濁度型清渾水交界面識(shí)別方法及其在水庫(kù)異重流觀測(cè)中的應(yīng)用

嚴(yán)忠鑾，安瑞冬，李 嘉，李 永，鄧良勝

(1.四川大學(xué)水力學(xué)與山區(qū)河流開(kāi)發(fā)保護(hù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川成都 610065;2.四川省紫坪鋪開(kāi)發(fā)有限責(zé)任公司，四川 成都 610091)

濁度型清渾水交界面識(shí)別方法及其在水庫(kù)異重流觀測(cè)中的應(yīng)用

嚴(yán)忠鑾1，安瑞冬1，李 嘉1，李 永1，鄧良勝2

(1.四川大學(xué)水力學(xué)與山區(qū)河流開(kāi)發(fā)保護(hù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川成都 610065;2.四川省紫坪鋪開(kāi)發(fā)有限責(zé)任公司，四川 成都 610091)

針對(duì)傳統(tǒng)異重流觀測(cè)方法不利于對(duì)異重流進(jìn)行實(shí)時(shí)追蹤的問(wèn)題，基于濁度型清渾水交界面的概念，提出濁度型清渾水交界面識(shí)別方法，并將其應(yīng)用于紫坪鋪水庫(kù)汛期渾水異重流觀測(cè)。該方法利用濁度值突變能判定異重流交界面位置，利用濁度型清渾水交界面描述異重流前鋒厚度和濃度外邊界線，并將異重流交界面位置確定在1.2～3.5 m厚的水層內(nèi)，同時(shí)還分析了地形變化對(duì)異重流運(yùn)動(dòng)規(guī)律的影響。異重流原型觀測(cè)結(jié)果表明，濁度型清渾水交界面識(shí)別方法可以作為水庫(kù)汛期監(jiān)測(cè)異重流的有效手段。

渾水異重流;清渾水交界面;水庫(kù)觀測(cè);水溫

汛期暴雨沖刷河道兩岸，挾帶大量泥沙形成渾水入庫(kù)，在適當(dāng)條件下，渾水會(huì)潛入庫(kù)底形成水庫(kù)水沙異重流，并可能運(yùn)動(dòng)到壩前，通過(guò)泄水建筑物排出庫(kù)外。但若后續(xù)能量不足，異重流攜帶的泥沙將沿程落淤，減小水庫(kù)有效庫(kù)容，長(zhǎng)此以往勢(shì)必影響水庫(kù)的使用壽命。因此，研究異重流的運(yùn)動(dòng)特性能夠?qū)λ畮?kù)的淤積情況進(jìn)行預(yù)測(cè)，為實(shí)現(xiàn)人工塑造異重流以及水庫(kù)異重流多目標(biāo)調(diào)度提供科學(xué)依據(jù)，具有重要的工程意義和學(xué)術(shù)價(jià)值。

國(guó)內(nèi)外針對(duì)異重流的研究開(kāi)展已久，主要的研究成果集中在模型試驗(yàn)和數(shù)值模擬方面。Alexander等［1］在2002年利用玻璃水槽，通過(guò)改變?nèi)肓髁髁亢退燮露冗M(jìn)行異重流試驗(yàn)，得到前鋒厚度與流量、坡度、粒徑及含沙量的關(guān)系;An等［2］在2010年針對(duì)渾水異重流潛入點(diǎn)的水力學(xué)特性，在兩相流玻璃水槽中進(jìn)行了16組試驗(yàn)，利用粒子成像測(cè)速(PIV)對(duì)渾水異重流潛入點(diǎn)附近的流場(chǎng)進(jìn)行了測(cè)量，得到了潛入點(diǎn)附近水體的反向速度及回流圖像;Francois等［3］在2004年采用二維數(shù)學(xué)模型模擬了不同底坡傾角條件下的異重流運(yùn)動(dòng)情況，計(jì)算得到異重流運(yùn)動(dòng)速度和水流定性特征，與異重流試驗(yàn)現(xiàn)象描述一致;李永等［4］在 2009年采用基于兩相流理論的ASM(algebraic slip mixture)模型，對(duì)異重流的潛入、前鋒形態(tài)及推進(jìn)速度進(jìn)行了模擬。目前國(guó)內(nèi)已有一些高含沙河流異重流原型觀測(cè)方面的成果，如官?gòu)d水庫(kù)、紅山水庫(kù)、小浪底水庫(kù)等［5-7］，但鮮有低含沙量河流水庫(kù)異重流運(yùn)動(dòng)觀測(cè)成果的報(bào)道，究其原因主要是觀測(cè)手段的缺乏。對(duì)于快速、動(dòng)態(tài)的水沙異重流運(yùn)動(dòng)變化過(guò)程，傳統(tǒng)方法難以進(jìn)行實(shí)時(shí)追蹤，這無(wú)疑會(huì)延誤異重流的觀測(cè)時(shí)機(jī)。2004年黃河第3次調(diào)水調(diào)沙試驗(yàn)中采用了光電式清渾水界面探測(cè)器對(duì)異重流進(jìn)行觀測(cè)［8］，該儀器的使用無(wú)疑提高了水庫(kù)異重流的測(cè)量精度和效率。但將清渾水交界面臨界含沙量定義為1kg/m3，含沙量測(cè)量精度為±0.2 kg/m3，對(duì)于高含沙異重流監(jiān)測(cè)追蹤有較強(qiáng)的適用性，而對(duì)于低含沙河流異重流的原型觀測(cè)還需驗(yàn)證。為此，本文根據(jù)濁度與含沙量的關(guān)系，提出一種適用于低含沙河流異重流原型觀測(cè)的方法，該技術(shù)可以快速地確定異重流交界面位置，該方法在紫坪鋪水庫(kù)原型觀測(cè)中取得了較好的應(yīng)用效果。

1 濁度型清渾水交界面

1.1 定義

在水庫(kù)中，當(dāng)渾水初遇清水時(shí)，兩種水體的碰撞使得垂向斷面上含沙量分布均勻。隨著后續(xù)渾水的補(bǔ)充及粗顆粒泥沙受重力作用向下運(yùn)動(dòng)，清渾水體間密度差增大，壓力差在斷面底部達(dá)到最大，使得渾水潛入清水底部形成異重流。至此，交界面由潛入點(diǎn)開(kāi)始形成，并隨著異重流的運(yùn)動(dòng)而發(fā)展。而事實(shí)上，交界面并非一個(gè)截然分明的面，而是具有一定厚度、密度及流速等物理量梯度分布的過(guò)渡層。

在異重流形成后的過(guò)渡階段，渾水具有較大動(dòng)能，含沙量垂向分布均勻，交界面上泥沙擴(kuò)散作用強(qiáng)烈，過(guò)渡層較厚且其邊界模糊不清;當(dāng)異重流運(yùn)動(dòng)達(dá)到穩(wěn)定后，交界面上摻混達(dá)到一定的平衡狀態(tài)，過(guò)渡層的邊界逐漸變得清晰。但無(wú)論過(guò)渡層的厚薄如何，在清水層、過(guò)渡層與渾水層之間濁度必然存在沿深度方向的變化。由此本文定義，由過(guò)渡層內(nèi)濁度突變位置構(gòu)成的交界面為濁度型清渾水交界面。若在異重流原型觀測(cè)中，能通過(guò)濁度對(duì)異重流進(jìn)行快速定位，就可以迅速確定潛入點(diǎn)位置、前鋒位置及前鋒厚度，對(duì)于異重流原型觀測(cè)和水庫(kù)利用異重流進(jìn)行排沙工作有一定的參考意義。

1.2 識(shí)別技術(shù)

以往在水沙異重流原型觀測(cè)中，通常以含沙量的變化來(lái)分析異重流的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，且異重流渾水水樣的采集和含沙量的測(cè)定是異重流原型觀測(cè)的重要內(nèi)容。但現(xiàn)場(chǎng)水沙異重流水樣采集工作難度大且耗費(fèi)時(shí)間，水樣經(jīng)長(zhǎng)時(shí)間擱置又容易破壞含沙的原始狀態(tài)，再經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)室采用如振動(dòng)管法［9］、超聲波法［10］及 γ射線法［11］等方法分析，對(duì)含沙量的測(cè)量結(jié)果影響大、效率低且不便于異重流觀測(cè)時(shí)現(xiàn)場(chǎng)使用。同樣現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量時(shí)交界面位置是通過(guò)視覺(jué)觀測(cè)及人工判斷，這樣做顯然不夠科學(xué)?？梢?jiàn)傳統(tǒng)的異重流觀測(cè)方法在觀測(cè)精度和效率方面有所欠缺，對(duì)于異重流的快速變化很難及時(shí)作出反應(yīng)，容易延誤利用異重流清淤排沙的時(shí)機(jī)。

本文基于前期研究中進(jìn)行的含沙量與濁度關(guān)系的試驗(yàn)［12］，開(kāi)展紫坪鋪水庫(kù)含沙量與濁度關(guān)系的試驗(yàn)。試驗(yàn)采集岷江紫坪鋪庫(kù)區(qū)泥沙，在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)烘干，再充分?jǐn)嚢韬笈渲贸?0種含沙量低于2.5 kg/m3的水樣進(jìn)行試驗(yàn)，得到結(jié)果如圖1所示。

圖1 含沙量與濁度的關(guān)系

由圖1可以看出，含沙量與濁度具有很好的線性關(guān)系，根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)可擬合出含沙量與濁度的線性方程如下:

式中:T為濁度，NTU;C為含沙量，mg/L。

濁度型清渾水交界面識(shí)別方法正是基于清渾水交界面的研究及含沙量與濁度之間的關(guān)系而建立的觀測(cè)方法。應(yīng)用濁度傳感器可自動(dòng)記錄斷面上垂向濁度分布，通過(guò)判斷數(shù)據(jù)突變位置，來(lái)實(shí)現(xiàn)清渾水交界面位置的確定，繼而快速反映異重流潛入點(diǎn)位置、前鋒厚度等要素，從而提高異重流的觀測(cè)效率。因此，濁度型清渾水交界面識(shí)別方法在水庫(kù)異重流原型觀測(cè)中的應(yīng)用具有可行性。

異重流觀測(cè)采用走航方式進(jìn)行，利用全球定位系統(tǒng)GPS進(jìn)行庫(kù)區(qū)測(cè)量點(diǎn)的定位，采用激光測(cè)距儀測(cè)量水面寬度。在應(yīng)用濁度傳感器和溫度傳感器記錄斷面上垂向濁度與溫度分布的同時(shí)，進(jìn)行水樣采集工作。應(yīng)用濁度傳感器時(shí)采用90°散射法，通過(guò)觀測(cè)水體中散射光線強(qiáng)度來(lái)測(cè)量水體的渾濁程度，測(cè)量范圍為0～1000 NTU，分辨率為0.1 NTU，精度為±5%。

2 水庫(kù)異重流觀測(cè)

紫坪鋪水利樞紐位于四川省成都市西北60余km的岷江上游都江堰市麻溪鄉(xiāng)，水庫(kù)總庫(kù)容11.12億m3，工程壩址以上控制流域面積22662km2，多年平均流量469 m3/s，年徑流總量148億m3，水庫(kù)水溫呈分層結(jié)構(gòu)，屬不完全年調(diào)節(jié)型水庫(kù)。1955—1990年多年平均懸移質(zhì)輸沙量為792萬(wàn)t，多年平均含沙量為0.572 kg/m3，汛期(7—9月)輸沙量占年輸沙量的98.3%。

由于岷江上游普降暴雨，觀測(cè)當(dāng)日紫坪鋪入庫(kù)流量由370 m3/s增加到640 m3/s，洪水挾沙入庫(kù)往往是異重流運(yùn)動(dòng)的誘發(fā)因素，本次水庫(kù)異重流觀測(cè)斷面共有12個(gè)，其布置見(jiàn)圖2，斷面距壩里程見(jiàn)表1。

表1 斷面距壩里程

圖2 觀測(cè)斷面布置示意圖

2.1 異重流潛入段特性

觀測(cè)船行至庫(kù)尾1號(hào)斷面時(shí)，觀測(cè)到該斷面上游有大面積的垃圾漂浮帶，且表面水體渾濁，該現(xiàn)象與潛入點(diǎn)的標(biāo)志相符。結(jié)合1號(hào)、2號(hào)和3號(hào)斷面的觀測(cè)數(shù)據(jù)分析潛入段的濁度和溫度變化，如圖3和圖4所示。通過(guò)分析垂向濁度分布數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)，在1號(hào)斷面，水深1.5～2.7m之間的濁度由34NTU增大到131NTU，濁度變化梯度為78.6 NTU/m，根據(jù)清渾水交界面定義，可以判斷該斷面的清渾水交界面位置在水深1.5～2.7 m之間;同樣可以判斷2號(hào)與3號(hào)斷面的清渾水交界面位置分別在水深2.0～3.6 m和1.3～2.5 m范圍內(nèi)，3個(gè)斷面間異重流厚度沿程增大。分析水溫分布數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)，在1號(hào)斷面，水深1.5 m處的水溫突然升高，至6.6 m處又開(kāi)始降低;在2號(hào)和3號(hào)斷面，水溫的影響主要集中在斷面底部，底部溫度與其斷面上溫度拐點(diǎn)處的溫差均達(dá)到0.2℃，同時(shí)在溫度拐點(diǎn)處的濁度也發(fā)生較大變化。由此可以推斷挾沙水流在1號(hào)斷面上游已經(jīng)潛入并形成異重流，再經(jīng)過(guò)2號(hào)斷面，運(yùn)動(dòng)到3號(hào)斷面時(shí)已經(jīng)趨于穩(wěn)定，且異重流在影響庫(kù)區(qū)垂向水體含沙量分布的同時(shí)也對(duì)水溫結(jié)構(gòu)造成破壞。

圖3 潛入段各斷面垂向濁度分布

圖4 潛入段各斷面垂向水溫分布

2.2 異重流潛流段及前鋒段特性

7～12號(hào)斷面的垂向濁度分布如圖5所示。7、8、9號(hào)斷面的垂向濁度突變點(diǎn)位置分別處于水深14.2～16.2 m、22.3～24.6 m 和24.3～27.8 m 的范圍內(nèi)，顯然清渾水交界面位置在潛流段沿程不斷變深。在10號(hào)斷面上，濁度突變位置的深度明顯減小，清渾水交界面位于水深18.6～20.3 m之間，而11號(hào)和12號(hào)斷面的距壩里程分別為5.5 km和1.3 km，兩斷面上垂向濁度最大值僅為32.7NTU，而9號(hào)和10號(hào)兩斷面上垂向濁度最大值分別達(dá)到1036 NTU和810 NTU，遠(yuǎn)大于11號(hào)與12號(hào)兩斷面的濁度最大值，因此可以推斷異重流前鋒已經(jīng)運(yùn)動(dòng)到距壩5.5～7.4 km之間的河段，11號(hào)與12號(hào)兩斷面同一深度的水體濁度相差不到3 NTU，可以肯定11號(hào)斷面的水體未受到異重流的影響且異重流前鋒所在位置更靠近10號(hào)斷面。

圖5 潛流段和前鋒段各斷面垂向濁度分布

各段面的垂向溫度分布如圖6所示，分析可以發(fā)現(xiàn)7～10號(hào)斷面上垂向水溫拐點(diǎn)位置在水深14.2～25.1 m之間變化，而除10號(hào)斷面外，7～9號(hào)斷面的溫度拐點(diǎn)位置與其濁度突變位置同步變化，說(shuō)明10號(hào)斷面水溫受異重流影響的時(shí)間較短，庫(kù)底水溫已受異重流影響而升高，中層水體水溫還未發(fā)生變化或受影響較小。從庫(kù)底水溫變化來(lái)看，11號(hào)斷面在水深35m處的水溫比10號(hào)斷面低0.8℃，而與7號(hào)斷面之間的溫差可達(dá)1.25℃。由此可見(jiàn)，異重流運(yùn)動(dòng)對(duì)水庫(kù)水溫結(jié)構(gòu)的影響由庫(kù)底向上發(fā)展，受異重流影響時(shí)間越長(zhǎng)，水溫結(jié)構(gòu)破壞程度越大。

圖6 潛流段和前鋒段各斷面垂向水溫分布

2.3 地形變化的異重流特性

庫(kù)區(qū)濁度、水深與水面寬度的沿程變化如圖7所示。處理數(shù)據(jù)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)在濁度突變點(diǎn)的水深范圍內(nèi)，相應(yīng)的濁度值在50～150 NTU范圍內(nèi)變動(dòng)且大部分濁度值接近100 NTU，因此以濁度值為100 NTU的等值線作為此次原型觀測(cè)中的清渾水交界面。從1號(hào)到4號(hào)斷面水庫(kù)庫(kù)底坡度基本不變，但水面寬度變化較大。在從1號(hào)到3號(hào)斷面的運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，異重流運(yùn)動(dòng)速度較快，因此其受水面寬度的影響很小，很快趨于穩(wěn)定并保持較好的運(yùn)動(dòng)形態(tài)，而異重流厚度增大有可能是因較大的流速將沿程淤積的泥沙從庫(kù)底卷進(jìn)異重流所致。而從3號(hào)到4號(hào)斷面沿程為深切的V形河谷，由寬河段進(jìn)入窄河段，受到河槽束窄的作用，異重流的厚度有所增加［13］。

圖7 庫(kù)區(qū)濁度、水深與水面寬度的沿程變化

4號(hào)到6號(hào)斷面之間的河段由壽溪河支流從5號(hào)斷面匯入，4號(hào)斷面靠近匯口，匯口以下至9號(hào)斷面河段水面寬度基本不變，河道相對(duì)順直，而4號(hào)到6號(hào)斷面間異重流厚度的減小，可能是異重流在流經(jīng)4號(hào)斷面后于匯口處遇支流匯入，水體碰撞損失部分能量，而水面突然拓寬也降低了流速，水流挾沙能力下降，異重流厚度變薄，而進(jìn)入順直河道后，異重流流速開(kāi)始增大并形成穩(wěn)定的異重流形態(tài)，但相對(duì)4號(hào)斷面，異重流厚度減小。6號(hào)到9號(hào)斷面，水面寬度基本不變，異重流在形態(tài)上趨于穩(wěn)定，異重流厚度隨水深增大而增加。在異重流由9號(hào)斷面運(yùn)動(dòng)至10號(hào)斷面的過(guò)程中，異重流核心不再沿庫(kù)底運(yùn)動(dòng)，斷面上垂向濁度呈現(xiàn)先增加再減小的趨勢(shì)，原因可能是該河段底坡較7號(hào)到9號(hào)斷面間的河段底坡突然增大，水深增加明顯，而異重流核心部分慣性力較大，依舊能保持原先的運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)。

2.4 低含沙量異重流

前文所提及的官?gòu)d水庫(kù)、紅山水庫(kù)及小浪底水庫(kù)的多年平均含沙量均大于15 kg/m3［14］，而位于西南山區(qū)岷江上游的紫坪鋪水庫(kù)多年平均含沙量?jī)H為0.572 kg/m3。與文獻(xiàn)［15］中小浪底異重流形成的含沙量下限條件(10 kg/m3)比較，位于低含沙河流岷江上游的紫坪鋪水庫(kù)的異重流形成時(shí)的含沙量要小很多，原因可能是西南山區(qū)天然落差大，岷江上游340 km長(zhǎng)河段的天然落差為3009 m，渾水來(lái)流在高坡降的河道上運(yùn)動(dòng)后，在進(jìn)入紫坪鋪水庫(kù)時(shí)已具有較大的動(dòng)能，使得渾水潛入形成異重流?？梢?jiàn)，該原型觀測(cè)在驗(yàn)證濁度型清渾水交界面識(shí)別技術(shù)的適用性的同時(shí)，填補(bǔ)了西南山區(qū)低含沙量河流水庫(kù)異重流觀測(cè)資料的空白，進(jìn)一步補(bǔ)充了低含沙量河流異重流觀測(cè)資料，對(duì)低含沙量河流水庫(kù)管理及泥沙運(yùn)動(dòng)研究有一定的參考意義。

3 結(jié)論

a.基于濁度型清渾交界面概念的交界面識(shí)別方法在紫坪埔水庫(kù)異重流觀測(cè)中應(yīng)用效果良好，成功地捕捉到了低含沙量條件下的異重流現(xiàn)象，并將清渾水交界面的位置確定在1.2～3.5 m厚的水層內(nèi)，同時(shí)這也是首次在西南山區(qū)低含沙河流水庫(kù)中觀測(cè)到異重流現(xiàn)象，是對(duì)該區(qū)域異重流資料空白的填補(bǔ)。

b.通過(guò)濁度分析發(fā)現(xiàn)，在異重流從潛入到穩(wěn)定的過(guò)程中，異重流的厚度受河段水面寬度影響較小，而流速增大使其挾沙能力增強(qiáng)，能將沿程淤積的泥沙卷進(jìn)渾水內(nèi)，并增加自身渾水層厚度;穩(wěn)定后的異重流在支流匯入后，由于水體的碰撞及河寬突擴(kuò)的影響，異重流厚度減小;在異重流能量足夠的情況下，異重流能迅速恢復(fù)先前運(yùn)動(dòng)形態(tài)。

c.溫度數(shù)據(jù)的分析顯示汛期高溫異重流會(huì)破壞水庫(kù)的水溫結(jié)構(gòu)，先造成水庫(kù)底層水溫升高，水溫影響范圍從庫(kù)底向上發(fā)展，且對(duì)于受影響較久的水體，溫度拐點(diǎn)靠近濁度突變點(diǎn)位置。

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Turbid interface identification method of turbidity currents and its application in field observation at Zipingpu

Reservoir

YAN Zhongluan1，AN Ruidong1，LI Jia1，LI Yong1，DENG Liangsheng2(1.State Key Laboratory of Hydraulics and Mountain River Engineering，Sichuan University，Chengdu610065，China;2.Sichuan Province Zipingpu Development Co.，Ltd.，Chengdu610091，China)

The turbidity currents are observed in traditional methods which aren’t suitable for the real-time observation.Therefore，based on the concept of the turbidity-interface between turbid water and clear water，this paper proposes an interface identification method that can be applied in the field observation of turbidity currents at reservoir during floods.By analyzing the sudden change in water turbidity，this method can locate the position of the interface within a water layer thick of about 1.2 m to 3.5 m.Then the front thickness and outer boundary of transition region can be illustrated by using the concept of the interface proposed in the present paper.In addition，the paper also analyzed the impact on the performances of turbidity currents caused by topography variation.On all accounts，the results show that the method is effective for monitoring the turbidity currents at reservoir during the floods.

turbidity currents;interface between turbid water and clear water;reservoir observation;water temperature

TV145+.24

A

1006-7647(2013)06-0071-05

10.3880/j.issn.1006-7647.2013.06.015

國(guó)家自然科學(xué)基金(51109148);四川大學(xué)青年教師科研啟動(dòng)基金(2011SCU11113)

嚴(yán)忠鑾(1988—)，男，福建連江人，碩士研究生，主要從事環(huán)境水力學(xué)研究。E-mail:yanzl0213@163.com

安瑞冬(1983—)，男，天津人，副研究員，博士，主要從事環(huán)境水力學(xué)研究。E-mail:anruidong@scu.edu.cn

2012-01-07 編輯:周紅梅)