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    水利工程河道泥沙冲淤规律及水沙调节仿真

    时间：2023-01-24 18:40:09来源：百花范文网本文已影响人

    李东阳, 倪菲菲

    （河南黄河勘测规划设计研究院有限公司, 河南郑州 450003）

    随着数字化、物联网、通信技术的不断发展, 人们对环境监控及管理的要求不断提高, 实现精细化水利管理已成为河流治理发展的趋势。研究河流泥沙冲淤[1-2］的发展过程及其形式, 对河口河流防洪, 提出合理的冲淤治理措施具有重要意义。

    目前, 众多学者已经针对泥沙冲淤进行了相关研究, 并取得了丰硕的成果。一方面, 有学者针对泥沙输移模型[3］、细粒沉积模型[4］、冲淤过程[5］、调节水沙关系模型[6］等进行研究, 为多泥沙河流改善治理提供了理论支持。另一方面, 也有许多学者针对调节水沙关系进行实践研究。这些研究的操作方法在内容和形式上都有所不同, 但都充分利用了下游河道在高流量河段的输沙能力。同时, 调节储存和排放的时间和体积等, 将尽可能多的泥沙通过下游河道从水库输送到大海。

    本文以黄河下游为例, 对小浪底水库的运行方式进行了优化, 以提高下游多泥沙河流的输沙能力, 延长水库的使用寿命。

    1.1 泥沙冲淤响应方程

    多泥沙河流泥沙冲淤响应方程如下所示：

    式（1）中, Wslj表示河流的泥沙流出量, Wxhw表示河流的来水量, Wsxhw表示河流的泥沙流入量。k1和k2为系数, c为一个常数。

    然而, 多泥沙河流的引水往往伴随着泥沙的分流, 因此冲淤计算也必须考虑到引水的影响。选定河流的侵蚀量或沉积量可通过以下方程计算：

    式（2）中, Wslit为侵蚀量或沉积量, 其中沉积量为正值, 侵蚀量为负值。Wsin是与引水相关的泥沙分流量。Wsxhw和Wslj与式（1）相同。

    1.2 输沙平衡方程

    输沙平衡方程可描述为

    式（3）中, Jp为平衡输沙梯度；
    Qs为汛期平均输沙率；
    d50为采用粒径剂法测定的河道悬移质泥沙粒径中值, 其单位为mm；
    n为河流糙率；
    B和h分别为水面宽度和水深, 且对应于汛期平均流量Q（单位为m）。一般情况下, 对于含沙河床, 有B=38.6Q0.31, h=0.081Q0.44。此外, 对于大多数多泥沙河流而言, k为90～160之间的经验系数（黄河流段通常为140）。

    令维持输沙平衡所需的泥沙量为Qs, 则Qs可通过汛期泥沙量Ws除以汛期持续时间Δt来计算。因此, Ws可计算为

    1.3 多泥沙河流系统模型

    多泥沙河流系统模型（Silt-laden River System Simulation, SRSS）的数学模型以日悬移质为基础运行, 考虑了当前水库的水沙调节效应, 便于模拟含沙河流下游的实际输沙过程。模拟悬移质的控制方程包括以下4个方程：水流连续性方程、水流运动方程、泥沙连续性方程（按泥沙组）、河床变形方程。各方程计算过程如下：

    式（5）-（8）中, Q为水流量；
    A为横截面积；
    Z为水位；
    J为能量斜率；
    Sk是泥沙浓度；
    Ad是侵蚀和沉积的横截面积；
    ql是每单位流量长度的横向流出（流入）, 其中流出为正, 流入为负；
    Ul是主流方向横向流出（流入）速度的分量；
    qs是每单位流量长度的横向输沙率, 其中流出为正, 流入为负；
    γs是沉积物的干容重；
    Zb为河床高程；
    α为饱和度恢复系数；
    ω为沉降速度；
    S*是水流挟沙能力；
    X为流量长度；
    t为时间；
    k为沉积物群数。进一步可将水流挟沙能力方程描述为

    式（9）中, γ为浑水的体积密度；
    Κ为卡门常数；
    ωm为混合挟沙能力的沉降速度；
    K和m分别为挟沙能力系数和指数, 其中K=2.5, m=0.62。

    此外, 沉降速度ωm可根据河流流态确定。对于停滞状态（沉积物直径d≤0.1 mm）, 有

    本节将对上游水库的运行方式进行优化, 以最大限度地减少多泥沙河流下游侵蚀, 同时最大限度地增加输沙能力和入海输沙量。含沙河流下游的上游水库运行规则优化过程包含5个步骤, 具体描述如下：

    步骤1收集水库首次运行以来所记录的所有设计参数和数据；

    步骤2分析水库蓄水、调水调沙和拦沙对河道几何形态和输沙效率的影响；

    步骤3提出上游水库的精细化运行模式, 以提高下游多泥沙河流的输沙效率；

    步骤4计算上游水库精细调度模式下下游多泥沙河流的输沙能力。然后, 将其与维持生态效益所需的泥沙阈值进行比较。如果输沙量超过阈值, 继续调整运行方式；
    否则, 执行步骤5；

    步骤5将最新的优化运行模式与现有的和以前的优化运行模式进行比较, 不断调整输沙平衡, 确保防洪和生态健康。

    3.1 研究区域

    研究区域为沿着黄河下游从小浪底水库延伸到渤海。小浪底水库控制流域面积为69.4万平方千米, 占黄河流域总面积的92.3%。该水库的工程开发任务侧重于防洪、防冰堵和减淤, 同时考虑到供水、灌溉和发电要求。小浪底水库总库容为126.5亿立方米, 其中拦沙能力为75.5亿立方米。

    3.2 泥沙平衡输移阈值研究

    3.2.1 泥沙冲淤响应方程验证

    根据小浪底1960—2015年测得的年输沙量, 泥沙量计算的回归分析参数如表1所示。

    表1 小浪底泥沙量计算回归分析参数Tab.1 Regression analysis parameters for Xiaolangdi sediment calculation

    通过回归分析确定挟沙能力系数和指数, 则泥沙冲淤响应方程描述为

    此外, 相关系数R2为0.976, 标准差σ为1.12, 表明与测量结果具有较高的相关性。

    3.2.2 多泥沙河流系统模型验证

    本研究利用1987—2015年收集的数据重新验证了相关模型参数。经验证, SRSS中的饱和恢复系数在侵蚀状态下为0.02～0.04, 在沉积状态下为0.002～0.009。值得注意的是, 对于坡度较小和水深较深的断面, 系数值较大, 反之亦然。对于大多数截面, 系数值为0.005～0.009。通过验证模型得到的下游冲淤计算结果与图1所示的实测值进行了比较, 可以看出, 沉积和侵蚀状态的计算值与实测值一致。说明该模型能可靠地模拟水库下游河流冲淤平衡的临界状态。

    图1 下游冲淤计算及实测对比结果Fig.1 Comparison between the calculation value and the measured value of downstream erosion and deposition

    3.3 泥沙调节方法验证

    假定小浪底水库来沙3亿吨。如图2所示, 在现行运行模式下, 小浪底水库预计将于2050年停止拦沙, 而优化运行模式预计将使拦沙期延长15年。如图3所示, 在现行运行模式下, 50年内累计将沉积2.16亿吨泥沙, 但在优化运行模式下, 河道将得到更好的冲刷, 可能减少5.43亿吨泥沙沉积。

    图2 不同运行方式下游冲淤对比结果Fig.2 Comparison results of downstream erosion and deposition under different operation modes

    图3 不同运行方式下游输沙对比结果Fig.3 Comparison results of downstream sediment transportation under different operation modes

    本文基于多泥沙河流系统对黄河小浪底水库下游冲淤过程进行了研究与分析, 提出了一种SRSS的泥沙调节方法, 从而最大限度地减少多泥沙河流下游侵蚀, 同时最大限度地增加输沙能力和入海输沙量。

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