鄭 洪 宇

(赤峰市水利規(guī)劃設(shè)計研究院， 內(nèi)蒙古 赤峰 024000)

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三座店水庫運行50年后取水塔含沙量數(shù)值模擬分析

鄭 洪 宇

(赤峰市水利規(guī)劃設(shè)計研究院， 內(nèi)蒙古 赤峰 024000)

三座店水庫所屬河流含沙量高，工程建成運用后河道的水沙條件將會發(fā)生改變，可能會影響整體河勢調(diào)整和行洪能力。為準確掌握庫區(qū)泥沙淤積狀況，采用Delft3D三維水動力泥沙輸移數(shù)學(xué)模型，對水庫運用50年后取水塔各層取水窗口的含沙量進行數(shù)值模擬，分析含沙量與流速、含沙量持續(xù)時間等特征關(guān)系。模擬結(jié)果表明：水庫運用50年后，左、右泄洪洞和取水塔的含沙量大于原地形含沙量；50年一遇頻率洪水含沙量較100年和20年高，垂線平均含沙量由大到小依次為右洞、左洞、取水口；50年系列大于3 kg/m3的含沙量持續(xù)時間不超過23.5 d。

泥沙輸移；含沙量；數(shù)值模擬；取水塔；水庫

三座店水利樞紐工程位于內(nèi)蒙古西遼河上游老哈河水系英金河的支流陰河下游，總庫容3.24億m3，是一座以城市防洪和供水為主，兼顧生態(tài)農(nóng)業(yè)灌溉和發(fā)電等綜合利用的大型水利樞紐工程，為赤峰市城區(qū)提供4 745萬m3/a用水。三座店水庫運行期壩前水體含沙量大小及分布情況十分復(fù)雜，和上游來水來沙條件，特別是和汛期洪水大小和挾帶的泥沙多少有關(guān)，也和庫區(qū)泥沙淤積狀況和水庫運用方式有關(guān)[1-3]。為保證水庫取水具有較高的可靠性和安全性，根據(jù)水庫來水來沙資料優(yōu)選取水塔698.8 m、705.8 m、712.8 m和719.3 m四層窗口，采用數(shù)學(xué)模型仿真分析水庫運用50年后，遭遇100 a、50 a、20 a及10 a一遇洪水的庫區(qū)流速及含沙量分布情況、各層取水口含沙量顆粒組成及含沙量持續(xù)時間等特征。

1　水庫來水來沙資料分析

三座店水利樞紐工程壩址距初頭朗水文站很近，區(qū)間面積27 km2，僅占水庫流域面積的0.95%，因此可用該站來水來沙觀測資料分析三座店水庫的水沙特點。根據(jù)初頭朗站1956年—2000年實測水沙系列資料(1956年—1966為插補資料)統(tǒng)計成果表明，初頭朗站年際間的來水來沙是很不均勻的，1956年—2000年系列多年平均年徑流量為1.116億m3，其中最大和最小年徑流量分別為4.162億m3(1959年)和0.214億m3(1989)，年徑流量變化幅度高達19.4倍，這說明該流域徑流量有很大的隨機性[4-5]。同時期多年平均來沙量為484.6萬t，且年際間差別也很大，最大年來沙量為1 253萬t(1964年)，最小的是1968年65.1萬t，年來沙量變化幅度也高達19.2倍。汛期輸沙量472.82萬t(占全年97.92%)，汛期平均含沙量62.65 kg/m3，7月、8月輸沙量381.93萬t(占全年79.1%)，7月、8月平均含沙量70.38 kg/m3。盡管該系列的年平均流量僅為3.54 m3/s，但年均含沙量卻高達43.41 kg/m3，懸移質(zhì)中值粒徑0.029 mm，是典型的高含沙量河流。初頭朗站的資料表明年內(nèi)的來水來沙也很不均勻，有明顯的汛期和非汛期，如圖1所示。

圖1初頭朗站月均來水來沙分布

根據(jù)統(tǒng)計的月均來水來沙資料來看，6月—9月可劃分為汛期，10月—次年5月為非汛期。汛期來水來沙分別占全年的67.6%和97.6%，其中7月—8月為主汛期，來水來沙分別占全年的48.6%和78.8%。在主汛期中以7月份來水來沙最豐，來水占全年的1/4，而來沙更高達全年的1/2。進一步分析月均來水來沙的特點時發(fā)現(xiàn)，6月份與9月份來水量十分接近，而來沙量卻差別巨大，6月份是9月份的7.3倍。造成這一現(xiàn)象的合理解釋是：經(jīng)過一個干旱的冬春季節(jié)，土壤表面風(fēng)化嚴重，土質(zhì)疏松，當(dāng)初汛(6月)來臨時非常易于沖刷，因而形成“小水大沙”現(xiàn)象[6]。隨著主汛期的到來，土壤表面易于沖刷的泥沙已大多被沖走，因此，當(dāng)汛末(9月)來臨時已經(jīng)沒有足夠的泥沙可供沖刷，從而造成末汛“大水帶小沙”現(xiàn)象，這與流域產(chǎn)沙的基本規(guī)律一致。

2　取水塔含沙量三維數(shù)值模擬分析

采用Delft3D三維水動力泥沙輸移數(shù)學(xué)模型，模擬流場和泥沙場情況[7-9]，分析三座店水庫取水塔區(qū)域的水文泥沙特征。

2.1模型計算范圍及網(wǎng)格劃分

計算范圍上游起自壩址上游6.3 km處，下游終止于壩前，兩側(cè)以自然高地控制。水平方向網(wǎng)格尺寸7 m～63 m，垂向劃分8層，各層厚度按取水塔分層控制，從上到下依次是第1到第8層，其中第2、4、6、8層為各層取水口位置，網(wǎng)格數(shù)量總計196 280個。為節(jié)省計算耗時，遠壩區(qū)域采用粗網(wǎng)格；近壩區(qū)域的泄洪洞和取水塔，采用加密網(wǎng)格。粗、細網(wǎng)格直接銜接往往影響計算精度，因此在粗、細網(wǎng)格間設(shè)置過渡網(wǎng)格，以保證計算結(jié)果的穩(wěn)定、準確[10]。計算范圍及網(wǎng)格剖分示意如圖2所示。

圖2計算范圍及網(wǎng)格剖分示意圖

初始條件主要包括初始水位、初始流場、初始含沙量分布[11-14]。為了保證計算過程的穩(wěn)定，初始水位一般與邊界條件相同[15-16]。上游開邊界為水位邊界和含沙量邊界，下游開邊界為泄洪洞流量邊界、取水塔流量邊界。

2.2計算工況及成果分析

2.2.1計算工況設(shè)置

地形情況按照原始河道地形，洪水情況按照100年、50年、20年及10年一遇洪水四個工況進行計算。由于左洞離取水口較近，為了盡量減少泄洪帶來的泥沙，模擬時主要由右洞泄洪，在單獨開啟右洞不能滿足下泄要求流量時才開啟左洞泄洪。起調(diào)水位為汛限水位722 m。按不同頻率洪水設(shè)置模擬工況，如表1所示。

表1　50年淤積地形計算工況表

2.2.2成果分析

(1) 水流運動特點。汛期入庫水流含沙量較大，一般在100 kg/m3以上，最大可達403 kg/m3。水庫運用50年后發(fā)生各頻率洪水的庫區(qū)流態(tài)，其壩前均沒有異重流存在的條件，在100年一遇頻率洪水工況下，按非異重流計算獲得庫區(qū)流態(tài)，如圖3所示。

圖3按非異重流計算的庫區(qū)流態(tài)

從圖3可知，非異重流工況下左、右側(cè)泄洪洞和取水口都有水流進入，不再有大面積回流，整體流態(tài)較平順，其它頻率洪水的流態(tài)和100年一遇洪水的庫區(qū)水流流態(tài)相似。水庫運用50年后發(fā)生不大于100年一遇洪水情況下，由于兩側(cè)泄洪排沙洞偏離主河道，壩前很難形成穩(wěn)定的異重流排沙條件。

(2) 各層取水口的含沙量及持續(xù)時間。水庫運用50年后，在100年一遇、50年一遇和20年一遇頻率洪水工況下，各層取水口的含沙量過程如圖4～圖6所示。

從圖4～圖6可以看出，相同頻率洪水中，下部含沙量明顯高于上部含沙量；各頻率洪水相比，相同位置50年一遇的含沙量高于100年一遇的含沙量，同樣是由于50年的出流量和100年的出流量相同，而50年的庫水位低于100年的庫水位，從而引起取水塔位置50年的流速大于100年的流速，含沙量也隨之增大。

圖4　100年一遇頻率洪水含沙量過程

圖5　50年一遇頻率洪水含沙量過程

圖620年一遇頻率洪水含沙量過程

100年一遇頻率洪水下高程為719.3 m的取水口前濃度最大為47.49 kg/m3，其中45 kg/m3以上濃度的含沙量持續(xù)時間為430 min，40 kg/m3～45 kg/m3的含沙量持續(xù)時間為400 min；高程712.665 m取水口前濃度最大55.04 kg/m3，其中50 kg/m3以上濃度的含沙量持續(xù)時間為600 min；高程為705.8 m取水口前濃度最大59.24 kg/m3，其中55 kg/m3以上濃度的含沙量持續(xù)時間為540 min；高程為698.8 m取水口前濃度最大65.14 kg/m3，其中60 kg/m3以上濃度的含沙量持續(xù)時間為570 min，55 kg/m3～60 kg/m3含沙量持續(xù)時間為290 min。

同樣也可以分析50年一遇、20年一遇頻率洪水下的各高程的最大含沙濃度和持續(xù)時間。

10年一遇頻率洪水的水庫出流量為100 m3/s，庫區(qū)流速也在0.05 m/s左右，達不到泥沙的啟動流速，來沙全部淤積，取水口前沒有泥沙懸浮。

(3) 左、右泄洪洞及取水口垂向含沙量分布。左、右泄洪洞及取水口垂向最大含沙量，如圖7～圖9，每個位置含沙量呈現(xiàn)上小下大的分布狀態(tài)。左側(cè)泄洪洞含沙量低于右側(cè)泄洪洞含沙量，這是由于計算時右側(cè)出流量大于左側(cè)出流量所致。50年一遇頻率洪水含沙量大于100年一遇頻率洪水含沙量，是因為兩個頻率的出流量相同，而50年一遇的庫水位低于100年一遇的庫水位，50年一遇洞口流速大于100年一遇洞口流速。10年一遇頻率洪水下左、右泄洪洞及取水口沒有泥沙懸浮。

圖7左泄洪洞含沙量垂向分布圖

(4) 取水口泥沙顆粒組成。各頻率洪水排沙比和取水口泥沙顆粒組成如表2和表3所示。

由表3可知，由于出流量較小，水庫運用五十年后庫中流速沒有增加多少，洪水帶來的泥沙仍然是大部分淤積到水庫中，大顆粒很難懸浮。

圖8　右泄洪洞含沙量垂向分布圖

圖9取水塔含沙量垂向分布圖

(5) 取水塔前日均含沙量統(tǒng)計。模型計算了50年系列日均來水來沙條件下的水庫含沙量情況。在組成這50年系列的18個年型中，有2個年份的流量接近10%頻率，即1971年和1972年，其余年份的流量均小于10%頻率洪水流量，如果按照水庫防洪調(diào)度規(guī)則進行計算，則50年系列中沒有泥沙能夠到達壩前，取水塔前沒有泥沙懸浮?？紤]取水塔前最不利條件，水庫按照來多少泄多少的情況控流，則1971年型和1972年型的泥沙可以到達壩前，其余16個年型的泥沙仍然到不了壩前。按照來多少泄多少的情況控流，50年系列中有6個年型的泥沙可以到達壩前，計算得50年系列和各頻率洪水下取水塔前各組含沙量持續(xù)時間，如表4和表5所示。

表2　各頻率洪水排沙量比較表

表3　取水口泥沙顆粒組成

表4　50年系列大于某含沙量的時長　單位：d

表5　各頻率洪水大于某含沙量的時長　單位：d

由表可知，水庫運用50年后各組含沙量持續(xù)時間略有增加，但是由于上游來流較小，取水塔前各組含沙量持續(xù)時間依然不大，50年系列取水塔前大于3 kg/m3的含沙量累計時間為23.5 d。

3　結(jié)　語

結(jié)合三座店水庫實測地形和水文泥沙資料，采用Delft3D三維數(shù)學(xué)模型，計算分析了取水口各頻率洪水工況下的泥沙組成和含水量分布特征，為取水工程規(guī)劃設(shè)計提供重要參考資料，也為今后工程合理調(diào)度提供參考依據(jù)。

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Numerical Simulation of Sediment Concentration Distribution at Water Intake Tower in Sanzuodian Reservoir after 50 Years Operation

ZHENG Hongyu

(InstituteofSurveyandDesignofWaterConservancyinChifeng,Chifeng,InnerMongolia024000,China)

Aiming at the complex situation of high sediment concentration and changed water-sediment conditions after the project completion which will affect the whole river regime adjustment and flood control capacity, in order to accurately grasp the sediment deposition in the reservoir area, the three-dimensional hydrodynamic sediment transport mathematical model was adopted to analyze the sediment concentration characteristics. The simulation results showed that after 50 years operation the sediment concentration in left and right flood discharging tunnel was higher than the original terrain. The 50 years return period flood sediment concentration is higher than 100 and 20 years return period flood, and the perpendicular averaged concentration right spillway tunnel is the maximum with 109.53 kg/m3, which followed by the left spillway tunnel with 77.90 kg/m3, the least is the water intake tower with 67.62 kg/m3. In 50-year series, the duration is less than 23.5 days at the sediment concentration conditions bigger than 3 kg/m3.

sediment transport; sediment concentration; numerical simulation; water intake tower; reservoir

10.3969/j.issn.1672-1144.2016.04.041

2016-04-05

2016-05-01

鄭洪宇(1976—)，女，內(nèi)蒙古赤峰人，碩士，高級工程師，主要從事水利水電工程設(shè)計、咨詢工作。 E-mail：zhy197668@126.com

TV62

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1672—1144(2016)04—0211—05