蘇庫淤積計算法則的探討

木提力普·吾斯曼

摘 要：蘇庫沉淀算法有許多鐘，這主要推薦使用有限差分法來計算蘇庫的沉淀量。有限差分法是如今蘇庫沉淀算法中比較常采取的一種方法，它主要是把沉淀計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。必須說明，有限差分法不僅僅局限在蘇庫的沖刷淤積算法，對在普遍比較長里程的河道沖刷淤積變形算法亦適用。由于兩個的基本原理和法則，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；淤積；計算法則

1 蘇庫淤積的計算法則

蘇庫淤積的計算法則，主要預(yù)測庫盤的淤泥沙子沉淀量，它是蘇庫實(shí)踐運(yùn)行管理中的重要問題之一。

1.1 基本方程式

蘇庫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)動方程簡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間改變，如此，三個基本方程式則為流水連續(xù)方程

（1）

流水運(yùn)動方程

（2）

淤泥沙子連續(xù)方程

（3）

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

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

把原來不是恒定流當(dāng)作恒定流來解決。就是把進(jìn)庫流量過程線，經(jīng)過劃分時間段的方法修改成階梯流量過程線，平均某一個時間段相對應(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)動方程簡單化為：恒定不是均勻流運(yùn)動方程。式（2）中省略掉慣性一項(xiàng)■，并且代進(jìn)q=bhU及U=■h2/3j1/2后，可以簡單化j=■+■（■）

同時改成有限差的方式j(luò)=■+■（■-■） （5）

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

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，用來演算懸移質(zhì)沖刷淤積時侯g=qs；用來演算推移質(zhì)沖刷淤積時侯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）——演算時間段；

（z1-z0）——演算庫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。

在蘇庫進(jìn)行沖刷淤積演算的時侯，只要把庫盤區(qū)域劃分成幾個庫段，并且按水流數(shù)量階梯劃分成幾個計算時間段，繼而聯(lián)立求解式（5）與式（6），就可以解得蘇庫沖刷淤積的拓展全過程。

1.2 演算方法步驟

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

（2） 描繪庫盤區(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，諸水深和庫寬、水深和均勻水位、水深和通過水?dāng)嗝娴拿娣e等關(guān)系曲型線。

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

（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)》中解求天然庫盤庫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)成演算蘇庫沉淀的初始斷面，并且由于實(shí)際觀測資料的分析比較，明確于特定流量時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)過實(shí)際觀測資料分析研究，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）演算各自庫斷的均勻沖刷淤積厚度，把演算成果描繪成嶄新的庫床縱剖面圖形。到此為止，第一個時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)入第二個時間段的演算。這樣反反復(fù)復(fù)演算下來，就可以算出全部演算時間段的水面曲線變化以及庫盤區(qū)域庫床縱剖面的發(fā)展變化。

有限差分法因?yàn)樵砗唵我锥容^容易領(lǐng)會，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 演算中幾個問題值得注意

利用有限差分法對蘇庫進(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題的解決是否恰當(dāng)?shù)年P(guān)系非常大，甚至有時成了演算成功與失敗的關(guān)鍵。因此在演算以前，針對這樣的問題應(yīng)該謹(jǐn)慎考慮并且作好解決處理辦法。

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

（1）當(dāng)蘇庫臨近有水文觀測站，可以依據(jù)水文觀測站的實(shí)際觀測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懸移質(zhì)含沙量，針對進(jìn)庫推移質(zhì)來而言，目前因?yàn)橛^測實(shí)驗(yàn)資料無可靠性，很難達(dá)到規(guī)定精度的要求。

（2）當(dāng)沒有實(shí)際觀測資料的時侯，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；假如蘇庫上游具有已建成的水利樞紐工程并且有實(shí)際觀測沉淀資料，引用如此資料用來估計試算進(jìn)庫沙量。

必須說明，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，亦努力采用該庫河流實(shí)際觀測資料來對所采取的公式進(jìn)而檢驗(yàn)，用來分辨所采取的公式到底是否適合于該河流。

2.2 庫床粗糙率的確定。粗糙率反映了該河流對于水流阻力作用，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題，如今還沒有通用的法則，在現(xiàn)實(shí)演算當(dāng)中還都靠經(jīng)驗(yàn)的方法來選定。

2.3 懸移質(zhì)夾沙力公式的選取。在蘇庫沖刷淤積進(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)際觀測資料來確定。

2.4 許可一次的最大沖刷淤積厚度。為了簡單化演算辦法，在一個演算時間段里，如果蘇庫產(chǎn)生沖刷或者沉淀的進(jìn)程中，庫水深為不斷變化的，所以許可一次沖刷淤積的厚度不可能很大，亦即劃分的演算時間段不可能很長，不然就不能達(dá)到上以上假設(shè)，宜依據(jù)演算所規(guī)定的精度要求來選定。一般的情況在某一演算時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

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