（水利工程专业论文）白石水库排沙运用方式研究.pdf

摘要 本文采用张启舜等编制的河流与水库泥沙冲淤过程计算数学 模型。根据水库实际运用的实测资料，研究其对白石水库的适应 性以及用于泥沙调度的合理性，从而确定是否可采用其作为今后 白石水库泥沙调度的数学模型，使白石水库的泥沙调度工作更加 有效合理，然后在经过实测资料验证的基础上，应用该模型研究 白石水库的淤积发展情况，并选择合理的排沙运用方式。在根据 实测资料对数学模型进行验证的过程中，采取先拟定计算参数再 进行验证的办法，验证结果表明该模型对白石水库的适应性较好， 而对排沙运用方式的研究，采用了拟定排沙运用方案进行比较的 方法，优选出了对发挥白石水库效益较为有利的排沙运用方式。 关键词：数学模型、验证、排沙运用、方案比较 a b s t r a c t t h i sp a p e r , b a s e do nt h ep r a c t i c a lm e a s u r e dd a t a ，a p p l yt h en u m e r i c a l m o d eo fr i v e ra n dr e s e r v o i rs e d i m e n ts c o u r i n ga n ds i l t i n g ，w h i c hi sw r i t t e n b yz h a n gq i s h u n ，t or e s e a r c ht h es u i t a b i l i t ya n dr a t i o n a l i t yo fo p e r a t i n gt h e s e d i m e n ts c o u r i n go fb a i s h ir e s e r v o i rb vt 1 1 en u m e r i c a lm o d e t h e n e s t i m a t ew h e t h e ri tc a nb ea p p l i e dt oo p e r a t et h es e d i m e n ts c o u r i n go f b a i s h ir e s e r v o i rs ot h a tt h es e d i m e n ts c o u r i n go p e r a t i o no fb a i s h i r e s e r v o i rw i l lb em o r ee f f e c t i v ea n dr e a s o n a b l e a f t e rv a l i d a t i n gt h em o d e b yp r a c t i a lm e a s u r e dd a t a u s et h em o d et or e s e a r c ht h ep r o c e s so f s e d i m e n ts i l t i n go fb a i s h ir e s e r v o i ra n dc h o o s et h er e a s o n a b l eo p e r a t i o n a l m o d eo fs e d i m e n ts c o u r i n g i nt h ep r o c e s so fv a l i d a t i n gt h en u m e r i c a l m o d eb yt h ep r a c t i c a lm e a s u r e dd a t a ，m i sp a e r f i r s t l yc o m p u t et h e p a r a n l e t e r s ，t h e nv a l i d a t et h em o d e t h ec o m p u t i n gr e s u l ti n d i c a t e st h a tt h e m o d ei sv e r ys u i m b l ef o rc o m p u t i n gt h es e d i m e n ts i l t i n go fb a i s h ir e s e r v o i r t h e nr e s e a r c ht h eo p e r a t i o n a lm o d eo fs e d i m e n ts c o u r i n gb yc o m p a r i n gt h e s c h e m e sa n dc h o o s eab e t t e ro p e r a t i o n a lm o d eo fs e d i m e n ts c o u r i n gs ot h a t b a i s h ir e s e r v o i rc a nm a k em o r eb e n e f i t k e y w o r d s ：n u m e r i c a lm o d e ，v a l i d a t e ，s e d i m e n tf l u s h i n go p e r a t i o n ， s c h e m ec o m p a r i n g 第一章绪论 第一章绪论 1 1 问题提出及研究意义 白石水库在辽宁省北票市上园乡附近的大凌河干流上，控制流域面积1 7 6 4 9k m 2 ，占大凌河总面积2 32 6 3k m 2 的7 6 ，是大凌河流域一期开发的控制性骨 干工程，水库总库容1 6 4 5 亿m 3 ，调节水量5 2 8 亿m 3 ，是一座以防洪、灌溉、 城市供水为主兼顾发电、养鱼的综合利用水利枢纽工程，是辽宁省“九五”期间 重点工程项目，工程于1 9 9 7 年1 0 月正式开工兴建，1 9 9 9 年9 月下闸蓄水。水库 具体作用如下：( 1 ) 水库建成前，义县与凌海市( 原锦县) 城市防洪标准均为2 0 年 一遇洪水，农田防洪标准7 2 0 年一遇，锦阜线义县铁路桥、沈山线锦县铁路桥 防洪标准亦仅4 0 年和2 0 年遇，而现在水库建成后下游防洪标准可提高到5 0 年一遇，保护农田6 5 万h m 2 和辽河油田的防洪安全；( 2 ) 可为辽河三角洲开发提 供2 6 7 亿m 3 用水，增加水田面积l _ 3 万h m 2 ，并可提高滨海地区1 5 3 万h m 2 苇 田的供水保证率；( 3 ) 配合区间来水，可为阜新市、北票市、义县及锦州市增加供 水，近期( 1 5 年淤积水平年) 供水1 7 7 亿m 3 ，远期( 3 0 年淤积水平年) 供水1 5 5 亿m s ：( 4 ) 水库电站装机96 0 0 k w ，多年平均发电量22 1 3 万k w h ，并能提供 0 4 5 万h m 2 的养鱼水面。 综上所述，白石水库作为大凌河流域开发治理的控制性骨干工程，调蓄洪水 和径流，提高下游防洪标准，为辽河三角洲二期开发及下游城市提供可靠水源， 保证该地区经济稳步发展，作用显著。 同时，大凌河流域内多石山及风化沙土，植被条件较差，水土流失严重，加 上汛期多暴雨洪水，使河流含沙量较高、输沙量较大。根据白石坝址附近大凌河 站的实测资料统计，多年平均输沙量为2 4 6 6 8 万t ，含沙量为1 8 7 k g m 3 。 多泥沙河流水库运用不仅要考虑兴利和防洪，还应考虑泥沙处理，以保持有 效库容，发挥水库远期效益。因此，对白石水库的泥沙淤积进行研究，寻求合理 的排沙运用方式，更好地实现白石水库的各项功能及效益，从而使白石水库为地 区经济发展发挥更大的作用，具有非常重大的意义。 1 2 研究综述 河海大学工程硕士学位论文 在河流上修建水库，将破坏天然河流水沙条件与河床形态的相对平衡状态， 使水沙条件和河床形态重新调整，库区水位壅高，水深增大，水面比降减缓，流 速减小，水流的推移力和挟沙能力显著降低，促使大量泥沙在库内淤积。其结果 不仅招致水库有效库容减小，原设计的防洪、发电、灌溉、给水等兴利指标不能 全部实现，更严重的是将威胁水库寿命，造成水库报废。此外，水库回水末端的 淤积上延，将扩大淹没和浸没面积，给工农业生产带来严重影响，并且将威胁上 游重要城镇、工矿的安全和铁路、桥梁的正常使用；回水末端的淤积还会影响航 运。 因此，对水库淤积的有关问题进行深入研究是摆在泥沙工作者面前的非常重 要的课题。多年来，我国在水库淤积方面开展了大量的工作，取得了一系列的研究 成果。 水库淤积是泥沙运动的结果，因此水库淤积的研究是以泥沙运动基本理论为 基础和手段的。我国泥沙运动理论方面的专著众多，有代表性的如钱宁和万兆惠 的泥沙运动力学。3 、武汉水利电力学院( 张瑞瑾主编) 的河流动力学。1 、 沙玉清的泥沙运动学引论“1 、张瑞瑾和谢鉴衡等的河流泥沙动力学“1 、 窦国仁的泥沙运动理论哪、侯晖昌的河流动力学基本问题”3 、韩其为和 何明民的泥沙运动统计理论“1 、武汉水利电力学院的河流泥沙工程学“1 、 河海大学( 张书农) 、成都科学技术大学( 华国祥) 主编的河流动力学“、 清华大学( 王兴奎等) 的河流动力学基础“等。这些专著对水库淤积理论的 研究有重要的指导意义。 在水库淤积形态方面，我国对三角洲形态的淤积研究较早。这方面的成果有 对官厅水库的三角洲的淤积形态及计算的初步研究“”，三角洲的计算方法“，及 根据非均匀悬移质不平衡输沙的规律首次从理论上详细论证了水库三角洲淤积 的趋向性、形成特点、三角洲和前坡淤积比降、洲面线与水面线方程以及前坡长 度等，并得到了官厅水库资料的验证。此外水槽试验亦证实了沙质推移质在壅水 区也是以三角洲形式向前推进的“”。除三角洲淤积形态外，还有对锥体淤积形态， 从理论上给出淤积剖面近似于直线，坝前淤积厚度与总淤积体积的近似线性关系 带状淤积的条件，对滞洪期锥体淤积水库的冲淤变化特征分析研究、三角洲、锥 体及带状等三种淤积形态的判别方法研究等成果“”3 。 第一章绪论 水库淤积计算是水库淤积和工程泥沙研究的重要内容之一，它的预报结果对 水库规划和水库运用均是必须的。我国对水库淤积计算列出的研究成果分为三种 类型：( 1 ) 只估算水库总淤量及其变化过程：( 2 ) 经过对水库淤积规律的研究，得出 各种参数的直接计算方法，例如对于三角洲的洲面坡降、长度、前坡坡降以及水 库淤积平衡后的坡降、保留库容等，直接给出公式确定，有人将这种方法不很确切 地称为水文法：( 3 ) 采用河流动力学的有关方程和方法构造模型，分时段、分河段 求解，不直接计算有关参数，而是据求解结果得出，这种模型可称为河流动力学数 学模型。这三种类型的计算方法，各有特点和适用条件。第一种计算方法，采用前 面的有关水库排沙的研究成果，就能估算出库容淤积过程。与此对应的还有直接 估算水库总淤积量的。前面己提到的韩其为曾利用不平衡输沙理论导出了一个较 为通用的出库含沙量关系，它能概括b r u n e 拦沙率、张启舜排沙比等出库含沙量 关系，其库容淤积方程及其解也能概括一些苏联学者的库容淤积公式。第二种类 型的水库淤积计算较典型的是对于三角洲淤积体的水库。三角洲各项参数计算的 方法及其公式也可在文献 1 3 ，1 5 ，1 6 ，1 9 中找到。对其他不同形式的排沙( 如壅水 排沙、异重流排沙、敞泄排沙、溯源冲刷) 效果，水库淤积末端的上翘长度、库尾 的比降等的较系统的研究文献还有 2 0 ，2 l ，2 2 等。张启舜将他研究的这种直接计 算水库淤积参数的方法，编制成数学模型，并且得到了较广泛的应用。黄委会勘 测设计研究院以第二类模型为基础，将功能扩充，使用到小浪底水库的淤积计算， 得到的结果与第三类数学模型相近。”。第三种类型计算水库淤积方法是根据水流 运动方程、水流连续方程、泥沙运动方程、泥沙连续方程、河床变形方程等进行 求解给出淤积过程、淤积部位( 包括淤积形态) 、淤积物级配及淤积引起的水位抬 高等。从原则上说，好的河床动力学数学模型在一定补充条件下应能基本满足水 库淤积计算的需要。我国目前已有很多这类一、二维数学模型，经过实际水库冲 淤资料检验，并在生产中得到广泛应用的有如下几个：韩其为模型，最早建立于 1 9 7 3 年。剐：长江科学院在此基础上完善的模型。这两个模型的非均匀沙一维不 平衡输沙模型，均经过大量水库淤积与河床演变资料检验，可靠性较好，在三峡论 证期间被确定为预报三峡水库淤积的模型。在黄河上的模型经过三门峡水库淤积 长系列的验证并用到小浪底水库淤积预报的有：对动床阻力考虑比较仔细的王 仕强模型、反映高古沙输沙规律较好的王新宏模型、黄委会勘测设计研究院模型、 河海大学工程硕士学位论文 韩其为模型、黄河水利科学研究院曲少军模型和张俊华模型等。而且近年来随 着计算机技术的发展和各种新算法的应用，水库泥沙冲淤计算模型取得了较多新 的研究成果，如张峰水库泥沙冲淤计算数学模型“、基于改进b p 网络对三门峡 水库泥沙冲淤量的计算”、模糊神经网络对汛期三门峡水库泥沙冲淤量的计算 ”1 、遗传算法改进的b p 神经网络对汛期三门峡水库泥沙冲淤量的计算”、基于 m a t l a b 神经网络的三门峡水库泥沙冲淤变化预测分析。”等。 水库排沙及运用方式研究是水库淤积中非常重要的一项内容，对水库排沙的 方式曾有大量研究，除依靠水流冲刷外，对小水库尚有水力吸泥及高渠拉沙和分 块冲滩等。还对闹德海、红领巾、黑松林、青铜峡、直峪、恒山等水库的排沙特 性进行了分析研究。此外在水库排沙和减淤以及恢复库容方面还有大量的研究成 果。”“，其中对三门峡水库的排沙研究最多。根据水库排沙的分析和生产的需要， 引出了一些研究排沙共同规律的成果。早期多为经验性的，较有影响的有陕西水 利科学研究所河渠研究室与清华大学水利工程系泥沙研究室用中国资料验证过 的g m b r u n e 的水库拦沙率曲线和水库冲刷的排沙关系。”，张启舜和张振秋的壅 水状态下排沙比汹1 ，以及涂启华的包括异重流在内的排沙比关系。韩其为等用 不平衡输沙理论研究了壅水排沙，给出的理论关系在不同参数下可以概括b r u n e 拦沙率、张启舜和涂启华的排沙比关系，而且能概括前苏联学者为研究库容淤积 方程提出的关于出库含沙量的假设“。 我国利用水库淤积和排沙规律，摸索出了一套使水库淤积大大减缓，甚至不 再淤积的行之有效的运行模式，即“蓄清排浑”，其中较典型的有对闹德海、红领 巾、黑松林、直峪、恒山等水库的研究。这些多为中小型灌溉水库，有颇为有利 的排沙条件，坡陡，库短，有时允许泄空，甚至坝前水位完全不壅高。与此同时，从 理论上研究大型水库的淤积控制也在一些研究者中间展开。大型水库的特点是 库长、坡缓而且常年蓄水。正是因为常年抬高侵蚀基面而导致水库的坡度减缓。 这些不利排沙的因素，限制了中小型灌溉水库排沙经验的照搬。从2 0 世纪6 0 年 代开始，唐日长、林一山根据闹德海水库和黑松林水库的成功经验，提出了水库长 期使用的设想和概念“”3 ，在三门峡水库1 9 7 3 年改建完成前的1 9 6 4 1 9 6 6 年，就 预见了它能做到水库的长期使用，并且认为如果水库建在峡谷中( 八里胡同坝址) 长期使用的指标更为优越。后来韩其为进一步从理论上阐述了水库长期使用的原 第一章绪论 理和根据，并给出了保留库容的计算方法”。与此同时，一些单位也开始对三门峡 水库保持有效库容的问题进行了探索。文献“从理论上详细论证水库长期使用的 根据，它在技术上的可行性和经济上的合理性以及最终保留形态的确定。三门峡 水库改建并运行成功，从实践上证实了大型水库长期使用的可能性。黄河上的一 些大型水库如青铜峡、三盛公等，在采取这种运行方式后水库淤积也得到了控制。 至此在我国泥沙界，对水库的长期使用，无论在理论上或实践上均获得了共识。长 江三峡水库淤积控制的研究，使水库长期使用的研究进一步深入，文献“给出了 长期使用水库的造床特点和建立平衡的过程、相对平衡纵横剖面的塑造、第一、 第二造床流量的确定等。我国水利工作者经过长期探索所创造的水库长期使用的 运行模式，无论在理论上和解决实际问题上都已颇为成熟。 国外近年来也取得了许多水库泥沙的研究成果，a m a r ，a b n i s hc ( 1 9 8 6 ) m 1 通过建立河道和水库泥沙冲淤模型，模拟床沙和悬沙的相互作用及交换，对汉 森水库的冲淤进行了分析，并根据分析的结果比较了水库防洪运用和供水运用下 的水库淤积，结果表明：供水运用时的水库淤积约比防洪时多1 0 左右，多出的 这部份泥沙主要是粘性沙和粘土，并淤积在水库出口附近的较低河段。 h o t c h k i s s 。r o l l i n ：p a r k e r g a r y ( 1 9 8 8 ) “7 3 通过水槽实验研究了水库泄 水时泥沙的淤积情况，并通过明渠正常水深、泄水闸门位置、流量系数、水库尾 水高度等预测水库水面线和淤积河床高程。 p h a t a r f o r d ，r f ：等( 1 9 9 0 ) “对大型水库的泥沙淤积问题进行了研究， 提出大型水库的淤积主要由来水来沙和库容决定，并用统计学上双变量的马尔可 夫链模型预测了美国j o h nm a r t i n 水库的淤积发展过程。 h u ，g u a n g d o u ( 1 9 9 5 ) “”通过对水库泥沙的输送过程及水力冲刷过程的研 究，得出结论：大坝干扰了泥沙的自然输送过程，大部份入库泥沙都淤积在库区， 通过水力冲沙可以在一定程度上恢复泥沙的输送。对水库泥沙的输送能力主要包 括大坝的排沙能力及水流挟沙力，为了带走近坝区的水库淤积泥沙及防止冲沙过 程中发生近坝淤积，大坝的排沙能力不能小于水流的挟沙力。 p r i c e ，l e 等( 2 0 0 0 ) 咖1 应用一种新的数据库机械论模拟方法( d b m ) 研究 了英国w y r e s d a l ep a r k 水库的泥沙输移，该d b m 模拟方法采用高级统计程序推 断动力模型并用测量数据直接确定模型计算参数，模型参数在水库泥沙的输移中 河海大学工程硕士学位论文 都有具体的物理性质，同时该模型的随机性质使其对水库泥沙的输移过程预测较 为合理。 此外，r o s e ，k a 等( 1 9 9 3 ) “”应用多个模型模研究了美国c 1 i n c h r i v e r w a t t sb a r 水库的输沙和污染物扩散问题，并通过模型确定出淤积较多的 位置及采用各种工程措施对水库的影响。 v a l e r o - g a r c e s ，b l a s ( 1 9 9 7 ) 6 2 1 研究了b a r a s o n a 水库的泥沙淤积，包括 淤积量的时空变化及土地利用对其产生的影响。 m o r r i s ，g r e g o r yl ( 1 9 9 5 ) “”作了维持水库库容的泥沙管理策略的研究， 提出：可以通过对水库泥沙的合理管理策略维持水库库容。 v a l e n t i ，o i a n l o r e n z o 等( 2 0 0 4 ) 4 ”进行了水库泥沙的再利用方面的研究， 通过对各种泥沙样品与生石灰的混合物的燃烧实验发现，泥沙可以取代商业粘土 作为水泥制造的原料。 综上所述，国内外近年来在对水库泥沙的基本理论、水库淤积计算、排沙运 用方式以及对水库泥沙的管理、利用等方面的研究都取得了许多具有重要意义的 成果。但同时也可以看出，水库泥沙问题是一个非常复杂的问题，其中所涉及的 许多工程实际问题，现在的科研及技术水平很难解决，因此，要解决好水库泥沙 问题，还需进行更深入的研究工作。 而对自石水库泥沙淤积及排沙运用方式的研究，已取得了很多的研究成果。 曹文洪等嘟1 进行了白石水库泥沙问题的试验研究，采用整体和局部两个物 理模型进行了较为深入的研究，解决了模拟全沙、异重流等技术难点，揭示了白 石水库库区和坝区泥沙的冲淤规律，并进行了水库运用方式的确定、泄流排沙建 筑物布置方案的选择、水库长期淤积发展的试验及坝前水流及泥沙特性研究，得 出结论： 从有利于水库排沙减淤考虑，大洪水排沙运用完全优于完全蓄洪运用 但考虑到大凌河汛期洪峰陡涨陡落的特点，以及现有的测报技术还不尽人意，如 采取大洪水排沙运用方式，可能会给管理部门带来一定困难，为此，建议在水库 建成初期可采取蓄洪运用方式，待积累一定经验之后，再改变运用方式为大洪水 集中排沙运用。 金宝琛等m3 综合考虑白石水库兴利、防洪与排沙之间的矛盾，达到长期保持 有效库容，提高水库近、远期效益的目的，从水库寿命和任务两方面确定排沙比， 第一章绪论 再由排沙比选择运用方式，运用方式选择为以蓄洪为主，遇2 0 年一遇以上洪水 时，尽量降低库水位直至死水位，集中排沙，2 0 年一遇以下的中、小洪水则蓄 洪运用，并利用弃水适时打开底孔，排泄异重流泥沙或高浓度浑水。死水位定为 1 0 8 0 0m 。提出：排沙运用要减少和兴利、防洪的矛盾，需要提前泄空水库，但 也不能提前太多：要掌握错峰时机，灵活操作闸门：洪峰过后要在保证冲沙效果情 况下及时回蓄。但要恰如其分地做好排沙调度运用，很大程度上依赖对上、下游 的洪水预报，建立水情自动测报系统。另外，水库的运用方式也不是一成不变的， 如果在使用期中遇到极为不利的来水来沙条件，加剧了库区泥沙淤积发展，影响 正常效益发挥时，则应立即改变运用方式，加强排沙。今后应该加强泥沙观测， 掌握水库淤积和泥沙运行规律，使白石水库永葆青春，长期为辽宁西部经济发展 服务。 金宝琛等陆7 1 采用2 种数模计算和物理模型比较的库区淤积量及库容变化过 程，对库区纵、横向淤积形态，坝前区冲刷漏斗形态、尺寸及干、支流三角洲的 关系进行了分析研究。得出结论：二十年一遇1 0 0 0 0 m 3 s 以上大洪水，降低库水 位排沙，效果是十分明显的，特别是运用到4 0 年以后，能使有效库容得到较好的 恢复。 潘桂峨等。”根据其人库泥沙特性，对水库两种运用方式及排沙建筑物两种布 置形式的库容和排沙比进行比较，从泥沙角度论证了白石水库排沙运用方式及枢 纽布置形式的合理性。并建议水库本身及上游采取各种措施，减少人库泥沙，提 高排沙比，以延长水库寿命。配合数学模型所做的物理模型，从库容、库区淤积 地形、排沙比等方面也表明，大水大沙年集中排沙运用方式比完全蓄洪运用方式 优越。因此，在白石水库设计中，采用了大水大沙年洪峰期集中排沙、中小洪水年 份蓄洪运用的方式。 白石水库自1 9 9 9 年蓄水运行至今，已积累了大量的实测资料，根据水库实 际运用情况研究水库泥沙淤积发展情况，能更好地保证研究成果的合理性，因此， 通过研究选择合理的排沙运用方式，并寻求适合指导白石水库泥沙调度的数学模 型，可以使白石水库的排沙运用更加有效合理，对发挥水库效益具有非常重要的 意义。 1 3 本文研究内容和研究方法 河海大学工程硕士学位论文 目前在白石水库泥沙调度工作中采用的数学模型主要是张启舜等编制的河 流与水库泥沙冲淤过程计算数学模型，因此本文根据水库实际运用的实测资料， 研究其对白石水库的适应性以及用于泥沙调度的合理性，从而确定是否可采用其 作为今后白石水库泥沙调度的数学模型，使白石水库的泥沙调度工作更加有效合 理。然后在经过实测资料验证的基础上，应用该模型研究白石水库的淤积发展情 况，并选择合理的排沙运用方式。本文的主要内容如下： 第一章绪论。简要说明本文问题的提出及研究意义，对水库泥沙的研究进 展进行综述，提出本文的研究目的与研究内容。 第二章白石水库的基本情况。主要介绍了白石水库所在流域概况、工程概 况、入库泥沙分析等。 第三章数学模型的建立。详细介绍了数学模型的建立，包括：基本方程、 边界条件、数值求解及有关问题的处理，而且详细介绍了水库淤积形态的数学模 型以及水库淤积的计算步骤和计算流程，然后对数学模型的功能和特点作了详细 的分析和说明。 第四章数学模型验证。根据1 9 9 9 年2 0 0 4 年水库实际运用的水沙资料及 地形资料，验证该数学模型对白石水库的适应性。分两步进行：第一步，以1 9 9 8 年实测地形为初始地形，根据1 9 9 9 年2 0 0 2 年水沙资料及2 0 0 2 年的实测地形 和实测冲淤量，拟定模型中的计算参数；第二步，采用已拟定的计算参数，仍以 1 9 9 8 年实测地形为初始地形，根据1 9 9 9 年2 0 0 4 年水沙资料，计算2 0 0 4 年的 地形，通过2 0 0 4 年的实测地形验证该模型对白石水库的适应性。 第五章排沙运用方式研究。在对该模型进行验证的基础上，应用该模型研 究研究白石水库的淤积发展情况，通过拟定方案进行方案比较，优选出合理的排 沙运用方式。 第六章结论与展望。对本文的研究工作和成果进行小结，并就进一步的工 作提出自己的意见和建议。 第二章白石水库基本情况 第二章白石水库基本情况 2 1流域概况 大凌河是辽宁省西部最大的河流，上游分南北两支，南支发源于建昌县水泉 沟，北支发源于河北省平泉县，南北两支于喀左县城附近汇合，流经朝阳市、北 票市、义县、凌海市后注入渤海。干流全长4 3 5 k m ，流域面积2 3 2 6 3k m 2 ，其中 省内面积1 9 9 9 8k m 2 ，占全流域面积8 6 ，较大支流多在左侧，主要有第二牛亡牛 河、老虎山河、牛亡牛河、细河等。大凌河流域东邻绕阳河、柳河，南为小凌河、 六股河，西与滦河支流青龙河接壤，北与老哈河、教来河相邻。 大凌河流域属温带季风气候，夏季多雨炎热、空气湿润，冬春少雨，气候干 燥。流域内多年平均降水量为4 3 0 6 3 0n l l n ，降水量年际变化较大，年内分配极 不均匀，多集中在7 ，8 月。多年平均蒸发量一般在1 8 0 0 2 3 0 0f i l m 。多年平均径 流量( 锦县站) 为1 6 4 0 亿m 3 ，最大年径流量为3 5 8 亿i l l 3 ，最小年径流量仅3 4 亿m 3 ，7 9 月径流量约占全年的6 0 。 流域内洪水频繁，陡涨陡落。主要洪水来源于干流上窝堡站以上及下游左 侧支流。如大凌河站( 白石坝址处) 自1 9 3 0 年以来洪峰流量超过1 00 0 0m 3 s 就 有6 次，1 9 4 9 年洪水洪峰流量达3 0 4 0 0m a s ，灾害极为严重。 流域内多石山及风化沙土，植被条件较差，水土流失极为严重，是辽宁省 多沙河流之一如大凌河站多年平均输沙量为2 1 4 3 4 万t ，平均含沙量为1 8 0 8 k g m 3 ，支流f 亡牛河迷力营子站多年平均含沙量达4 1 0 9 k g m 3 o 2 2 白石水库工程的重要性 白石水库是大凌河上最末一级控制性骨干工程，1 9 5 9 年1 月辽宁省水利水电 设计院曾编报过大凌河白石水库初步设计要点报告，1 9 5 9 年2 月即开始施工 兴建，1 9 6 1 年1 0 月由于国民经济调整工程下马停建，1 9 9 5 年重新开工，流域内 国民经济发展，各部门用水要求均发生了很大变化，因此白石水库设计充分考虑 了上游朝阳地区国民经济发展要求和下游辽河三角洲农业第二期开发建设需要， 从流域开发与治理角度，上下游、工农业、兴利与除害统筹考虑，确定了全流域 工程布局及大型骨干工程的任务。 河海大学工程硕士学位论文 2 2 1 白石水库是大凌河流域开发与治理的第一期控制性骨干工程，作用显著， 意义深远 大凌河流域的主要问题是干旱缺水，洪灾频繁。白石水库兴建前仅有建凌、 佛寺两座大( 2 ) 型水库和5 座中型水库，总库容4 1 亿m 3 ，控制面积l9 8 5 8k m 2 且都在支流上，净调节水量才1 3 6 亿m 3 ，无法满足流域内用水要求，亦无法控 制干流洪水。随着本地区国民经济的发展，治理大凌河水患和开发利用水资源已 迫在眉睫。根据1 9 8 9 年编报批审的大凌河流域规划( 要点) 报告和大凌河 流域水土保持规划报告，除大力开展面上水土保持综合治理工程外，规划拟建 三座大型水库工程及两座中型水库和一些小型水库工程。三座大型水库是上游的 上窝堡水库、中游的阎王鼻子水库和下游的白石水库。上窝堡水库主要任务是解 决朝阳市以上地区农业用水和部分城镇用水及朝阳以上河段的防洪问题。阎王鼻 子水库主要解决朝阳市工业用水和农业补水问题。白石水库是最下游的梯级水 库，可控制全流域面积的7 6 ，主要解决下游平原滨海地区农田与辽河油田的防 洪问题，使两岸人民免受洪水威胁，其作用显著、意义深远。另外解决沈山线两 座铁路桥防洪及大量工农业用水问题，是流域开发、治理的控制性骨干工程。因 此列为第一期工程，先期兴建十分必要。阎王鼻子水库仅解决朝阳市问题，列为 市地方项目，市财力有条件，在省支持下可一期兴建。上窝堡水库因在上游，防 洪问题尚不突出，灌溉配套工程较大( 山丘区) 、用水要求不十分迫切，规划列为 远景工程。水库主要特性见表2 1 表2 1 大凌河流域规划水库主要特性 项目单位白石阎王鼻子上窝堡杨杖子生金 所在河流干流干流干流老虎山河黑城子河 控制面积 k m 21 7 6 9 49 4 2 85 7 179 0 08 5 4 净入库流量 1 0 m 39 5 0 85 3 9 33 2 2 07 9 07 8 3 总库容 1 0 6 m 31 6 4 513 59 0 8 39 9 31 4 6 6 调洪库容 1 0 m 37 5 59 53 5 5 8 兴利库容 1 0 w8 7 06 05 3 6 04 3 05 2 9 调节水量 1 0 e m 35 2 81 0 9 91 7 6 75 2 24 7 7 第二章白石水库基本情况 2 2 2 白石水库是辽河三角洲农业资源第二期综合开发的主要水源工程 辽河三角洲是指我省境内大凌河河口、双台子河( 辽河下游) 河口、大辽河 河口直至大凌河河口附近滨海平原及滩涂地区，俗称辽宁的“南大荒”。6 0 年代 以来进行了第一期开发建设，开发水田1 3 万h 酊，苇田6 2 万h m 2 ，滩涂0 3 3 万h m 2 ，已初步成为我省水稻、芦苇和水产养殖的生产基地。但其丰富的土地、 滩涂资源，由于缺水远未得到充分开发，目前尚有连片可垦荒地7 3 万h m 2 ，滩 涂5 7 万h m 2 。该地区自7 0 年代初，由于辽河油田的开发，经济发展速度很快。 而我省人多地少、城镇人口比重大，为解决今后发展中粮食和农副产品的供需矛 盾，保证我省粮食自给有余，急待三角洲第二期综合开发。据1 9 8 7 年8 月辽宁 省政府向国务院呈报批准的关于辽河三角洲农业开发建设第二期工程报告和 1 9 8 8 年1 月辽宁省水利厅向省政府呈报批准的辽河三角洲农业第二期开发建 设水利工程建议书，确定白石水库为辽河三角洲第二期综合开发的重点水源工 程之一。 2 2 3 白石水库是阜新市、北票市和锦州市近期发展中保证城市与工业供水的主 要水源 白石水库下游有著名的煤电之城阜新市，煤城北票市，工业城市锦州市等 阜新和北票，属资源性贫水区，现状缺水己十分严重，本地区已没有可供城市与 工业用水能集中开采的水源地，唯有靠白石水库解决现状用水矛盾和近期发展用 水要求。锦州市电厂和城市部分水源亦均在大凌河取水，白石水库可保证现状用 水并提高供水保证率。白石水库是保证库下城市近期发展用水要求的必要水源。 2 3 白石水库工程概况 白石水库大坝为混凝土重力坝，坝址处河床高程9 4 o m ，挡水坝最大坝5 0 3 m ，坝顶5 1 4m ，设1 1 孔1 2m 宽弧形门，另在9 6 0m 高程设1 2 个底孔，单孔 进口尺寸4 7m ( 宽高) 。 白石水库重力坝按i 级建筑物设计，各特征库水位及相应库容见下表2 2 。 河海大学工程硕士学位论文 表2 2特征水位相应库容表 校核洪水位 1 3 3 8 8m 相应库容1 6 4 5 亿m 3 设计洪水位 1 3 2 2 7m 相应库容 1 4 7 3 亿m 3 正常蓄水位 1 2 7 0m相应库容1 0 0 亿m 3 防洪限制水位 1 2 5 6m 相应库容8 9 亿m 3 死水位 1 0 8 om 相应库容 1 3 亿m 3 2 4 入库泥沙分析 2 4 1 流域泥沙来源及特陛 从大凌河流域干支流实测资料统计成果可知，流域内主要产沙区为左侧忙牛 河、老虎山河、第二_ 牛亡牛河等发源于内蒙古奈曼旗、库仑旗半移动沙丘及黄土丘 陵区的支流，输沙模数分别为2 6 8 9 ，2 3 2 9 ，2 2 1 5 t ( k m 2 a ) ；牛亡牛河迷力营子 站、老虎山河德吉站、第二辛亡牛河叶柏寿站多年平均含沙量别为4 1 0 ，3 5 ，4 3 蚝m 3 ，多年平均输沙量分为1 1 6 0 6 9 ，3 1 5 2 9 和4 2 5 2 万t ：干流朝阳站大凌 河站和锦县站多年平均含沙量分别为1 5 ，1 8 和1 3k g m 3 ，多年平均输沙量分别 为1 0 6 8 ，2 1 4 3 和1 9 4 0 万t 。 流域内沙量的年际变化很大，朝阳站1 9 6 2 年输沙量为7 7 7 3 5 4 万t ，是多 年平均输沙量的7 3 倍，是最小值的1 1 3 4 倍。大凌河站1 9 6 2 年输沙为1 0 6 9 5 7 万t ，是多年平均输沙量的5 倍，是最小值的5 0 8 倍。另外，大凌河流域年沙 量的变幅是上游比下游大，支流比干流大，而干支流各站出现大值的年份又不统 一，说明本流域局部暴雨产沙特点，暴雨中心、笼罩面积不同，使得各年沙量及 分布的差异极大。 由于本流域暴雨多发生在汛期，故沙量年内分配极不均匀，大部分集中在汛 期几场洪水中。如干流朝阳站汛期6 9 月沙量占全年沙量的9 8 3 以上，7 ，8 两月占全年沙量的8 3 9 ：大凌河站多年平均汛期沙量为2 0 7 2 万t ，占全年总量 的9 6 7 ，其中7 ，8 两月沙量为1 7 4 0 万t ，占全年总量的8 1 2 ，而1 9 6 2 年 7 月2 5 2 9 日一次洪水输沙量竞达7 8 1 2 2 万t ，占1 9 6 2 年全年输沙总量的7 3 7 6 。 非汛期1 2 2 月河道封冻，来沙接近于零，3 月下旬化冻之际有凌汛沙峰发生， 但输沙量不大。流域内悬移质泥沙颗粒组成比较单一，都以粉沙为主。 第二章白石水库基本情况 2 4 2 入库泥沙 白石水库坝址位于大凌河中游，在大凌河站上游3 7 0 m 处，库区左侧有支流 凉水河和斗亡牛河入汇。干流、凉水河和f | 亡牛河的入库控制站分朝阳站、凉水河子 站和迷力营子站，资料系1 9 5 5 1 9 9 2 共3 8 年，系列中包括1 9 6 2 ，1 9 6 3 ，1 9 6 9 共3 年洪峰流量超过1 0 0 0 0 m 3 s 的大水大沙年，又有1 9 7 0 年以后出现的枯水枯 沙年代表性较好。天然情况下白石水库多年平均入库悬移量为2 3 0 5 7 万t ，3 8 年入库8 7 6 1 6 万t ，加上3 推移质则入库总沙量为9 0 2 4 5 万t 。 l 、阎王鼻子水库修建对自石水库入库泥沙的影响 大凌河干流上，与白石水库同步建设的还有另一大i i 型水利枢纽阎王鼻子水 库，阎王鼻子水库位于大凌河中游，控制面积9 4 8 2 k m 2 ，坝下2 5k m 处是朝阳水 文站，设计标准为i 0 0 年，校核标准为1 0 0 0 年，总库容2 1 7 亿m 3 ，水库的主要 任务是满足下游朝阳城市近期内的工业、城市生活和农业用水，适当提高朝阳市 的防洪标准，同时利用水库弃水发电。水库的泄流设施为1 0 孔表孔和3 孔冲沙 闸，在运用上结合洪水预报，根据流域来水来沙特性、水库任务及工程规模，采 用大水年降低水位排沙、小水年蓄水的方式。经计算，阎王鼻子水库3 8 年总入 库沙量为3 8 8 3 6 万t ，出库沙量为2 3 6 1 5 万t ，平均每年为6 2 1 4 万t ，3 8 年库 区淤积总量为1 5 2 2 1 万t ，平均每年淤积4 0 0 6 万t 。 阎干鼻子水库坝址到朝阳水文站之间还有2 5 k m 长河道，经河道冲淤计算， 3 8 年经过朝阳断面输入白石水库的沙量为2 3 2 0 9 万t ，平均每年6 1 0 7 6 万t ， 与天然实测系列相比，朝阳站悬移质输沙量平均每年减少4 5 7 4 万t 。 上游修建阎王鼻子水库后，朝阳、凉水河子、迷力营子3 个入库站多年平均 悬移质输沙量分别为6 1 0 7 6 ，7 6 8 ，1 1 6 0 7 万t ，多年平均入库沙量之和为1 8 4 8 3 万t ，3 8 年为7 0 2 3 4 万t ，推移质按推悬比3 计，平均每年入库5 5 4 5 万t ， 3 8 年入库总沙量为7 2 3 4 1 万t 。 可见，上游阎王鼻子水库的修建，使白石水库入库悬移质和推移质泥沙每年 减少了4 5 7 4 万t ，3 8 年共减少1 7 9 0 4 万t 。 2 、德力吉水库垮坝对白石水库入库泥沙的影响 德力吉水库位于支流老虎山河上，坝址在朝阳站上游4 3 7 k m ，属于中型水 库。大凌河流域洪水主要来自干流上窝堡以上及左侧支流老虎山河、牛亡牛河、细 河海大学工程硕士学位论文 河，1 9 6 2 年暴雨中心位于朝阳以上西部地区，支流老虎山河上的水库德力吉水 库在当时跨坝，洪水携带着大量泥沙包括库区前期淤沙汹涌下泄。1 9 6 2 年朝阳 站输沙量达7 7 9 0 万t ，为多年平均输沙量的7 3 倍；大凌河站输沙量达1 0 6 9 6 万 t ，为多年平均输沙量的5 倍，这与德力吉水库垮坝有无关系，有待于进一步分 析研究。 根据水文分析，1 9 6 2 年朝阳、大凌河、锦县3 站实测洪峰流量分别为1 7 8 0 0 ， 1 7 3 0 0 ，1 3 3 0 0 m 3 s ，考虑垮坝影响经还原后则为1 0 7 0 0 ，1 4 0 0 0 ，1 4 6 0 0m 3 s ，白 石水库设计时采用还原后的成果。当时因各种原因对泥沙资料未作还原，也没有 实际分析资料，下面从上窝堡与朝阳、德力吉与朝阳的历年输沙量相关关系来分 析大凌河1 9 6 2 年沙量。 上窝堡站位于朝阳站上游8 2 6 k m 处，其间主要支流有第二斗亡牛河和老虎山 河，从实测资料统计，上窝堡、叶柏寿、德力吉、朝阳站多年平均输沙量分别为 4 3 9 8 5 ，4 2 5 2 ，3 1 5 2 9 ，1 0 6 8 1 9 万t ，从多年平均值看，上窝堡站输沙量占朝 阳站的4 1 ，叶柏寿站占朝阳站的4 ，德力吉站占朝阳站的3 0 ；1 9 6 2 年上述 4 站输沙量分别为5 1 5 3 7 ，2 1 8 2 ，2 3 8 8 7 ，7 7 7 3 5 万t ，分别是多年平均值的 1 1 7 ，5 1 ，7 6 ，7 3 倍，上窝堡站占朝阳站输沙量的6 6 ，叶柏寿站占朝阳站 的3 ，德力吉站占朝阳站的3 1 ，由此看来，1 9 6 2 年德力吉水库虽然垮坝，但 输沙量占朝阳站沙量的比例并未增大，而上窝堡站沙量占朝阳站的比例却从多年 平均的4 1 增加到当年的6 6 ，明显增大。 从上窝堡，朝阳、德力吉，朝阳历年实测输沙量相关曲线( 不包括1 9 6 2 年) 也可看出，当朝阳站沙量为7 7 7 3 5 万t 时，上窝堡为4 2 9 0 万t ，德力吉为2 7 0 0 万t ，说明实际上1 9 6 2 年上窝堡沙量大，德力吉沙量小。 综合上述分析可知，大凌河上游修建阎王鼻子水库后，能起到一定的拦沙作 用，减少白石水库入库泥沙；1 9 6 2 年德力吉水库垮坝虽然对大凌河洪峰流量有 影响，但对大凌河年输沙量并没有产生影响，白石水库在排沙运用方式的选择上 仍应根据天然情况及修建阎王鼻子水库后的入库泥沙特性来决定。 2 5 本章小结 本章主要介绍了白石水库所在流域概况、工程概况、入库泥沙分析等。特别 是对白石水库的入库泥沙特性进行了详细的分析。 第三章数学模型的建立 第三章数学模型的建立 3 1 基本方程 虬掣= 占学+ 掣 ， 水面处y ：矗，s 垡蚴+ c o s ( z ，y ) ：o 河床处 y ：o ，掣：一竺。：常数 鲫g 进口处x = 0 ，s ( x ，y ) = s d f ( y ) s印(x)=s印+(s。一s邱。)薹：要；嘉4_(口：+譬】r4(32)、足 4 一” ” 式中s ( x ，y ) 为任一点含沙量；s 、。为进口及饱和时底部含沙量； s 印( x ) 、为任一断面及饱和时断面平均含沙量；国为泥沙沉速；h 为水深； g 为紊动交换系数：k t 、足2 分别为泥沙p e c l e t 数与水质点p e c l e t 数，实质上都 河海大学工程硕士学位论文 反映了惯性力与紊动强度的比值，k = 警= 罢，必= 主= 百k u , ，k 为卡曼常 数，玑为摩阻流速，由2 啦= 鲁芸解出。 微分式( 3 2 ) 作一些变换和简化后，可以导得断面平均含沙量沿程变化的 微分方程式为： 掣堕：甜尝( 一( ) ) ( 3 3 ) 黜口 其中 口：1 + 堕。 2 求解式( 3 3 ) 并代入初始条件x = 0 ，s ( x ) = s o ，则可得输沙率沿程变化的 表达式： 9 5 出= g s 挟+ p 4 ( g s 进一g s 挟) ( 3 4 ) 此式即为不平衡输沙连续方程式。式中g 。进、q 。m 分别为河段进口与出口的单 宽输沙率；g 。按为单宽挟沙能力，若令善= e9 ，则掌表示河段冲淤过程中泥沙 的扩散和沉降程度，称为不平衡输沙系数，o f l 。同理可以根据冲刷条件下 的边界条件导得式( 3 4 ) ，但 口= 薹呜，口。玄+ 亏) 引入含沙量对泥沙沉速影响的表达式，处理后可得不平衡输沙系数为： 淤积条件下 冲刷条件下 一k 3 s q ( o4 i _ o7 7 ) g s ) ! f = p g f ：e 一如州3 ； 式中玛、蜀、蚝等系数可根据各河流的具体情况确定。 3 1 2 河相关系的调整 根据水沙连续方程和运动方程，可以推导如下河相关系表达式： b ：口垡 ( 3 5 ) i 第三章数学模型的建立 式中b 为平均造床宽度；q 相当于造床流量：i 为造床期平均比降；口、b 、 c 为参数。 3 1 3 洪水漫滩