水库泥沙淤积的二维数值模拟计算分析探究

陈 恳

(深圳市广汇源环境水务有限公司，广东 深圳 518000)

1 案例水库基本情况简介

某水库是省供水工程的重点水量蓄调设施，库坝以上流域控制面积15 km2，蓄水线常规设计1 249.50 m，一期设计调节库容1 200×104m3，总库容2 053×104m3。核校洪水位1 249.90 m，洪水位设计1 249.60 m，淤积高度设计1 243.40 m。

1.1 水库出入口水量

2010-2017年间的各年总输水时间及月均输水时间分布状态与总输水月均18日相比，略高于或者低于总月均输水时间均值的是3、4、7、9和10月份，其中尤以1、2和12月份的时间为较短，高于总月均输水时间均值的是5、6、8和11月份，其中尤以6月份的时间为最长。年总输水时间的折线图态势显示，年总输水时间相对较短的年份是2010年，2011-2016年间的本项数据呈稳定缓慢升高态势，波动差异相对较小。

月均入流水量跟月均输水时间呈正相关状态，月均入流量最少的月份是2月份，最多的月份是6月份，比总月均入流量低的是3、4和9月份，比总月均入流量高的是5、6、8和11月份。从多年月均库水出流量分析，月均最小库水出流量是2月份,月均最大库水出流量在7月份。月均库水出流量均小于810×104m3的是1、2、3、和12月份，月均库水出流量均大于1 100×104m3的是5、6、7、和8月份，表明冬春时节取用水较少，夏秋时节是高峰取用水月份。

总输水时间最长是2016年，年总入流量约是13 936.94×104m3；总输水时间最低是2010年，年总入流量约是6 514.7×104m3，约为2016年的1/2。年总入流量在2010-2016年间呈稳定缓慢递增态势，年均入流量约为11 580.7×104m3。各年总库水出流量均值10 774.7×104m3,2010年的年总用水量最小，约为6 063.1×104m3,年总用水量2011-2015年间呈现稳定缓慢加大态势，年总用水量最大在2015年，约为13 398.5×104m3。

平均用水高于输水在7及10月份，并且相差较大的是7月份；平均用水小于输水的是3、5、6、8和11月份；出水小于输水或是持平是1、2、4、9和12月份。2010-2017年7月末的年总库水出流量低于入流量，表明虽然7月份用水高于输水，但就年度总体来说，缺量在其他月份可以获得较好补足。

1.2 水库出入口泥沙

月均泥沙构成量在12月份至来年4月份时段相对较小，一般都小于1.0 kg/m3，其中最小的在2月份，约为0.38 kg/m3。每年5-11月份输沙量相对集中，往往都在8月份形成高量极值，其月均泥沙构成量到达3.4 kg/m3；而其他6个月的构成量均不超过1.28 kg/m3，与1.11 kg/m3总月均泥沙构成量值较为趋近。

每年多在5-11月份的夏秋季集中来沙，8月份发生来沙高量极值。12月份至来年4月份的冬春季节月输沙量相对较小，且多小于0.5×104t，小于各年平均输沙量。各月份间差别不大。多年均输沙量是14.72×104t。年输沙量最低的是2010年，约为8.8×104t；年输沙量的最高是2016年，约为24.32×104t，并且高输沙量多集中于8、11和12月份。2011-2015整个时段的增量不明显，累计期间泥沙入库量约132.4×104t。

2 水库水沙计算二维模型的建立

2.1 几何模型

本研究地形处理选用Arcgis技术，借助地形资料形成原始几何地形图，之后向水工数理模拟系统MIKE21HM导入，创建数理模拟计算网络模型。提取水深点，绘制模型边界，插值形成地形，借助MIKE21FM形成计算模型。由Arcgis先期形成的原始几何地形图，为保证计算稳定性和增强计算效率性，特对原始几何地形模型给与概化处理，得到概化几何模型图。

2.2 网络模型

探究库区泥沙淤积的模拟计算方式是本次计算研究的主要目的，也是为了增强计算可靠度及精密程度，所以对入水口周边的网络模型实施加密划分。因为泥沙构成量、流动速率和梯度演变均较小，当然也是为了增强计算效率，所以库区坝前区域的网络划分相对稀疏。模型网络划分主要有3类，即在渠道入口选用矩形1×5(m)的网格；在泥沙主要淤积的水库上游区域选用边长30 m的三角网格；下游库区选用边长80 m的三角网格。过渡区域网络以三角网络由小到大地逐渐过渡。网络划分总数为4 643，网络划分具体情况见图1。

3 水库泥沙二维模拟计算成果及分析

3.1 泥沙淤积计算分析

由图2图线揭示，泥沙先沿渠道附近地形较低处自入口区域呈带状窄长开始淤积，淤高随泥沙入库量的増大而不断发展，同时以层状开始不断向四周推进，但向坝前推进是主要推进方向。低洼部分被先行填铺，淤积高程在同一横截面有所差异，所以同一截面图上颜色有所不同。主要淤积范围为坝址上游1 000～2 200 m区域。入口起至坝前1 600 m淤积最为严重，该区域达到3～6 m淤积高程。坝前600～1 600 m区域，沙泥呈明显逐级前推形态，从3～1 m淤积高程逐梯次减小，淤积整体形态大致吻合于实测地形状态。

所截取纵截面在库区的位置，起点为坝前点，在距坝约1 000 m处计算高度线开始抬高，意味着泥沙淤积在此区域表现明显。高度演变幅度随着起点距的加大而对应加大，显示淤积越发严重。计算高度线基本拟合于实际测定高度线，演变态势大致相同，表明该计算淤积高程与纵截面上的实际淤积高程吻合。

3.2 淤悬移质计算分析

粒度差异悬沙存在入流某时刻的分布形态见图3。部分泥沙通过入口后，发生淤积，部分随水流向前推进，但淤积部分因水体流动也可能发生再次悬浮。由于库区淤积泥沙多为悬移入库泥沙的降沉构成，故其分布高程总体吻合于淤积分布形态，流水入库区域悬移泥沙构成量大，泥沙淤积量也大，悬移质越近坝址其含沙量越有所降低，淤积量也就伴随对应降低。从悬沙不同粒度的分布状态看，粗粒度主要分布在库尾，并且泥沙量相对也少，细粒度悬沙量相对较大，更易于被流水带向更近坝址的区域。

由图4图线揭示，库尾处在不存在入流时段，因为没有泥沙输入与水动力，并且悬移泥沙颗粒粗，水深小，泥沙降沉较快，高浓度悬沙分布区向库区中段呈现向四周沿浓度中心而逐渐梯度降低的分布形态。从悬沙不同粒度的分布状态看，各组分悬沙从大到小，分布态势大致相同于总悬沙的分布态势，但组分间还是有所差异的。组分4占26.25%泥沙百分比，占水体含沙百分比相对最大，故该组分泥沙在水体中总量亦相对最大。就分布范围而言，越细的悬移颗粒，沿流向前推进的距离越远，分布相对最广。

图3 粒度差异悬沙存在入流某时刻的分布形态

图4 粒度差异悬沙无入流某时刻的分布形态

4 结 语

本文整理介绍了案例库区水沙存在的基本情况，基于案例水库工程实用数据，建立了水库水沙计算二维模型，并对案例水库的泥沙淤积以及淤悬移质存在和运动发展状态开展了二维模拟计算分析。并将模拟计算成果与库区水沙淤泥实际状态开展比对，验证了水库泥沙二维模拟计算方式和计算成果的有效性和准确性。模拟

计算成果揭示，库区悬沙分布及淤积状态可以借助二维模型计算获得，二维模型计算揭示监测泥沙淤落部位和形态较为有效，观测结果更为全面，可为同类水库泥沙治理和科学调水管理提供应用技术参考。