三峡水库蓄水初期泥沙淤积预测模型研究-张小峰

三峡水库蓄水初期泥沙淤积预测模型研究张小峰‘谢葆玲‘许全喜‘,(1.武汉大学水资源与水电工程科学国家重点实验室,武汉430072:2.长江水利委员会水文局,武汉430010)摘要:研究建立了三峡水库一维非恒定流全沙数学模型,并采用蓄水初期实测水沙资料对模型主要计算参数进行了率定。针对三峡入库水沙可能出现的不同组合条件,在不同的水库蓄水方案下,利用模型对三峡库区的泥沙冲淤变化进行了分析,模型计算结果可为三峡水库蓄水初期调度运行方案的制定,提供一定的参考。关键词:三峡水库:蓄水初期;泥沙淤积;水沙模型1前言三峡水库是一座世界罕见的超大型多目标水利工程,具有防洪、发电、航运和供水等巨大综合效益。坝址位于长江干流西陵峡中段的宜昌三斗坪,距下游葛洲坝水利枢纽38km。大坝防洪标准按千年设计、万年校核。大坝为混凝土重力坝,坝长1983m,坝顶高程185m,最大坝高175m。三峡水库2003年6月开始蓄水发电,如何减少水库泥沙淤积、延长水库使用寿命,是三峡水库泥沙调度所面临的主要任务。因此必须在库区水沙实时监测资料整理、分析的基础上,研究建立三峡水库库区泥沙预测预报模型,结合水情预报结果,对三峡库区内泥沙冲淤变化及输移过程进行预测预报,为水库“蓄清排浑”的调度运用服务。水沙数学模型是模拟和预测水流泥沙运动和河床变形的主要手段之一,一维泥沙数学模型是目前发展最完善、最成熟的模型,已成功运用于模拟长河段长时期水沙运动过程。本研究采用一维水沙数学模型,对三峡水库蓄水初期泥沙水沙运动过程进行模拟,对库区内泥沙冲淤变化及输移过程进行预测预报,为水库调度运行方案制定提供必要的依据。2一维非恒定全沙模型建立2.1模型基本方程一维水沙数学模型的基本方程包括水流连续方程、水流运动方程、泥沙连续连续方程及河床变形方程,其表达式分别如下:水流连续方程:一口”一门n甘一rn’一A·餐一0·最(哥卜。瓮·,(l)(2)泥沙连续方程:鱼卫丝十夕x沙(AS)夕t=一韶口(S一5.)(3)水流挟沙力方程:5.=5.(U,H,田,K)河床变形方程:(4)作者简介:张小峰(1962一男,浙江嗓州人,武汉大学水资源与水电工程科学国家重点实验室教授,主要从事水力学及河流动力学研究.夕(QS).夕(AS)._,式一二产一十一一下—十尸一又一=U口X口t口t(5)式中,x为沿程(m);。为流量(m,25):z为水位(m);g为重力加速度(m,25);刀为河宽(m);t为时间(s);A为过水断面面积(mZ);凡为河床变形面积(mZ);s为断面平均含沙量(kg/m3);s,为水流挟沙力(kglm3);u、H分别为断面平均流速和平均水深;aJ为泥沙颗粒沉速(而s);厂为泥沙干密度(kg/m,);a为恢复饱和系数。本模型采用线性化的Preissmann四点偏心隐格式【‘】对水流运动方程进行求解,该方法具有较好的数值稳定性、可避免迭代,并能取得较大的时间步长,减少计算工作量。离散后的方程形式可表示为:A,此,+1+B,△Q,+,+C,叮,+D,△Q,=E,(6)A:叮,+1+B:AQ,+l+C:叮,+D:△Q,=E:(7)式中,方程离散后的系数中A、B、c、D、E等仅与第n时间层的水位流量有关,可采用追赶法对方程进行求解。泥沙连续方程求解采用基于迎风思想的显格式进行离散[21,离散后整理可得:△t亡绍S了,*,叭S·,,*+A)S里*+△rQA,+山aB,叭+△tQ,,一S,一l,*/Ax,一(8)AxJ一l式中,上角标为‘,0’’的量表示上时刻的值。河床变形方程的求解格式为:M=帅初田(S一5.)2.2辅助方程(l)水流挟沙力公式及分组挟沙力级配挟沙力公式采用张瑞瑾挟沙力公式131形式(9).厂‘’、’百.二k}—1又gh厉)(10)式中:k、m为挟沙力系数和指数;U为断面平均流速,面为泥沙平均沉速。分组挟沙力级配采用窦国仁模式l4]:凡*=:·侧’/或/周”(11)分组挟沙力:S·,,、=P*,,*S·,(12)式中,凡*为悬沙级配,。k为第k组沙对应的沉速,刀为指数取1/6o(2)推移质输沙率推移质输沙率用长江科学院提出的输沙经验曲线l4],其输沙曲线的关系式可表示为:凡g打(13)、俪汰俪式中(3):、,=。塑四一六,。一47阵)姗m又d/又姚。夕泥沙起动流速公式模型中各级泥沙的起动流速均采用张瑞瑾公式[3]计算:。;=}立{’「17.6二、‘+。.05又,O一{掣)」。’又d*少[p‘’戈d扩’‘少」(14)d*为第k组沙平均粒径,h为断面平均水深,p,为泥沙密度。(4)床沙级配处理将河床组成概化为表、中、底三层,各层的厚度和平均粒配分别记为气·h爪·h。和凡*、凡、、凡、。表层为泥沙的交换层,中间层为过渡层,底层为泥沙冲刷极限层。规定在每一计算时段内,各层间的界面都固定不变,泥沙交