二維泥沙模型在水庫淤積分析中的應(yīng)用

毛鳳蓮

（陜西省寶雞市馮家山水庫管理局，陜西寶雞721003）

二維泥沙模型在水庫淤積分析中的應(yīng)用

毛鳳蓮

（陜西省寶雞市馮家山水庫管理局，陜西寶雞721003）

本文基于二維泥沙數(shù)學(xué)模型，研究水庫泥沙淤積的一般規(guī)律，討論其發(fā)展特征，并對水庫可持續(xù)利用運(yùn)行模式的效益進(jìn)行分析。希望為類似工程可持續(xù)利用調(diào)度和淤積分析處理提供借鑒和幫助。

二維泥沙模型；水庫；淤積；分析

1 引言

水庫可改善水資源分布的不均勻性，降低洪澇災(zāi)害造成的損失，修建水庫在國家基礎(chǔ)建設(shè)中具有重要地位。然而，修建水庫需占用大量土地，一旦潰壩淹沒土地數(shù)目龐大，加上水庫的壩址是不可再生的，因此對水庫進(jìn)行可持續(xù)利用研究是必要的［1］。而且，修建水庫打破了河流的自然平衡，在一定程度上會引起淤泥沉積，使庫容降低，影響水庫發(fā)電能力，縮短水庫使用壽命，因此水庫可持續(xù)利用調(diào)度決定了水庫的功能和效益。根據(jù)1981年的統(tǒng)計資料，當(dāng)年全國的總淤積量達(dá)115億m3，占當(dāng)時全國水庫總?cè)萘康?4.2%，且淤積量仍以驚人的速度增長。

淤積是由于水位變化后上游來沙與當(dāng)?shù)睾哟策吔绻餐饔玫慕Y(jié)果。研究表明，水庫的淤積與水庫的運(yùn)行方式有著很大關(guān)系，早期修建水庫時并未考慮到排沙因素，從而導(dǎo)致了大量的泥沙沉積，此類水庫一般通過擴(kuò)大泄流規(guī)模進(jìn)行改造。一批國內(nèi)學(xué)者針對各個水庫的情況進(jìn)行了蓄清排渾改造，他們認(rèn)為水位是可以調(diào)控的?；趪鴥?nèi)外研究現(xiàn)狀，本文從二維泥沙數(shù)學(xué)模型出發(fā)，對方程的求解方法進(jìn)行了探討，計算水庫發(fā)電量，并重點(diǎn)研究水庫泥沙淤積的一般規(guī)律，揭示其發(fā)展特征及影響因素，對水庫可持續(xù)利用運(yùn)行模式的效益進(jìn)行了分析。

2 二維泥沙數(shù)學(xué)模型

泥沙模型是對河流物理現(xiàn)象的抽象概括，屬于泥沙運(yùn)動理論范疇［2］。自1970年后，泥沙數(shù)學(xué)模型得到了發(fā)展并深化，一批學(xué)者針對淤積物密度、粗糙率、挾沙力、級配系數(shù)等參數(shù)對其進(jìn)行了完善并相繼提出了一維模型、二維模型、三維模型。但是由于三維模型尚處于理論階段未得到廣泛應(yīng)用，本文重點(diǎn)討論二維泥沙模型。

隨著我國三峽工程泥沙數(shù)學(xué)模型研究的深入，河道二維泥沙模型已經(jīng)可以解決河床演變問題、航道治理問題及水流問題等。結(jié)合一維不平衡問題和圣維南定理，先列出二維水流連續(xù)性方程［3］：

其中，Φi為第i組沖刷函數(shù)，ωi為分組沙沉降速度，αsk為飽和恢復(fù)系數(shù)，A為河道橫截面積，Q為流量，G為推移質(zhì)輸沙率，As為斷面沖淤面積，Z為水位，B為河寬，Sk為懸移質(zhì)分組含沙量，Si為水流挾沙能力。

衡量水庫發(fā)電效益的指標(biāo)為出力和發(fā)電量，對于水電站而言并不是所有季節(jié)的來水量都能保證最大出力，水庫的泥沙淤積問題將會導(dǎo)致水庫出力降低，并致使一些設(shè)備故障。水庫發(fā)電量的計算公式為：

其中，T為發(fā)電時間；Q為發(fā)電的流量；H為發(fā)電凈水頭；η為發(fā)電機(jī)效率；K為出力系數(shù)。

3 水庫泥沙淤積規(guī)律

水庫泥沙淤積主要是由于河流挾帶的泥沙堆積在水壩之間形成的。當(dāng)水流進(jìn)入水庫后，由于水面坡度降低和流速減小等原因，水流挾帶泥沙的能力減弱，另外由于修建水庫破壞了自然平衡，庫區(qū)河道將處于侵蝕狀態(tài)，這就導(dǎo)致了水庫的淤積。目前認(rèn)為水庫淤積形態(tài)主要有：三角洲形淤積、錐形淤積、帶狀淤積。三角洲形淤積出現(xiàn)在庫區(qū)水位變化較小，自然淤積占主導(dǎo)地位的水庫；錐形淤積出現(xiàn)在水流紊動強(qiáng)度較大，水流挾沙量較高的水庫；帶狀淤積出現(xiàn)在水庫水位波動較大，水流挾沙量較小的水庫。

在水庫回水末端，水流速度迅速降低，大粒徑的物質(zhì)首先在此沉積。沿著水流方向，懸移質(zhì)不斷發(fā)生沉積，終點(diǎn)為三角洲的頂點(diǎn)。水庫淤積周期很長，沉積距離也隨著時間不斷變化，一般認(rèn)為其沉積過程中有3個轉(zhuǎn)折點(diǎn)［4］：

1）第1個點(diǎn)為淤積體到達(dá)三角洲壩前或錐體淤積在壩前不再升高；

2）第2個點(diǎn)為河床較為穩(wěn)定，粗沙沉積完畢，細(xì)沙即將沉積；

3）第3個點(diǎn)為推移質(zhì)輸沙達(dá)到平衡狀態(tài)。

通過上述對水庫泥沙淤積過程分析可知，泥沙淤積的第一階段主要完成了三角洲的幾何塑形，這個階段對水庫利用影響很小。在這個階段中只要控制好三角洲的高程，讓其加速發(fā)展就能達(dá)到降低淤積的目的。主要手段為控制侵蝕的基準(zhǔn)面，降低汛限水位。

第二階段完成了水庫的造床，此階段水庫淤積數(shù)量不大，但是占用了水庫的庫容并抬高了回水區(qū)河床。此階段控制的重點(diǎn)是大洪水上灘時間，可利用可持續(xù)調(diào)度形成灘槽斷面，提供給洪水沖刷。

由于調(diào)節(jié)壩前水位對淤積的影響非常有限，因此減淤工作應(yīng)結(jié)合良好的水庫運(yùn)行方式，在初期就加以重視。

4 水庫可持續(xù)運(yùn)行模式

影響水庫泥沙淤積的主要因素有上游來水和水庫調(diào)度［5］。上游來水主要與流域水土保持有關(guān)，人為可控性較差，因此水庫可持續(xù)發(fā)展運(yùn)行主要依賴于水庫調(diào)度。目前，我國大型水庫都通過排渾蓄清的手段控制沉積，如葛洲壩水庫、丹江口水庫、向家壩水庫等。為了搞清楚水庫可持續(xù)運(yùn)行方式與水庫淤積發(fā)展規(guī)律間的關(guān)系，本節(jié)將討論汛限水位、汛后蓄水時間對淤積發(fā)展的影響。

汛限水位的確定依賴于水庫效益、發(fā)電、防洪等因素，向家壩是我國典型水庫，圖1給出了向家壩水庫在不同水位下，淤積量與運(yùn)行時間的關(guān)系。

圖1 向家壩淤積量與運(yùn)行時間的關(guān)系

由圖1可以看出，向家壩的水位從360m升高到370m，在運(yùn)行時間小于30年時，各個水位下的淤積量基本相近，但是整體成直線上漲趨勢。但隨著水庫運(yùn)行時間的增加，30年后出現(xiàn)了拐點(diǎn)，水庫淤積量基本平衡。水位越高淤積量差別越大，僅相差10m水位，淤積量竟相差10億m3。研究表明，汛限水位主要影響三角洲推進(jìn)速度、高度、尾部形狀，不同三角洲形態(tài)對回水有著重要影響，三角洲到達(dá)壩前越早淤積越少。

蓄水時間控制決定了高水位攔沙量的多少，向家壩的汛限水位是367m，正常蓄水位為380m，圖2給出了其總淤積量與運(yùn)行時間的關(guān)系。

由圖2可以看出，蓄水時間越晚總淤積量越早達(dá)到平衡，此時三角洲的推進(jìn)速度快，橫截面先出現(xiàn)堆積性淤積，主槽并未見明顯差別，但是高水位淤積下的灘面不同。因此，蓄水時間晚有利于使淤積盡早達(dá)到平衡，降淤效果好。

5 結(jié)語

圖2 總淤積量與時間的關(guān)系

表明水庫的淤積與水庫的運(yùn)行方式有著很大關(guān)系。我國早期修建水庫時，沒有考慮到排沙因素，從而導(dǎo)致了水庫的壽命較短?；诙S泥沙數(shù)學(xué)模型，列出了連續(xù)性方程、動量方程、泥沙輸運(yùn)方程、河床變形方程。隨后分析了水庫泥沙淤積規(guī)律，并給出3個拐點(diǎn)。最后從汛限水位、汛后蓄水時間兩方面分析其對淤積發(fā)展的影響，得出不同三角洲形態(tài)對回水有著重要影響，三角洲到達(dá)壩前越早淤積越少；蓄水時間晚有利于使淤積盡早達(dá)到平衡。希望這些結(jié)論能為今后的研究提供借鑒和幫助。

［1］錢雪梅.新疆克孜爾水庫泥沙淤積現(xiàn)狀及水庫排沙調(diào)度分析［J］.水利科技與經(jīng)濟(jì)，2013（02）：61-63.

［2］謝金明，吳保生，劉孝盈.水庫泥沙淤積管理綜述［J］.泥沙研究，2013（03）：71-80.

［3］謝金明.水庫泥沙淤積管理評價研究［D］.北京：清華大學(xué)，2012.

［4］童思陳，周建軍.水庫可持續(xù)利用初步探討［J］.水力發(fā)電學(xué)報，2006（01）：10-14.

［5］柴曉利.石佛寺水庫低水位蓄水帶來的泥沙淤積問題［J］.東北水利水電，2012（06）：66-67.堤防水下部分的各類監(jiān)測數(shù)據(jù)信息，并可以圖表等形式進(jìn)行資料統(tǒng)計、分析等管理。本系統(tǒng)將提供系統(tǒng)鏈接。

4.8 泵閘工程信息管理

系統(tǒng)平臺通過以太網(wǎng)（單模光纜）鏈接各泵站現(xiàn)地計算機(jī)、視頻監(jiān)視系統(tǒng)和各閘站現(xiàn)地視頻監(jiān)視系統(tǒng)，進(jìn)行實時數(shù)據(jù)和運(yùn)行狀態(tài)等的通信，系實現(xiàn)泵閘工程的“遙測、遙調(diào)、遙信、遙視”功能。

以下是某一泵站監(jiān)控界面實例如圖13所示。

圖13 某泵站監(jiān)控界面

4.9 辦公信息化管理

本系統(tǒng)將提供系統(tǒng)鏈接。

5 結(jié)語

蘭溪市河道堤防數(shù)字化管理控制系統(tǒng)平臺借助新一代的物聯(lián)網(wǎng)、決策分析優(yōu)化等信息技術(shù)，通過感知化、互聯(lián)化、智能化的方式，將河道資源中的物理基礎(chǔ)設(shè)施、信息基礎(chǔ)設(shè)施、社會基礎(chǔ)設(shè)施和商業(yè)基礎(chǔ)設(shè)施等連接起來，提高河道管理水平與服務(wù)效率，使之成為可以指揮決策、實時反應(yīng)、協(xié)調(diào)運(yùn)作的“智慧化系統(tǒng)”。

系統(tǒng)平臺實現(xiàn)了河道管理技術(shù)支撐手段的全面飛躍；引入先進(jìn)的管理理念，依托先進(jìn)的技術(shù)支撐手段，建成并完善河道日常管理與應(yīng)用兩大管理體系；依靠河道的智能化兩大服務(wù)體系與兩大管理體系在運(yùn)行中獲得的河道綜合信息，通過建立對信息的深度利用體系，為河道管理行政單位的規(guī)劃、指導(dǎo)、推進(jìn)工作提供強(qiáng)有力的信息保障。

目前，該項目已根據(jù)設(shè)計的各項要求基本完成調(diào)試，并將在今后蘭溪市河道堤防的實際管理運(yùn)行中不斷改進(jìn)完善，為蘭溪市錢塘江農(nóng)防加固工程的安全可靠提供技術(shù)保障。

參考文獻(xiàn)

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：1672-2469（2015）09-0071-03

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毛鳳蓮（1979年—），女，工程師。