红水河上岩滩水库冲淤过程数值模拟

红水河上岩滩水库冲淤过程数值模拟

水库建成后，水位上升，淹没面积扩大，流速降低，水流输送能力降低，导致沉积物和水库损失。大量沉积物在水库死水位以上沉积，降低了水库的运行效率，缩短了水库的使用寿命，并可能导致严重的后果后果，如大坝入口处的堵塞。同时，它对自然环境、社会经济和经济生活也有许多不利影响。为了减少沉积物对水库运行的影响，充分发挥水库的综合效应，对水库的沉积物进行定量分析。多年来，中国在水库修复方面做了大量工作。水库沉积物数据的观察和积累是水库污泥形成研究的基础。20世纪50年代，在对水库污泥进行系统分析的基础上，相关科研人员将这些数据进行了深入的分析，并将结果应用于水库的重建和控制。水库污泥是水库水泥运动的结果。因此，研究水库污泥是基于基本的粘土-沙量理论。随着泥沙运动理论的研究，物理模型和数学模型逐渐发展，成为研究水库污泥颗粒的重要方法。岩滩水库位于广西省西江上游红水河之上.目前对岩滩水库淤积情况的模拟研究较少.庞燕飞与周解研究了红水河岩滩水库建坝前后水质因子的变化及浮游植物的响应,但没有分析泥沙淤积情况;戴仕宝等对岩滩水库上、下游的控制性水文站天峨站和迁江站的水沙资料进行了分析,岩滩水库库区泥沙淤积明显,水库拦沙使得其下游的迁江站的输沙量迅速减少.覃杰与钟华昌根据进出库站泥沙特性和水库淤积测量结果,分析了岩滩水库泥沙淤积特性,以及泥沙淤积与水库运行的相互影响,并初步提出减少水库淤积的运行方式.从已有研究中可以看出,目前对岩滩水库淤积情况的研究,多采用实测资料进行分析,没有采用数学模型来计算泥沙淤积过程或预测今后库区淤积的发展趋势.本文采用一维恒定非均匀不平衡输沙数学模型《SUSBED-2》对岩滩水库1994年4月到1999年12月的水沙系列进行复演计算,对比分析了累积淤积过程的计算与实测结果;在此基础上,改进了干密度、水流挟沙力参数等关键参数的取值,对原模型进行了调整补充计算.1床沙非耦合模型岩滩水库的泥沙冲淤计算,采用杨国录、吴卫民开发的一维恒定非均匀不平衡输沙数学模型《SUSBED-2》,该模型已在国内设计院中得到普遍推广,在大中小河流中的水利水电工程的研究设计中得到广泛的应用.数学模型的控制方程,包括水流连续方程、水流运动方程、泥沙连续方程、悬移质不平衡输移方程、推移质不平衡输沙方程、床沙级配调整方程、河床变形方程等.该模型采用水沙非耦合解法,即先算水流,后算泥沙,再算河床变形和床沙组成.1床沙级配调整方程水流连续方程:∂Q∂x=q1(1)∂Q∂x=q1(1)水流运动方程:泥沙连续方程:γ′∂As∂t+∂(QS)∂x+∂G∂x=0(3)γ′∂As∂t+∂(QS)∂x+∂G∂x=0(3)悬移质不平衡输移方程:∂(QSk)∂x=-αωkB(Sk-S*k)(4)∂(QSk)∂x=−αωkB(Sk−S*k)(4)推移质不平衡输沙方程:∂Gk∂x=-ΚG(Gk-G*k)(5)∂Gk∂x=−KG(Gk−G*k)(5)床沙级配调整方程:γ′∂(EmΡk)∂t+∂(QSk)∂x+∂Gk∂x+ε1[ε2Ρok+(1-ε2)Ρk](∂Ζx∂t-∂Em∂t)B=0(6)γ′∂(EmPk)∂t+∂(QSk)∂x+∂Gk∂x+ε1[ε2Pok+(1−ε2)Pk](∂Zx∂t−∂Em∂t)B=0(6)水流挟沙力方程:S*=Κ(U3ghω)m(7)S∗=K(U3ghω)m(7)式中:Q为流量;A为过流面积;As为河床变形面积;B为河宽;Z为水位;g为重力加速度;Jf为能坡;q1为单位河长的侧向入流量;Sk和S*k分别为悬移质分组含沙量和水流挟沙力;Gk和G*k分别为推移质分组输沙率和有效输沙率;ωk为分组沙沉速;α为恢复饱和系数;KG为推移质恢复饱和系数;Pk为混合层床沙组成;P0k为天然河床的床沙组成;Em为混合层厚度;ε1和ε2为标记;r′为床沙干密度;K、m为水流挟沙力公式的系数和指数;U和h分别为断面平均流速和平均水深.本模型中推移质输沙率计算采用Mayer-Peter公式.2初始条件及干密度的确定悬移质泥沙的恢复饱和系数α是影响水库淤积形态及过程的一个重要参数,初始计算中按常规经验取值,即冲刷时取1.0,淤积时取0.25.根据龚嘴天然河道中的长系列计算验证成果,悬移质挟沙力的系数K和指数m的初始值为0.124、1.05.模型中干密度的确定通过孔隙率来实现,初始孔隙率取为0.5.2校核洪水位岩滩水电站是红水河梯级水电站中的第5级,位于红水河中游广西大化瑶族自治县境内.该电站以发电为主,兼有航运效益.岩滩水电站设计洪水位227.2m,最大下泄流量2.90万m3/s;校核洪水位229.2m,最大下泄流量3.34万m3/s;正常蓄水位223m,死水位204m,为年调节水库.岩滩水库控制河段有3条支流和1条二级支流,支流分别为黄江、东兰河和盘阳河,二级支流为盘阳河上的万岗河(图1).其中黄江、东兰河和万岗河均由于控制面积较小,其来水来沙对库区泥沙淤积影响不大,故在计算中不予考虑.盘阳河为岩滩水电站控制流域中较大的支流,其控制流域面积为2262km2,入汇口位于岩滩坝址上游8km处.2.1算范围及条件岩滩水电站坝址至天峨站库区河段全长152.9km,河道纵比降约为0.3‰.模型的计算范围为岩滩水电站的坝址至上游龙滩水电站的上围堰,全长166.6km.岩滩水电站坝址以上流域面积为10.66万km2,天峨水文站位于岩滩上游(距广西天峨县城15km),为岩滩库区入库代表站,控制流域面积为9.85万km2.模型中采用的计算条件分述如下.1初测地形分析本次研究中,岩滩水库共有3a实测地形资料,分别为1994、1997和1999年的实测地形资料.因1997年的地形资料不完整,故选取1994年实测地形资料作为初始地形,1999年的实测地形资料作为对比分析资料.从地形资料中得知,干流共75个实测断面,平均断面间距为2.45km,最大间距为6.31km,最小间距为0.17km.支流盘阳河共13个实测断面,平均断面间距为2.37km,最大间距为3.42km,最小间距为0.98km.2泥沙源及来沙量计算区域中,天峨水文站共24a(1976-1999年)的实测水沙资料.根据资料统计,该站多年平均流量约1600m3/s,年径流量约512亿m3,年输沙量约5815万t.计算区域进、出口断面无实测水沙资料,计算区域中干流、支流的流量及来沙量过程根据干流、支流控制面积与天峨站的控制面积的比值大小缩放求得.经计算,岩滩水电站坝址处汛期水位约223m,非汛期水位约210m.3悬沙量的实测计算中泥沙分组与床沙分组一致,分8组悬移质、8组推移质.天峨站没有对含沙量级配进行常规观测,1985年广西电力局设计院为了龙滩电站设计,曾专门在汛期对含沙量进行了实测,实测资料表明天峨站4-9月悬沙平均中值粒径d50为0.007m.模型中悬移质与推移质分界粒径为1.0mm,小于该粒径为悬移质,大于该粒径为推移质.床沙平均中值粒径为d50为0.014mm.床沙和悬沙级配曲线见图2.4流量为3.0.3时本次计算考虑不同流量级下的糙率取值不同.当流量为300m3/s时,曼宁糙率为0.0707;流量为3000m3/s时,糙率为0.0444;遇大洪水(流量为3.05万m3/s)时,糙率为0.0422.因此河道糙率取值随流量的增大表现为先增大后减小的趋势.考虑到水库蓄水后,水体周界与大洪水较为接近,实际计算时初始糙率采用河道洪水期的糙率,即取初始糙率为0.0422.2.2高沙坝型岩滩水库泥沙沉积计算图3为1999年干、支流深泓线计算与实测值的对比.从图3中可以看出,干流的淤积情况可以分为4段(河段I到河段IV)进行分析.1)距岩滩坝址45km内(河段I),该河段水面普遍较宽,而且距离坝较近,水流比较缓慢,泥沙淤积最为明显,淤积厚度最大处可达17m.实测累积淤积量约为0.74亿m3,而计算累积淤积量为0.21亿m3,两者相差较大.2)距岩滩坝址45～80km(河段II),该河段为峡谷型河段,由于水面普遍狭窄,河水流速较快,水流挟带能力较强,由于上游来沙颗粒很细,悬浮的细沙根本无法在该河段落淤,在某些断面甚至有冲刷.该段实测累积淤积量约为0.09亿m3,计算累积淤积量为0.10亿m3,两者符合较好.3)距岩滩坝址80～120km(河段III),该河段前面有一峡谷窄河段,河面比较宽敞,库水在该河段产生回水,上游来沙的粗颗粒部分在此沉积,最大淤积厚度约为12m.实测累积淤积量约为0.81亿m3,而计算值为0.21亿m3,两者相差较大.4)距岩滩坝址120～151.44km(河段IV),该河段已是库尾,断面宽窄相间,淤积情况不明显,实测累积淤积量约为0.10亿m3,而计算值为0.12亿m3,因此该河段计算与实测淤积量较符合.从图3(b)中可以看出,由于支流盘阳河的控制面积小,汛期时上游河面窄,而河口水面宽敞,而且靠近河口处多为土质岸坡的缘故,河口处泥沙淤积明显,淤积厚度约为9m,支流尾端淤了1.5～2m.然而相对于实测情况,计算的支流淤积量明显偏少,淤积厚度在1m以内,计算与实测结果吻合较差.综上所述,在模型参数按常规经验取值条件下,干流计算淤积总量为0.64亿m3,而实测淤积总量为1.74亿m3,两者相差较为明显.另外,计算的支流淤积量也明显偏小.影响计算结果的因素是多方面的,在上述岩滩水库淤积计算的初步研究中,模型中各相关计算参数按常规方法取值,如恢复饱和系数按经验取值、水流挟沙力参数按龚嘴天然河道验证成果取值、干密度也是按一般情况取值等,没有进行调试.此外实测资料表明,计算河段在天然状况下来沙组成较细,其中粒径小于0.01mm的泥沙在悬移质中占57%.在这种条件下,大量的细颗粒泥沙在水库中极有可能发生絮凝,导致泥沙沉速加大,加速水库淤积.从图3中也可以看出,坝前20km范围内的泥沙淤积厚度明显较大,这表明该水库极有可能存在絮凝现象.而在用模型进行初步计算时,上述问题均没有考虑.2.3岩滩水库变形结构的优化设计上述分析表明,岩滩水库淤积的初步计算结果与实测值误差较大的主要原因是模型中关键参数按常规取值,没有考虑岩滩水库的来沙组成等具体特点.下面将从以下几方面改进模型中几个关键参数的取值,并重新计算水库的淤积过程.2.3.1床沙干密度的确定水库淤积物的干密度变化范围很大,它影响淤积重量和体积的换算、细颗粒淤积物密实后淤积体积的变化以及泥沙起动流速、挟沙能力的变化等,是水库淤积计算的重要参数,需要可靠确定.岩滩水库来沙的粒径偏细,粒径小于0.01mm的泥沙占大多数.已有研究结果表明:库区淤积物干密度随粒径的增大而增大,对于细颗粒淤积物的初期干密度,当d为0.005～0.010mm时,干密度取值为778kg/m3.在本次数学模型计算中,干密度的变化是通过改变孔隙率来实现的.根据岩滩水库悬沙组成的具体情况(汛期平均中值粒径d50=0.007mm),将床沙干密度调整到800kg/m3再对模型进行复验计算,即将平均孔隙率由初始的0.5调试为0.7.2.3.2流抓参数的确定水流挟沙力的计算是泥沙数学模型的关键模块,其计算精度直接影响到悬移质含沙量和河床变形幅度.在张瑞瑾等提出的水流挟沙力公式中,参数K、m确定较难,需要依靠实测资料来率定.在上述初次计算中,系数K和指数m的确定采用龚嘴站资料的率定成果,即按K=0.124,m=1.05取值.而根据刘建军等所做的水槽实验结果,红水河上悬移质挟沙力参数K和m的取值为0.185和0.666更为合理.因此计算挟沙力时参数应按K=0.185,m=0.666取值.2.3.3泥沙恢复饱和系数恢复饱和系数是反映悬移质不平衡输沙时含沙量向饱和含沙量即挟沙能力靠近的恢复速度的重要参数.恢复饱和系数的大小,直接影响着河床冲淤量的大小,对泥沙冲淤量计算具有重要影响.目前对恢复饱和系数的理论认识尚缺乏共识,在一维水沙模型中,一般采用经验结果,即淤积时泥沙恢复饱和系数为0.25,冲刷时泥沙恢复饱和系数为1.0.恢复饱和系数越大,含沙量沿流程的变化率就愈大,含沙量恢复到挟沙力的速度就越快.在本次计算中,将淤积时的恢复饱和系数调大,即将淤积时的恢复饱和系数由0.25调为0.7,以对比分析泥沙恢复饱和系数取值对泥沙淤积计算结果的影响.2.3.4龙滩水库泥沙运动模型较细的粘性颗粒在水体中会凝聚在一起,发生絮凝现象.针对红水河上易产生絮凝沉降淤积的现象,国家电力公司中南勘测设计研究院委托武汉大学泥沙实验室进行水槽试验,对龙滩水库库区的泥沙运动进行研究.岩滩水库模型与龙滩水库模型相近,因此运用龙滩水库模型试验结果对岩滩水库进行研究分析.主要是水流运动状态和含沙量对絮凝沉降的影响,可以表达为ω=f(U,S).1含沙量对s,h在同样的水力和泥沙级配条件下,随着含沙量的增加,泥沙絮凝作用的增强,沉降速度ω会随之增大.实验结果表明,在红水河含沙量不是很大的条件下,S对ω的影响并不显著,因此不考虑含沙量对絮凝的影响.2静水沉速与粒径的关系在同一含沙量及粒径级配条件下,低流速时会促进泥沙颗粒发生碰撞,起到促进泥沙发生絮凝的作用;随流速进一步增大,流动反过来破坏泥沙的絮网结构.在红水河上,正好反应了这个规律.ω计算值与单颗粒静水沉速ω0的关系可表示如下:ω/ω0=1+2.296e-5.1809U(8)ω/ω0=1+2.296e−5.1809U(8)细颗粒泥沙发生絮凝与粒径有很大关系.实验表明,红水河悬移质泥沙在静水沉降中发生絮凝的临界粒径约为0.020mm.此次调整计算中,选用分界粒径为0.025mm,用式(8)调整小于该粒径的分组泥沙的沉速.2.4参数调整效果综合考虑上述相关影响因素,调整相关计算参数后,采用模型重新计算岩滩水库1994-1999年的库区淤积过程.同样将干流分为4段(河段I到河段IV)分析各河段的累积淤积量.参数调整前后的计算结果与实测结果统计,见表1.参数调整后计算的干流深泓点高程,见图4;干流的累积淤积过程,见图5.从表1和图5中可以看出,参数调整前后淤积量计算值变化十分显著,重新计算的干流累积淤积总量为1.74亿m3,与实测结果相符.但干流分河段淤积量计算与实测比较时差异仍较大,具体原因分析如下.在河段I,参数调整后计算的淤积厚度明显增大,相比初始计算结果,最大淤积厚度达2.6m,泥沙淤积量增大2倍,改进效果明显.但与实测结果相比,相差依旧比较大.在河段II,参数调整后计算的泥沙平均淤积厚度比初始计算结果大2m左右,累积淤积量也增大0.16亿m3,与实测结果相比,计算结果仍偏大.在河段III,参数调整后计算的泥沙淤积量增大3倍,平均淤积厚度增大约3.6m,淤积增加效果明显,该河段计算与实测淤积量是整个河段吻合最好的一段.在河段IV,参数调整后计算的泥沙平均淤积厚度增大3m,累积淤积量增大0.28亿m3,与实测结果相比,计算结果明显偏大.表2为各类参数调整前后干流累积淤积量、排沙比统计情况,更好地对比了单因素调整对计算结果的影响.从表中可以看出,干密度调整对累积淤积量的影响最大,调整后的淤积量达到1.15亿m3;水流挟沙力参数的影响最小,调整后的淤积量仅为0.77亿m3.然而从参数调整后的排沙比变化来看,考虑细颗粒泥沙絮凝后,排沙比变化最大,与实测结果相比,排沙比减小了7.4%;而干密度值的调整,对排沙比的影响最小,与初始计算相比,排沙比仅降低0.4%.这说明絮凝作用对细颗粒泥沙淤积影响颇大,使细颗粒泥沙絮凝成团,淤积在水库中,进而改变了淤积泥沙的比例;又因为絮凝与泥沙颗粒的粒径有关,计算沉速时,仅对细颗粒的分组泥沙做了调整,并没有调整其他粒径组泥沙的沉速,从而表现为絮凝作用对累积淤积量的计算结果影响有限.而干密度的调整对所有粒径组的泥沙均有影响,尽管对排沙比的影响较小,但直接影响了床面淤积物体积的计算.综合考虑上述各种相关影响因素后,计算的累积淤积量与实测结果相符,排沙比下降至59.0%,各类参数调整的影响效果十分明显.2.5不同参数对累积堆积量的影响上述分析较为完整地给出了单因素调整对计算结果的影响以及各类参数综合考虑时对计算结果的影响,计算表明关键参数调整的影响效果十分明显.由于干密度、水流挟沙力参数、恢复饱和系数等因素对模型计算结果影响很大,在此进一步对各参数进行单因素调整下的敏感性分析.对某一个参数进行敏感性分析时,先保持其他参数取值不变,然后改变该参数±20%,得出相应的计算结果,见表3.从表中可以看出,干密度越大,累积淤积量越小,而排沙比几乎没变;水流挟沙力参数K值改变对累积淤积量和排沙比几乎无影响,而参数m的变化会引起累积淤积量的变化,且两者成正比;淤积时的恢复饱和系数在0.7的基础上增大或减少20%,其对应的累积淤积量均减小;在考虑细颗粒泥沙的絮凝作用对泥沙淤积的影响时,当分界粒径增大或减小20%时,累积淤积量的计算结果无变化.通过以上对岩滩水库实测资料与参数调整前后计算结果的对比分析以及单因素的敏感性分析,可以得到以下几点认识.1)计算河段来沙较细,其中粒径小于0.01mm的泥沙占来沙总量的57%