三門(mén)峽水庫(kù)運(yùn)用方案模型計(jì)算

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1、《三門(mén)峽水庫(kù)給陜西帶來(lái)的災(zāi)害及治理對(duì)策建議》附件ID三門(mén)峽水庫(kù)泥沙沖淤過(guò)程方案計(jì)算西安理工大學(xué)二OO—年十二月專題名稱：三門(mén)峽水庫(kù)泥沙沖淤過(guò)程方案計(jì)算課題名稱：三門(mén)峽水庫(kù)給陜西帶來(lái)的災(zāi)害及治理對(duì)策建議專題編號(hào)：附件III專題承擔(dān)單位：西安理工大學(xué)水利水電學(xué)院專題負(fù)責(zé)人：王新宏馮普林審定：張潤(rùn)民工作人員：王新宏唐先海張根廣楊武學(xué)石長(zhǎng)偉馬雪妍馮普林張強(qiáng)報(bào)告撰寫(xiě)：王新宏摘要11數(shù)學(xué)模型簡(jiǎn)介11.1數(shù)學(xué)模型的控制方程式11.2控制方程的離散及差分求解22模型計(jì)算中有關(guān)問(wèn)題的處理42.1斷面概化42.2水面線計(jì)算的若干問(wèn)題52.3非均勻沙的沉速計(jì)算72.4力匚流挾沙力級(jí)酉己82.5床沙

2、級(jí)配的調(diào)整及計(jì)算方法83泥沙數(shù)學(xué)模型驗(yàn)證計(jì)算及分析103.1驗(yàn)證依據(jù)的基本資料及有關(guān)問(wèn)題的處理113.2有關(guān)參數(shù)的率定122.31960年7月?1965年10月驗(yàn)證結(jié)果與分析133.41965年11月?1974年6月驗(yàn)證結(jié)果與分析142.51974年7月?1990年10月驗(yàn)證結(jié)果與分析163.6三門(mén)峽水庫(kù)1960?1990年總體沖淤量驗(yàn)證結(jié)果194方案計(jì)算及成果分析203.1方案計(jì)算的目的204.2計(jì)算條件及方案213.3方案計(jì)算成果及分析235結(jié)語(yǔ)27參考文獻(xiàn)28三門(mén)峽水庫(kù)泥沙沖淤過(guò)程方案計(jì)算摘要：本文采用西安理工大學(xué)的準(zhǔn)二維懸移質(zhì)不平衡輸沙數(shù)學(xué)模型，對(duì)三門(mén)峽水庫(kù)4種不同運(yùn)

3、用方案下潼關(guān)以下庫(kù)區(qū)的泥沙沖淤演變過(guò)程進(jìn)行了預(yù)測(cè)計(jì)算。預(yù)測(cè)計(jì)算結(jié)果表明,三門(mén)峽水庫(kù)采用4種推薦的運(yùn)用方案情況下，水庫(kù)運(yùn)行25年后，潼關(guān)1000m3/s流量時(shí)的水位均大幅下降，可比現(xiàn)狀潼關(guān)高程328.47m降低3.31~4.30m,潼關(guān)斷面達(dá)到?jīng)_淤平衡約需8-12年時(shí)間。文中建議，為了使潼關(guān)高程在盡可能短的時(shí)間內(nèi)降下來(lái)，三門(mén)峽水庫(kù)今后應(yīng)考慮采用全年敞泄的運(yùn)用方式。1數(shù)學(xué)模型簡(jiǎn)介西安理工大學(xué)泥沙數(shù)學(xué)模型屬于準(zhǔn)二維懸移質(zhì)不平衡輸沙數(shù)學(xué)模型，適用于進(jìn)行長(zhǎng)歷時(shí)長(zhǎng)河段的河床變形研究。模型中將所研究的長(zhǎng)河段劃分成若干小河段，可預(yù)測(cè)計(jì)算各斷面的水力、泥沙要素以及相鄰斷面Z間的平均沖淤厚度的沿

4、程變化及因時(shí)變化情況。1.1數(shù)歹儀型的滋刮方無(wú)式本模型屬于準(zhǔn)二維恒定流非均勻懸移質(zhì)非飽和輸沙模型，可用來(lái)模擬水深、流速、水面比降、懸移質(zhì)含沙量及其級(jí)配、床沙級(jí)配等水力泥沙要素隨時(shí)間和沿流程的變化。模型所依據(jù)的基木控制方程有水流連續(xù)方程、水流運(yùn)動(dòng)方程、泥沙連續(xù)方程、懸移質(zhì)擴(kuò)散方程、水流阻力計(jì)算公式和水流挾沙力計(jì)算公式，其形式為：水流連續(xù)方程式~c1l=°水流運(yùn)動(dòng)方程式dZ(d(V2}Q2=0(1-1)(1-2)泥沙連續(xù)方程式（分粒徑組）+7學(xué)+%=0伙=1,2???化）（1-3）OXGt懸移質(zhì)擴(kuò)散方程（分粒徑組）魚(yú)二絲佝-SJ伙=1,2…,NJ（1-4）dxq式中，0是斷面平均

5、流量，血是側(cè)向入流量，Z是水位，乙是動(dòng)能修正系數(shù),孑是局部水頭損失系數(shù)，U是斷面平均流速，K=ACR!/2是流量模數(shù)（其中，A是過(guò)水?dāng)嗝婷娣e，R是水力半徑,C=Ri/6/n是謝才系數(shù)，“是糙率）,S、S*分別是斷而平均含沙量和水流挾沙力，以kg/n?計(jì)，廠是泥沙干容重，人是泥沙沖淤面積，血是單位流程上第k粒徑組泥沙的側(cè)向輸沙率（入為正，出為負(fù)）,P是粒徑組角標(biāo)，M是粒徑分級(jí)總數(shù)，&是恢復(fù)飽和系數(shù)，。是平均沉速，q是單寬流量，g是重力加速度，x、f分別是流程和時(shí)間。方程（1-1）?（1-4）的定解條件包括初始條件和邊界條件。初始條件包括河道初始地形和床沙級(jí)配。邊界條件包括上游入

6、口斷而潼關(guān)站的水沙過(guò)程，河道沿程水沙匯入（或流出）過(guò)程，以及下游出口斷面史家灘站的水位過(guò)程。上述4個(gè)基本方程式本身并不封閉，還需增加一些補(bǔ)充關(guān)系式，諸如水流挾沙力計(jì)算公式，水流挾沙力級(jí)配計(jì)算公式，動(dòng)床阻力計(jì)算公式等。1.2控制方程的離散及差分求解模型屮求解上述基本方程時(shí)，首先將研究河段沿流程劃分為若干河段，使每一河段內(nèi)的水流接近均勻流，如圖1-1所示。圖中，i是斷面編號(hào)，是斷面總數(shù)，斷面序號(hào)由下游向上游遞增。為簡(jiǎn)便起見(jiàn)，稱第i斷面至笫/+/斷面之間的河段為第i河段。其次，把長(zhǎng)歷時(shí)的來(lái)水、來(lái)沙過(guò)程概化為梯級(jí)恒定流，使每一計(jì)算吋段內(nèi)的水流接近恒定流，按恒定非均勻漸變流進(jìn)行求解。圖

7、1-1河段劃分及橫斷面編號(hào)示意圖計(jì)算方法采用非耦合解法。具體作法是先解水流方程一一水力計(jì)算，即利用明渠恒定漸變流運(yùn)動(dòng)方程，推求庫(kù)區(qū)水面線，從而得到各斷而的水力要素。其次求解泥沙方程——泥沙計(jì)算，即利用含沙量沿程變化方程式自上游向下游求得各斷面的輸沙率及級(jí)配，從而推求出河床沖淤變化。最后修正河道斷而型態(tài)，并進(jìn)入下一時(shí)段的水力計(jì)算。如此水力計(jì)算和泥沙計(jì)算交替進(jìn)行，直到計(jì)算完所有的時(shí)段。(1-5)(1-6)(1-7)仃—8)對(duì)于水流連續(xù)方程式（1-1）,可在第i河段上直接積分得e=a+）+（心1,2…,心-i