水庫泥沙淤積的二維數(shù)值模擬計算分析探究

陳 懇

(深圳市廣匯源環(huán)境水務(wù)有限公司，廣東 深圳 518000)

1 案例水庫基本情況簡介

某水庫是省供水工程的重點(diǎn)水量蓄調(diào)設(shè)施，庫壩以上流域控制面積15 km2，蓄水線常規(guī)設(shè)計1 249.50 m，一期設(shè)計調(diào)節(jié)庫容1 200×104m3，總庫容2 053×104m3。核校洪水位1 249.90 m，洪水位設(shè)計1 249.60 m，淤積高度設(shè)計1 243.40 m。

1.1 水庫出入口水量

2010-2017年間的各年總輸水時間及月均輸水時間分布狀態(tài)與總輸水月均18日相比，略高于或者低于總月均輸水時間均值的是3、4、7、9和10月份，其中尤以1、2和12月份的時間為較短，高于總月均輸水時間均值的是5、6、8和11月份，其中尤以6月份的時間為最長。年總輸水時間的折線圖態(tài)勢顯示，年總輸水時間相對較短的年份是2010年，2011-2016年間的本項數(shù)據(jù)呈穩(wěn)定緩慢升高態(tài)勢，波動差異相對較小。

月均入流水量跟月均輸水時間呈正相關(guān)狀態(tài)，月均入流量最少的月份是2月份，最多的月份是6月份，比總月均入流量低的是3、4和9月份，比總月均入流量高的是5、6、8和11月份。從多年月均庫水出流量分析，月均最小庫水出流量是2月份,月均最大庫水出流量在7月份。月均庫水出流量均小于810×104m3的是1、2、3、和12月份，月均庫水出流量均大于1 100×104m3的是5、6、7、和8月份，表明冬春時節(jié)取用水較少，夏秋時節(jié)是高峰取用水月份。

總輸水時間最長是2016年，年總?cè)肓髁考s是13 936.94×104m3；總輸水時間最低是2010年，年總?cè)肓髁考s是6 514.7×104m3，約為2016年的1/2。年總?cè)肓髁吭?010-2016年間呈穩(wěn)定緩慢遞增態(tài)勢，年均入流量約為11 580.7×104m3。各年總庫水出流量均值10 774.7×104m3,2010年的年總用水量最小，約為6 063.1×104m3,年總用水量2011-2015年間呈現(xiàn)穩(wěn)定緩慢加大態(tài)勢，年總用水量最大在2015年，約為13 398.5×104m3。

平均用水高于輸水在7及10月份，并且相差較大的是7月份；平均用水小于輸水的是3、5、6、8和11月份；出水小于輸水或是持平是1、2、4、9和12月份。2010-2017年7月末的年總庫水出流量低于入流量，表明雖然7月份用水高于輸水，但就年度總體來說，缺量在其他月份可以獲得較好補(bǔ)足。

1.2 水庫出入口泥沙

月均泥沙構(gòu)成量在12月份至來年4月份時段相對較小，一般都小于1.0 kg/m3，其中最小的在2月份，約為0.38 kg/m3。每年5-11月份輸沙量相對集中，往往都在8月份形成高量極值，其月均泥沙構(gòu)成量到達(dá)3.4 kg/m3；而其他6個月的構(gòu)成量均不超過1.28 kg/m3，與1.11 kg/m3總月均泥沙構(gòu)成量值較為趨近。

每年多在5-11月份的夏秋季集中來沙，8月份發(fā)生來沙高量極值。12月份至來年4月份的冬春季節(jié)月輸沙量相對較小，且多小于0.5×104t，小于各年平均輸沙量。各月份間差別不大。多年均輸沙量是14.72×104t。年輸沙量最低的是2010年，約為8.8×104t；年輸沙量的最高是2016年，約為24.32×104t，并且高輸沙量多集中于8、11和12月份。2011-2015整個時段的增量不明顯，累計期間泥沙入庫量約132.4×104t。

2 水庫水沙計算二維模型的建立

2.1 幾何模型

本研究地形處理選用Arcgis技術(shù)，借助地形資料形成原始幾何地形圖，之后向水工數(shù)理模擬系統(tǒng)MIKE21HM導(dǎo)入，創(chuàng)建數(shù)理模擬計算網(wǎng)絡(luò)模型。提取水深點(diǎn)，繪制模型邊界，插值形成地形，借助MIKE21FM形成計算模型。由Arcgis先期形成的原始幾何地形圖，為保證計算穩(wěn)定性和增強(qiáng)計算效率性，特對原始幾何地形模型給與概化處理，得到概化幾何模型圖。

2.2 網(wǎng)絡(luò)模型

探究庫區(qū)泥沙淤積的模擬計算方式是本次計算研究的主要目的，也是為了增強(qiáng)計算可靠度及精密程度，所以對入水口周邊的網(wǎng)絡(luò)模型實(shí)施加密劃分。因為泥沙構(gòu)成量、流動速率和梯度演變均較小，當(dāng)然也是為了增強(qiáng)計算效率，所以庫區(qū)壩前區(qū)域的網(wǎng)絡(luò)劃分相對稀疏。模型網(wǎng)絡(luò)劃分主要有3類，即在渠道入口選用矩形1×5(m)的網(wǎng)格；在泥沙主要淤積的水庫上游區(qū)域選用邊長30 m的三角網(wǎng)格；下游庫區(qū)選用邊長80 m的三角網(wǎng)格。過渡區(qū)域網(wǎng)絡(luò)以三角網(wǎng)絡(luò)由小到大地逐漸過渡。網(wǎng)絡(luò)劃分總數(shù)為4 643，網(wǎng)絡(luò)劃分具體情況見圖1。

3 水庫泥沙二維模擬計算成果及分析

3.1 泥沙淤積計算分析

由圖2圖線揭示，泥沙先沿渠道附近地形較低處自入口區(qū)域呈帶狀窄長開始淤積，淤高隨泥沙入庫量的増大而不斷發(fā)展，同時以層狀開始不斷向四周推進(jìn)，但向壩前推進(jìn)是主要推進(jìn)方向。低洼部分被先行填鋪，淤積高程在同一橫截面有所差異，所以同一截面圖上顏色有所不同。主要淤積范圍為壩址上游1 000～2 200 m區(qū)域。入口起至壩前1 600 m淤積最為嚴(yán)重，該區(qū)域達(dá)到3～6 m淤積高程。壩前600～1 600 m區(qū)域，沙泥呈明顯逐級前推形態(tài)，從3～1 m淤積高程逐梯次減小，淤積整體形態(tài)大致吻合于實(shí)測地形狀態(tài)。

所截取縱截面在庫區(qū)的位置，起點(diǎn)為壩前點(diǎn)，在距壩約1 000 m處計算高度線開始抬高，意味著泥沙淤積在此區(qū)域表現(xiàn)明顯。高度演變幅度隨著起點(diǎn)距的加大而對應(yīng)加大，顯示淤積越發(fā)嚴(yán)重。計算高度線基本擬合于實(shí)際測定高度線，演變態(tài)勢大致相同，表明該計算淤積高程與縱截面上的實(shí)際淤積高程吻合。

3.2 淤懸移質(zhì)計算分析

粒度差異懸沙存在入流某時刻的分布形態(tài)見圖3。部分泥沙通過入口后，發(fā)生淤積，部分隨水流向前推進(jìn)，但淤積部分因水體流動也可能發(fā)生再次懸浮。由于庫區(qū)淤積泥沙多為懸移入庫泥沙的降沉構(gòu)成，故其分布高程總體吻合于淤積分布形態(tài)，流水入庫區(qū)域懸移泥沙構(gòu)成量大，泥沙淤積量也大，懸移質(zhì)越近壩址其含沙量越有所降低，淤積量也就伴隨對應(yīng)降低。從懸沙不同粒度的分布狀態(tài)看，粗粒度主要分布在庫尾，并且泥沙量相對也少，細(xì)粒度懸沙量相對較大，更易于被流水帶向更近壩址的區(qū)域。

由圖4圖線揭示，庫尾處在不存在入流時段，因為沒有泥沙輸入與水動力，并且懸移泥沙顆粒粗，水深小，泥沙降沉較快，高濃度懸沙分布區(qū)向庫區(qū)中段呈現(xiàn)向四周沿濃度中心而逐漸梯度降低的分布形態(tài)。從懸沙不同粒度的分布狀態(tài)看，各組分懸沙從大到小，分布態(tài)勢大致相同于總懸沙的分布態(tài)勢，但組分間還是有所差異的。組分4占26.25%泥沙百分比，占水體含沙百分比相對最大，故該組分泥沙在水體中總量亦相對最大。就分布范圍而言，越細(xì)的懸移顆粒，沿流向前推進(jìn)的距離越遠(yuǎn)，分布相對最廣。

圖3 粒度差異懸沙存在入流某時刻的分布形態(tài)

圖4 粒度差異懸沙無入流某時刻的分布形態(tài)

4 結(jié) 語

本文整理介紹了案例庫區(qū)水沙存在的基本情況，基于案例水庫工程實(shí)用數(shù)據(jù)，建立了水庫水沙計算二維模型，并對案例水庫的泥沙淤積以及淤懸移質(zhì)存在和運(yùn)動發(fā)展?fàn)顟B(tài)開展了二維模擬計算分析。并將模擬計算成果與庫區(qū)水沙淤泥實(shí)際狀態(tài)開展比對，驗證了水庫泥沙二維模擬計算方式和計算成果的有效性和準(zhǔn)確性。模擬

計算成果揭示，庫區(qū)懸沙分布及淤積狀態(tài)可以借助二維模型計算獲得，二維模型計算揭示監(jiān)測泥沙淤落部位和形態(tài)較為有效，觀測結(jié)果更為全面，可為同類水庫泥沙治理和科學(xué)調(diào)水管理提供應(yīng)用技術(shù)參考。