基于Delft3D-FLOW模型的水庫(kù)泥沙沖淤特性分析

白生強(qiáng)

(新疆水利水電科學(xué)研究院，烏魯木齊 830049)

在河上修建水庫(kù)會(huì)導(dǎo)致自然河水的水壓因素發(fā)生變化，水位上升，水位超過庫(kù)區(qū)，水流速度減慢，河流的裹挾泥的沙能力比自然河流低，打破了自然環(huán)境系統(tǒng)下的平衡狀態(tài)，致使水庫(kù)內(nèi)的泥沙淤積堵塞，產(chǎn)生諸多問題。首先，水庫(kù)的沉淀物大部分或部分導(dǎo)致儲(chǔ)量損失，對(duì)水庫(kù)的調(diào)節(jié)能力有很大影響。其次，水庫(kù)在受到污染物沉降后，污染物存在于水庫(kù)中，難以排除，水庫(kù)不僅會(huì)受到污染物的侵蝕，而且破壞水庫(kù)的水質(zhì)。因此，建立模擬和分析庫(kù)區(qū)泥沙淤積的模型，通過對(duì)庫(kù)區(qū)泥沙運(yùn)移的數(shù)值模擬，提供各種沉積物沖淤變化的重要信息，包括沖淤位置、聚集量等。對(duì)于水庫(kù)的高效運(yùn)作下的管理以及為居民提供安全可靠的生活用水都具有重要作用[1]。

1 水庫(kù)概況

猛進(jìn)水庫(kù)的地勢(shì)呈現(xiàn)出南邊高北邊低。圖屯河、老龍河與烏魯木齊河三江并行流，均位于猛進(jìn)水庫(kù)上游，發(fā)源于天山北岸，天山雪融水降雨徑流而形成，坡度為7.0‰-7.5‰。這三大水系是調(diào)節(jié)灌區(qū)地表水的主要水源，全區(qū)地表水總量為12.64萬(wàn)m3。地表水的補(bǔ)給來源于水庫(kù)。因此，水庫(kù)的入水量與儲(chǔ)存水量，對(duì)于城市的農(nóng)業(yè)用水有較大的影響。猛進(jìn)水庫(kù)中的水源主要從青蓋達(dá)水源地直接抽水而來，每年的抽蓄水量為6396億m3。猛進(jìn)水庫(kù)灌溉防洪任務(wù)重大，空庫(kù)不具備疏浚條件。目前疏浚是恢復(fù)水庫(kù)蓄水量的有效措施。烏魯木齊烏拉布水庫(kù)實(shí)施疏浚工程，疏浚效果顯著，也是一個(gè)不錯(cuò)的例子。

2 模型建立

2.1 模型原理及計(jì)算方法

流體力學(xué)模型要遵守基本的物理學(xué)定律，比如流體在流動(dòng)中能量是守恒的、質(zhì)量是守恒的。流體流動(dòng)的基本特征可以由連續(xù)方程和動(dòng)量方程和能量守恒方程表示。但是，利用這三個(gè)保守方程很難得到大的時(shí)空規(guī)模數(shù)值解法。因此，簡(jiǎn)化地表水模型中的原始方程式，用來解決現(xiàn)實(shí)中遇到的實(shí)際問題。其中反映淺水面近似的方程需要用到靜壓假設(shè)和Boussinesq假設(shè)[2]。“淺水”指的是水體深度較淺，水流視為一層，可以將淺水問題近似看作二維平面流動(dòng)問題。Delft的流功能有數(shù)值計(jì)算方法(有限差分法)，基本思想是在時(shí)間空域區(qū)分時(shí)空階段。網(wǎng)絡(luò)可能是均勻的或不均勻的?？梢杂脕泶孢B續(xù)域的無限時(shí)空連續(xù)函數(shù)，如果未分配的格式不同，則可以用它來代替微商，以獲得誤差。差異下降的基本問題是適宜性、兼容性、收斂性、可靠性，是解決數(shù)值解決方案時(shí)需要考慮的問題。結(jié)果表明Delft分布方法對(duì)應(yīng)于原始方程，部分使用該方法計(jì)算仿真構(gòu)造模型，該方法在求解方程有很大優(yōu)勢(shì)，并且在其他模型中得到廣泛應(yīng)用。

2.2 參數(shù)確定

猛進(jìn)水庫(kù)地區(qū)的地形較為復(fù)雜，必須用Delft軟件進(jìn)行預(yù)處理，根據(jù)自然河的粗糙度，建立不同的粗糙度，泥沙的相對(duì)平靜的河床的粗糙度為0.02-0.024，雜草稀少或作物短的河床的粗糙度為0.03-0.05。庫(kù)區(qū)南部雜草太多，曼寧縣圖為0.032，面積約為10.1km2，其余為0.022。

猛進(jìn)水庫(kù)沉積物主要使用淤泥、淤泥和現(xiàn)在0.075mm的沉積物粒度來計(jì)算。沉淀層厚度設(shè)定為5m，計(jì)算時(shí)間設(shè)定為2007/12/21-2009/1/1。月、年平均含沙量統(tǒng)計(jì)表，見表1。沉積物濃度由表1設(shè)置。

表1 月、年平均含沙量統(tǒng)計(jì)表

在該模型中采用了希爾斯曲線的測(cè)定方法[3]。因此，剪切流速的臨界粒徑為為0.071mm的時(shí)候，臨界起始剪切流速為0.017m/s。2008年每月中旬在庫(kù)區(qū)域選擇較大的剪切力和摩擦流量，各個(gè)月中旬庫(kù)區(qū)剪切力和摩阻流速，見表2。

表2 各個(gè)月中旬庫(kù)區(qū)剪切力和摩阻流速

2.3 邊界條件

猛進(jìn)水庫(kù)計(jì)算庫(kù)區(qū)面積為17.05km2，水庫(kù)分別在7個(gè)入口安裝了圖騰江區(qū)間1166m、和平運(yùn)河1503m、舊干線區(qū)間1317m、長(zhǎng)邊界區(qū)間1145m、高架湖區(qū)間1000m、黑建交1074m和路龍區(qū)間1075m。位于庫(kù)末端的2個(gè)出口；可選時(shí)間流設(shè)置已知數(shù)據(jù)；可選邊界滑移條件。

2.4 網(wǎng)格設(shè)置

在軟件中將坐標(biāo)系設(shè)定為投影坐標(biāo)系；計(jì)算層數(shù)設(shè)置為1層。坐標(biāo)系內(nèi)的XY軸的軸間距均為30m。時(shí)間間隔為1min，實(shí)際的計(jì)算時(shí)間依據(jù)模擬的時(shí)間來定，基于以上的設(shè)定參數(shù)，形成地形基本情況，地形網(wǎng)格圖，見圖1。

圖1 地形網(wǎng)格圖

3 模擬結(jié)果

3.1 夏洪模擬

1996年夏天，洪水的模擬采用水位容量曲線來設(shè)定初始水位，初始邊界條件的設(shè)定基于猛進(jìn)水庫(kù)的基礎(chǔ)資料。從汛期開始，庫(kù)區(qū)發(fā)生沖淤變化，根據(jù)洪水時(shí)期逐漸成型。在1996年爆發(fā)大規(guī)模洪水的作用下，庫(kù)區(qū)的地形條件會(huì)較大程度上影響庫(kù)區(qū)的沖淤變化。庫(kù)區(qū)地形坡度減少，導(dǎo)致水庫(kù)有效儲(chǔ)存容量比其他地區(qū)更容易發(fā)生沖刷和淤泥。庫(kù)區(qū)沖淤基本形式分為庫(kù)區(qū)中西北入口區(qū)。從18日開始，水深逐漸加深，水分成兩股，到庫(kù)區(qū)西北部，另一股到庫(kù)區(qū)中部，最大流速達(dá)1m/s。當(dāng)水流深度持續(xù)增大，庫(kù)區(qū)整體被水流淹沒的區(qū)域也持續(xù)變大，淹沒區(qū)域逐漸向西部過度，最大流速覆蓋面積相應(yīng)的也隨之減少。當(dāng)水流速度變化時(shí)，庫(kù)區(qū)的淤泥也會(huì)隨之變化，且幅度較大。18和19日庫(kù)區(qū)水流速度變化大的區(qū)域，淤泥變化也較大，庫(kù)區(qū)淤泥的最大濃度達(dá)到了2.7kg/m3。而庫(kù)區(qū)西南部整個(gè)區(qū)域的變化速度沒有明顯減慢，沖刷和浸水作用加強(qiáng)。西南方向的沖淤程度出現(xiàn)變淺的趨勢(shì)。猛進(jìn)水庫(kù)沖刷深度的最大值出現(xiàn)在水庫(kù)的中部(沖淤深度0.5m)，西北部(沖淤深度0.5m)和西南方水庫(kù)入口附近(沖淤深度0.8m)，沉積速度越快的地區(qū)沉積淤泥濃度也就越高，兩者之間呈正比[3]。20日，水深繼續(xù)移動(dòng)到水庫(kù)西南部，鐘流量達(dá)到162.37m3/s，但庫(kù)區(qū)流場(chǎng)入口和水深未完全覆蓋的區(qū)域以外的區(qū)域的流速?gòu)?1日開始，較大的流速范圍僅出現(xiàn)在水庫(kù)西南部流速入口附近的區(qū)域，而沉積物濃度僅在該區(qū)域呈現(xiàn)較小的分布。到7月28日，速度流場(chǎng)返回水庫(kù)西南面較小的區(qū)域，最大流速僅為0.5m/s，水庫(kù)區(qū)域沖淤水平加深，水庫(kù)內(nèi)沉積物濃度基本為0kg/m3。庫(kù)區(qū)地形沖淤變化圖，庫(kù)區(qū)泥沙濃度變化，見圖3；庫(kù)區(qū)流速變化圖，見圖4；泥沙淤積圖，見圖5。

圖2 庫(kù)區(qū)地形沖淤變化圖

圖3 庫(kù)區(qū)泥沙濃度變化

圖4 庫(kù)區(qū)流速變化圖

圖5 泥沙淤積

如上所述，隨著水深朝著水庫(kù)入口前進(jìn)，速度流場(chǎng)向同一個(gè)方向后退，水庫(kù)區(qū)域的沖淤形式基本上沒有明顯變化。庫(kù)區(qū)基本沖淤形式與洪水發(fā)生早期階段非常相關(guān)，在洪水產(chǎn)生的初期，洪水流量需要足夠大。洪水結(jié)束后，沖淤形態(tài)固定，水深增大的速度變高，猛進(jìn)水庫(kù)的地形的變化情況與洪水的流量相關(guān)性較低[4]。

3.2 春洪模擬

根據(jù)孟進(jìn)水庫(kù)的平均每月水位，1959年春季洪水期的最初水位為486.96m，洪水持續(xù)21d。模擬結(jié)果顯示，頭屯河入口地區(qū)的河道上的泥沙沖淤與堆積變化較為明顯，呈現(xiàn)出點(diǎn)狀排列形式，但是總面積較低。整體沖淤結(jié)果出現(xiàn)在水庫(kù)南面流入口附近，在爆發(fā)洪水的時(shí)候，該地區(qū)的淤積形狀大致相同。庫(kù)區(qū)其他區(qū)域的沖淤形狀變化較小，幾乎可以忽略不計(jì)。庫(kù)區(qū)地形沖淤變化，見圖6。

通過水庫(kù)的水位分析可以得出，水庫(kù)達(dá)到了滿載的狀態(tài)。1996年夏洪可以看出，水位也會(huì)對(duì)庫(kù)區(qū)沖淤形態(tài)的變化產(chǎn)生重大影響。這是一項(xiàng)造床運(yùn)動(dòng)，可影響庫(kù)區(qū)沖淤變化的地區(qū)較少，只有圖屯河入口附近不能按時(shí)位于流動(dòng)區(qū)域，從而形成流動(dòng)場(chǎng)。最大沖刷深度為0.45m，最大沖淤厚度為0.31m。洪水前的最大流速在去年4月3日頭屯河?xùn)|部發(fā)生了相對(duì)較大的湍流，流速達(dá)到1.3m/s。而此時(shí)，庫(kù)區(qū)的沉積泥沙含量最高的區(qū)域也在該區(qū)，但沉積泥沙的形態(tài)與庫(kù)區(qū)沖淤形態(tài)卻不相同。庫(kù)區(qū)流速變化和庫(kù)區(qū)泥沙濃度，見圖7-8。沉積物濃度在和平運(yùn)河?xùn)|部最大，分布大致與沖淤形態(tài)相同，但形態(tài)有顯著差異。向東方繼續(xù)擴(kuò)散，到0.55kg/m3為止，各種形式的變化都在同一個(gè)位置。

圖6 庫(kù)區(qū)地形沖淤變化

圖7 庫(kù)區(qū)流速變化

圖8 庫(kù)區(qū)泥沙濃度

4 結(jié) 論

文章利用Delft3D-FLOW模塊模擬分析猛進(jìn)水庫(kù)在與期望值相對(duì)應(yīng)的其他條件下的水沙變化情況。在發(fā)生極端洪水情況下，可以了解水流狀況和泥沙淤積的狀況。通過模擬可知，1996年發(fā)生洪水時(shí)，爆發(fā)的的前3d是水庫(kù)地區(qū)地表形態(tài)演化最快速的時(shí)期，沖淤的基礎(chǔ)形態(tài)在這個(gè)演化過程中形成。而在過后的幾天內(nèi)，泥沙的沖淤現(xiàn)象越發(fā)強(qiáng)烈。庫(kù)區(qū)整體地形演化分為庫(kù)區(qū)中西北流入?yún)^(qū)三大部分。地形的快速演變要求初始水深淺而急劇擴(kuò)大，如果水深基本上復(fù)蓋了主要沖刷和沉降區(qū)域，儲(chǔ)層區(qū)域的整體地形變化趨于穩(wěn)定，區(qū)域地形隨著該區(qū)域流場(chǎng)的變化而發(fā)生相應(yīng)的變化。