小浪底水库水沙调控对淤积形态影响的数值模拟

水库淤积形态是影响水沙调节效率的一项关键因素。为优化水库调度方式,采用考虑细颗粒淤积物流动特性的水库淤积形态数值模型,开展了小浪底水库淤积形态对水沙调控响应的模拟分析工作。研究结果表明:三角洲形态及顶点位置随着水库的运行调控而发生变化,三角洲顶点附近顶坡段的冲淤调整和水库运行低水位与三角洲顶点高程之间存在较明显的关联性,当水库低水位低于三角洲顶点高程时三角洲顶坡段出现冲刷,当水库低水位高于三角洲顶点高程时三角洲顶坡段出现淤积;淤积形态为同等淤积量的锥体时,库区上段受河道边界影响有冲有淤,中下段库区淤积明显,且淤积量较三角洲淤积形态的大;考虑人工清淤措施时,清淤量与水库淤积总量相比占比非常小,因此淤积形态总体变化与不考虑人工清淤时基本类似,仅在清淤疏浚部位及附近局部河段有一定变化。     

小浪底水库淤积形态探讨

至2010年10月,小浪底水库干流三角洲顶点推进到距坝18.75km的HH12断面,库区淤积量达到28.23亿m3。本文通过分析小浪底水库运用以来库区干流淤积形态,研究了水库三角洲淤积形态对水沙输移的影响机理与作用,结果表明:三角洲淤积形态与锥体淤积形态相比,相同淤积量与相同蓄水量条件下,前者回水长度明显缩短,坝前蓄水位明显降低;发挥水库拦粗排细减淤效果及优化出库水沙过程等方面,三角洲淤积明显优于锥体淤积。三角洲淤积更有利于塑造异重流,异重流排沙效果优于壅水明流排沙。小浪底水库降水冲刷实体模型试验结果表明,河槽溯源冲刷下切的同时水位下降,两岸尚未固结且处于饱和状态的淤积物失去稳定,在重力及渗透水压力的共同作用下向主槽内滑塌,库容得到恢复。当前在水库运用过程中,若遇洪水入库,通过降低水库坝前水位,可在坝前段及三角洲洲面形成溯源冲刷,从而尽可能延长库区由三角洲淤积转化为锥体淤积的时间。     

小浪底水库运用初期库区泥沙淤积分布特征

对2002—2008年小浪底水库泥沙淤积分布特征进行了分析,结果表明:小浪底水库蓄水运用后,库区横断面整体呈逐步淤积态势;在目前的河床边界条件下,当库区来沙量较大或淤积量较大时,首先在库尾的回水区域沉积,在三角洲和近坝段多发生淤积或冲淤交替出现;当库区来沙量小或水库大量排沙时,在库区回水末端往往产生冲刷,三角洲及以下河段发生冲刷或三角洲段淤积、近坝段冲刷;调水调沙结束后,随着水库运用水位的抬升,库区河床淤积物沿程细化且趋于均匀。     

小浪底水库横断面冲淤分布规律

开展水库库区横断面冲淤分布规律研究，对合理控制库区淤积形态的发展和长期保持水库有效库容具有重要意义。基于实测资料，分析2000—2020年小浪底水库汛期56个断面的冲淤变化，利用汛前、汛后横断面平均河底高程的差值，并结合形心相对深度判别横断面冲淤类型，得出小浪底水库横断面冲淤类型的时空分布及转化规律。结果表明：汛期小浪底水库横断面的冲淤类型从坝前至库尾依次有水平抬高/主槽冲刷、水平抬高、淤槽为主、主槽冲刷以及冲淤不明显5种，且随着三角洲顶点向坝前推进，横断面冲淤类型沿程转化。     

嘉陵江亭子口水库泥沙淤积研究

利用一维不平衡输沙原理对嘉陵江亭子口水库正常蓄水位458 m运用方案进行了库区泥沙冲淤计算分析.计算结果表明:水库泥沙淤积形态为三角洲淤积,水库运用20 a,库区三角洲淤积体的顶点在距坝80 km左右,水库运用50 a三角洲淤积顶点下延至距坝60 km左右;当枢纽运用至100 a末时,库区泥沙淤积量为21.81亿m 3,水库泥沙淤积大部分集中在常年回水区;当枢纽运用至20 a末时,遇不同频率洪水时,受库区泥沙淤积影响,昭化以下41.9 km河段及昭化以上10 km左右河段水位抬高1.05～2.53 m.     

小浪底水库淤积形态对库区输沙的影响

对小浪底水库拦沙后期淤积形态对库区输沙的影响进行了分析。结果表明:在同淤积量与同蓄水量条件下,近坝段存在较大库容的三角洲淤积形态,在发挥水库拦粗排细减淤效果及优化出库水沙过程等方面要优于锥体淤积形态;在适当的条件下,应通过控制运用水位降低侵蚀基面,形成自下而上的溯源冲刷,恢复三角洲顶点以下库容,尽可能长期保持三角洲淤积形态。     

小浪底水库泥沙淤积观测分析

通过布设174个断面,采用断面法对小浪底水库泥沙淤积形态进行了观测,分析表明,自大坝截流至2008年汛前,库区淤积量为25亿m3,纵向淤积呈明显的三角洲形态,横向表现为平淤,对异重流的形成是有利的。在低水位期与三门峡、万家寨等水库联合进行调水调沙,可以将小浪底水库淤积的部分泥沙冲出库外,因此,营造异重流排沙是减少水库淤积、延长水库寿命的重要手段。     

小浪底水库泥沙淤积观测与分析

通过布设174个断面,采用地形法对小浪底水库泥沙淤积形态进行了观测,分析表明:自大坝截流至2005年汛前,库区淤积量为14亿m3,纵向淤积呈明显的三角洲形态,横向表现为平淤,对异重流的形成是有利的。在低水位期与三门峡、万家寨等水库联合进行调水调沙,可以将小浪底水库淤积的部分泥沙冲出库外,因此,营造异重流排沙是减少水库淤积、延长水库寿命的重要手段。     

巴家嘴水库运用方式对库区冲淤的影响

对巴家嘴水库各运用时期库区的冲淤规律进行了研究,分析了不同排沙运用方式对库区冲淤的影响。结果表明:蓄水运用时期库区淤积严重,年均排沙比仅为0.043%;第一次自然滞洪运用时,水库淤积仍较为严重,第二次自然滞洪运用时期的库区淤积量比第一次的减少较多;蓄清排浑运用时期水库淤积量明显减少,排沙比为62.6%～77.8%。     

万家寨水库初期运用及泥沙冲淤分析

万家寨水库自1998年10月下闸蓄水以来,入库水量偏枯,水库淤积量较设计预测量少,水库淤积形态时空上分布不均。水库运用初期,根据来水来沙和库区淤积情况动态控制运用水位。库尾河段泥沙淤积高程是水库初期运用水位的重要控制条件。凌汛期流量相对稳定,可利用凌汛开河期大流量拉沙排沙,延长水库泥沙冲淤平衡年限,更好地发挥水库的综合效益。     

呼图壁河渠首工程水库泄空冲沙研究

对于多沙河流上水库的排沙方法,前人已有较多研究,但通过模型试验来模拟水库高淤积后的排沙研究较少。通过水工动床模型试验,对呼图壁河渠首拟建水库高淤积状态下的泄空冲沙进行了研究,根据冲淤前后的断面变化情况,对泄空冲沙过程中的溯源冲刷和沿程冲刷进行了分析,找出了泄空冲沙的规律及运用原则。通过对泥沙冲淤的数值分析,建立了溯源冲沙的概化图形,推导出了一套适合该水库的泄空冲沙公式。经验证,建立的泄空冲沙公式可以用于呼图壁河渠首工程水库排沙形态预测及排沙量的估算。     

小浪底工程2018年高含沙水流泄洪排沙运用实践

小浪底工程2018年度进行了低水位、大流量、高含沙量泄洪排沙运用,库区泥沙淤积三角洲顶点向坝前推移了8.65 km,顶点高程降低了8.49 m,排沙比达238%,减少了库区泥沙淤积、调整淤积形态。同时在泄洪排沙运用中,出现了泥沙淤积造成闸门启闭困难、高含沙水流对闸门及流道磨蚀严重、泥沙在线监测设施不足、发电运行方式调整等问题。针对低水位高含沙水流泄洪排沙运用,需进一步完善泥沙监测应急预案,提高泥沙淤积的预测预判能力;进一步优化孔洞运用方式,完善闸门操作规程,减少高含沙水流对闸门淤堵及磨蚀的影响;开展高含沙水流相关问题的研究,加强设施设备维护保养力度,确保枢纽安全稳定运行;小浪底水库进入拦沙后期第一阶段,水库排沙比增加,水库坝前淤积增加,需进一步加强小浪底水库高含沙水流运动研究,分析水库泄洪建筑物排沙机理,为水库安全生产提供技术支持。     

小浪底水库运用以来库区泥沙淤积分析

为了提高小浪底水库排沙效果,延长水库拦沙寿命,对水库运用以来库区的淤积情况进行了分析。结果表明:(1)小浪底库区干流仍为三角洲淤积形态,三角洲顶点距坝16.39 km,高程为222.59 m。远离大坝的支流沟口淤积面均高于支流内部,支流畛水出现明显的拦门沙坎,高度为9.9 m。(2)汛期库区年均淤积2.117亿t,占总淤积量的92%。高程235 m以下淤积泥沙33.983亿m3,是淤积的主体。大坝—HH20、HH20—HH38库段是淤积的主要库段,分别淤积19.972亿m3、11.101亿m3,占总淤积量的61%、34%。干流淤积量为26.136亿m3,占总淤积量的80%。(3)淤积物中,细沙、中沙、粗沙分别占总量的39.7%、28.9%、31.4%。中细泥沙,尤其是不会造成下游大量淤积的细沙淤积在水库中,减少了拦沙库容,降低了水库的拦沙效益,缩短了水库的拦沙寿命。     

小浪底水库运用情况分析

对小浪底水库下闸蓄水至2005年的运用情况进行了分析,并将运用效果与设计成果进行了对比,结论认为：①水库自投入运用至今均处于拦沙初期运用阶段;②水库运用以来,干流淤积三角洲顶点位置随着库水位的变化逐步向下游推进;③库区淤积形态与设计淤积形态相比,总体看来淤积部位偏上游,但未侵占长期有效库容;④库区泥沙主要以异重流形式输移,排沙比与设计成果基本一致;⑤从目前支流纵剖面形态看,各支流均未形成明显的拦门沙坎,随着库区淤积量的不断增加及运用方式的调整,拦门沙将逐渐显现。建议今后加强对支流纵剖面、异重流倒灌和水库冲刷的观测,对支流拦门沙的形成及发展演变机理进行专题研究。     

三峡水库泥沙淤积预估

 在三峡工程可行性论证阶段，利用泥沙数学模型对三峡水库各种蓄水方案库区泥沙冲淤变化进行了预估。本文根据大量计算成果对三峡水库不同蓄水位方案的库区泥沙淤积量、淤积沿程分布、排沙率、保留库容、洪水位抬高等主要问题进行了论述，并分析了水库运用过程中泥沙冲淤变化特点。     

三门峡水库时空冲淤与滞后响应

基于三门峡水库1960—2016年水沙和冲淤资料,本文分析了水库纵向与横向、年内与年际、时间与空间上的冲淤演变规律。结果表明:三门峡水库的冲淤过程可大致分为1960—1969年快速淤积、1970—1973年快速冲刷、1974—2002年缓慢淤积和2003—2016缓慢冲刷4个阶段;库区冲淤是上游来水来沙与下游水库运用协同作用的结果,1974年水库蓄清排浑运用前,主要受水库运用引起的溯源冲淤的影响,之后水沙作用增强。溯源冲淤向上游传播过程中冲淤幅度逐渐减小,溯源冲刷的影响时间相对较短,而溯源淤积的影响时长向上游不断延长,上游回水区河道溯源淤积累计量达到最大值的时间明显滞后于库区河道,当库水位开始下降及库区河道开始冲刷时,上游回水区仍可处于溯源淤积的影响之下。改进了河床演变的滞后响应模型,得到了权重归一化的滞后响应模型,克服了原有模型中特征量平衡值的权重之和小于1而可能对平衡值进行偏大估计的缺点。采用改进后的模型建立了三门峡水库累计淤积量的计算方法,该方法可较好模拟三门峡水库蓄清排浑运用以来的冲淤演变过程,计算精度较高。     

小浪底水库运用以来库区淤积形态分析

分析了小浪底水库运用以来库区的淤积形态,结果表明:水库非汛期蓄水拦沙,淤积形态变化不大;调水调沙期间及汛期发生洪水时,淤积形态受水沙条件、边界条件及水库运用方式的影响而调整,截至2010年汛后,小浪底全库区断面法计算淤积量为28.225亿m3,其中干、支流淤积量分别为22.395亿m3、5.830亿m3,支流淤积量占总淤积量的20.7%;库区干流呈三角洲淤积形态,并逐步向下游推进,支流口门淤积较为平整,支流河床纵剖面沿流向呈现一定的坡降;畛水沟口形成了高10.5 m的拦门沙坎,建议开展畛水拦门沙坎的防治研究。     

三门峡水库控制运用及库区冲淤特性分析

以三门峡水库2003-2005年非汛期控制水位318 m运用为背景,以1974年"蓄清排浑"控制运用以来不同运用时期库区冲淤情况为比较,重点分析了近三年水库冲淤特点及潼关高程变化.指出:[1]2003-2005年非汛期正常运用的平均水位与1974-2002年的非汛期平均运用水位接近,但二者对水库的影响范围与程度却大不相同.非汛期控制水位318m运用后,回水影响范围被控制在黄淤33断面以下,水库运用水位已不再对潼关河段的冲淤变化产生不利影响.[2]2003-2005年非汛期淤积末端在黄淤32-33断面之间,汛期溯源冲刷的发展范围最远达黄淤38断面以上、最近也可到黄淤33断面,汛期通过洪水期集中排沙,完全可以将非汛期回水影响范围内的淤积泥沙排出库外;[3]分析表明,在非汛期控制水位318m运用以后,潼关河段将常年处在自然河道状态,汛期入库水、沙条件是决定潼关高程冲刷下降的关键因素.     

抽水蓄能电站下库长系列年泥沙淤积特性研究

为了把握长系列年水沙过程对抽水蓄能电站下库区河床调整的影响,以天池抽水蓄能电站下库为例开展了不同长系列年库区冲淤变形的数值模拟。根据下库水位周期性变化的运行特点,建立了基于MIKE的水沙数学模型,并进行了模型参数调试与验证;模拟给出了长系列年的库区淤积总量及排沙比;同时也给出了库区淤积的沿程分布与特征河段的淤积过程。成果分析表明:库区淤积发展状况与水沙系列相互响应,泥沙淤积主要呈现三角洲形态,淤积重心主要集中于拦河坝上游0.5~1.8 km范围内;不同河段的淤积特性不同,淤积物组成也不同,主要与其所处环境的水力与边界特性有关;频率洪水在长系列年水沙过程中虽然占据时间不长,但在库区河床冲淤量中有重要影响;要提高排沙效率、减小淤积,需要进一步调整改善下水库的洪水调度与电站运行。研究成果与同步物理模型试验结果基本一致,可供抽水蓄能电站水库调度运行参考。     

万家寨水库泥沙问题综合研究

采用类比分析、数学模型计算、物理模型试验等方法,对万家寨水库泥沙问题进行综合研究,结果表明:水库设有一定规模的泄流排沙装置;采用定期冲刷或日调节的运用方式,充分发挥大洪水的冲刷作用;控制淤积末端在较陡的河段内;水库可以实现冲淤平衡并长期使用,库区支流红河口不会形成拦门沙坎。正常高水位及死水位分别在980m和957m以下,汛期采用调水调沙运用时,可以保持2亿m~3以上的调节库容。