水利工程論文-小浪底水庫(kù)運(yùn)用后三門峽水庫(kù)運(yùn)用方式中一些問題的初步研究.doc

水利工程論文-小浪底水庫(kù)運(yùn)用后三門峽水庫(kù)運(yùn)用方式中一些問題的初步研究摘要：小浪底水庫(kù)投入運(yùn)用后三門峽水庫(kù)的運(yùn)用方式將作調(diào)整，本文運(yùn)用黃河水庫(kù)一維水動(dòng)力學(xué)泥沙數(shù)學(xué)模型通過典型條件下的方案對(duì)比計(jì)算與分析，從減少庫(kù)區(qū)淤積及增加電站出力兩方面綜合考慮，認(rèn)為水庫(kù)非汛期運(yùn)用的第4方案較好；從排沙效果來看,汛期水庫(kù)降低水位開始排沙的入庫(kù)流量應(yīng)選擇大于1500m3/s為宜。關(guān)鍵詞：泥沙數(shù)學(xué)模型水庫(kù)運(yùn)用方式方案北村水位1引言小浪底水庫(kù)投入運(yùn)用后，三門峽水庫(kù)所承擔(dān)的防洪、防凌和調(diào)沙減淤任務(wù)將會(huì)有所變更，在新情況下，三門峽水庫(kù)如何調(diào)度運(yùn)用需要進(jìn)行研究。在發(fā)生特殊的洪水或凌汛年份，三門峽與小浪底水庫(kù)聯(lián)合運(yùn)用共同承擔(dān)，這在小浪底水庫(kù)設(shè)計(jì)中已有具體安排，故不再進(jìn)行研究，本文主要就一般年份里三門峽水庫(kù)運(yùn)用的有關(guān)問題作初步研究。采用一維水動(dòng)力學(xué)泥沙數(shù)學(xué)模型進(jìn)行方案計(jì)算，并結(jié)合實(shí)測(cè)資料，對(duì)各方案庫(kù)區(qū)的沖淤變化作綜合分析。2水庫(kù)一維泥沙數(shù)學(xué)模型2.1基本方程水流連續(xù)方程Qi+1=Qi+Ql(1)水流能量方程Zi+iV2i/2g=Zi+1+i+1V2i+1/2g+hw(2)非均勻懸沙擴(kuò)散方程(3)泥沙連續(xù)方程(4)式中i、j分別為過水?dāng)嗝嫘蛱?hào)及懸沙粒徑組序號(hào)；Ql、hw分別為相鄰斷面之間的入?yún)R流量及水頭損失；為動(dòng)能校正系數(shù)；為泥沙恢復(fù)飽和系數(shù)；Sj、S*j分別為第j組懸沙含沙量、挾沙力；qsj為單位流程匯入或流出的第j組懸沙輸沙率。2.2異重流輸沙計(jì)算當(dāng)異重流在底坡較陡的庫(kù)底運(yùn)行時(shí)，異重流的潛入條件可以采用下式判別0/m-0V20/gh0=0.6(5)式中V0、h0分別為異重流潛入斷面的平均流速和水深；m、0分別為異重流和清水的容重。當(dāng)庫(kù)底坡度很緩時(shí)，根據(jù)韓其為等人的研究，異重流的潛入條件應(yīng)為h=maxh0,hn(6)式中h0為按式(5)計(jì)算的潛入點(diǎn)水深；hn為異重流均勻運(yùn)動(dòng)時(shí)的水深。產(chǎn)生異重流后，從潛入斷面開始要逐斷面計(jì)算異重流的水力參數(shù)。在異重流運(yùn)動(dòng)過程中，因沿程流量減少不多，故在一個(gè)計(jì)算時(shí)段內(nèi)可以作為恒定流來處理。異重流的阻力系數(shù)取平均值t=0.025。異重流水深計(jì)算選用異重流均勻運(yùn)動(dòng)水深計(jì)算公式進(jìn)行，即hn=（t/8gJ00/Qe/Be）X)1/3(7)式中J0為分河段底坡；Qe為異重流流量；Be為異重流寬度。異重流挾沙力、含沙量以及沖淤量等的計(jì)算均與明流相同，只是此時(shí)的水力參數(shù)應(yīng)采用異重流的。2.3求解過程數(shù)學(xué)模型中一些基本問題的處理，如沖積河流的阻力變化關(guān)系、懸移質(zhì)水流挾沙力、床沙級(jí)配計(jì)算以及沖淤量沿橫斷面的分布等已在文獻(xiàn)1中論述過，一維水流、泥沙控制方程組的離散和數(shù)值求解方法也詳見文獻(xiàn)1。值得指出的是，對(duì)于每一計(jì)算時(shí)段，當(dāng)斷面發(fā)生沖刷時(shí)，為了避免床沙級(jí)配計(jì)算中可能出現(xiàn)負(fù)值，特限制任一粒徑組泥沙的沖刷量應(yīng)小于活動(dòng)層內(nèi)床沙所能提供的量；當(dāng)斷面淤積時(shí)，規(guī)定每一時(shí)段的淤積總量應(yīng)小于活動(dòng)層面積，否則，通過縮短時(shí)段來滿足。若相鄰時(shí)段水流泥沙條件發(fā)生較大變化，如壩前水位驟降等，模型可以通過自動(dòng)縮短計(jì)算時(shí)段來實(shí)現(xiàn)水沙條件的較平穩(wěn)過渡，從而使溯源沖刷的模擬水平有了較大的提高。3模型驗(yàn)證為了使所建模型適用于預(yù)測(cè)黃河中游大型水庫(kù)庫(kù)區(qū)泥沙沖淤過程和趨勢(shì)，本文選用三門峽水庫(kù)潼關(guān)以下庫(kù)區(qū)19601988年共28年的實(shí)測(cè)水沙系列進(jìn)行驗(yàn)證計(jì)算。三門峽水庫(kù)三個(gè)不同運(yùn)用期庫(kù)區(qū)及分河段沖淤總量的驗(yàn)證結(jié)果見表1，其中實(shí)測(cè)值為斷面法測(cè)量結(jié)果?？梢钥闯?，各時(shí)段各河段計(jì)算的沖淤總量與實(shí)測(cè)值相差最大為0.9億m3，一般為0.5億m3，二者符合良好。累積沖淤過程以及每年汛期、非汛期的沖淤量也與實(shí)測(cè)結(jié)果符合較好，縱向沖淤分配在定性和定量方面與實(shí)際也較為接近。表1三門峽水庫(kù)三個(gè)不同運(yùn)用期庫(kù)區(qū)沖淤總量驗(yàn)證(單位：億m3)ComparisonofcalculatederosionanddepositionwiththemeasuredinSanmenxiareservoir河段潼關(guān)史家灘潼關(guān)太安太安史家灘時(shí)段實(shí)測(cè)計(jì)算實(shí)測(cè)計(jì)算實(shí)測(cè)計(jì)算1961.61965.1028.0827.817.918.4420.1819.361965.101974.6-3.48-3.52-0.50-0.21-2.98-3.311974.61988.10-0.83-0.54-0.87-0.480.03-0.064三門峽水庫(kù)非汛期運(yùn)用方式研究三門峽水庫(kù)在非汛期一般不再承擔(dān)或很少承擔(dān)防凌任務(wù)，為了保證三門峽水庫(kù)在5、6月份來水較小時(shí)能維持12臺(tái)機(jī)組發(fā)電，需要配合小浪底水庫(kù)進(jìn)行春灌蓄水。為此，經(jīng)考慮擬定如下運(yùn)用原則：春灌蓄水位盡量降低，蓄水時(shí)間盡量縮短，使非汛期淤積的泥沙主要分布在大禹渡以下，以利于汛期近壩段溯源沖刷時(shí)排出庫(kù)外，淤積末端限于以下，不影響潼關(guān)至河段的沖淤，不影響潼關(guān)高程的升降變化?？傊?，要改善三門峽水庫(kù)的沖淤狀況，盡量多發(fā)電。據(jù)此原則，初步設(shè)計(jì)了五種非汛期水庫(kù)運(yùn)用方案：(1)方案1，又稱“四省會(huì)議”方案，即每年的11月次年的6月20日控制水位310m，6月21日6月30日水庫(kù)水位逐漸降至305m；(2)方案2規(guī)定，每年的11月次年的6月20日控制水位312m，6月21日6月30日庫(kù)水位逐漸降至305m；(3)方案3為，每年11月次年的6月20日控制水位315m，6月21日6月30日庫(kù)水位逐漸降至305m；(4)方案4為，每年的11月次年的3月25日控制水位312m，3月264月20日最小出庫(kù)流量700m3/s，允許最高蓄水位319m，4月21日6月20日庫(kù)水位逐漸降至312m，6月21日6月30日水位逐漸降至305m；(5)方案5的蓄、降水過程和方案4相同，但水位不同，即每年的11月次年的3月25日控制水位315m，3月26日4月20日最小出庫(kù)流量700m3/s，允許最高水位319m，4月21日6月20日庫(kù)水位逐漸降至315m，6月21日6月30日水位逐漸降至305m。19901995年度潼關(guān)站非汛期平均來水量161.4億m3，來沙量1.93億t，與1993年度非汛期潼關(guān)水量155.0億m3、沙量1.94億t較接近，因而選擇該年度非汛期潼關(guān)站的水沙條件(包括逐日流量、含沙量、懸沙級(jí)配等)作為上述五個(gè)方案計(jì)算的依據(jù)，起始地形采用1995年10月份統(tǒng)測(cè)的潼關(guān)以下庫(kù)區(qū)大斷面資料，計(jì)算的起止日期為1992年10月20日至1993年6月30日，統(tǒng)計(jì)該時(shí)段的實(shí)測(cè)水沙資料，潼關(guān)入庫(kù)水量162.1億m3，沙量2.0億t。水電站發(fā)電量按下式估算E=AQHT(8)式中E為發(fā)電量，千瓦小時(shí)(度)；Q為過機(jī)組流量(m3/s)，非汛期過機(jī)組流量按出庫(kù)流量考慮；A為出力系數(shù)，采用8.5，實(shí)際上不同水位該值有所不同；H為發(fā)電水頭,m；T為發(fā)電時(shí)間，小時(shí)。各方案的計(jì)算結(jié)果見表2所示。由表可見，各方案潼關(guān)至NFDA2NFDA3河段計(jì)算的沖淤量基本一致，表明水庫(kù)按照這些方案運(yùn)用對(duì)潼NFDA2段的沖淤不產(chǎn)生影響。方案1至方案3的運(yùn)用過程一樣，只是控制水位不斷抬高，從庫(kù)區(qū)總沖淤量的計(jì)算結(jié)果看，方案3比方案2、方案2比方案1淤的多；五個(gè)方案中第5方案累積淤積量最大，含有春灌蓄水的方案4比方案3少淤0.121億m3。從計(jì)算的非汛期發(fā)電量來看，基本上與累積沖淤量的大小相對(duì)應(yīng)，即非汛期水庫(kù)淤積量大，則發(fā)電量也大。綜合起來看，方案4計(jì)算的累積沖淤量適中，發(fā)電量也偏多一些。表2三門峽水庫(kù)非汛期運(yùn)用各方案計(jì)算成果比較Calculatedresultsofdifferentmodesofoperationinnonfloodseasons方案特征水位(m)各河段沖淤量(億m3)發(fā)電量桃汛前水位最高水位41-3636-3131-2222-141-1(億度)P13103100.1658-0.1254-0.0120.58220.610711.7P23123120.164-0.11180.10790.60110.761212.45P33153150.1621-0.05210.36580.50190.977713.57P43123190.1653-0.07130.24940.51310.856513.07P53153190.165-0.01970.43940.43111.015913.895三門峽水庫(kù)汛期各級(jí)流量排沙效果研究考慮到三門峽水庫(kù)汛期的調(diào)沙減淤任務(wù)將主要由小浪底水庫(kù)承擔(dān)，這樣就可以進(jìn)一步研究水庫(kù)在不同流量級(jí)當(dāng)庫(kù)水位降低時(shí)的排沙效果，因?yàn)閺狞S河下游河道減淤的需要來看，三門峽水庫(kù)目前的泄洪排沙流量應(yīng)大于2500m3/s，但近十幾年的實(shí)測(cè)資料表明，這種流量出現(xiàn)的機(jī)率在不斷減小，這就需要研究水庫(kù)在較小流量時(shí)降水排沙的可能性。這次研究共選擇了五級(jí)入庫(kù)流量，分別為1000、1500、2000、2500及3000m3/s，持續(xù)時(shí)間均為20天，方案依流量從小到大的順序編號(hào)，各方案均采用控制最低水位298m敞泄運(yùn)用。各級(jí)入庫(kù)流量的含沙量及懸沙級(jí)配均按近幾年潼關(guān)站汛期的實(shí)測(cè)資料統(tǒng)計(jì)得出，方案1至方案5的入庫(kù)含沙量分別為25、35、50、85及96kg/m3。起始庫(kù)區(qū)地形采用1996年汛前統(tǒng)測(cè)的大斷面資料。水庫(kù)泄流規(guī)模按1990年以后打開9#、10#底孔以及擴(kuò)裝2臺(tái)機(jī)組的情況考慮，采用天津設(shè)計(jì)院1993年提供的泄流曲線進(jìn)行計(jì)算。模型輸出結(jié)果主要有各級(jí)流量下水庫(kù)持續(xù)20天敞泄庫(kù)區(qū)沖刷量和北村流量為1000m3/s的水位變化過程。計(jì)算結(jié)果顯示，在20天的計(jì)算時(shí)段內(nèi)，庫(kù)區(qū)沖刷主要集中在黃淤31斷面以下，潼關(guān)以下庫(kù)區(qū)累積沖刷量隨著入庫(kù)流量的增大而增大；當(dāng)入庫(kù)流量為1000m3/s時(shí)，即使庫(kù)水位降到298m，庫(kù)區(qū)的沖刷強(qiáng)度也不大，整個(gè)計(jì)算時(shí)段內(nèi)北村水位降不到309m(北村站穩(wěn)定水位)，相對(duì)而言，入庫(kù)流量為2500m3/s時(shí)(方案4)北村水位降至穩(wěn)定的時(shí)間最短，因?yàn)楫?dāng)入庫(kù)流量達(dá)到3000m3/s時(shí)，按照目前的泄流規(guī)模敞泄，水庫(kù)產(chǎn)生壅水，庫(kù)水位超過298m，因而降低了對(duì)北村水位的沖刷作用。表3為三門峽水庫(kù)19901992年汛期低水位排沙期實(shí)測(cè)的排沙情況統(tǒng)計(jì)。由表可見，流量在25003000m3/s和20002500m3/s這兩級(jí)流量范圍內(nèi)水庫(kù)沖刷強(qiáng)度最大,15002000m3/s這級(jí)流量的沖刷強(qiáng)度居中，流量小于1000m3/s以后庫(kù)區(qū)沖刷明顯減弱，這些與數(shù)模計(jì)算結(jié)果在定性上基本一致。表3三門峽水庫(kù)19901992年汛期低水位排沙期排沙情況統(tǒng)計(jì)Sedimentdischargingatlowwaterstagesinfloodseasonsin1990-1992流量級(jí)(m3/s)天數(shù)tg(m3/s)smx(m3/s)sjt(m3/s)沖刷強(qiáng)度(108t/d)25003000628082740300.14-0.042200025001622552220300.51-0.038150020002917931744300.97-0.026100015003013581240299.71-0.013500100036780736300.61-0.0036結(jié)語1.小浪底水庫(kù)建成投入運(yùn)用后，三門峽水庫(kù)非汛期運(yùn)用的五個(gè)方案計(jì)算結(jié)果表明，各方案潼關(guān)至河段計(jì)算的沖淤量基本一致，表明水庫(kù)按照這些方案運(yùn)用對(duì)潼段的沖淤不產(chǎn)生影響。從計(jì)算的非汛期發(fā)電量來看，基本上與同期累積淤積量成正比。從減少庫(kù)區(qū)淤積及增加電站出力兩方面綜合考慮，水庫(kù)非汛期運(yùn)用的第4方案較好。2.小浪底水庫(kù)運(yùn)用后，三門峽水庫(kù)在汛期可以按照入庫(kù)水沙條件和發(fā)電需要選擇排沙流量，根據(jù)對(duì)汛期不同流量級(jí)的沖刷計(jì)算與各流量級(jí)排沙的實(shí)測(cè)結(jié)果來看，庫(kù)區(qū)累積沖刷量隨著入庫(kù)流