灌溉渠道沉积物排除器建模——Koya Tami灌溉区改进型四通道沉砂池数值模拟与物理模型研究

《Water》：Modelling a Sediment Excluder in Irrigation Canals: A Case Study of the Koya Tami Irrigation Area, Jayapura

　　

印度尼西亚灌溉设计规范（KP-02和KP-04）对灌溉取水口粘性沉积物（cohesive sediment）的指导有限。本研究基于Warujayeng和Koya Tami灌溉区（Jayapura）的野外观测，对改进型四通道沉砂池（silt settler）进行了研究。该评估结合了沉积物分析、HEC-RAS 2D建模、两种方案在沉砂流量（5.0 m³/s）和冲砂流量（7.5 m³/s）下的FLOW-3D Hydro模拟，以及1:5比例物理模型的水力试验。Warujayeng下游样品含74.59–75.01%粉砂（silt）和20.97–21.79%黏土（clay），而Koya Tami的黏性组分达77–100%。无导流板（baffles）时，方案2A的沉降机会指数（settling opportunity index）为0.48%，方案2B为0.02%，表面负荷率（surface loading rate）为2.19–8.14 m/h。入口导流板改善了模拟的沉积物负荷分布，使变异系数（coefficient of variation）从1.474降至0.297–0.331。预计沉降机会指数56.4–58.0%是探索性上限估计值，并非经过验证的捕获效率（trapping efficiency）。全闸门冲砂清除248.4 t沉积物，比单闸门开启每千克沉积物少用水6.3%。水力验证表明，水位相对平均绝对误差为6.43%，流速为12.50%。需要进一步的粘性沉积物输移试验以验证捕获性能。

印尼灌溉现代化遵循五支柱方法，其中灌溉基础设施支柱涵盖沉积物管理。进入灌溉网络的泥沙会降低渠道输水能力、增加糙率并加大运行维护（O&M）需求。KP-02与KP-04灌溉设计规范虽为沉砂设施提供设计指导，但对灌溉取水口粘性沉积物的适用性有限。现有研究多集中于非粘性河床材料的排沙器与隧道式沉沙池，而粘性沉积物的侵蚀与沉积阈值及絮凝参数往往依赖经验确定，输移与沉积难以预测。热带火山流域的高含沙量使沉砂设施面临淤堵风险，并增加冲砂策略需求。为此，研究人员以Warujayeng灌溉区（东爪哇Nganjuk）和Koya Tami灌溉区（巴布亚Jayapura）为实例，针对改进型四通道沉砂池开展研究，旨在考察现有设施泥沙特性，通过数值模拟与物理模型试验分析流场、泥沙负荷分布及潜在沉降与冲砂行为，为原型开发提供配置参考。

研究人员结合野外调查与室内分析，以Warujayeng灌溉区和Koya Tami灌溉区为样本来源，采集推移质与悬移质样品，通过颗粒分析测定级配，并测定总悬浮固体（total suspended solids, TSS）。研究采用HEC-RAS 2D对现有Tami Weir沉砂池建模，运用Partheniades侵蚀函数与Krone沉积方法模拟细颗粒泥沙捕获。针对改进方案，利用FLOW-3D Hydro开展三维数值模拟，在沉砂流量5.0 m³/s和冲砂流量7.5 m³/s条件下运行，以床面剪切应力（bed shear stress）与沉积阈值（deposition threshold, τ_d）、侵蚀阈值（erosion threshold, τ_e）的后处理评估沉降机会指数（settling opportunity index）。此外，研究人员在Institut Teknologi Bandung（ITB）水利实验室构建1:5比尺物理模型，采用Froude相似（Froude similarity）与Rouse数相似（Rouse number similarity）准则，利用微声学多普勒流速仪（MicroADV）进行流速测量与水力验证。

3.1. 沉积物特性与Warujayeng IA沉积物排除器性能
研究人员在Warujayeng主渠道下游采集两份样品，判定其为粉砂质黏土（clayey silt），粉砂与黏土含量合计超过95%；因缺乏上游对应样品，无法确定该沉积物排除器（sediment excluder）的保留效率。在Koya Tami IA，泥沙样品更为细颗粒，三个采样点的黏性组分（cohesive fraction）分别达到77%、97%与100%。

3.2. 现有Tami Weir沉砂池性能
HEC-RAS 2D模拟表明，沉砂池内流速由进口段的0.8–1.0 m/s降至中部低于0.2 m/s，40–100 m河段构成主沉积区。基于入流220 mg/L与出流161 mg/L的浓度差，模拟的泥沙捕获效率（trapping efficiency）约为27%，其中粗粉砂贡献最大（47%），而中粉砂与黏土分别为20%和5%。由于水流未完全停止，需要较长沉降时间的黏性颗粒仍部分保持悬移状态。

3.3. 方案2A与2B的流场与沉降机会
FLOW-3D Hydro模拟显示，方案2A的流速集中于中部通道，边壁通道流速较低；方案2B的流动分布更宽。两方案的表面负荷率分别为2.38–8.14 m/h与2.19–3.59 m/h，均超出细颗粒沉砂池0.5–1.5 m/h的参考范围。无导流板时，方案2A的系统沉降机会指数为0.48%，方案2B仅为0.02%。方案2A的1号与4号通道指数分别为90.27%和84.24%，但这两条通道仅承受极少的泥沙输移暴露；方案2B各通道剪切应力均高于沉积阈值，系统指数极低。当沉积阈值提高至0.10–0.15 N/m²时，两方案的相对排序发生反转，表明该指标对阈值选择敏感。

3.4. 方案2AB入口导流板效应
入口导流板（baffles）打散了入口射流动量，使四通道间的泥沙负荷分布更均匀，负荷分布变异系数（coefficient of variation）从1.474降至0.297–0.331，原先无负荷的1号与4号通道获得了约34%与31%的负荷份额。若将冲砂工况（7.5 m³/s）下获得的通道负荷占比套用于沉砂工况（5.0 m³/s）的通道比沉降机会指数，方案2A的系统指数预计由0.48%升至56.37–58.04%。该数值为探索性上限估计，并非经过验证的捕获效率。

3.5. 冲砂性能
在7.5 m³/s冲砂流量下，全闸门开启与单孔开启的冲出泥沙质量相近，分别为248.4 t和246.2 t。全闸门开启的总用水量为12,538 m³，较单孔开启的13,260 m³减少722 m³，每千克沉积物的用水效率提升约6.31%。两种方案最终均使四个通道的床面最大下切深度达到0.117 m，残留 packed sediment 体积分数约0.007，均达到清洁状态。

3.6. 数值模型与物理模型验证
FLOW-3D Hydro模型与1:5物理模型在69个水位点和23个流速点进行了对比。结果显示，水位与流速的相对平均绝对误差（relative MAE）分别为6.43%和12.50%，表明数值模型可合理复现物理模型的水力行为，但该验证并未涵盖泥沙输移与黏性沉积过程。

研究人员在讨论中指出，Warujayeng的数据仅基于两份下游样品，不能定量排除效率或证明该结构未保留细颗粒。Koya Tami的HEC-RAS约27%捕获效率估计受所选黏性泥沙参数影响，且缺乏系统敏感性分析。两方案的关键制约在于表面负荷率过高，且模拟采用的0.03–0.0625 mm粒径远大于现场12 μm的中值粒径，其沉降行为不能直接代表现场细颗粒。模拟浓度81–142 mg/L低于应用修正后显著絮凝所需的599–1530 mg/L，因此不能依赖絮凝来补偿高表面负荷。导流板虽改善了模拟负荷分布，但56.4–58.0%的预计指数混合了不同流量条件的结果，应视为探索性上限估计。冲砂模拟表明约七分钟内可清除大部分易动泥沙，但FLOW-3D Hydro采用非黏性泥沙公式，未明确模拟黏性絮凝或固结导致的抗侵蚀性增加。系列0验证仅评估了FLOW-3D的水力表征，未验证泥沙输移；床面演变对剪切应力的反馈亦未独立量化。未来需完成物理模型泥沙输移试验，在沉砂流量下模拟导流板方案，并同步采集Warujayeng上、下游样品。

KP-02与KP-04对黏性泥沙的指导有限。Warujayeng IA的两份下游样品含74.59–75.01%粉砂和20.97–21.79%黏土；因未采集上游样品，这些数据无法量化沉积物排除器的效率。在Tami Weir，HEC-RAS 2D估计显示，在所选模型参数下，针对77–100%黏性泥沙的捕获效率约为27%。经1:5物理模型水力验证的FLOW-3D Hydro模拟（水位相对平均绝对误差6.43%，流速12.50%）表明，沉降机会受床面剪切应力与各通道泥沙负荷分布影响。无导流板时，方案2A和2B的沉降机会指数分别为0.48%和0.02%，表面负荷率2.19–8.14 m/h超出0.5–1.5 m/h参考范围。研究人员建议将带入口导流板的方案2A作为沉砂池进一步开发的参考配置，因为在模拟冲砂条件下导流板使通道负荷分布变异系数从1.474降至0.297–0.331。预计沉降机会指数56.4–58.0%是基于7.5 m³/s负荷占比和5.0 m³/s比沉降机会指数的探索性上限估计，并非验证的捕获效率。7.5 m³/s全闸门冲砂约七分钟可清除大部分易动沉积物，建议进一步评估。表面负荷率需通过延长沉降路径或降低单宽流量来减小。未来研究应包括：（1）在5.0 m³/s沉砂流量下模拟导流板方案；（2）利用计划的Rouse数缩尺（模型粒径0.050 mm）完成物理模型泥沙输移试验；（3）对Warujayeng IA沉积物排除器进行同步上、下游采样；（4）整合生物过程与非均匀泥沙。所提出的配置可为沉砂池原型开发和KP-04潜在修订提供参考，但需进一步验证。