和高阻挡区，既使得第一放淤区整体的流阻较小，又有效拦截了粗沙，为连续引水放淤提供基础，整体流阻较小有利于降低水泵的功率。
23.第一放淤区至第三放淤区的流向坡度依次增大，从而形成第一放淤区水流最缓最利于粗沙沉降、第三放淤区水流最急有利于水回流入黄河的局面。
24.长期使用后，淤积的泥沙将河床抬高到一定程度后，需要挖沙清理河床。第二放淤区中，细沙因离心力的作用，更多地沉降于径向外侧，因而径向外侧的河床低于径向内侧的河床可以有效提高库容量，提高整体容纳泥沙的能力，降低挖沙清理的频率。
25.由于大量粗沙沉积于第一放淤区内，细沙大量沉积于第二放淤区内，因而就泥沙沉积量而方，第一放淤区大于第二放淤区，第二放淤区大于第三放淤区。
26.泥沙沉积量大的放淤区河床更低，从而提高了整体库容量，不会在使用中因各区沉积量不同产生而立即产生第一放淤区河床被抬高到高于第二放淤区、第二放淤区河床被抬高到高于第三放淤区的现象，减少因河床被抬高而带来的挖沙清理河床的频率。
27.菹草、李氏禾、狗牙根、佛子茅以及碱蓬等具体的沉水植物具有刚度大、高度低以及枝叶茂盛等特点，能将河床附近的推移质（粗沙）阻挡下来。
28.芦苇、香蒲以及泽泻等具体的挺水植物具有柔性和高度较高的特点，利于随着水流摆动并能够向上伸出水面，达到阻拦水中悬沙的目的。
29.挺水植被群种植在第二放淤区上下游方向的中后部，使得水流在通过第二放淤区的前半段时不受挺水植被群的作用，从而使泥沙在离心力的作用下更多得聚焦至放淤区（弧形段）的外侧，泥沙在水体内集中后更有利于沉降；并且第二放淤区由于前半段（靠近第一放淤区的半段）未种植挺水植被，因而第二放淤区的整体流阻更小，有利于降低水泵功率。
30.第一放淤区1内的沉水植被e＞1，使得沉水植被具有合适的刚度以阻挡河床附近的推移质（粗沙），避免沉水植被无法承受推移质的推力而被压弯，进而大幅降低阻挡粗沙的作用。第二放淤区2内的挺水植被e＜0.1，使得挺水植被具有合适的刚度以随水流摆动。e值的取值便于在多种多样的植物中选取合适的沉水植被和挺水植被。
31.如果第二放淤区弯道半径太大，则离心作用太弱，起不到显著的把泥沙甩到外侧进行沉降的效果。如果第二放淤区弯道半径太小，就出现突然拐弯的效应，使流动阻力大幅增加，降低放淤效率。为了实现更好的放淤效果，申请人首次提出了兼顾离心作用与水体流
动阻力的目标，在这一目标指引下，经过计算与实验，确定0.8－1.6公里的弯道半径最为合适，第二放淤区弯道半径以1.2公里为最佳。
附图说明
32.图1是本发明的基于植被和弯道的黄河中下游连续引水放淤场地的平面布置图；图2是由第一放淤区至第三放淤区的纵向剖面结构示意图；图2的目的是表达相邻放淤区之间具有高差形成的台阶。
具体实施方式
33.如图1和图2所示，本发明的适用于黄河11中下游的连续引水放淤场地包括整体呈u形的引水放淤区，u形的引水放淤区包括两侧边段和连接两侧边的弧形段，引水放淤区的弧形段形成第二放淤区2，第二放淤区2两侧的引水放淤区分别为第一放淤区1和第三放淤区3；将引水放淤区沿水流方向的河床坡度称为流向坡度；第一放淤区1用于阻挡并沉降粗沙，第二放淤区2用于阻挡并沉降细沙，第三放淤区3用于将水引回黄河11；第一放淤区1和第三放淤区3的端部均与黄河11相连通，以水的流动方向为下游方向，第一放淤区1至第三放淤区3沿由上游向下游的方向依次设置；第一放淤区1与黄河11相通处设有引水闸门4，引水闸门4处设有用于将水由黄河11抽入第一放淤区1的水泵；水泵为常规技术，图未示。
34.第一放淤区1内种植有用于拦截粗砂的沉水植被群5，沉水植被群5的植被高度小于等于max厘米（沉水植被群的高度取决于植物种类），第一放淤区1的平均水深大于等于2max厘米，沉水植被群5处的水流为第一放淤区1的高阻挡区6，沉水植被群5上方的水流区域形成第一放淤区1的低流阻区7；第二放淤区2内种植有挺水植被群8；第一放淤区1至第三放淤区3的流向坡度依次增大；第一放淤区1、第二放淤区2和第三放淤区3的长度均大于等于4公里（优选5公里）。
35.刚刚从黄河11引入的水流含沙量很大，粗沙一般聚集在水流的底部，严重时可以形成异重流（上部分是水流，下部分是沙流）。而细沙则较为均匀地分布上水流各处，并不会大量聚集在水流底部，因而对细沙和粗沙分别采用不同的放淤区和不同的沉降策略，以实现既提高沉降效率，又尽量不过多增加水流阻力的目的。
36.粗沙在第一放淤区1中沉降。
37.植被的高度如果过高，对水流的阻力就会显著增强，影响水流动的效率。第一放淤区1内由于流向坡度在三区之中最小，水流最缓，因而更有利于粗沙下沉。第一放淤区1的平均水深大于等于2max厘米，从而使得第一放淤区1植被群的上方具有足够高的低流阻区7，使水能够在整体较低的阻力条件下向前流向第二放淤区2，并在第一放淤区1形成上快下慢的水流（低流阻区7流速相较下层的高阻挡区6流速较快）。粗沙被第一放淤区1密集的植被群阻挡而沉降下来。
38.细沙在第二放淤区2中沉降。
39.挺水植被群8是促进细沙沉降淤积的第一种技术手段。挺水植被随水流摆动且其顶部出水，能够直到良好的阻拦水中悬沙的作用。
40.弧形段弯道是促进细沙沉降的第二种技术手段，水流经过弯道时，在离心力的作用下，水中泥沙被甩到弯道的外侧集中起来，集中起来的细沙相比分散的细沙更容易沉降，沉降速度更快。
41.在挺水植被群8和离心力促使细沙集中于弯道外侧的双重作用下，细沙得以在第二放淤区2迅速有效地沉降。
42.本发明第一放淤区1的植被群将第一放淤区1上下分为低流阻区7和高阻挡区6，既使得第一放淤区1整体的流阻较小，又有效拦截了粗沙，为连续引水放淤提供基础，整体流阻较小有利于降低水泵的功率。
43.第一放淤区1至第三放淤区3的流向坡度依次增大，从而形成第一放淤区1水流最缓最利于粗沙沉降、第三放淤区3水流最急有利于水回流入黄河11的局面。
44.沉水植被群5的植被高度小于等于50厘米（max=50厘米）；第一放淤区1的平均水深大于等于100厘米(2max＝100厘米)；沉水植被群5的种植密度为每平方米28－32株（包括两端值，优选30株）；挺水植被群8的植被高度大于1.5米且其顶端高于水面，种植密度为每平方米15－17株（包括两端值，优选16株）。挺水植被群8的种植密度不大，在保证拦沙效果的同时，对水流阻力影响较小。
45.第二放淤区2为弧形段，弧形段径向外侧的河床低于径向内侧的河床。长期使用后，淤积的泥沙将河床抬高到一定程度后，需要挖沙清理河床。第二放淤区2中，细沙因离心力的作用，更多地沉降于径向外侧，因而径向外侧的河床低于径向内侧的河床可以有效提高库容量，提高整体容纳泥沙的能力，降低挖沙清理的频率。如图1所示，a点一侧的河床高度低于b点一侧的河床高度，a点处的河床比b点处的河床低的数值优选为1米。
46.在第一放淤区1与第二放淤区2相接处，第二放淤区2的河床高于第一放淤区1的河床至少0.5米从而形成第一台阶9；在第二放淤区2与第三放淤区3相接处，第三放淤区3的河床高于第二放淤区2的河床至少0.3米从而形成第二台阶10。
47.由于大量粗沙沉积于第一放淤区1内，细沙大量沉积于第二放淤区2内，因而就泥沙沉积量而方，第一放淤区1大于第二放淤区2，第二放淤区2大于第三放淤区3。
48.泥沙沉积量大的放淤区河床更低，从而提高了整体库容量，不会在使用中因各区沉积量不同产生而立即产生第一放淤区1河床被抬高到高于第二放淤区2、第二放淤区2河床被抬高到高于第三放淤区3的现象，减少因河床被抬高而带来的挖沙清理河床的频率。
49.具体地，沉水植被群5由菹草、李氏禾、狗牙根、佛子茅或碱蓬中的一种或多种种植而成：挺水植被群8由芦苇、香蒲或泽泻中的一种或多种种植而成；挺水植被群8种植在第二放淤区2上下游方向的中后部。
50.菹草、李氏禾、狗牙根、佛子茅以及碱蓬等具体的沉水植物具有刚度大、高度低以及枝叶茂盛等特点，能将河床附近的推移质（粗沙）阻挡下来。
51.芦苇、香蒲以及泽泻等具体的挺水植物具有柔性和高度较高的特点，利于随着水流摆动并能够向上伸出水面，达到阻拦水中悬沙的目的。
52.挺水植被群8种植在第二放淤区2上下游方向的中后部，使得水流在通过第二放淤区2的前半段时不受挺水植被群8的作用，从而使泥沙在离心力的作用下更多得聚焦至放淤
区（弧形段）的外侧，泥沙在水体内集中后更有利于沉降；并且第二放淤区2由于前半段（靠近第一放淤区1的半段）未种植挺水植被，因而第二放淤区2的整体流阻更小，有利于降低水泵功率。
53.为了精准选取合适的植物，需要定义沉水植被所选用植物的抗弯弹性模量和挺水植物的抗弯弹性模量。
54.植被的抗弯弹性模量e表示为：；其中f是植物所受横向载荷，l是植物的长度，i是植物的惯性矩，u是植被端点（最高点）在受到水流冲击时的偏移距离；植物的惯性矩i为：；其中d为植物茎的直径；对于第一放淤区1内的沉水植被，e＞1；对于第二放淤区2内的挺水植被，e＜0.1。
55.第一放淤区1内的沉水植被e＞1，使得沉水植被具有合适的刚度以阻挡河床附近的推移质（粗沙），避免沉水植被无法承受推移质的推力而被压弯，进而大幅降低阻挡粗沙的作用。第二放淤区2内的挺水植被e＜0.1，使得挺水植被具有合适的刚度以随水流摆动。e值的取值便于在多种多样的植物中选取合适的沉水植被和挺水植被。
56.第二放淤区2所呈弧形的半径大于等于0.8公里且小于等于1.6公里。如果第二放淤区2弯道半径太大，则离心作用太弱，起不到显著的把泥沙甩到外侧进行沉降的效果。如果第二放淤区2弯道半径太小，就出现突然拐弯的效应，使流动阻力大幅增加，降低放淤效率。为了实现更好的放淤效果，申请人首次提出了兼顾离心作用与水体流动阻力的目标，在这一目标指引下，经过计算与实验，确定0.8－1.6公里的弯道半径最为合适，第二放淤区2弯道半径以1.2公里为最佳。
57.第一放淤区1的流向坡度优选为0.5
‰
，第二放淤区2的流向坡度优选为0.7
‰
，第三放淤区3的流向坡度优选为1
‰
。
58.本发明还公开了采用上述适用于黄河11中下游的连续引水放淤场地进行的黄河11放淤方法， 保持引水闸门4处于开启状态，打开水泵将水抽入第一放淤区1，水流在通过第一放淤区1时，水中粗沙在重力的作用下进入高阻挡区6，在沉水植被群5的作用下沉积在第一放淤区1的河床上；第一放淤区1的低流阻区7使得水流顺畅进入第二放淤区2；水流在第二放淤区2的前半段流动的过程中，在离心力的作用下水体中的细沙向第二放淤区2的外侧集中，集中后的细沙能够更有效地沉降；水流在通过第二放淤区2的挺水植被群8时，水中细沙被挺水植被群8所阻挡并在重力作用下沉降至第二放淤区2的河床上；水流进入第三放淤区3后，由于第三放淤区3具有三区中最大的流向坡度，因而水流迅速回流入黄河11。
59.以上实施例仅用以说明而非限制本发明的技术方案，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明进行修改或者等同替换，而不脱离本发明的精神和范围的任何修改或局部替换，其均应涵盖在本发明的权
利要求范围当中。