三峡水库泥沙絮凝特征及影响因素分析

以三峡水库奉节河段和庙河河段的现场取样资料为基础,通过现场测量和室内实验分析,发现819个现场取样点中,99.4%的测点存在泥沙絮凝现象,其中83.6%的泥沙絮团直径约为单颗粒直径的3~8倍,表明在条件适合的情况下三峡水库泥沙絮凝具有普遍性,絮凝的临界粒径为0.02 mm。从库区泥沙絮凝的分布来看,主要集中在中上层水体中,并且顺水流方向呈现衰减的趋势,庙河河段的絮凝度明显小于奉节河段。库区泥沙絮凝的临界流速为0.7 m/s,流速小于0.7 m/s有利于泥沙絮凝的形成,但由于库区泥沙颗粒间的相对动能较小,泥沙絮凝难以形成稳定的大絮团,主要表现为弱絮凝。     

长江悬浮物絮凝特征

河流淡水环境的实有絮凝特征及变化过程长期以来缺乏观测和研究.本文利用现场激光粒度仪(LISST-100)实测得到长江流域干流4050km,13个主要站位的絮团大小、分布和沿程变化特征,对比分散粒径和悬浮物浓度,得到认识:长江干流水体的现场悬浮物絮团粒径平均为35 μm(洪季),泥沙中值粒径平均为5μm,絮团粒径比泥沙中值粒径大一个量级,证明了长江干流絮凝现象的普遍存在.上游石鼓至万州,絮团粒径平均为17μm,明显小于中下游絮团粒径,为47μm.上游与中下游絮团粒径的差别,主要是受水动力条件的影响.三峡水库蓄水对于絮凝过程有一定的影响,水库以上缓流区水体滞留时间长,有利于絮团成长;库区絮团经过大坝,被水流打散而破碎,产生解絮过程.絮团在长江干流水体中已经形成,季节性变化不明显,其粒径要比河口絮团粒径小.河口环境下,絮团可以增长数倍.联系已有长江河口絮凝现象的观测研究,河流淡水环境的絮团可作为河口盐淡水环境絮团的背景絮团.全文提示了在研究河流泥沙输运、水库泥沙淤积和河流污染物输送等方面应该充分考虑絮凝的影响.     

鄱阳湖黏性细颗粒泥沙絮凝特性研究

黏性细颗粒泥沙是鄱阳湖悬浮物的主要组成部分,其絮凝作用对鄱阳湖泥沙冲淤及湖床演变具有明显影响。采用鄱阳湖湖区泥沙的现场样品,通过室内泥沙静水沉降试验对鄱阳湖黏性细颗粒泥沙的絮凝特性进行了分析。研究结果表明,鄱阳湖黏性细颗粒泥沙絮凝临界粒径为0.028 mm;黏性细颗粒泥沙沉降过程包括分选沉降、絮凝沉降和絮凝平衡三个阶段,含沙量越大,絮凝沉降加速阶段持续时间越长。含沙量对絮凝沉速的影响存在临界现象。含沙量0～3 kg/m³范围内絮凝沉速随含沙量增加而增加,而3～5 kg/m³含沙量时对絮凝沉速的影响已不明显。     

三峡水库泥沙絮凝可能性分析

泥沙淤积是水库运行面临的难题,絮凝是影响泥沙淤积的主要因素之一,三峡水库絮凝研究对合理规划水库的运行调度方式具有重要意义。本文通过分析三峡水库庙河段至坝前汛期实测数据,包括泥沙粒径、水温、盐度和水流速度,结合已有泥沙絮凝影响因素的研究成果,利用模糊综合评判法分析了三峡水库泥沙絮凝的可能性并加以验证。计算结果显示指标均处在絮凝临界范围和有利于絮凝的范围内,模糊评价结果是三峡水库泥沙存在絮凝的可能性较大,实测数据验证了三峡水库庙河段至坝前汛期存在粒径较大的絮团,进一步证实了三峡水库存在泥沙絮凝现象。     

黏性泥沙絮凝研究现状与进展

黏性泥沙絮凝机理研究对河口、水库、航道淤积治理及水环境保护具有重要意义.总结了泥沙絮凝研究中数值模拟、现场观测、室内试验等手段的试验装置和方法,阐述了紊动剪切率、盐度、悬沙浓度、有机质等因素作用下的泥沙絮凝研究成果.分析认为,在三维絮团结构观测、高浓度水体絮凝试验装置、多因素影响的泥沙絮凝,以及水流紊动与絮团特性对应关...     

黏性泥沙絮凝-沉降-再悬浮运动过程数学模型研究

黏性泥沙运动特性是河流海洋泥沙动力学研究热点之一。为研究紊动水体中黏性泥沙运动过程及其机理,以絮凝动力学方程为基础,通过设置不同粒径级别的泥沙絮团再悬浮量为下边界条件来反映黏性泥沙絮团的再悬浮,建立了黏性泥沙絮凝-沉降-再悬浮动态过程数学模型。模型验证结果表明,新建模型可用于描述黏性泥沙絮凝-沉降-再悬浮运动过程,且具有一定的精度。最后以泥沙絮团体积分布为指标,探讨了强紊动水体中絮凝、沉降和紊动扩散在这一动态过程中的作用。研究结果表明,强紊动水体中,上层区域泥沙絮团分布的决定因素是沉降和紊动扩散;中部区域是絮凝;下层区域是絮凝和紊动扩散。     

紊动和温度联合作用对黏性泥沙絮凝沉降影响试验研究

河口海岸地区,黏性泥沙絮凝沉降特性对泥沙输移起着重要作用。影响黏性泥沙絮凝的因素很多,其中水体剪切和温度是两个重要因素。利用一种温度和紊流同时可控的泥沙沉降观测实验装置,以高岭土为实验材料,研究了紊动和温度联合作用下对黏性泥沙絮凝沉降的影响规律。研究发现弱紊动条件下,随着温度的升高,高岭土浓度变化越快;强紊动条件下,温度对浓度变化的影响不明显。絮团粒径随温度升高而增大,随着紊动强度的增加先增大后减小。相同剪切率条件下,絮团沉降速度随温度的升高而增加;相同温度条件下,絮团沉降速度随紊动强度的增加先增大后减小,主要是由于小剪切强度条件会促进絮凝,而剪切率增大能抑制絮凝,导致大絮团破裂形成小絮团。     

三峡水库坝前泥沙絮凝沉降实证分析

三峡水库入库站泥沙输沙量大幅减小,水库可能存在泥沙絮凝沉降现象。基于激光衍射原理,采用现场激光测沙仪(LISST-100X)和室内激光粒度分析仪(MS2000-MU),分别测试有絮凝和无絮凝的泥沙颗粒级配曲线,计算絮凝作用对粒径和沉速的影响。通过原型观测水库坝前段流速及含沙量垂线分布的沿程变化,验证了絮凝沉降过程,成果可供水库泥沙研究、数学模型计算等应用。     

黏性细颗粒泥沙絮凝发育时空过程的数值模拟

以Smoluchowski方程为基础,用数值模拟方法研究黏性细颗粒泥沙絮凝-沉降的时空过程。模拟设定泥沙最小基本颗粒粒径5μm,絮团分形维数1.78,模拟高度1.75 m,模拟总时长300 min,初始条件为各级泥沙颗粒-絮团浓度各向均匀分布,入口、出口无泥沙通量。模拟给出泥沙质量浓度、絮团平均粒径、絮团粒径分布等参数的时空变化过程。模拟发现:各个高度上泥沙质量浓度随时间变化的曲线均呈平缓衰减、快速下降与趋零三个阶段,其形状相似;位置越低,曲线的显现时间越滞后。絮团质量加权平均粒径随时间变化过程存在升涨-高峰-衰落三个阶段。碰撞效率系数越大,峰值越高;位置越低,峰现时间越滞后。本文还以泥沙质量浓度随时间变化为例,比较了数值模拟与絮凝试验的测量结果,二者基本一致。     

黏性泥沙受紊动剪切作用下的絮凝效果研究

我国水库运行一直面临着泥沙淤积的问题,而水动力条件的改变对泥沙的絮凝有莫大的影响,针对此问题,研发了一套絮凝沉降装置,以三峡库区长寿河段泥沙为样本,利用多层震动格栅在圆柱形沉降筒中产生各向同性均匀紊流,结合絮凝沉降观测装置,研究分析紊动剪切作用对黏性泥沙絮凝的影响,并得出了基于试验的最优剪切率。结果表明:紊动对于泥沙颗粒的絮凝有较明显的促进作用,且随泥沙浓度的增大(0. 3~1. 0 g/L),絮凝程度也相应地增加;紊动剪切对于中、大颗粒絮体(0. 048~0. 384 mm)的分布具有较大影响;泥沙颗粒在进入沉降柱后可以在几十分钟内快速完成絮凝,在30 min左右即可观测到最大颗粒絮体,随后颗粒最大粒径逐渐下降直至平衡;随着紊动剪切率的增加,其对于絮凝的作用呈现先促进后抑制的规律。     

Measurements of the sediment flocculation characteristics in the Three Gorges Reservoir,Yangtze River

The flocculation of fine sediments in the Three Gorges Reservoir (TGR) was confirmed in previous studies, but the flocculation characteristics have yet to be fully clarified. In this study, field measurements were conducted in the TGR to investigate the sediment flocculation characteristics. First, the instantaneous flow velocity and sediment concentration were measured through Acoustic Doppler velocimeter and sediment sampling. Then, the effective settling velocity was calculated based on the sediment diffusion theory to deduce the floc size and flocculation degree. Finally, the influences of particle size, flow velocity, and sediment concentration on flocculation were analyzed. Results showed that flocculation occurred in more than half of the sediments in the TGR, and the maximum flocculation degree was between 10 and 30. Flocculation weakened as particle diameter increased, with the critical particle size being approximately 0.018 mm, meaning that flocculation was unlikely to occur when the particle size exceeded the critical value. As the flow velocity increased, the flocculation degree first increased and then decreased, with the critical flow velocity being approximately 0.7 m/s, but the critical flow velocity increased with an increase in sediment concentration and tended to be a constant. The flocculation degree also increased with increasing sediment concentration and tended to be constant when the sediment concentration exceeded approximately 0.5 kg/m³. The results provide new information on the flocculation characteristics of the TGR and should be useful for understanding and simulating fine sediment transport in the TGR.     

三峡水库蓄水后上下游河段水沙特性变化及影响因素分析

泥沙淤积问题是三峡工程的关键技术问题之一,关系着长江水资源的开发利用、生态环境保护、经济发展。基于2002-2016年期间,三峡水库上、下游设置的11所重要控制性水文站水文泥沙监测资料,深入系统地探讨水文泥沙参量的变化特征,进一步分析水文泥沙参量的相关性和三峡水库的冲淤特性,探究了泥沙特性变化的原因。研究结果表明:三峡水库自施工期蓄水、初期蓄水、试验性蓄水的整个过程,对三峡水库上下游河道的水沙特性影响较大。越靠近三峡大坝的河段,受三峡水库的影响越大;三峡水库抬高水位,导致上游大部分河道流速变小,河道过水断面和水动力条件发生改变,导致入库泥沙越来越少,越来越细;三峡水库上游长江干流和支流上修建的梯级电站拦蓄了大量的泥沙,年输沙量、年均含沙量、中值粒径、年输沙模数都显著降低。年径流量和输沙量、年均含沙量、年输沙模数在2004-2013年间具有较好的相关性,曲线变化规律类似,2013年后受三峡水库蓄水的影响,出现弱相关;年径流量能表征泥沙参量的变化特性;年输沙量和年均含沙量在2002-2016年间皆具有较好的相关性。2007年前三峡水库淤积量呈增长趋势,其后三峡水库泥沙淤积量逐渐降低。在水库冲淤和泥沙特性方面,汛期三峡水库水位对其影响较大;枯水期的高水位对其影响并不大。研究成果将为长江流域梯级电站和航道的规划设计、三峡水库的运行管理提供理论支撑。     

三峡水库和下游河道泥沙模拟与调控技术研究

三峡工程泥沙问题是贯穿三峡工程论证、设计、施工、运行中的关键技术问题之一,针对三峡水库蓄水运用以来出现的新情况、新问题和新需求,开展了三峡水库和下游河道泥沙模拟与调控技术研究,取得了如下主要成果:揭示了三峡水库泥沙絮凝规律、清水冲刷条件下推移质输沙及河床二次粗化机理、坝下游典型滩群演变与水库水沙过程调节的响应关系;提升了水库和坝下游河道泥沙数学模型技术,大幅提高了模拟精度;建立了三峡入库泥沙预测模式,提出了三峡入库新水沙系列;揭示了长江与洞庭湖、长江与鄱阳湖江湖分汇关系调整机理及变化趋势;研发了透水坝头和台阶式坝头两种新型航道整治结构技术;提出了三峡水库泥沙调控与多目标优化调度方案,优化了"蓄清排浑"运用方式,拓展了三峡工程综合效益,为三峡工程高效安全运行提供了技术支撑。     

长江上游水库群联合调度中的泥沙问题

长江上游已形成以三峡水库为核心的世界上规模最大的巨型水库群,2012年开始实施上述水库群的联合调度。分析了水库群联合调度中,与水库泥沙密切关联的汛期防洪、汛末蓄水和汛前消落调度方案及其对水库泥沙带来的影响。在较为深入、系统地研究了长江泥沙变化规律及其原因、水库淤积和长江中下游河床冲刷特性的基础上,对水库群联合调度中面临的水库淤积与长期使用问题,以三峡水库为例,提出了精细化的"蓄清排浑"和库尾减淤等泥沙调度方法。对水库群水沙联调,促进流域泥沙合理配置以及水库群联合调度条件下的泥沙问题与应对措施等提出了建议。     

基于来沙量减少的三峡水库运行水位的思考

泥沙问题是关系到三峡工程长期利用和发挥最大综合效益的关键技术问题,从三峡工程开始论证至今,对三峡的泥沙问题进行了持续、深入、全面的研究。近年来,三峡水库上游的来沙量大幅减少,水库泥沙问题好于预期。根据实测水文资料,分析了三峡水库运行以来入库水沙及库区淤积的变化,根据10月份来水形势,提出三峡水库提前蓄水的必要性;在总结相关研究成果及2010年三峡水库汛期中小洪水调度实践的基础上,从泥沙角度探讨了三峡水库优化运行的可行性,提出在三峡水库试验蓄水期,可将汛期运行水位提升至150 m并根据实际情况开展中小洪水调度,为今后的运行调度积累经验。     

基于CCHE模型的重力沉沙池水沙数值模拟

为了研究重力沉沙池流量、含沙量与水沙分离效率的关系,借助CCHE软件,建立CCHE2D水沙两相流数学模型,采用混合掺长紊流模型,对重力沉沙池进行数值模拟,得到沉沙池内水流流态、悬移质输移规律以及沉沙池的水沙分离效率,并在前人研究的基础上,进一步对不同流量、含沙量情况下,其流量和含沙量对沉沙池水沙分离效率的影响进行分析。结果表明:当流量在0. 05～0. 30 m~3/s时,随着流量增大,则流速增大,水流挟沙力增大,不利于泥沙沉降,使沉沙池的水沙分离效率降低;改变初始含沙量(5～20 kg/m~3),随着初始含沙量的增大,由于沉淀池尾部回流区存在,使得部分泥沙直接被带入清水池,使得沉沙池水沙分离效率降低。     

溪洛渡、向家坝水库与三峡水库联合蓄水调度研究

由于溪洛渡、向家坝水库与三峡水库蓄水时间上的同步性,使三峡水库蓄水难度进一步加大,进而影响其综合效益的发挥。为满足下游地区在蓄水期对上游梯级水库下泄流量的新要求,研究金沙江溪洛渡、向家坝水库与三峡水库联合蓄水调度方案,优化梯级水库蓄水过程。在综合分析防洪、泥沙、库区、发电及供水等指标基础上,推荐梯级水库蓄水调度方案。防洪、库区淹没及泥沙淤积的影响分析表明,所提方案可进一步缓解下游地区的供水压力,对金沙江梯级水库联合蓄水调度一定实践指导意义。     

三峡库区梅溪河河口干支流界面水流特征

通过对三峡库区中部典型支流梅溪河库湾水动力参数及水体温度、浊度数据进行分析,研究水库运行各时期梅溪河河口干支流界面水流特性,探讨其影响因素以及水交换对库湾的影响。结果表明:梅溪河河口双向水流特征明显,在温差异重流、干流惯性作用以及库区水位变动等因素影响下,干支流界面水流强度、进出水体间界面结构及形态在不同运行期有显著差异;由于双向水流结构的存在,尽管梅溪河河口干支流界面净流量较小(多小于100 m~3/s),但是干支流水体的交换量相对显著,介于314.17~535.26 m~3/s之间,可达净流量的4~40倍;在净流量最小的低水位运行期,干流倒灌水体基本能到达支流库湾常年回水区的末端。