
长江上游水利枢纽下泄流量对兰叙段航道水位的影响的研究.docx
8页长江上游水利枢纽下泄流量对兰叙段航道水位的影响的研究 一、概述向家坝水电站位于四川省宜宾市和云南省水富县交界处的金沙江干流下游,是金沙江梯级开发规划中的最末一级电站,该工程是以发电为主,是同时具有防洪、拦沙及改善航运、兼顾灌溉等综合作用的特大型水利枢纽工程但向家坝水电站由于其电站日调节,大坝泄洪以及电站事故等工况引起的非恒定流将改变下游河道的天然水流条件,为了研究非恒定流对下游河段通航水流条件的影响,通过本项目的研究,探究支流金沙江、岷江水利枢纽下泄流量对本河段航道水位演变规律以及典型碍航水道特征,为科学的制定航道维护计划,充分利用水利枢纽蓄放水对航道水位调节作用,提供一定的技术保障二、河床演变分析所研究的河段上起向家坝,下至泸州沱江口,河段内滩险众多,其浅滩成因主要与具体的河型、河势有关总体来讲,研究河段可主要分为两大段,一段为向家坝至宜宾河段,该河段段为金沙江,地形地貌上看属深切河谷,河道狭窄,河段内宽谷与峡谷相间,纵向上也是深潭与浅脊相间,该河段内浅滩主要位于放宽段内,其特点是河道内礁石、石盘较多,枯水期水流散乱,航行条件差。
第二段是宜宾至泸州段,该段地貌上属低山丘陵带,河道在此段内汇入众多支流,主要有岷江、赤水河等,该段内浅滩主要位于河道放宽段,且其成因多受局部地形影响或受支流入汇影响形成,从总体上看,研究河段河岸、河床多由卵石、基岩组成,抗冲性较强,河势是基本稳定的,但由于研究河段地形复杂,水流流速较大,在局部河段受河型、河势及水沙条件影响较为复杂,但年际冲淤变化可基本维持稳定三、数学模型的建立(一)一维水沙模型一维水流数学模型常用来模拟天然河道时间和空间尺度较大的水流的运动在数值格式的研究中, 近期具有代表性的研究成果是借鉴计算空气动力学中的优秀算法, 获得的精度高、守恒性好的多种计算格式1.一维水流的控制方程[1]明渠或天然河流被考虑作为一维非恒定流动时,基于数学模型为圣维南方程组,以流量Q(x, t) 和水位Z(x, t) 为未知变量,它的方程组为:连续方程: (1)动量方程: (2)其中A为过水面积;Q为流量;Z为水位;Sf为河床摩降;g为重力加速度, ,(其中:n为Manning 糙率系数;R 为水力半径则上述方程可写为向量形式: (3)2.一维方程组的求解采用清华大学的钟德钰[2]最近提出来的一种新的基于有限体积法的TVD的数值格式求解对式(3)采用采用一阶显格式有限体积法TVD离散,即:但当河道断面沿程变化剧烈,水位变化幅度较大,河床冲淤幅度大的时候,为避免出现动量方程计算流量时常出现锯齿状振荡现象,本文模型对谭维炎[3]等的方法进行了改进,即将流量与水位、含沙量交错布置,如下图1所示:图1,变量在网格上的布置以此动量守恒方程中水面坡度一项自然离散为: , 式中A可用(Aj+Aj+1)/2计算。
3.边界条件边界条件一般可以分为三种形式给出:1.已知水位随时间的变化,2.已知流量随时间的变化,3.已知流量随水位的变化由于采用交错网格布置,使得对于进出口的边界布置非常简单,在上游直接根据时间流量关系来进行代入第一个流量下游的水位根据计算额流量,然后根据流量水位关系直接插值得到下游边界的水位二)二维水流模型[4.5]1.二维水流的控制方程及求解:1)水流连续方程:(4)2)X方向动量方程:(5)3)Y方向动量方程:(6)以上各式中,t为时间,x,y为空间坐标,z为水位, h为水深,h=z-zb,zb为河床高程,υ,ν分别为沿x,y方向的垂线平均流速,g为重力加速度,n为糙率系数, νt为湍流动能扩散系数利用有限元单元法来计算控制方程的数学解,基本求解过程为:①将控制方程分别在时间和空间上进行离散其中时间离散采用差分法,空间离散采用有限元法②通过伽辽金加权余量法将控制方程从偏微分方程转化为代数方程组;根据边界条件和初始条件数值求解代数方程组;2.二维边界条件在二维的计算河段的上下边界处,根据一维计算的水位和流量进行插值到二维的网格中,在二维的模型中边界网格直接用已知的数据来得到四、计算范围及网格的布置由于从向家坝至泸州的全河流的资料不足,主要的地形资料为七块地形,分别为:(1)向家坝至宜宾河段38km;(2)罗龙河段3.2km;(3)铜鼓滩河段5.6km;(4) 三滩子河段13.2km;(5)草包石河段10.2km;(6)纳溪河段 11.9km;(7)泸州河段3.3km。
根据现有的地形资料来布置从向家坝~泸州的一维段面见下图2,从向家坝至泸州河段全长约为160km,共分为71个段面图2:一维计算的断面布置及区域二维计算的河段主要为宜宾河段,计算河段的长度约为6.5km主要采样三角形网格和离散计算趋于,网格大小疏密沿河道河势宽窄变化不等,全河段共布置网格为9795个,网格节点为5127个,网格节点间距为16~41m模型研究的范围及网格布置见下图3图3:二维范围及网格布置 五、计算成果及分析(一)水位变化分析经过计算下游河段水位变化主要受向家坝水电站日调节的影响,其规律是下泄流量变幅越大,水位幅值的变化越大但从流量传播过程来看,随着距向家坝枢纽距离的增加,流量变幅逐渐减小,流量过程趋于坦化,如在随机工况1条件下向家坝(CS-1)最大流量为5589m3/s,最小流量1200m3/s,变幅达到4689m3/s,是最小流量的3.9倍,变幅很大传播到泸州时(CS-71)时最大流量减小到1682.751m3/s,最小流量为1200m3/s,变幅减小到482.751m3/s,只有最小流量的0.4倍,变幅明显减小,如下图4所示,取河段中四个典型点的水位变化得:图4:一天之中4个典型点的水位变化图(二)流速分析取宜宾河段的二维流速变化为例进行分析:为了分析宜宾段流速情况的变化,从河段中取出9个典型的取样点(见下图5),取样点的坐标以及在日调节过程中的最大流速,最小流速和日最大流速变幅和30分钟最大流速变幅见表1图5:宜宾河段流速的取样点表1取样点的流速情况 单位 m/s从宜宾段二维的数学模型的计算结果来看,日调节过程中,流速的变化比较大,流速波动幅度呈现不规则的变化规律。
流速最大日变幅出现在8号样点其最大流速变幅为1.441m/s,这是因为河段属于山区河流,流速变化比较大,从9个采样点的数据可以看出,沿程的最大流速和最小流速和日最大流速差下游逐步变大,这是因为由于浅滩的影响,过水面积减小,使得流速增大,变幅比较大六、总结1.向家坝电站日调节过程中枢纽下游河段的水流条件发生了明显的变化,水位变幅、流量、流速与电站负荷变化相一致, 总的说来虽然与向家坝逐渐远离,日最大水位变幅和15分钟水位变幅逐渐变小,但是在河床地形高程变化比较大的滩的地方,水位的变幅也比较大2.从流量的变化来看,向家坝水电站日调节具有流量较大(QMax=5589m3/s),流量变幅也较大(最大变幅为4.66倍)的特点,使得整个河段变化比较复杂,由于向家坝~泸州属于山区河流,沿程流量的变化逐渐平坦化达到泸州时流量相对变化已比较小3.位频繁的陡涨陡落加剧了岸滩的坍塌:日调节波的水位涨、落幅度大,流速变化复杂,使得岸坡土壤结构极易遭受破坏因此,岸滩在日调节波作用下,容易被冲刷、淘刷、坍塌因此,对河段应做好护滩护岸设计[Reference][1]徐正凡.水力学下册[M].北京:高等教育出版社,1987.[2]钟德钰,彭杨,张红武.多沙河流的非恒定一维水沙模型及应用[J].水科学进展,2004,6:706-710[3]谭维炎.计算浅水动力学—有限体积法的应用[M].北京:清华大学出版社,1998[4]余明辉,袁雄燕,刘合翔,等.守恒性平面二维水流数学模型的研究[J].武汉大学学报(工学版),2002,35(3):1—4.(作者单位:1.重庆交通大学 河海学院 重庆,2.西南水利水运科学研究所 重庆) -全文完-。
