二維泥沙模型在水庫(kù)淤積分析中的應(yīng)用

毛鳳蓮

（陜西省寶雞市馮家山水庫(kù)管理局，陜西寶雞721003）

二維泥沙模型在水庫(kù)淤積分析中的應(yīng)用

毛鳳蓮

（陜西省寶雞市馮家山水庫(kù)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(kù)泥沙淤積的一般規(guī)律，討論其發(fā)展特征，并對(duì)水庫(kù)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(kù)；淤積；分析

1 引言

水庫(kù)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(kù)在國(guó)家基礎(chǔ)建設(shè)中具有重要地位。然而，修建水庫(kù)需占用大量土地，一旦潰壩淹沒(méi)土地?cái)?shù)目龐大，加上水庫(kù)的壩址是不可再生的，因此對(duì)水庫(kù)進(jìn)行可持續(xù)利用研究是必要的［1］。而且，修建水庫(kù)打破了河流的自然平衡，在一定程度上會(huì)引起淤泥沉積，使庫(kù)容降低，影響水庫(kù)發(fā)電能力，縮短水庫(kù)使用壽命，因此水庫(kù)可持續(xù)利用調(diào)度決定了水庫(kù)的功能和效益。根據(jù)1981年的統(tǒng)計(jì)資料，當(dāng)年全國(guó)的總淤積量達(dá)115億m3，占當(dāng)時(shí)全國(guó)水庫(kù)總?cè)萘康?4.2%，且淤積量仍以驚人的速度增長(zhǎng)。

淤積是由于水位變化后上游來(lái)沙與當(dāng)?shù)睾哟策吔绻餐饔玫慕Y(jié)果。研究表明，水庫(kù)的淤積與水庫(kù)的運(yùn)行方式有著很大關(guān)系，早期修建水庫(kù)時(shí)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(kù)一般通過(guò)擴(kuò)大泄流規(guī)模進(jìn)行改造。一批國(guó)內(nèi)學(xué)者針對(duì)各個(gè)水庫(kù)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。基于國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀，本文從二維泥沙數(shù)學(xué)模型出發(fā)，對(duì)方程的求解方法進(jìn)行了探討，計(jì)算水庫(kù)發(fā)電量，并重點(diǎn)研究水庫(kù)泥沙淤積的一般規(guī)律，揭示其發(fā)展特征及影響因素，對(duì)水庫(kù)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(duì)河流物理現(xiàn)象的抽象概括，屬于泥沙運(yùn)動(dòng)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(duì)淤積物密度、粗糙率、挾沙力、級(jí)配系數(shù)等參數(shù)對(duì)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(guó)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(wèn)題、航道治理問(wèn)題及水流問(wèn)題等。結(jié)合一維不平衡問(wèn)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(kù)發(fā)電效益的指標(biāo)為出力和發(fā)電量，對(duì)于水電站而言并不是所有季節(jié)的來(lái)水量都能保證最大出力，水庫(kù)的泥沙淤積問(wèn)題將會(huì)導(dǎo)致水庫(kù)出力降低，并致使一些設(shè)備故障。水庫(kù)發(fā)電量的計(jì)算公式為：

其中，T為發(fā)電時(shí)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(kù)泥沙淤積規(guī)律

水庫(kù)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(kù)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(kù)破壞了自然平衡，庫(kù)區(qū)河道將處于侵蝕狀態(tài)，這就導(dǎo)致了水庫(kù)的淤積。目前認(rèn)為水庫(kù)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(kù)區(qū)水位變化較小，自然淤積占主導(dǎo)地位的水庫(kù)；錐形淤積出現(xiàn)在水流紊動(dòng)強(qiáng)度較大，水流挾沙量較高的水庫(kù)；帶狀淤積出現(xiàn)在水庫(kù)水位波動(dòng)較大，水流挾沙量較小的水庫(kù)。

在水庫(kù)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(kù)淤積周期很長(zhǎng)，沉積距離也隨著時(shí)間不斷變化，一般認(rèn)為其沉積過(guò)程中有3個(gè)轉(zhuǎn)折點(diǎn)［4］：

1）第1個(gè)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(gè)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(gè)點(diǎn)為推移質(zhì)輸沙達(dá)到平衡狀態(tài)。

通過(guò)上述對(duì)水庫(kù)泥沙淤積過(guò)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(gè)階段對(duì)水庫(kù)利用影響很小。在這個(gè)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(kù)的造床，此階段水庫(kù)淤積數(shù)量不大，但是占用了水庫(kù)的庫(kù)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(shí)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(duì)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(kù)運(yùn)行方式，在初期就加以重視。

4 水庫(kù)可持續(xù)運(yùn)行模式

影響水庫(kù)泥沙淤積的主要因素有上游來(lái)水和水庫(kù)調(diào)度［5］。上游來(lái)水主要與流域水土保持有關(guān)，人為可控性較差，因此水庫(kù)可持續(xù)發(fā)展運(yùn)行主要依賴于水庫(kù)調(diào)度。目前，我國(guó)大型水庫(kù)都通過(guò)排渾蓄清的手段控制沉積，如葛洲壩水庫(kù)、丹江口水庫(kù)、向家壩水庫(kù)等。為了搞清楚水庫(kù)可持續(xù)運(yùn)行方式與水庫(kù)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(shí)間對(duì)淤積發(fā)展的影響。

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

圖1 向家壩淤積量與運(yùn)行時(shí)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(shí)間小于30年時(shí)，各個(gè)水位下的淤積量基本相近，但是整體成直線上漲趨勢(shì)。但隨著水庫(kù)運(yùn)行時(shí)間的增加，30年后出現(xiàn)了拐點(diǎn)，水庫(kù)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(duì)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(shí)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(shí)間的關(guān)系。

由圖2可以看出，蓄水時(shí)間越晚總淤積量越早達(dá)到平衡，此時(shí)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(jiàn)明顯差別，但是高水位淤積下的灘面不同。因此，蓄水時(shí)間晚有利于使淤積盡早達(dá)到平衡，降淤效果好。

5 結(jié)語(yǔ)

圖2 總淤積量與時(shí)間的關(guān)系

表明水庫(kù)的淤積與水庫(kù)的運(yùn)行方式有著很大關(guān)系。我國(guó)早期修建水庫(kù)時(shí)，沒(méi)有考慮到排沙因素，從而導(dǎo)致了水庫(kù)的壽命較短。基于二維泥沙數(shù)學(xué)模型，列出了連續(xù)性方程、動(dòng)量方程、泥沙輸運(yùn)方程、河床變形方程。隨后分析了水庫(kù)泥沙淤積規(guī)律，并給出3個(gè)拐點(diǎn)。最后從汛限水位、汛后蓄水時(shí)間兩方面分析其對(duì)淤積發(fā)展的影響，得出不同三角洲形態(tài)對(duì)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(shí)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(kù)泥沙淤積現(xiàn)狀及水庫(kù)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(kù)泥沙淤積管理綜述［J］.泥沙研究，2013（03）：71-80.

［3］謝金明.水庫(kù)泥沙淤積管理評(píng)價(jià)研究［D］.北京：清華大學(xué)，2012.

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

［5］柴曉利.石佛寺水庫(kù)低水位蓄水帶來(lái)的泥沙淤積問(wèn)題［J］.東北水利水電，2012（06）：66-67.堤防水下部分的各類監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)信息，并可以圖表等形式進(jìn)行資料統(tǒng)計(jì)、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(tái)通過(guò)以太網(wǎng)（單模光纜）鏈接各泵站現(xiàn)地計(jì)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(shí)時(shí)數(shù)據(jù)和運(yùn)行狀態(tài)等的通信，系實(shí)現(xiàn)泵閘工程的“遙測(cè)、遙調(diào)、遙信、遙視”功能。

以下是某一泵站監(jiān)控界面實(shí)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(yǔ)

蘭溪市河道堤防數(shù)字化管理控制系統(tǒng)平臺(tái)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(guò)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(huì)基礎(chǔ)設(shè)施和商業(yè)基礎(chǔ)設(shè)施等連接起來(lái)，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(shí)時(shí)反應(yīng)、協(xié)調(diào)運(yùn)作的“智慧化系統(tǒng)”。

系統(tǒng)平臺(tái)實(shí)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(guò)建立對(duì)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(xiàng)目已根據(jù)設(shè)計(jì)的各項(xiàng)要求基本完成調(diào)試，并將在今后蘭溪市河道堤防的實(shí)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)

［1］G B50286-2013.堤防工程設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.

［2］SL171-96.堤防工程管理設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.

［3］鄒巖.G I S技術(shù)在國(guó)土資源管理工作中的應(yīng)用［J］.黑龍江科技信息，2011（08）：103-103.

［4］趙華，單仁亮，牛天勇，薛友松.基于B/S模式的建筑施工項(xiàng)目信息管理平臺(tái)的研發(fā)與應(yīng)用［J］.施工技術(shù)，2006（05）：14-16.

［5］沈蘇彬，范曲立，宗平，毛燕琴，等.物聯(lián)網(wǎng)的體系結(jié)構(gòu)與相關(guān)技術(shù)研究［J］.南京郵電大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2009（06）：1-11.

T V 145

：A

：1672-2469（2015）09-0071-03

10.3969/j.i s s n.1672-2469.2015.09.023

毛鳳蓮（1979年—），女，工程師。