1 浑水和盐水的比重和加盐量的计算
根据泥沙模型试验，三峡水库坝前水位为145m时，水库不同运用年限的坝区水流含沙量和中值粒径如下。
Predicted silt content and median particle size in the Three-Gorges Reservoir
运用年限 | 含沙量(kg/m3) | 中值粒径(mm) | d>0.05(mm)% | 浑水平均比重 |
26 | 1.55～1.52 | 0.012 | 12 | 1.0009 |
46 | 2.72～2.82 | 0.0207～0.0211 | 21 | 1.0017 |
66 | 4.07～4.10 | 0.0280～0.0287 | 29 | 1.0025 |
所以水库运用约30年后，坝区浑水含沙量可假定在
式中 ρ、ρs分别是水和沙的密度，
食盐(NaCl)能溶于水，且不引起水体积的变化，故盐水的重率为
式中 S盐即单位体积的食盐量，单位为：
按照重率相等的原则，可以得出对应于某一含沙量的盐水含盐量应为
S盐=(1-ρ
考虑不同温度下水的密度变化，计算含盐量如表2所示。
Salt content corresponding to various silt content for the same density
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| 含沙量S(kg/m3) | ||
水温 | 清水密度 | |||
0℃ | ρ(kg/m3) | 1.0 | 3.0 | 5.0 |
0 | 999.9 | 0.6227 | 1.8680 | 3.1134 |
5 | 1000.0 | 0.6227 | 1.8678 | 3.1132 |
10 | 999.7 | 0.6227 | 1.8683 | 3.1138 |
15 | 999.1 | 0.6230 | 1.8689 | 3.1149 |
20 | 998.2 | 0.6233 | 1.8700 | 3.1166 |
* 表中含盐量单位为kg/m3。 | ||||
由于盐溶液不因加盐而改变体积，含盐量每增加(1-1/2.65)=0.623g/kg，其比重的增加即等于浑水含沙量增加
2 试验研究
2.1
试验是在一个有机玻璃水槽中进行的(图
试验选用了d50=0.03mm的非均匀沙，分别进行了含沙量为：
Sediment particle size distribution
D(mm) | 0.0005 | 0.001 | 0.005 | 0.01 | 0.02 | 0.05 | 0.1 | 0.154 | 0.28 |
% | 10.34 | 14.31 | 26.5 | 31.85 | 41.5 | 63.7 | 92.0 | 96.0 | 98.1 |
2.2 试验现象描述 (1)一侧清水一侧浑水条件下，试验开始前状态如图2所示，当中部闸门提起后，异重流现象明显地发生了，见图3。 (2)在清水一侧加入适量盐，使盐水比重与浑水比重相同，再提起闸门，可以观察到盐水和浑水交界面上因提闸门时对水体的扰动略有混掺，但不会产生异重流，见图4。 |
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一般约持续45秒钟之后，由于浑水一侧部分泥沙沉降了，浑水比重变轻，盐水从底部缓慢潜入浑水，形成盐水异重流，同时浑水从表层进入盐水上面，而且盐水垫与浑水界限分明，表层浑水无明显落淤，这样的状态在试验中观察了半个小时亦无明显变化。
(3)为研究因加盐量偏少、即盐水比重小于浑水比重时的现象，试验中使盐水一侧应加入的食盐量减少
2.3
异重流发生的现象如图5所示，由试验资料
从表4可以看出，当盐水与浑水比重相同或略有偏小时
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图2 试验开始前状态 | 图3 异重流现象 |
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图4 盐水防止异重流入侵 | 图5 异重流运动示意图 |
Summary of test runs and results
| 相应于浑 |
| 浑水含沙量（kg/m3） | |||||
水深 | 水含沙量 |
| ||||||
H(cm) | (kg/m3) |
| 1(γ=999.72) | 3(γ=1000.97) | 5(γ=1002.22) | |||
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| ||||||
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| h＇(cm) | v＇(cm/s) | h＇(cm) | v＇(cm/s) | h＇(cm) | v＇(cm/s) |
| 1 | 清水(γ=999.10) | 11.4 | 1.6 |
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| 加盐90% (γ=999.66) | 0 | 0 |
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| ||||||||
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| 清水(γ=999.10) |
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| 10.0 | 2.5 |
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22 | 2 | 加盐100%(γ=1000.35) |
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| 0 | 0 |
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| 加盐90%(γ=1000.22) |
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| 0 | 0 |
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| 加盐80%(γ=1000.20) |
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| 10 | 0.6 |
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| ||||||||
| 3 | 清水(γ=999.10) |
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| 10.5 | 3.5 |
| 加盐100%(γ=1000.97) |
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| 0 | 0 | |
18 | 1 | 清水(γ=999.10) |
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| 9 | 2.5 |
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加盐100%(γ=999.72) |
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| 0 | 0 |
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| ||
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| 清水(γ=999.10) |
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| 6.5 | 2.3 |
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| 加盐100%(γ=1000.97) |
|
| 0 | 0 |
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14 | 3 | |||||||
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| 加盐90%(γ=1000.78) |
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| 0 | 0 |
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| 加盐80%(γ=1000.60) |
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| 0 | 1.95 |
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(1)异重流的厚度
试验表明异重流的厚度h＇主要与总水深
由图6可见h＇与
式中K1=0.48。根据武汉水院统计的水槽试验资料
(2)异重流的速度
异重流速度v＇的表达式可从能量方程导出
γ＇H=γ(H-h＇
故 |
式中 ξ为局部阻力损失系数，将h＇=K1H代入上式，简化后可得v＇=K2 |
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图6 异重流深度h＇与总水深H的关系 | 图7 异重流的速度与剪切流速的关系 |
Calculated v
v*= | 3.658 | 6.350 | 2.824 | 8.197 | 5.744 | 5.065 | 4.021 | 5.054 | 5.415 | 7.332 |
v＇ | 1.6 | 2.8 | 0.6 | 3.5 | 2.7 | 2.3 | 1.4 | 2.4 | 1.8 | 3.0 |
由表5及图7可得出
由图7可见，当两种液体比重差Δγ减小时，异重流的速度也明显减慢，故即使加盐量有些偏离，也会明显减少异重流造成的淤积。
3 结论
1.在水中加盐以防止异重流发生在理论上和实际上都是可行的。试验也表明用加盐法减少引航道淤积是有效的，加盐法减淤的优点是不碍航，也不需要特殊设备。缺点是有一定的环境问题，需进一步深入研究。
2.含盐水与含沙水流重率相当，可以完全阻止异重流的入侵；含盐量略低时，对异重流也存有明显的阻滞作用，泥沙异重流在盐水中运动速度明显减慢；含盐量略高时，产生盐水异重流，浑水从盐水表层流入，因底层有盐水垫，故泥沙很难落淤。
3.异重流平均厚度h＇与断面总水深
h＇=K1H
试验统计K1=0.48。
4.异重流速度与两种流体的重率差及异重流的重率有关，与断面总水深也有关，它们的关系可表示如下
v＇=K2 |
试验统计K2=0.41。
5.在实际工程中能否采用水中加盐防止异重流的措施，还应进一步做动水试验研究，同时还需与别的措施进行经济等方面的综合比较。
[1] 周建军。三峡工程下游引航道防淤减淤措施试验研究。长江三峡工程坝区泥沙研究报告集（第一卷），专利文献出版社，
[2] 武汉水利电力学院河流泥沙教研室。河流泥沙工程学。水利出版社，1981年。
