三座店水库运行50年后取水塔含沙量数值模拟分析

郑 洪 宇

(赤峰市水利规划设计研究院， 内蒙古 赤峰 024000)



三座店水库运行50年后取水塔含沙量数值模拟分析

郑 洪 宇

(赤峰市水利规划设计研究院， 内蒙古 赤峰 024000)

三座店水库所属河流含沙量高，工程建成运用后河道的水沙条件将会发生改变，可能会影响整体河势调整和行洪能力。为准确掌握库区泥沙淤积状况，采用Delft3D三维水动力泥沙输移数学模型，对水库运用50年后取水塔各层取水窗口的含沙量进行数值模拟，分析含沙量与流速、含沙量持续时间等特征关系。模拟结果表明：水库运用50年后，左、右泄洪洞和取水塔的含沙量大于原地形含沙量；50年一遇频率洪水含沙量较100年和20年高，垂线平均含沙量由大到小依次为右洞、左洞、取水口；50年系列大于3 kg/m3的含沙量持续时间不超过23.5 d。

泥沙输移；含沙量；数值模拟；取水塔；水库

三座店水利枢纽工程位于内蒙古西辽河上游老哈河水系英金河的支流阴河下游，总库容3.24亿m3，是一座以城市防洪和供水为主，兼顾生态农业灌溉和发电等综合利用的大型水利枢纽工程，为赤峰市城区提供4 745万m3/a用水。三座店水库运行期坝前水体含沙量大小及分布情况十分复杂，和上游来水来沙条件，特别是和汛期洪水大小和挟带的泥沙多少有关，也和库区泥沙淤积状况和水库运用方式有关[1-3]。为保证水库取水具有较高的可靠性和安全性，根据水库来水来沙资料优选取水塔698.8 m、705.8 m、712.8 m和719.3 m四层窗口，采用数学模型仿真分析水库运用50年后，遭遇100 a、50 a、20 a及10 a一遇洪水的库区流速及含沙量分布情况、各层取水口含沙量颗粒组成及含沙量持续时间等特征。

1　水库来水来沙资料分析

三座店水利枢纽工程坝址距初头朗水文站很近，区间面积27 km2，仅占水库流域面积的0.95%，因此可用该站来水来沙观测资料分析三座店水库的水沙特点。根据初头朗站1956年—2000年实测水沙系列资料(1956年—1966为插补资料)统计成果表明，初头朗站年际间的来水来沙是很不均匀的，1956年—2000年系列多年平均年径流量为1.116亿m3，其中最大和最小年径流量分别为4.162亿m3(1959年)和0.214亿m3(1989)，年径流量变化幅度高达19.4倍，这说明该流域径流量有很大的随机性[4-5]。同时期多年平均来沙量为484.6万t，且年际间差别也很大，最大年来沙量为1 253万t(1964年)，最小的是1968年65.1万t，年来沙量变化幅度也高达19.2倍。汛期输沙量472.82万t(占全年97.92%)，汛期平均含沙量62.65 kg/m3，7月、8月输沙量381.93万t(占全年79.1%)，7月、8月平均含沙量70.38 kg/m3。尽管该系列的年平均流量仅为3.54 m3/s，但年均含沙量却高达43.41 kg/m3，悬移质中值粒径0.029 mm，是典型的高含沙量河流。初头朗站的资料表明年内的来水来沙也很不均匀，有明显的汛期和非汛期，如图1所示。

图1初头朗站月均来水来沙分布

根据统计的月均来水来沙资料来看，6月—9月可划分为汛期，10月—次年5月为非汛期。汛期来水来沙分别占全年的67.6%和97.6%，其中7月—8月为主汛期，来水来沙分别占全年的48.6%和78.8%。在主汛期中以7月份来水来沙最丰，来水占全年的1/4，而来沙更高达全年的1/2。进一步分析月均来水来沙的特点时发现，6月份与9月份来水量十分接近，而来沙量却差别巨大，6月份是9月份的7.3倍。造成这一现象的合理解释是：经过一个干旱的冬春季节，土壤表面风化严重，土质疏松，当初汛(6月)来临时非常易于冲刷，因而形成“小水大沙”现象[6]。随着主汛期的到来，土壤表面易于冲刷的泥沙已大多被冲走，因此，当汛末(9月)来临时已经没有足够的泥沙可供冲刷，从而造成末汛“大水带小沙”现象，这与流域产沙的基本规律一致。

2　取水塔含沙量三维数值模拟分析

采用Delft3D三维水动力泥沙输移数学模型，模拟流场和泥沙场情况[7-9]，分析三座店水库取水塔区域的水文泥沙特征。

2.1模型计算范围及网格划分

计算范围上游起自坝址上游6.3 km处，下游终止于坝前，两侧以自然高地控制。水平方向网格尺寸7 m～63 m，垂向划分8层，各层厚度按取水塔分层控制，从上到下依次是第1到第8层，其中第2、4、6、8层为各层取水口位置，网格数量总计196 280个。为节省计算耗时，远坝区域采用粗网格；近坝区域的泄洪洞和取水塔，采用加密网格。粗、细网格直接衔接往往影响计算精度，因此在粗、细网格间设置过渡网格，以保证计算结果的稳定、准确[10]。计算范围及网格剖分示意如图2所示。

图2计算范围及网格剖分示意图

初始条件主要包括初始水位、初始流场、初始含沙量分布[11-14]。为了保证计算过程的稳定，初始水位一般与边界条件相同[15-16]。上游开边界为水位边界和含沙量边界，下游开边界为泄洪洞流量边界、取水塔流量边界。

2.2计算工况及成果分析

2.2.1计算工况设置

地形情况按照原始河道地形，洪水情况按照100年、50年、20年及10年一遇洪水四个工况进行计算。由于左洞离取水口较近，为了尽量减少泄洪带来的泥沙，模拟时主要由右洞泄洪，在单独开启右洞不能满足下泄要求流量时才开启左洞泄洪。起调水位为汛限水位722 m。按不同频率洪水设置模拟工况，如表1所示。

表1　50年淤积地形计算工况表

2.2.2成果分析

(1) 水流运动特点。汛期入库水流含沙量较大，一般在100 kg/m3以上，最大可达403 kg/m3。水库运用50年后发生各频率洪水的库区流态，其坝前均没有异重流存在的条件，在100年一遇频率洪水工况下，按非异重流计算获得库区流态，如图3所示。

图3按非异重流计算的库区流态

从图3可知，非异重流工况下左、右侧泄洪洞和取水口都有水流进入，不再有大面积回流，整体流态较平顺，其它频率洪水的流态和100年一遇洪水的库区水流流态相似。水库运用50年后发生不大于100年一遇洪水情况下，由于两侧泄洪排沙洞偏离主河道，坝前很难形成稳定的异重流排沙条件。

(2) 各层取水口的含沙量及持续时间。水库运用50年后，在100年一遇、50年一遇和20年一遇频率洪水工况下，各层取水口的含沙量过程如图4～图6所示。

从图4～图6可以看出，相同频率洪水中，下部含沙量明显高于上部含沙量；各频率洪水相比，相同位置50年一遇的含沙量高于100年一遇的含沙量，同样是由于50年的出流量和100年的出流量相同，而50年的库水位低于100年的库水位，从而引起取水塔位置50年的流速大于100年的流速，含沙量也随之增大。

图4　100年一遇频率洪水含沙量过程

图5　50年一遇频率洪水含沙量过程

图620年一遇频率洪水含沙量过程

100年一遇频率洪水下高程为719.3 m的取水口前浓度最大为47.49 kg/m3，其中45 kg/m3以上浓度的含沙量持续时间为430 min，40 kg/m3～45 kg/m3的含沙量持续时间为400 min；高程712.665 m取水口前浓度最大55.04 kg/m3，其中50 kg/m3以上浓度的含沙量持续时间为600 min；高程为705.8 m取水口前浓度最大59.24 kg/m3，其中55 kg/m3以上浓度的含沙量持续时间为540 min；高程为698.8 m取水口前浓度最大65.14 kg/m3，其中60 kg/m3以上浓度的含沙量持续时间为570 min，55 kg/m3～60 kg/m3含沙量持续时间为290 min。

同样也可以分析50年一遇、20年一遇频率洪水下的各高程的最大含沙浓度和持续时间。

10年一遇频率洪水的水库出流量为100 m3/s，库区流速也在0.05 m/s左右，达不到泥沙的启动流速，来沙全部淤积，取水口前没有泥沙悬浮。

(3) 左、右泄洪洞及取水口垂向含沙量分布。左、右泄洪洞及取水口垂向最大含沙量，如图7～图9，每个位置含沙量呈现上小下大的分布状态。左侧泄洪洞含沙量低于右侧泄洪洞含沙量，这是由于计算时右侧出流量大于左侧出流量所致。50年一遇频率洪水含沙量大于100年一遇频率洪水含沙量，是因为两个频率的出流量相同，而50年一遇的库水位低于100年一遇的库水位，50年一遇洞口流速大于100年一遇洞口流速。10年一遇频率洪水下左、右泄洪洞及取水口没有泥沙悬浮。

图7左泄洪洞含沙量垂向分布图

(4) 取水口泥沙颗粒组成。各频率洪水排沙比和取水口泥沙颗粒组成如表2和表3所示。

由表3可知，由于出流量较小，水库运用五十年后库中流速没有增加多少，洪水带来的泥沙仍然是大部分淤积到水库中，大颗粒很难悬浮。

图8　右泄洪洞含沙量垂向分布图

图9取水塔含沙量垂向分布图

(5) 取水塔前日均含沙量统计。模型计算了50年系列日均来水来沙条件下的水库含沙量情况。在组成这50年系列的18个年型中，有2个年份的流量接近10%频率，即1971年和1972年，其余年份的流量均小于10%频率洪水流量，如果按照水库防洪调度规则进行计算，则50年系列中没有泥沙能够到达坝前，取水塔前没有泥沙悬浮。考虑取水塔前最不利条件，水库按照来多少泄多少的情况控流，则1971年型和1972年型的泥沙可以到达坝前，其余16个年型的泥沙仍然到不了坝前。按照来多少泄多少的情况控流，50年系列中有6个年型的泥沙可以到达坝前，计算得50年系列和各频率洪水下取水塔前各组含沙量持续时间，如表4和表5所示。

表2　各频率洪水排沙量比较表

表3　取水口泥沙颗粒组成

表4　50年系列大于某含沙量的时长　单位：d

表5　各频率洪水大于某含沙量的时长　单位：d

由表可知，水库运用50年后各组含沙量持续时间略有增加，但是由于上游来流较小，取水塔前各组含沙量持续时间依然不大，50年系列取水塔前大于3 kg/m3的含沙量累计时间为23.5 d。

3　结　语

结合三座店水库实测地形和水文泥沙资料，采用Delft3D三维数学模型，计算分析了取水口各频率洪水工况下的泥沙组成和含水量分布特征，为取水工程规划设计提供重要参考资料，也为今后工程合理调度提供参考依据。

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Numerical Simulation of Sediment Concentration Distribution at Water Intake Tower in Sanzuodian Reservoir after 50 Years Operation

ZHENG Hongyu

(InstituteofSurveyandDesignofWaterConservancyinChifeng,Chifeng,InnerMongolia024000,China)

Aiming at the complex situation of high sediment concentration and changed water-sediment conditions after the project completion which will affect the whole river regime adjustment and flood control capacity, in order to accurately grasp the sediment deposition in the reservoir area, the three-dimensional hydrodynamic sediment transport mathematical model was adopted to analyze the sediment concentration characteristics. The simulation results showed that after 50 years operation the sediment concentration in left and right flood discharging tunnel was higher than the original terrain. The 50 years return period flood sediment concentration is higher than 100 and 20 years return period flood, and the perpendicular averaged concentration right spillway tunnel is the maximum with 109.53 kg/m3, which followed by the left spillway tunnel with 77.90 kg/m3, the least is the water intake tower with 67.62 kg/m3. In 50-year series, the duration is less than 23.5 days at the sediment concentration conditions bigger than 3 kg/m3.

sediment transport; sediment concentration; numerical simulation; water intake tower; reservoir

10.3969/j.issn.1672-1144.2016.04.041

2016-04-05

2016-05-01

郑洪宇(1976—)，女，内蒙古赤峰人，硕士，高级工程师，主要从事水利水电工程设计、咨询工作。 E-mail：zhy197668@126.com

TV62

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1672—1144(2016)04—0211—05