職保平，王 宇，秦凈凈

(1.黃河水利職業(yè)技術(shù)學(xué)院, 河南 開封 475004；2.小流域水利河南省高校工程技術(shù)研究中心， 河南 開封 475004)

黑崗口水庫水沙特性的數(shù)值模擬

職保平1,2，王 宇1,2，秦凈凈1

(1.黃河水利職業(yè)技術(shù)學(xué)院, 河南 開封 475004；2.小流域水利河南省高校工程技術(shù)研究中心， 河南 開封 475004)

小浪底電站建成后，作為開封市水源地的黑崗口水庫不再進(jìn)行排沙，為了研究黑崗口水庫的多年的水沙沉積及分布問題，通過對(duì)花園口水文站觀測(cè)數(shù)據(jù)及黑崗口引流量數(shù)據(jù)的分析，結(jié)合黑崗口地形數(shù)據(jù)，依據(jù)插值和擬合數(shù)學(xué)理論，利用Flow-3D軟件進(jìn)行建模并進(jìn)行數(shù)值計(jì)算得到水庫泥沙的空間分布，并推導(dǎo)預(yù)測(cè)黑崗口水庫未來的水沙分布及趨勢(shì)分析，對(duì)黑崗口水庫的管理及優(yōu)化引水工作方式等提供依據(jù)，具有一定的現(xiàn)實(shí)意義。

黑崗口水庫；水沙特性；水力特性

自小浪底建成后，黃河下游引水含沙量明顯下降，作為開封市水源地的黑崗口水庫總引沙量下降明顯，因此，基本不再進(jìn)行排沙工作。雖然黃河下游含沙量下降，但經(jīng)過16年的長(zhǎng)期引水，總引沙量依然十分可觀，目前引水口處明顯出現(xiàn)泥沙沉積效應(yīng)。

水庫中水沙的長(zhǎng)時(shí)間沉積和分布不均勻是泥沙研究中的重要工作內(nèi)容之一，而如何推算出水沙變化的過程和規(guī)律是治河泥沙工程中急需解決的問題。對(duì)于此類研究，已有很多學(xué)者利用物理模型實(shí)驗(yàn)的方法進(jìn)行了深入研究，給出了水庫中水沙分布變化規(guī)律的特性[1]。隨著研究工具的發(fā)展及數(shù)值模擬方法的完善，利用計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬軟件可以更好的對(duì)該類問題進(jìn)行研究，常用的水沙數(shù)學(xué)模型主要包括水流模塊和泥沙模塊。張紅藝等[2],楊程等[3]及馮淑萍等[4]通過對(duì)高含沙水庫和河道的數(shù)值模擬得出了泥沙分布相關(guān)規(guī)律，王勤香等[5]運(yùn)用數(shù)值模擬方法研究了人工倒虹吸的水力特性，假冬冬等[6]通過三維數(shù)學(xué)模型系統(tǒng)的分析了水沙條件變化對(duì)河型河勢(shì)影響，程文等[7]和潘存鴻等[8]通過數(shù)值模擬分析了河道及水庫泥沙沖淤的分布。

為整體分析黑崗口水庫的水沙特性，以黑崗口水庫實(shí)測(cè)地形數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，建立完整的黑崗口水庫模型，以現(xiàn)有的原型觀測(cè)資料計(jì)算邊界條件，對(duì)黑崗口水庫進(jìn)行了數(shù)值模擬，最終對(duì)未來水庫中水沙沉積和分布等問題進(jìn)行研究，為庫區(qū)的運(yùn)行和管理提供依據(jù)。

1 研究區(qū)域

本文研究區(qū)域以黑崗口水庫為核心，引用上游花園口水文站(1987年—2015年)數(shù)據(jù)平均值，見表1，該站是距黑崗渠首閘最近的上游水文站。以2015年徑流量和輸沙量為計(jì)算特征數(shù)據(jù)，見表2。

黑崗口水庫，又名黑池，位于小浪底樞紐下游180 km，花園口水文站下游75 km處，開封市西北部15 km處，緊臨黃河大堤，東窄西寬，長(zhǎng)約5 km，寬500 m～1 000 m，水深3 m～8 m。黑崗口渠首閘位于黑崗口險(xiǎn)工段30壩與31壩之間，大堤里程樁號(hào)為77+170處。該閘為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)涵洞式水閘，共5孔，孔高2.0 m，寬1.8 m，閘室長(zhǎng)6.85 m，閘底高程76.75 m，設(shè)計(jì)防洪水位82.64 m，設(shè)計(jì)引水流量50 m3/s，加大引水流量為64 m3/s，黑崗口1999年—2013年引水量見表3，其中2008年—2010年數(shù)據(jù)缺失。

表1 花園口水文站1987年—2015年水沙特征表

表2 花園口水文站2015年來水來沙年內(nèi)分配表

表3 黑崗口引水流量分布表

2 模擬計(jì)算模型

2.1 控制方程

本文涉及數(shù)值模型計(jì)算控制方程[7]包括連續(xù)性方程、動(dòng)量方程、紊動(dòng)能k方程，紊動(dòng)能耗散率ε方程，泥沙輔助方程。根據(jù)計(jì)算水力學(xué)相關(guān)內(nèi)容[8-11]可知：

連續(xù)性方程：

(1)

動(dòng)量方程：

(2)

紊動(dòng)能k方程：

(3)

紊動(dòng)能耗散率ε方程：

(4)

現(xiàn)有主要紊流模型中，Reynolds應(yīng)力模型對(duì)脈動(dòng)應(yīng)力直接建立輸運(yùn)方程，因此對(duì)于考慮各向異性及強(qiáng)曲率情況較為適合。但由于該類模型建模相對(duì)復(fù)雜且計(jì)算量大，在特殊情形下才考慮使用。渦黏模型中的RNG模型則通過對(duì)標(biāo)準(zhǔn)k-ε的湍流黏度進(jìn)行修正，RNGk-ε模型是一種改進(jìn)的k-ε模型，基于多尺度隨機(jī)過程重整化思想，方程形式同標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型相似，模式常數(shù)由重整化理論算出，該模型可以更好的處理高應(yīng)變率及流線彎曲程度較大的波動(dòng)且計(jì)算量適中，基于上述原因，本研究中采用近年來逐漸成熟并被廣泛應(yīng)用[12-14]的修正湍流黏度的RNG (Renormalization Group)k-ε模型。

泥沙模型的輔助方程[9]：

當(dāng)來沙處于過飽和而床沙又較粗的條件下，床沙和懸沙就總體而言不發(fā)生交換，懸沙發(fā)生單向淤積。挾沙力級(jí)配是由來沙決定的，與床沙無關(guān)。

(5)

2.2 模型建立、計(jì)算范圍、網(wǎng)格剖分及邊界條件

本文地形建模資料采用2016年黑崗口水庫地形實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)資料進(jìn)行三維模型建立。水文資料采用實(shí)測(cè)2015年水位、流速、流量觀測(cè)資料，模型下邊界水位采用2016年實(shí)測(cè)流量與水位關(guān)系給定。以黑崗口水庫整體邊界為計(jì)算范圍。模型采用自適應(yīng)邊界較好的正交網(wǎng)格進(jìn)行模擬。網(wǎng)格均勻分布，模型計(jì)算時(shí)上游開邊界由實(shí)測(cè)流量控制，下游開邊界由實(shí)測(cè)水位控制。

圖1三維數(shù)值模型的建立

初始狀態(tài)按照黑崗口設(shè)計(jì)說明書進(jìn)行設(shè)置，進(jìn)出口條件按照現(xiàn)狀開封河務(wù)局提供的涵閘水文資料中黑崗口閘多年(1999年—2007年)平均引水量進(jìn)行設(shè)定(Q=2.76 m3/s)模擬結(jié)果如下：

表5 模擬條件參數(shù)設(shè)置

3 模擬計(jì)算

3.1 計(jì)算工況

為了更好的了解目前以及未來黑崗口水庫的水沙變化趨勢(shì)，根據(jù)黑崗口水庫引水閘不同引水流量設(shè)定工況進(jìn)行仿真計(jì)算，進(jìn)口含沙量采用表2中多年平均值。模擬分析中根據(jù)不同引水量擬定工況，主要有在小引水量的情況下、在平均引水量的情況下以及大引水量的情況下，多年后黑崗口水庫水沙分布情況計(jì)算，各工況特征數(shù)據(jù)見表6。

表6 黑崗口水沙計(jì)算工況

3.2 計(jì)算結(jié)果分析

水沙仿真計(jì)算結(jié)果如下：

圖2 工況1情況下黑崗口水庫泥沙分布示意圖

圖3 工況2情況下黑崗口水庫泥沙分布示意圖

圖4工況3情況下黑崗口水庫泥沙分布示意圖

圖2～圖4為不同工況下黑崗口水庫泥沙分布模擬示意圖，其中，斷面A-A是黑崗口渠首閘處的典型分布情況，斷面B-B是湖中島西側(cè)的中心位置，斷面C-C是湖心島西側(cè)，斷面D-D是湖心島東側(cè)，斷面E-E是黑崗口至柳池的分水口斷面。分析可知：由于黃河中下游泥沙含量較大，因此黑崗口引水閘附近含沙量較大，含沙量達(dá)到2.6 kg/m3；同時(shí)由于湖心島的存在，使大量的泥沙沉積在進(jìn)水端與湖心島之間(斷面A-A到C-C)，該區(qū)域沉沙量明顯高于湖心島東側(cè)的區(qū)域，這有利于向二級(jí)沉沙池柳池提供更為純凈的水源。黃河水經(jīng)渠首閘引水渠道口流入黑池，過流斷面迅速增加，流速降低顯著，因此形成較為明顯的沉沙廊道，見斷面A-A到斷面B-B之間的紅色區(qū)域，該廊道隨著時(shí)間的增長(zhǎng)，沉沙淤積作用顯著。湖心島附近含沙量由于阻流的原因，島后形成一定的回旋作用，因此，島的東面(斷面D-D)含沙量高于其他水庫部位，在庫底形成淤積效應(yīng)；柳池進(jìn)口端(斷面E-E)整體懸沙、沉沙成分較少，未對(duì)輸水道形成危害。黑崗口引水閘附近常年有大量泥沙淤積，在不考慮挖沙等處理手段的情況下，仿真計(jì)算出的10年后的引水閘處(斷面標(biāo)注)含沙量已經(jīng)達(dá)到8.5 kg/m3，在經(jīng)過計(jì)算后得出引水口處泥沙淤積深度達(dá)4 m左右。

4 結(jié) 論

研究得出黑崗口水庫在持續(xù)引水10年后，沖沙廊道不會(huì)至湖心島，形成鏈接，但由于水流作用，會(huì)在二者之間，形淤積并呈圓形分布，且與黑池北岸庫底聚集顯著。由于柳池進(jìn)口末端(斷面E-E)水體流動(dòng)較與整個(gè)黑池而言，非常緩慢，形成區(qū)域死水效應(yīng)，懸移質(zhì)沙體逐步沉淀，該區(qū)域?qū)⑿纬蔀┩浚终妓?。黑崗口引水閘附近10年后不采取排沙措施，造成引水效率下降甚至無法正常引水。該結(jié)論與郭維東等[15]研究結(jié)果不同，說明黑崗口水庫雖然引水渠流量較大，但目前并不同于河道型水庫的水力特性。

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NumericalSimulationofFlowandSedimentCharacteristicsinHeigangkouReservoir

ZHI Baoping1,2, WANG Yu1,2, QIN Jingjing1

(1.YellowRiverConservancyTechnicalInstitute,Kaifeng,He'nan475004,China；2.EngineeringTechnologyResearchCenterofSmallWatershedConservancyUniversityofHe'nanProvince,Kaifeng,He'nan475004,China)

After the completion of Xiaolangdi hydropower station, as the water source of Kaifeng city, Heigangkou reservoir no longer carried out desilting. In order to study the water and sediment deposition and distribution in the Heigangkou reservoir, based on the observation data of Huayuankou hydrological station and the data of Heigangkou drainage data, combined with the data of Heigangkou mouth terrain, based on the interpolation and fitting mathematical theory, this paper adopted Flow-3D software to model and calculate the reservoir spatial distribution of reservoir sediment. The distribution and trend of water and sediment in the future of Heigangkou reservoir was analyzed. This is the basis for the management of the Heigangkou reservoir and the way of optimizing the way of water diversion, and it has certain practical significance.

Heigangkoureservoir;waterandsedimentcharacteristics;hydrauliccharacteristics

10.3969/j.issn.1672-1144.2017.05.034

2017-05-11

2017-06-17

開封市科技局科技計(jì)劃項(xiàng)目“汴西湖水庫對(duì)開封水系的水沙變化影響研究”(1503037)

職保平(1983—)，男，河南新鄉(xiāng)人，博士，講師，主要從事水利水電工程方面的研究工作。E-mail: clownzhi@hotmail.com

TV651.1

A

1672—1144(2017)05—0188—04