白沙水庫_維泥沙數學模型及電廠取水方案計算

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1、第26卷第5期河海大學學報Vol126No.51998年9月JOURNALOFHOHAIUNIVERSITYSep.1998白沙水庫)維泥沙數學模型及電廠取水方案計算湯立群陳界仁陳國祥趙太平(河海大學水文水資源及環(huán)境學院南京210098)摘要根據白沙水庫的水沙運動特點和庫區(qū)地形條件,考慮了懸移質、推移質泥沙及水庫異重流因素建立了一維全沙不平衡非耦合數學模型.利用1979年~1987年連續(xù)9年的庫區(qū)淤積量資料對模型進行了驗證.在設計來水來沙及水庫調節(jié)條件下,應用所建模型預演了未來30年水庫淤積對電廠取水口的影響.結果表明:白沙水庫運行30年后,輸水洞上

2、層閘門不會被淤死,仍能正常輸水,保證電廠的取水發(fā)電.關鍵詞水庫泥沙;異重流;數學模型;電廠取水中圖號TV1422白沙水庫壩址以上流域面積985km,位于沙穎河流域穎河干流的上游,屬淮河水系.該庫于1953年建成,為均質土壩,以防洪為主,兼有灌溉、水產養(yǎng)殖等功能.庫區(qū)長度為13194km,水庫輸水洞位于攔洪壩右壩頭,為無壓隧洞,洞口斷面為標準馬蹄形,洞徑為4106m,設有四扇平板高壓閘門,分為上下兩層,上層底部高程20418m,下層底部高程為195192m.白沙水庫入庫站為告成站,具有入庫流量、含沙量、壩上水位和出庫水量過程資料.根據1955~1989

3、年實測水沙資料統(tǒng)計分析,告成站多年平均流量為310833m/s、沙量為3156kg/m.白沙水庫1987年地形及斷面布設情況見圖1.圖中C1S11~C1S14為大壩所在位置.擬建中的禹州電廠將從這里取水.取水口處(位于C1S13~C1S14之間)的泥沙資料將作為電廠補充水處理系統(tǒng)設計的依圖1白沙水庫重切斷面及1987年地形據.因水庫建成40余年,庫區(qū)形態(tài)及水庫運用方式都有較大變化,為獲得電廠建成投入運用30年的出庫含沙量、水庫淤積量及分布等資料,提出了水庫一維全沙數模研究.收稿日期:1996-12-31第一作者簡介:湯立群男副教授水力學及河流動力學專

4、業(yè)主要從事流域及河流泥沙模擬已發(fā)表5黃土丘陵區(qū)流域產沙數學模型6等論文第26卷第5期湯立群等白沙水庫)維泥沙數學模型及電廠取水方案計算351一維水沙數學模型111基本方程a.水流連續(xù)方程5A5Q+-ql=0(1)5t5x式中Q)))流量;A)))過水斷面面積;t)))時間;ql)))側向流量,ql>0為入流,ql<0為分流;作恒定流處理時5A/5t=0.25Q5Zb.水流運動方程()+gA(+J)+Vlql=0(2)5xA5x式中Z)))水位;J)))能坡;Vl)))流速.5c.懸移質方程(QSk)+AXkB(Sk-S*k)=0(3)5x式中Sk,S

5、*k)))第k組泥沙含量和挾沙力;A)))泥沙恢復飽和系數,沖刷時為0125,淤積時取015;Xk)))第k組泥沙沉速.5G5Add.河床變形方程+Cc=0(4)5x5t式中G)))全沙輸沙率;Cc)))淤積物干容重;Ad)))沖淤面積.112幾個基本問題11211水流挾沙力水流挾沙力計算采用張紅武公式01653(01002+Sv)VhS*=215學ln(報)(5)Cs-Cm6D50J0ghXsCm315SVJ0=014-1168SV(01365-SV)XSk=X0k1-ru(1-1125SV)co2125d50其中SV)))體積比含沙量;J0)))

6、卡門常數;Cs,Cm)))泥沙容重和渾水容重;XSk,X0k)))第k組沙的群體沉速和單顆沉速;D50)))懸沙中值粒徑.非均勻沙的總體沉速NXS=6PSkXSk(6)k=1式中PSk)))第k組泥沙的重量百分數;N)))泥沙分組數.分組挾沙力S*k=P*kS*考慮到水庫泥沙以淤積為主,故用懸沙級配PSk代替挾沙力級配P*k,即有S*k=PSkS*(7)11212推移質計算推移質輸沙率采用Meyer-Peter公式計算,因告成站斷面B/H=100為寬淺河道,公式中糙率修正不考慮,故公式為223/2vngb=40121/3-010776dm(8)Qh式

7、中gb)))推移質輸沙率;dm)))平均粒徑.OUJ36河海大學學報1998年9月11213糙率及床沙級配計算水庫模型的糙率通過水面線計算自動優(yōu)化確定.將整個庫區(qū)分為上庫區(qū)和下庫區(qū),其優(yōu)化范圍分別為0101~0104和0101~01025,由實測水位優(yōu)選各段糙率即為所求糙率.床沙級配的調整方程采用吳偉民、李義天模式$&k+(Em-$&)1obkPbk=(9)Em式中Pobk,Pbk)))第k組泥沙在時段初和末的河床級配;Em)))床沙可動層厚度,其大小與沖淤狀態(tài)、強度及歷時有關,單向淤積時,Em=$&,當處于單向沖刷時,Em的限制條件是保證床面

8、有足夠的泥沙補給.11214水庫異重流計算白沙水庫上庫區(qū)為河道型水庫,下庫區(qū)為湖泊型水庫,由實測縱剖面資料知