蘇庫(kù)淤積計(jì)算法則的探討

木提力普·吾斯曼

摘 要：蘇庫(kù)沉淀算法有許多鐘，這主要推薦使用有限差分法來(lái)計(jì)算蘇庫(kù)的沉淀量。有限差分法是如今蘇庫(kù)沉淀算法中比較常采取的一種方法，它主要是把沉淀計(jì)算法則的微分方程轉(zhuǎn)換為差分方程，最后解出差分方程結(jié)果，當(dāng)作微分方程的大概結(jié)果。必須說(shuō)明，有限差分法不僅僅局限在蘇庫(kù)的沖刷淤積算法，對(duì)在普遍比較長(zhǎng)里程的河道沖刷淤積變形算法亦適用。由于兩個(gè)的基本原理和法則，它的實(shí)質(zhì)是完全一模一樣的，就是在邊界條件的明確規(guī)定和法則的實(shí)際引用上有所的不同。

關(guān)鍵詞：蘇庫(kù)；淤積；計(jì)算法則

1 蘇庫(kù)淤積的計(jì)算法則

蘇庫(kù)淤積的計(jì)算法則，主要預(yù)測(cè)庫(kù)盤的淤泥沙子沉淀量，它是蘇庫(kù)實(shí)踐運(yùn)行管理中的重要問(wèn)題之一。

1.1 基本方程式

蘇庫(kù)沖刷淤積算法的基本方程：流水連續(xù)方程式、夾沙流水運(yùn)動(dòng)方程式及淤泥沙子連續(xù)方程式。而且利用上述基本方程進(jìn)行蘇庫(kù)沖刷淤積算法，于理論上還有難處。為了方便推算，把夾沙水流運(yùn)動(dòng)方程簡(jiǎn)單化為清澈水流方程，淤泥沙子連續(xù)方程中，未考慮液體中包含沙子量的由于時(shí)間改變，如此，三個(gè)基本方程式則為流水連續(xù)方程

（1）

流水運(yùn)動(dòng)方程

（2）

淤泥沙子連續(xù)方程

（3）

式子中 r-庫(kù)底高程；g-輸沙率；y'-沉淀淤泥沙子干容重；j0-庫(kù)底坡降；jf-阻力坡降。

引用有限差分法進(jìn)行的沖刷淤積演算，應(yīng)該對(duì)以上三個(gè)方程做更進(jìn)一層簡(jiǎn)化，最后聯(lián)立解答。

把原來(lái)不是恒定流當(dāng)作恒定流來(lái)解決。就是把進(jìn)庫(kù)流量過(guò)程線，經(jīng)過(guò)劃分時(shí)間段的方法修改成階梯流量過(guò)程線，平均某一個(gè)時(shí)間段相對(duì)應(yīng)的階梯流量作為常數(shù)，流水為恒定流。如此方程（1）則表達(dá)為q=bhU （4）

把流水運(yùn)動(dòng)方程簡(jiǎn)單化為：恒定不是均勻流運(yùn)動(dòng)方程。式（2）中省略掉慣性一項(xiàng)■，并且代進(jìn)q=bhU及U=■h2/3j1/2后，可以簡(jiǎn)單化j=■+■（■）

同時(shí)改成有限差的方式j(luò)=■+■（■-■） （5）

式子中q-演算時(shí)間段的均量；N-演算庫(kù)段的綜合粗糙率；b、h-演算庫(kù)段均勻庫(kù)寬和均勻水面深度；Y-演算庫(kù)段長(zhǎng)；b1、b2、h1、h2-入、出庫(kù)斷面的均勻庫(kù)寬和均勻水面深度。

把淤泥沙子連續(xù)方程亦修改成有限差方式，就是（g1-g2）×（t1-t0）= Y'b（x1-x0）×（z1-z0） （6）

式子中g(shù)1、g2-依次是入、出口斷面輸沙率，用來(lái)演算懸移質(zhì)沖刷淤積時(shí)侯g=qs；用來(lái)演算推移質(zhì)沖刷淤積時(shí)侯g=qs+bGb。式中s是懸移質(zhì)均勻含沙數(shù)量；Gb是單位寬度推移質(zhì)輸沙率；（t1-t0）——演算時(shí)間段；

（z1-z0）——演算庫(kù)段均勻沖刷淤積厚度，結(jié)果正值是淤積，結(jié)果負(fù)值是沖刷。

在蘇庫(kù)進(jìn)行沖刷淤積演算的時(shí)侯，只要把庫(kù)盤區(qū)域劃分成幾個(gè)庫(kù)段，并且按水流數(shù)量階梯劃分成幾個(gè)計(jì)算時(shí)間段，繼而聯(lián)立求解式（5）與式（6），就可以解得蘇庫(kù)沖刷淤積的拓展全過(guò)程。

1.2 演算方法步驟

（1） 把庫(kù)盤區(qū)域劃分成幾個(gè)演算庫(kù)段，某一庫(kù)段取一個(gè)典型斷面，當(dāng)成庫(kù)段的出口斷面。假設(shè)所選擇的典型斷面形態(tài)各異，宜簡(jiǎn)單化成比較規(guī)則的斷面形狀。

（2） 描繪庫(kù)盤區(qū)域縱剖面圖形及各自典型斷面的橫剖面圖形，并且描繪出各自斷面有關(guān)工作曲型線，諸水深和庫(kù)寬、水深和均勻水位、水深和通過(guò)水?dāng)嗝娴拿娣e等關(guān)系曲型線。

（3） 選取演算年份，描繪水流量過(guò)程線并且簡(jiǎn)單化為幾個(gè)流量等級(jí)，劃分演算時(shí)間段，明確各自時(shí)間段的水量。

（4） 明確閘前水深并且當(dāng)成管控水深，引用公式（5）按照《水利學(xué)》中解求天然庫(kù)盤庫(kù)床恒定不是均勻流水面曲線的法則描繪水面曲型線，并且因此推解各自典型斷面水力因素，就是水流速度、水面深度等。

（5） 選取上游入口斷面當(dāng)成演算蘇庫(kù)沉淀的初始斷面，并且由于實(shí)際觀測(cè)資料的分析比較，明確于特定流量時(shí)間段流入該斷面的懸移質(zhì)含沙數(shù)量與推移質(zhì)輸沙率。

（6） 經(jīng)過(guò)實(shí)際觀測(cè)資料分析研究，選擇確定懸移質(zhì)流水夾沙力公式和單位寬度推移質(zhì)輸沙率式子，并且演算各自典型斷面的輸沙數(shù)量。

（7） 引用式（6）演算各自庫(kù)斷的均勻沖刷淤積厚度，把演算成果描繪成嶄新的庫(kù)床縱剖面圖形。到此為止，第一個(gè)時(shí)間段的演算工作任務(wù)就結(jié)束了。

（8） 依據(jù)求得的最新庫(kù)床縱剖面形，修訂各自典型斷面的工作曲型線，按照4～7項(xiàng)所有規(guī)定的方法步驟開始進(jìn)入第二個(gè)時(shí)間段的演算。這樣反反復(fù)復(fù)演算下來(lái)，就可以算出全部演算時(shí)間段的水面曲線變化以及庫(kù)盤區(qū)域庫(kù)床縱剖面的發(fā)展變化。

有限差分法因?yàn)樵砗?jiǎn)單易懂，比較容易領(lǐng)會(huì)，因此生產(chǎn)運(yùn)行管理上被廣泛應(yīng)用。假設(shè)演算參數(shù)（粗糙率、夾沙力公式等）選取適當(dāng)，演算成果就能達(dá)到特定的精度，缺點(diǎn)：演算工作繁多瑣碎、量大而復(fù)雜。但現(xiàn)階段電腦在生產(chǎn)生活中上得到充分、廣泛普及應(yīng)用，如此減少演算量、努力提高演算精度是非常有益的。

2 演算中幾個(gè)問(wèn)題值得注意

利用有限差分法對(duì)蘇庫(kù)進(jìn)行沖刷淤積演算，結(jié)果的精確度與可靠性往往和演算中有些問(wèn)題的解決是否恰當(dāng)?shù)年P(guān)系非常大，甚至有時(shí)成了演算成功與失敗的關(guān)鍵。因此在演算以前，針對(duì)這樣的問(wèn)題應(yīng)該謹(jǐn)慎考慮并且作好解決處理辦法。

2.1 入庫(kù)懸移質(zhì)含沙量與推移質(zhì)輸沙率的推定，針對(duì)蘇庫(kù)沖刷淤積的數(shù)量與部分有很大影響。針對(duì)在進(jìn)庫(kù)沙量的確定可以采取以下的步驟。

（1）當(dāng)蘇庫(kù)臨近有水文觀測(cè)站，可以依據(jù)水文觀測(cè)站的實(shí)際觀測(cè)資料建立起流量和含沙量或流量和輸沙率的關(guān)系曲型線推算求得入庫(kù)懸移質(zhì)含沙量，針對(duì)進(jìn)庫(kù)推移質(zhì)來(lái)而言，目前因?yàn)橛^測(cè)實(shí)驗(yàn)資料無(wú)可靠性，很難達(dá)到規(guī)定精度的要求。

（2）當(dāng)沒(méi)有實(shí)際觀測(cè)資料的時(shí)侯，可以依據(jù)輸沙模數(shù)圖形或者流水夾沙力式子演算懸移質(zhì)含沙量，推移質(zhì)輸沙率就用推移質(zhì)式子演算；假如蘇庫(kù)上游具有已建成的水利樞紐工程并且有實(shí)際觀測(cè)沉淀資料，引用如此資料用來(lái)估計(jì)試算進(jìn)庫(kù)沙量。

必須說(shuō)明，因?yàn)槟壳八玫膽乙瀑|(zhì)流水挾夾沙力與推移質(zhì)輸沙率演算式，較多屬于經(jīng)驗(yàn)性質(zhì)或者半經(jīng)驗(yàn)性質(zhì)半理論性，亦努力采用該庫(kù)河流實(shí)際觀測(cè)資料來(lái)對(duì)所采取的公式進(jìn)而檢驗(yàn)，用來(lái)分辨所采取的公式到底是否適合于該河流。

2.2 庫(kù)床粗糙率的確定。粗糙率反映了該河流對(duì)于水流阻力作用，粗糙率的確定定是否合乎要求，必將影響演算回水曲型線的精度。但天然河流的粗糙率為一非常繁雜的問(wèn)題，如今還沒(méi)有通用的法則，在現(xiàn)實(shí)演算當(dāng)中還都靠經(jīng)驗(yàn)的方法來(lái)選定。

2.3 懸移質(zhì)夾沙力公式的選取。在蘇庫(kù)沖刷淤積進(jìn)程變化中，懸移質(zhì)輸沙不是平衡的。沖刷淤積演算時(shí)侯如果流量是飽和輸沙，就是斷面的含沙量剛好等于斷面流水夾沙力。所以，夾沙力式子的選取是否適合，對(duì)于演算成果有很大影響。現(xiàn)階段宜用比較多的為湖北水利電力大學(xué)的夾沙力公式就是s*=k（■）M。但是式子中的k值和M值必須依據(jù)實(shí)際觀測(cè)資料來(lái)確定。

2.4 許可一次的最大沖刷淤積厚度。為了簡(jiǎn)單化演算辦法，在一個(gè)演算時(shí)間段里，如果蘇庫(kù)產(chǎn)生沖刷或者沉淀的進(jìn)程中，庫(kù)水深為不斷變化的，所以許可一次沖刷淤積的厚度不可能很大，亦即劃分的演算時(shí)間段不可能很長(zhǎng)，不然就不能達(dá)到上以上假設(shè)，宜依據(jù)演算所規(guī)定的精度要求來(lái)選定。一般的情況在某一演算時(shí)間段里的沖刷淤積厚度管控在等于或者小于1/10～1/15水面深度。

3 結(jié)束語(yǔ)

除了上述問(wèn)題以外，別的問(wèn)題若演算年份的選取、入庫(kù)水量過(guò)程線的劃分、庫(kù)段的劃分、代表斷面的選取、沖刷淤積方式的假設(shè)，及庫(kù)床粗糙化、細(xì)致化的考慮等，就可依據(jù)蘇庫(kù)沖刷淤積特性與有限差分法的硬性規(guī)定參考確定。