小浪底水库调沙试验水库联合调度预案研究

小浪底水库调沙试验水库联合调度预案研究

1异重流的塑造在小浪底水库的储沙期，尤其是储沙初期，水库处于蓄水状态，并保持较大的储水体。当大量泥沙涌入库区,惟有形成异重流方能排沙出库,进而达到减少水库淤积,延长水库寿命的目的。黄河第三次调水调沙试验,是在黄河中游未发生洪水的情况下,通过泄放万家寨(小浪底大坝上游约946km)、三门峡(小浪底大坝上游约126km)及小浪底水库汛限水位以上的蓄水,塑造对冲刷下游河道有利的流量过程,以达到扩大河道过洪能力的目的。与此同时,伴随着水库泄水并逐步泄空,非汛期拦截在三门峡库区的泥沙随之大量排出而进入小浪底水库。通过万家寨、三门峡与小浪底水库精确联合调度,塑造出满足在小浪底库区形成异重流并能排沙出库的水沙过程,达到既能排出三门峡库区非汛期淤积物,又可有效地减少小浪底水库淤积的目的。显然,异重流的成功塑造并排沙出库必须建立在对自然现象和自然规律的认知之上。本文在对小浪底水库实测异重流资料深入研究分析的基础上,结合相关实体模型和水槽试验及前人的研究成果,首次定量提出小浪底水库异重流潜入条件及持续运行条件,不同水沙组合条件下异重流运行速度及排沙效果,以此为基础,编制调水调沙试验调度预案,实施过程中在小浪底库区成功塑造异重流并排沙出库,达到了减少水库淤积、优化出库水沙组合等多项预期目标。2小浪底水库稳定性分析对水库异重流的研究已有近一个世纪的历史,国内外不少学者对水库异重流的产生、输移等问题过去均作过大量研究,取得了许多成果。但由于水库异重流的产生及输移不仅受水沙条件,而且受河道边界条件的影响巨大。小浪底水库入库水沙条件除取决于自然条件,且受制于其上游三门峡水库调节的影响;小浪底库区平面形态复杂,频繁出现局部放大、收缩或弯曲等突变地形,在地形变化剧烈处会产生局部损失。尤其是库区十余条较大支流入汇,在干支流交汇处往往发生异重流向支流倒灌,使异重流沿程变化特性更为复杂。因此,针对小浪底水库异重流水沙输移规律进行专题研究是十分必要的。2.1异重流入库位置库区清水与进入库区的浑水之间的容重差是产生异重流的根本原因。其物理实质是在虚拟的清浑水垂直交界面上两侧的压力不同,浑水一侧的压力大于清水一侧而产生压力差,且越近河底压力差越大,就促使浑水向清水侧以下潜形式流动。从实际的观测资料可看出,挟沙水流进入水库的壅水段之后,由于沿程水深的不断增加,其流速及含沙量分布从明流分布状态逐渐变化,水流最大流速由接近水面向库底转移,当水流流速减小到一定值时,浑水开始下潜并且沿库底向前运行。大量的原型资料及试验结果表明,异重流潜入位置主要与该处水深、入库流量、含沙量等因素有关。分析小浪底水库实测资料及黄科院近期进行的水槽试验与小浪底水库模型试验资料,结果表明小浪底水库异重流潜入点水流泥沙条件基本符合异重流潜入的一般规律V0√ηggh0=0.6(V0V0ηggh0√=0.6(V0、h0分别为异重流潜入处流速及水深,ηg为重力修正系数),见图1。异重流是否发生,与入库流量和含沙量的大小及之间的组合、泥沙级配、潜入点的断面特征等因素有关。综合分析小浪底水库历次异重流资料,得出小浪底水库发生异重流的临界水沙条件为:入库流量Qi一般应不小于300m3/s。若流量大于800m3/s时,相应入库含沙量Si约为10kg/m3;流量Qi约为300m3/s时,要求水流含沙量Si约为50kg/m3;流量介于300～800m3/s之间时,水流含沙量可随流量的增加而减少,两者之间的关系可表达为Si≥74-0.08Qi。2.2异重流阻力的计算异重流与一般明渠流或有压管流的根本差异是其具有特殊的边界条件。异重流的上边界是可动的清水层,一方面清水层对其下面的异重流运动有阻力作用;另一方面本身可被异重流拖动,形成回旋流动。此外清浑水还有掺混现象等。上边界会随异重流运动而发生变化,反过来必然对异重流阻力产生不同的影响,使异重流阻力问题显得非常复杂。因此,异重流运动方程和能量方程中的阻力通常用一个包括床面阻力系数λ0及交界面阻力系数λi在内的综合阻力系数λm来表示,λm采用范家骅的阻力公式计算。即:λm=8R′heηggheV2e(J0-dheds(1-V2eηgghe))(1)式中:J0为河底比降;dhe/ds为异重流厚度沿程变化;he、Ve分别为异重流厚度及流速。用式(1)计算小浪底水库不同测次异重流沿程综合阻力系数λm,平均值约为0.022～0.029。2.3沉速的计算运用能耗原理,建立异重流挟沙力公式(2)。该式可反映异重流多来多排的输沙规律,并利用三门峡、小浪底水库实测及模型试验资料进行了检验。S*e=2.5[SveV3eκγs-γmγmg′heωsln(heeD50)]0.62(2)上式单位采用kg、m、s制‚其中沉速可由下式计算ωs=ω0[(1-Sve2.25√d50)3.5(1-1.25Sve)](3)式中:κ为浑水卡门常数;γm为浑水容重;ωs为泥沙在浑水中的群体沉速;ω0为泥沙在清水中的沉速;D50为床沙中径;d50为悬沙中径;Sve为以体积百分比表示的异重流含沙量。2.4入库参数选取水库产生异重流并能达到坝前,除需具备一定的洪水历时之外,还需满足一定的流量及含沙量,即形成异重流的水沙过程所提供给异重流的能量,足以克服异重流的能量损失。异重流的流速及挟沙力与其含沙量成正比,形成异重流的流速与含沙量具有互补性。图2为基于小浪底水库发生异重流时入库水沙资料点绘的小浪底水库入库流量与含沙量的关系(图中点群边标注数据为细泥沙的沙重百分数),从点群分布状况可大致划分A、B、C个区域。A区为满足异重流持续运动至坝前的区域,即小浪底水库入库洪水过程在满足一定历时且悬移质泥沙中粒径小于0.025mm的沙重百分数约为50%的前提下:若500m3/s≤Qi<2000m3/s,且满足Si≥280-0.12Qi,则So>0;若Qi>2000m3/s,且满足Si>40kg/m3,则So>0。B区涵盖了异重流可持续到坝前与不能到坝前两种情况。其中异重流可运动到坝前的资料往往具备以下3种条件之一:(1)处于洪水落峰期,此时异重流行进过程中需要克服的阻力要小于其前锋所克服的阻力;(2)虽然入库含沙量较低,但在水库进口与水库回水末端之间的库段产生冲刷,使异重流潜入点断面含沙量增大;(3)入库细泥沙的沙重百分数基本在75%以上。C区为Qi<500m3/s或Si<40kg/m3部分,异重流往往不能运行到坝前。当入库流量及水流含沙量较大时,悬移质泥沙中粒径小于0.025mm的沙重百分数di可略小,三者之间的函数关系基本可用式Si=980e-0.025di-0.12Qi描述。以上各式中,角标i、o分别表示入库及出库相关参数。影响异重流输移条件不仅与水沙条件有关,而且与边界条件关系密切,若边界条件发生较大变化,上述临界水沙条件亦会发生相应变化。2.5计算含沙量的参数化采用韩其为含沙量及级配沿程变化计算公式,并利用小浪底水库实测异重流资料对饱和系数α值进行了率定。Sj=Sin∑l=1Ρ4,l,ie(-αωLq)(4)Ρ4,l=Ρ4,l,i(1-λ)[(ωlωm)v-1](5)式中:Si、Sj分别为潜入断面和出口断面的含沙量;P4,l,i为潜入断面级配百分数由实测资料率定;q为单宽流量;l为粒径组号;ωl为第l组粒径沉速;P4,l为出口断面级配百分数;ωm为有效沉速;λ为淤积百分数;v取0.5。3确定不同泄放流量的充分发挥模型的背景及过程黄河第3次调水调沙试验,通过水库群联合调度,在小浪底库区首次成功地塑造出异重流,并实现排沙出库,发展了水库排沙途径。调水调沙试验及异重流塑造是黄河治理的一次重大实践,也是对认识自然规律的一次检验,具有重要的现实意义及学术价值。调水调沙试验的时机选择在汛前,整个过程可划分4个阶段:首先泄放小浪底水库部分蓄水,泄放流量应对下游河道冲刷及滩区安全最为有利,泄放历时应使库区尾部三角洲充分暴露;第二步,三门峡水库泄水直至泄空,泄流量应满足调整小浪底库区淤积三角洲形态的要求,并能在回水区形成异重流;第三步,万家寨泄放的水流冲刷三门峡库区非汛期拦截的泥沙,在小浪底库尾继续冲刷,进入回水区形成异重流;最后小浪底水库继续泄水至汛限水位。异重流的塑造主要发生在第2及第3阶段,其中三门峡水库泄流量的大小及万家寨水库泄水时机是塑造异重流的关键。3.1驱动地震冲刷小浪底库下泄三门峡水库下泄流量的目的是调整小浪底库区淤积形态并塑造异重流。因此选择三门峡水库下泄流量的大小主要考虑两方面的因素:一是充分调整小浪底库尾淤积三角洲形态的需要,即满足小浪底水库上段在横向及纵向均得到充分调整,因此在水库蓄水量一定的情况下,应优化泄水流量(满足冲刷横贯整个断面)与历时(满足纵向调整)的组合;二是在水流冲刷小浪底库尾淤积三角洲时有较大的能量,使悬浮到水体中的泥沙满足异重流产生并持续运行至坝前的需要。对于一般的沙质河床,河槽宽度B与流量Q之间的关系可以用公式B=38.6Q0.31表达。小浪底库区上段平均河宽约400m,若满足全断面冲刷,则流量应不小于2000m3/s;从满足异重流持续运行至坝前的角度出发,由图2看,临界含沙量所相应的临界流量约为2000m3/s。因此,三门峡水库控制下泄流量应不小于2000m3/s。考虑到三门峡水库泄流初期下泄清水,在小浪底库区淤积三角洲洲面冲刷恢复的泥沙粒径比较粗,异重流的前锋在前进过程中所要克服的阻力最大,因而所需的力量要比后续潜流大,加之小浪底水库支流众多,大量浑水向支流倒灌,使浑水流量沿程减小等因素。三门峡水库泄水初期还应进一步加大下泄流量。3.2流衔接的配合水库形成异重流排沙,不仅需要满足一定的流量及历时,而且需满足水流有足够的含沙量特别是具有足够的细颗粒泥沙含量。因此,确定万家寨与三门峡水库泄量及泄流时机,既要保证两库泄流衔接,还应保证水流在传播的过程中,能冲起并挟带一定量的泥沙。不同调度方案分析结果表明,三门峡出库的沙峰来自该水库临近泄空及接而来的万家寨来水在该库区的敞泄冲刷。因此,万家寨水库泄流与三门峡水库水位对接的时机,应是万家寨水库泄流在三门峡水库水位下降至310m及其以下时演进至三门峡水库,并且在来自万家寨水库的水流传播至三门峡水库后,适当加大三门峡下泄流量,使水库迅速泄空,营造万家寨来水可产生沿程冲刷与溯源冲刷的边界条件,最大限度地冲刷三门峡水库淤积物,为小浪底水库异重流提供连续的水源动力和充足的细泥沙来源。3.3水库排沙过程计算方法万家寨、三门峡、小浪底水库汛前可调节水量分别为2.15亿m3、4.72亿m3、31.6亿m3。为进行方案比选,分析了三门峡水库下泄流量分别控制为2000m3/s及2500m3/s两个方案。采用黄科院准二维恒定流泥沙冲淤水动力学数学模型计算三门峡水库不同调度方式下库区排沙过程;分别采用类比法,即利用三门峡水库泄空期三角洲顶点观测资料类比分析,以及计算公式qs*=k(γmqj)m(j为比降;k、m分别为率定的系数、指数)分析计算小浪底水库库尾三角洲顶坡段输沙过程;采用式(4)及式(5)计算小浪底水库异重流排沙过程。计算结果见表1。计算结果表明,三门峡水库泄水初期,在蓄水量较大的情况下,水库基本上不排沙,在接近泄空时,大量的泥沙才会被排泄出库。方案1与方案2三门峡站含沙量分别在第4d及第3d才突然增大至136.9kg/m3及94.2kg/m3。三门峡水库泄空后,接■而来的万家寨水库来水,可在三门峡库区产生较大的冲刷而使出库含沙量较大;对比河堤站与三门峡站含沙量看出,三门峡及万家寨水库泄放的洪水过程在小浪底水库上段淤积三角洲产生冲刷,可使水流含沙量增加30～50kg/m3;方案1第1～3d,产生异重流的流量为2000m3/s、含沙量为33.4～37kg/m3,由前分析,这种水沙组合基本处于异重流可否运行至坝前的临界状态,因此在表中出库站小浪底站含沙量列出了2个极限值。方案2三门峡出库流量按2500m3/s控制,均可满足异重流排沙出库。3.4小浪底水库水资源黄河第3次调水调沙试验达到了以下试验目标:(1)小浪底库尾淤积形态得到调整。调水调沙试验结束,小浪底水库尾部淤积三角洲顶点由距坝70km下移至距坝47km,在距坝70～110km之间河底平均下降近20m。(2)塑造异重流排沙出库。异重流塑造分两个阶段。一是7月5日15时始,三门峡水库清水下泄,小浪底水库淤积三角洲发生了强烈冲刷,在距坝约57km处形成异重流,并持续向坝前推进;二是7月7日8时万家寨水库泄流和三门峡水库泄流对接后加大三门峡水库泄水流量,并冲刷三门峡库区淤积的泥沙。7月8日13时50分,小浪底库区异重流排沙出库。(3)深化对异重流运动规律认识。黄河第3次调水调沙试验,经历了由实践—认识—实践的过程。通过对调水调沙试验的总结,将实现再认识的过程,这对今后小浪底水库调水调沙具有重要意义。(4)黄河下游主河槽沿程冲刷。4小浪底水库天然来水来沙条件的量化描述(1)小浪底水库拦沙初期,进入水库的泥沙惟有形成异重流方能排泄出库。显而易见,通过水库调度合理,可充分利用异重流的规律,达到延长水库寿命的目的。(2)通过对小浪底水库异重流实测资料整理、二次加工及分析,水槽试验及实体模型相关试验成果,结合对前人提出的计算公式的验证等,提出了可定量描述小浪底水库天然来水来沙条件及现状边界条件下,异重流持续运行条件、不同水沙组合条件下异重流运行速度及排沙效果的表达式,在调水调沙试验中发挥了应有的作用。(3)小浪底