湯浦水庫(kù)泥沙沖淤分布數(shù)值模擬

王 敏，程 文，施練東，黃 晶，閔 亮，鄭建剛

(1. 西安理工大學(xué)西北旱區(qū)生態(tài)水利工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室培育基地，陜西西安 710048; 2. 紹興市湯浦水庫(kù)有限公司，浙江上虞 312364； 3. 長(zhǎng)慶油田公司第七采油廠，陜西延安 716000； 4. 長(zhǎng)慶油田分公司超低滲透油藏第一項(xiàng)目部，陜西西安 710000)

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湯浦水庫(kù)泥沙沖淤分布數(shù)值模擬

王 敏1，程 文1，施練東2，黃 晶1，閔 亮3，鄭建剛4

(1. 西安理工大學(xué)西北旱區(qū)生態(tài)水利工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室培育基地，陜西西安 710048; 2. 紹興市湯浦水庫(kù)有限公司，浙江上虞 312364； 3. 長(zhǎng)慶油田公司第七采油廠，陜西延安 716000； 4. 長(zhǎng)慶油田分公司超低滲透油藏第一項(xiàng)目部，陜西西安 710000)

泥沙淤積不僅影響水庫(kù)庫(kù)容，其中大量污染物還會(huì)影響水庫(kù)水質(zhì)。運(yùn)用MIKE21軟件對(duì)湯浦水庫(kù)泥沙分布進(jìn)行模擬研究。結(jié)果表明：泥沙在庫(kù)區(qū)分布不均，河流入庫(kù)位置淤積較少，局部甚至有沖刷；庫(kù)區(qū)中部是泥沙淤積主要地帶，模擬最大淤積厚度約30 cm；壩前位置淤積最小，厚度約為12 cm。模擬結(jié)果與沉積物淤積厚度采樣結(jié)果一致，說(shuō)明該模型能合理模擬湯浦水庫(kù)沉積物分布狀況。模型提供的沉積物分布狀況對(duì)控制湯浦水庫(kù)內(nèi)源污染有一定參考價(jià)值。

水庫(kù)； 沉積物； 泥沙分布； 污染防治； 數(shù)值模擬

據(jù)統(tǒng)計(jì)，迄今為止我國(guó)共建成庫(kù)容10萬(wàn)m3以上水庫(kù)98 002座，總庫(kù)容9 323.12億m3[1]。水庫(kù)蓄水后，由于過(guò)水?dāng)嗝嬖黾?，水流速度降低，挾沙能力隨之降低，入庫(kù)泥沙逐步在庫(kù)區(qū)沉積，使庫(kù)容不斷減小[2]。此外，近年來(lái)研究發(fā)現(xiàn)水庫(kù)(湖泊)的污染日趨嚴(yán)重。2013年全國(guó)重點(diǎn)湖泊與水庫(kù)中水質(zhì)為優(yōu)良、輕度污染、中度污染和重度污染的國(guó)控重點(diǎn)湖泊(水庫(kù))比例分別為60.7%,26.2%,1.6%和11.5%[3]。有研究表明湖泊、水庫(kù)中存在的大量泥沙(沉積物)往往含有氮、磷及金屬等污染物，這些污染物在水-沉積物界面具有存儲(chǔ)和傳輸功能，在適當(dāng)條件下底部沉積物成為污染物的來(lái)源，造成水體的二次污染[4]。本文采用MIKE21軟件，對(duì)作為水源地的湯浦水庫(kù)的泥沙分布狀況進(jìn)行模擬研究，確定庫(kù)區(qū)主要淤積地帶，為水庫(kù)管理和內(nèi)源污染控制提供依據(jù)。

圖1 湯浦水庫(kù)及采樣點(diǎn)Fig.1 Shape and sampling sites of Tangpu reservoir

1 研究區(qū)域概況

湯浦水庫(kù)建成于2002年，是紹興平原專有供水水庫(kù)，位于浙江上虞市湯浦鎮(zhèn)南，曹娥江支流小舜江上，是典型的河道型水庫(kù)。雙江溪、王化溪和萬(wàn)寶溪3條河流入庫(kù)，其中雙江溪年入庫(kù)流量占總流量的75%以上，王化溪約占20%，萬(wàn)寶溪流量最小，約占5%。水庫(kù)流域面積460 km2，水面面積14 km2，總庫(kù)容2.35億m3，設(shè)計(jì)日供水規(guī)模達(dá)100萬(wàn)t，水庫(kù)庫(kù)形見(jiàn)圖1。水庫(kù)流域地處會(huì)稽山脈東南部，屬浙東低山丘陵區(qū)，北亞熱帶南緣。全年溫暖濕潤(rùn)，多年平均氣溫16.5 ℃，流域多年平均降水量1 564.4 mm，多年平均流量11.6 m3/s。

2 模型的建立

2.1 理論基礎(chǔ)

本次研究只采用MIKE 21中的水動(dòng)力(HD)和泥沙傳輸(MT和ST)模塊。水動(dòng)力模塊的控制方程由質(zhì)量守恒方程及沿垂向積分的動(dòng)量守恒方程組成[5-7]。模型采用交替方向隱式(ADI)技術(shù)對(duì)質(zhì)量守恒方程及動(dòng)量方程分別進(jìn)行時(shí)空上的積分。每個(gè)方向及每個(gè)單獨(dú)網(wǎng)格線產(chǎn)生的方程矩陣采用雙掃描法(Double Sweep)求解。MT模塊(黏性泥沙模塊)結(jié)合了水動(dòng)力模型(HD)和對(duì)流擴(kuò)散模型(AD模型)。水動(dòng)力模型計(jì)算水流和紊流擴(kuò)散，對(duì)流擴(kuò)散模型計(jì)算輸運(yùn)過(guò)程，輸沙模型計(jì)算河床的沖淤過(guò)程。

對(duì)流擴(kuò)散模型(AD)中，懸移質(zhì)的對(duì)流擴(kuò)散方程[9-10]為：

2.2 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)及地形資料

2.2.1 水文、泥沙及邊界條件 水文資料由湯浦水庫(kù)管理部門(mén)提供，主要有逐日入庫(kù)流量、出庫(kù)流量及水位等。入庫(kù)流量主要為雙江溪、王化溪和萬(wàn)寶溪來(lái)水，考慮到萬(wàn)寶溪流量較小，為簡(jiǎn)化模型將萬(wàn)寶溪流量歸入王化溪。以雙江溪入庫(kù)流量作為入口端邊界條件。出口邊界設(shè)為取水口和泄洪口。出庫(kù)流量為每天紹興方向取水量。泥沙資料采用雙江溪水文站實(shí)測(cè)資料，該站已有36年懸移質(zhì)泥沙觀測(cè)資料(1957—1968年和1970—1993年)。該站多年平均懸移質(zhì)含沙量0.348 kg/ m3，推移質(zhì)按懸移質(zhì)含沙量的20%計(jì)算，則總的含沙量為0.418 kg/ m3，泥沙粒徑小于3 μm，3～12 μm，12～31 μm，31～62 μm，62～125 μm，大于125 μm所占的比例分別為：17%，12.6%，21.2%，32.2%，16.1%和0.9%。

2.2.2 地形資料 對(duì)湯浦水庫(kù)建庫(kù)前庫(kù)區(qū)地形圖(1∶5 000)進(jìn)行數(shù)字化處理，得到軟件要求的地形數(shù)據(jù)圖。根據(jù)建庫(kù)前紙質(zhì)庫(kù)區(qū)地形圖信息，庫(kù)區(qū)分布有280多個(gè)勘測(cè)樁號(hào)點(diǎn)的坐標(biāo)和高程數(shù)據(jù)。由于已知的庫(kù)區(qū)勘測(cè)散點(diǎn)數(shù)據(jù)較少，為得到足夠詳細(xì)的庫(kù)區(qū)原始地形數(shù)據(jù)，本研究中根據(jù)已知散點(diǎn)高程數(shù)據(jù)，在庫(kù)區(qū)底部增加高程數(shù)據(jù)信息，再采用克里克插值法，生成相對(duì)詳細(xì)的庫(kù)區(qū)高程數(shù)據(jù)資料，最后將散點(diǎn)圖和邊界圖的數(shù)據(jù)文件導(dǎo)入MIKEZERO，利用軟件自帶的插值工具進(jìn)行插值，生成需要的非結(jié)構(gòu)地形文件。單位網(wǎng)格面積控制在200～600 m2，對(duì)河流入庫(kù)位置、淺水區(qū)及地形復(fù)雜區(qū)域網(wǎng)格進(jìn)行加密，壩前深水區(qū)網(wǎng)格劃分相對(duì)較疏，整個(gè)庫(kù)區(qū)共劃分為51 721個(gè)網(wǎng)格。

2.3 模型率定與驗(yàn)證

建好庫(kù)區(qū)地形非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格并加載地形數(shù)據(jù)，建立非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格流場(chǎng)模型，然后在模型中分別設(shè)置水動(dòng)力模型和泥沙輸運(yùn)模型的相關(guān)參數(shù)。利用2004—2006年日測(cè)水位數(shù)據(jù)率定水動(dòng)力模塊，2007—2008年實(shí)測(cè)水位驗(yàn)證各模型參數(shù)。

根據(jù)懸移質(zhì)實(shí)測(cè)值與模擬值，調(diào)整泥沙模塊各參數(shù)直到滿足計(jì)算要求。驗(yàn)證結(jié)果表明模型各參數(shù)基本合理，最終確定的各項(xiàng)參數(shù)為：曼寧系數(shù)32 m1/3/s，渦黏系數(shù)為0.25，干水深hd=0.005 m，淹沒(méi)水深hf=0.05，濕水深hw=0.1 m，最小和最大時(shí)間步長(zhǎng)為0.01 s和60 s，每2天輸出一次結(jié)果。參數(shù)設(shè)置完成后，加載湯浦水庫(kù)2002—2014年數(shù)據(jù)資料，對(duì)泥沙分布進(jìn)行數(shù)值模擬。

圖2 湯浦水庫(kù)泥沙淤積模擬分布Fig.2 Numerically simulated distribution of sediment deposition in Tangpu reservoir

3 結(jié)果分析

3.1 模擬結(jié)果分析

從湯浦水庫(kù)泥沙淤積模擬(圖2)可以看出，該水庫(kù)自2002年運(yùn)行至2014年，其泥沙分布大致分為3部分。第1部分為A′-A段，主要包括從雙江溪入庫(kù)開(kāi)始到王化溪入庫(kù)段，泥沙淤積平均厚度小于10 cm。A′-A段為水庫(kù)變動(dòng)回水區(qū)，因此有沖有淤。非汛期時(shí)水庫(kù)高水位運(yùn)行，導(dǎo)致該段泥沙淤積；水庫(kù)度汛期間，庫(kù)區(qū)水位消落，導(dǎo)致變動(dòng)回水區(qū)水面比降增加，水體挾沙能力增強(qiáng)，引起該段河床沖刷，前期淤積泥沙被攜帶入庫(kù)區(qū)中部。第2部分A-B段為湯浦水庫(kù)常年回水區(qū)上段，是泥沙淤積主要地帶，淤積厚度相對(duì)均勻，約18 cm。該段水深增加，水面開(kāi)闊，流速降低，水體挾沙在此迅速沉積，此外該段河道較彎曲，會(huì)形成一些緩沖區(qū)域，更有利于泥沙沉積，故此段是泥沙沉積主要地帶。第3部分B-B′段為近壩段，該段泥沙淤積相對(duì)較少，厚度約12 cm。該段水深大，流速慢，水體含沙量很小，一般只有極細(xì)的懸移質(zhì)泥沙以靜水沉降等方式均勻淤積。由此可見(jiàn)，B-B′段以及整個(gè)庫(kù)區(qū)尚未達(dá)到或接近泥沙沖淤平衡，淤積前緣可能在A-B段尾部靠近壩前一端。

3.2 特征斷面淤積分析

為了更準(zhǔn)確了解水庫(kù)不同位置典型斷面的淤積狀況，在湯浦水庫(kù)入庫(kù)、庫(kù)中及壩前位置選取3個(gè)斷面，分別是1-1′斷面、2-2′斷面和3-3′斷面(圖2)。對(duì)各斷面高程變化和逐年淤積加以分析，見(jiàn)圖3。

圖3 湯浦水庫(kù)3個(gè)斷面高程變化和泥沙淤積Fig.3 Sediment deposition along three sections in Tangpu reservoir

由圖2可見(jiàn)，1-1′斷面形狀為不規(guī)則“V”字型，左岸坡度較緩，右岸坡度大，斷面最低點(diǎn)靠近右岸，該斷面從2002—2014年總的淤積厚度不明顯，斷面高程沒(méi)有明顯變化。此外，從斷面逐年淤積狀況可以看出，泥沙淤積逐漸增加，主要在中間地帶，最大淤積厚度達(dá)12.8 cm，淤積厚度由中間向兩側(cè)岸邊逐步減少，右岸一側(cè)2014年的淤積厚度小于2006年淤積厚度，說(shuō)明右岸可能存在一定程度的沖刷。2-2′斷面形狀為不規(guī)則碗狀，斷面位置在湯浦水庫(kù)中部，位于庫(kù)區(qū)淤積較多地帶，從2002年到2014年，斷面最大淤積厚度近20 cm，集中在斷面中部?jī)蓚€(gè)凹槽之間，左岸淤積較多，右岸淤積變化不大。位于壩前位置的3-3′斷面左岸坡度較大，右岸坡度小。該斷面最大淤積厚度超過(guò)16 cm，右岸淤積大于左岸，由于斷面底部地勢(shì)相對(duì)較小，故淤積分布相對(duì)均勻。

圖4 各采樣點(diǎn)沉積物采樣厚度Fig.4 Sampling depth of each sampling site

3.3 淤積厚度實(shí)測(cè)結(jié)果分析

為進(jìn)一步驗(yàn)證模型計(jì)算結(jié)果，本研究根據(jù)水庫(kù)地形，水流條件等在湯浦水庫(kù)從入庫(kù)到壩前共選取10個(gè)采樣點(diǎn)(圖1所示)，分別采集柱狀沉積物樣品，每個(gè)采樣點(diǎn)采集3次。各采樣點(diǎn)底泥厚度如圖4所示。從圖4可見(jiàn)，底泥樣品存在明顯分層。表層為黑色淤泥，密度小，顆粒構(gòu)成細(xì)，含水量很高，帶有臭味；往下層顏色逐步變?yōu)榍嗌蛘呋疑?，含水量降低，顆粒變粗；再往下層往往出現(xiàn)黃色沙粒或者沙粒和黃泥的混合物；底泥最下層有時(shí)會(huì)有緊密而細(xì)膩的黃泥層或者緊密的小塊碎石。湯浦水庫(kù)建庫(kù)前，河道狹窄，河道兩岸大多為耕地、居民點(diǎn)和山地，土壤類型比較復(fù)雜，結(jié)合以前地圖及調(diào)研資料對(duì)本次底泥樣品加以分析，綜合判斷水庫(kù)建成后淤積的起點(diǎn)暨各采樣點(diǎn)的淤積厚度。認(rèn)為黃色泥、沙混合段是淤積部分與原狀土的分界段，黃泥層以上為淤積部分；緊密碎石層以上也認(rèn)為是淤積部分；根植土和耕作層土之上也為淤積部分。

根據(jù)采樣厚度，用SURFER軟件繪制湯浦水庫(kù)底泥采樣厚度分布?？梢钥闯?，湯浦水庫(kù)底泥實(shí)際厚度表現(xiàn)出“中間大，兩頭小”的特點(diǎn)。底泥最厚的位置出現(xiàn)在水庫(kù)中部，厚度超過(guò)35 cm，集中在I，F(xiàn)，C和J采樣點(diǎn)附近。該段水面較入庫(kù)開(kāi)闊，且地形復(fù)雜，有連續(xù)彎道，其水力條件更有利于泥沙沉積。壩前位置沉積物采樣厚度較小，兩個(gè)采樣點(diǎn)淤積厚度都小于10 cm，這比模型計(jì)算的淤積厚度小，可能存在的原因是：壩前沉積物一般都是細(xì)小的松散沉積物，在用柱狀采集器采樣時(shí)會(huì)對(duì)這些沉積物產(chǎn)生壓實(shí)效果，因此其實(shí)測(cè)的淤積厚度會(huì)相對(duì)偏小。

4 結(jié) 語(yǔ)

MIKE21模型經(jīng)過(guò)參數(shù)調(diào)整以后，可以合理模擬湯浦水庫(kù)的泥沙分布狀況。模擬結(jié)果表明，湯浦水庫(kù)泥沙等沉積物在庫(kù)區(qū)底部分布不均。河流入庫(kù)位置淤積較少，局部有沖刷；庫(kù)區(qū)中部是泥沙淤積主要地帶，模擬最大淤積厚度約30 cm；壩前位置淤積最小，厚度一般在12 cm左右。模擬結(jié)果與泥沙淤積厚度采樣分析結(jié)果基本一致。采樣顯示，湯浦水庫(kù)泥沙分布從入庫(kù)到庫(kù)區(qū)中部逐漸增加，庫(kù)區(qū)中部是主要淤積地帶，由庫(kù)中向壩前，淤積厚度逐步減小。本研究結(jié)果首次揭示了湯浦水庫(kù)的泥沙淤積分布狀況，可為水庫(kù)管理部門(mén)在水庫(kù)安全評(píng)估和內(nèi)源污染防治方面提供科學(xué)依據(jù)。

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Numerical simulation of sediment scouring-silting distribution in Tangpu reservoir

WANG Min1， CHENG Wen1， SHI Lian-dong2， HUANG Jing1， MIN Liang3， ZHENG Jian-Gang4

(1.StateKeyLaboratoryBaseofEco-HydraulicEngineeringinAridArea,Xi’anUniversityofTechnology，Xi’an710048，China； 2.ShaoxingTangpuReservoirCo.，Ltd.，Shangyu312364，China; 3.TheSeventhOilProductionPlantofChangqingQilfieldCompany,Yan’an716000,China; 4.The1stUltra-lowPermeabilityReservoirProjectDepartmentofChangqingOilfieldCompany,Xi’an710000,China)

Sediment deposition not only occupies the storage capacity, but also releases pollutants into the water body. In this study, the sediment distribution in the Tangpu reservoir has been investigated based on MIKE 21 software. The research results show that the sediment distribution is uneven in the reservoir. At the zone of the reservoir entrance, sediment deposition is not severe, and sediment erosion even occurs at sone places. In the centre of the reservoir there is significant sediments deposition, and the maximum simulated thickness of sediment deposition is about 30 cm, and the minimum thickness is about 12 cm, which is close to that of the dam front. Sediment sampling results are consistent with the simulation results. It means that the model can be used to simulate the sediment distribution along the Tangpu reservoir reasonably. The simulation results have some reference values for the control of internal source pollution in the Tangpu reservoir.

reservoir; sediments; sediment distribution; pollution prevention and control; numerical simulation

10.16198/j.cnki.1009-640X.2015.06.016

王敏， 程文， 施練東， 等. 湯浦水庫(kù)泥沙沖淤分布數(shù)值模擬[J]. 水利水運(yùn)工程學(xué)報(bào), 2015(6): 107-111. (WANG Min, CHENG Wen, SHI Lian-dong, et al. Numerical simulation of sediment scouring-silting distribution in Tangpu reservoir[J]. Hydro-Science and Engineering, 2015(6): 107-111.)

2015-03-02

王 敏(1984—)，男，陜西寶雞人，博士研究生，主要從事水污染處理與生態(tài)修復(fù)研究。 E-mail：271781310@qq.com 通信作者:程文(E-mail:wencheng@xaut.edu.cn)

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1009-640X(2015)06-0107-05