水庫泥沙淤積的二維數值模擬計算分析探究

陳 懇

(深圳市廣匯源環境水務有限公司，廣東 深圳 518000)

1 案例水庫基本情況簡介

某水庫是省供水工程的重點水量蓄調設施，庫壩以上流域控制面積15 km2，蓄水線常規設計1 249.50 m，一期設計調節庫容1 200×104m3，總庫容2 053×104m3。核校洪水位1 249.90 m，洪水位設計1 249.60 m，淤積高度設計1 243.40 m。

1.1 水庫出入口水量

2010-2017年間的各年總輸水時間及月均輸水時間分布狀態與總輸水月均18日相比，略高于或者低于總月均輸水時間均值的是3、4、7、9和10月份，其中尤以1、2和12月份的時間為較短，高于總月均輸水時間均值的是5、6、8和11月份，其中尤以6月份的時間為最長。年總輸水時間的折線圖態勢顯示，年總輸水時間相對較短的年份是2010年，2011-2016年間的本項數據呈穩定緩慢升高態勢，波動差異相對較小。

月均入流水量跟月均輸水時間呈正相關狀態，月均入流量最少的月份是2月份，最多的月份是6月份，比總月均入流量低的是3、4和9月份，比總月均入流量高的是5、6、8和11月份。從多年月均庫水出流量分析，月均最小庫水出流量是2月份,月均最大庫水出流量在7月份。月均庫水出流量均小于810×104m3的是1、2、3、和12月份，月均庫水出流量均大于1 100×104m3的是5、6、7、和8月份，表明冬春時節取用水較少，夏秋時節是高峰取用水月份。

總輸水時間最長是2016年，年總入流量約是13 936.94×104m3；總輸水時間最低是2010年，年總入流量約是6 514.7×104m3，約為2016年的1/2。年總入流量在2010-2016年間呈穩定緩慢遞增態勢，年均入流量約為11 580.7×104m3。各年總庫水出流量均值10 774.7×104m3,2010年的年總用水量最小，約為6 063.1×104m3,年總用水量2011-2015年間呈現穩定緩慢加大態勢，年總用水量最大在2015年，約為13 398.5×104m3。

平均用水高于輸水在7及10月份，并且相差較大的是7月份；平均用水小于輸水的是3、5、6、8和11月份；出水小于輸水或是持平是1、2、4、9和12月份。2010-2017年7月末的年總庫水出流量低于入流量，表明雖然7月份用水高于輸水，但就年度總體來說，缺量在其他月份可以獲得較好補足。

1.2 水庫出入口泥沙

月均泥沙構成量在12月份至來年4月份時段相對較小，一般都小于1.0 kg/m3，其中最小的在2月份，約為0.38 kg/m3。每年5-11月份輸沙量相對集中，往往都在8月份形成高量極值，其月均泥沙構成量到達3.4 kg/m3；而其他6個月的構成量均不超過1.28 kg/m3，與1.11 kg/m3總月均泥沙構成量值較為趨近。

每年多在5-11月份的夏秋季集中來沙，8月份發生來沙高量極值。12月份至來年4月份的冬春季節月輸沙量相對較小，且多小于0.5×104t，小于各年平均輸沙量。各月份間差別不大。多年均輸沙量是14.72×104t。年輸沙量最低的是2010年，約為8.8×104t；年輸沙量的最高是2016年，約為24.32×104t，并且高輸沙量多集中于8、11和12月份。2011-2015整個時段的增量不明顯，累計期間泥沙入庫量約132.4×104t。

2 水庫水沙計算二維模型的建立

2.1 幾何模型

本研究地形處理選用Arcgis技術，借助地形資料形成原始幾何地形圖，之后向水工數理模擬系統MIKE21HM導入，創建數理模擬計算網絡模型。提取水深點，繪制模型邊界，插值形成地形，借助MIKE21FM形成計算模型。由Arcgis先期形成的原始幾何地形圖，為保證計算穩定性和增強計算效率性，特對原始幾何地形模型給與概化處理，得到概化幾何模型圖。

2.2 網絡模型

探究庫區泥沙淤積的模擬計算方式是本次計算研究的主要目的，也是為了增強計算可靠度及精密程度，所以對入水口周邊的網絡模型實施加密劃分。因為泥沙構成量、流動速率和梯度演變均較小，當然也是為了增強計算效率，所以庫區壩前區域的網絡劃分相對稀疏。模型網絡劃分主要有3類，即在渠道入口選用矩形1×5(m)的網格；在泥沙主要淤積的水庫上游區域選用邊長30 m的三角網格；下游庫區選用邊長80 m的三角網格。過渡區域網絡以三角網絡由小到大地逐漸過渡。網絡劃分總數為4 643，網絡劃分具體情況見圖1。

3 水庫泥沙二維模擬計算成果及分析

3.1 泥沙淤積計算分析

由圖2圖線揭示，泥沙先沿渠道附近地形較低處自入口區域呈帶狀窄長開始淤積，淤高隨泥沙入庫量的増大而不斷發展，同時以層狀開始不斷向四周推進，但向壩前推進是主要推進方向。低洼部分被先行填鋪，淤積高程在同一橫截面有所差異，所以同一截面圖上顏色有所不同。主要淤積范圍為壩址上游1 000～2 200 m區域。入口起至壩前1 600 m淤積最為嚴重，該區域達到3～6 m淤積高程。壩前600～1 600 m區域，沙泥呈明顯逐級前推形態，從3～1 m淤積高程逐梯次減小，淤積整體形態大致吻合于實測地形狀態。

所截取縱截面在庫區的位置，起點為壩前點，在距壩約1 000 m處計算高度線開始抬高，意味著泥沙淤積在此區域表現明顯。高度演變幅度隨著起點距的加大而對應加大，顯示淤積越發嚴重。計算高度線基本擬合于實際測定高度線，演變態勢大致相同，表明該計算淤積高程與縱截面上的實際淤積高程吻合。

3.2 淤懸移質計算分析

粒度差異懸沙存在入流某時刻的分布形態見圖3。部分泥沙通過入口后，發生淤積，部分隨水流向前推進，但淤積部分因水體流動也可能發生再次懸浮。由于庫區淤積泥沙多為懸移入庫泥沙的降沉構成，故其分布高程總體吻合于淤積分布形態，流水入庫區域懸移泥沙構成量大，泥沙淤積量也大，懸移質越近壩址其含沙量越有所降低，淤積量也就伴隨對應降低。從懸沙不同粒度的分布狀態看，粗粒度主要分布在庫尾，并且泥沙量相對也少，細粒度懸沙量相對較大，更易于被流水帶向更近壩址的區域。

由圖4圖線揭示，庫尾處在不存在入流時段，因為沒有泥沙輸入與水動力，并且懸移泥沙顆粒粗，水深小，泥沙降沉較快，高濃度懸沙分布區向庫區中段呈現向四周沿濃度中心而逐漸梯度降低的分布形態。從懸沙不同粒度的分布狀態看，各組分懸沙從大到小，分布態勢大致相同于總懸沙的分布態勢，但組分間還是有所差異的。組分4占26.25%泥沙百分比，占水體含沙百分比相對最大，故該組分泥沙在水體中總量亦相對最大。就分布范圍而言，越細的懸移顆粒，沿流向前推進的距離越遠，分布相對最廣。

圖3 粒度差異懸沙存在入流某時刻的分布形態

圖4 粒度差異懸沙無入流某時刻的分布形態

4 結 語

本文整理介紹了案例庫區水沙存在的基本情況，基于案例水庫工程實用數據，建立了水庫水沙計算二維模型，并對案例水庫的泥沙淤積以及淤懸移質存在和運動發展狀態開展了二維模擬計算分析。并將模擬計算成果與庫區水沙淤泥實際狀態開展比對，驗證了水庫泥沙二維模擬計算方式和計算成果的有效性和準確性。模擬

計算成果揭示，庫區懸沙分布及淤積狀態可以借助二維模型計算獲得，二維模型計算揭示監測泥沙淤落部位和形態較為有效，觀測結果更為全面，可為同類水庫泥沙治理和科學調水管理提供應用技術參考。