利用異重流在極端天氣下改善水庫(kù)泥沙淤積問(wèn)題研究

摘要：為實(shí)現(xiàn)水庫(kù)可持續(xù)利用，減少水庫(kù)泥沙淤積，同時(shí)解決極端天氣下我國(guó)水庫(kù)城市供水問(wèn)題，通過(guò)對(duì)異重流排沙與渾水水庫(kù)排沙兩種排沙方式進(jìn)行比較分析，提出了異重流和渾水水庫(kù)聯(lián)合排沙的方式來(lái)導(dǎo)引入庫(kù)渾水排出，同時(shí)縮短入庫(kù)渾水滯庫(kù)時(shí)間，并指出該方式在水庫(kù)排沙實(shí)際運(yùn)用中的幾點(diǎn)建議。

關(guān)鍵詞：泥沙淤積；極端天氣；異重流排沙；渾水水庫(kù)排沙

中圖分類(lèi)號(hào)：X52 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2095-672X（2018）07-0225-01

DOI：10.16647/j.cnki.cn15-1369/X.2018.07.138

Research on using reservoir to improve reservoir sedimentation environment

Yang Peifang

（Sichuan University， Chengdu Sichuan 610065，China）

Abstract ： In order to realize the sustainable utilization of reservoirs， reduce the siltation of reservoirs， and solve the problem of water supply for reservoirs in China during extreme weather， a comparative analysis of the two types of sand discharge methods： gravity flow sediment discharge and waste water discharge from the Tangshui Reservoir is proposed. The combination of gravity flow and the Yushui Reservoir combined with sand draining led to the introduction of muddy water discharge， while shortening the time for delaying storage of muddy water， and pointed out some suggestions for the practical application of this method to the reservoir.

Key words： Sedimentation；Extreme weather；Different gravity flow discharge sand；Lishui reservoir drainage

我國(guó)各河流水庫(kù)泥沙淤積環(huán)境問(wèn)題突出。河流含沙渾水注入水庫(kù)，由于水庫(kù)水體體積巨大且比較穩(wěn)定，含沙渾水進(jìn)入水庫(kù)后，流速迅速減小，挾沙能力迅速減弱，這就導(dǎo)致入庫(kù)渾水挾帶的泥沙顆粒逐漸沉積最后淤積到水庫(kù)底部。泥沙淤積導(dǎo)致水庫(kù)有效庫(kù)容減少，并且縮短了水庫(kù)使用壽命。減少水庫(kù)泥沙淤積，實(shí)現(xiàn)水庫(kù)可持續(xù)利用意義重大。

我國(guó)臺(tái)風(fēng)、大暴雨等極端天氣頻繁，極端天氣伴隨著的強(qiáng)降雨會(huì)造成大量較高濃度的含沙渾水進(jìn)入水庫(kù)，導(dǎo)致水庫(kù)水體渾濁，入庫(kù)渾水挾帶的泥沙淤積在水庫(kù)底部，十分影響水庫(kù)的供水以及發(fā)電等功能的發(fā)揮。水庫(kù)作為城市供水的主要來(lái)源之一，在極端天氣下，水庫(kù)水處理的成本和難度均會(huì)增加，導(dǎo)致城市供水中斷，居民生活用水無(wú)法保障，給城市居民的生活帶來(lái)極大的不便。因此，研究極端天氣情況下導(dǎo)引入庫(kù)渾水排出的措施是十分必要的。

1 異重流排沙方式

不同比重且相互接觸的流體因比重差異相對(duì)流動(dòng)的現(xiàn)象為異重流現(xiàn)象。具體來(lái)講，異重流是指一種流體沿著其與其他流體交界面的方向流動(dòng)但不與其他流體發(fā)生大面積混摻的現(xiàn)象。而水庫(kù)異重流是指較高濃度的含沙渾水注入水庫(kù)水體后在水庫(kù)底部產(chǎn)生的異重流現(xiàn)象。

異重流排沙是有效減少水庫(kù)泥沙淤積的一種方式，即使較高濃度的含沙渾水進(jìn)入水庫(kù)后以異重流的形式沿著水庫(kù)底部持續(xù)運(yùn)動(dòng)到壩前，再經(jīng)由泄水口將挾帶泥沙的入庫(kù)渾水排出水庫(kù)。在極端天氣情況下，采用異重流排沙方式不僅可以達(dá)到減少水庫(kù)泥沙淤積的目的，還可以縮短渾水滯庫(kù)時(shí)間，保證水庫(kù)供水等功能的正常發(fā)揮。

1.1 異重流的形成條件

異重流的形成要求不同流體之間可以相互混合，并且不同流體的比重不能相差過(guò)大。在水庫(kù)中，水庫(kù)水體的體積巨大而且流速很小，極端天氣條件下，較高濃度的含沙渾水進(jìn)入水庫(kù)庫(kù)區(qū)后，流速會(huì)迅速減小，挾沙能力迅速減弱，較大顆粒的泥沙就會(huì)淤積在水庫(kù)進(jìn)口底部。同時(shí)，含有剩余較細(xì)泥沙顆粒的渾水因與庫(kù)區(qū)水體的比重差異而潛入水庫(kù)的底部，形成水庫(kù)異重流。水庫(kù)異重流開(kāi)始形成的標(biāo)志即為潛入點(diǎn)。由范家驊[1]進(jìn)行的室內(nèi)水槽試驗(yàn)，可知異重流形成條件判別式為：

1.2 異重流的運(yùn)動(dòng)特性

利用異重流排沙必須保證異重流在形成之后能夠持續(xù)運(yùn)動(dòng)到壩前，由于異重流在流動(dòng)過(guò)程中需要克服各種阻力產(chǎn)生能量損耗，那么異重流在形成時(shí)所具有的能量必須高于其在流動(dòng)過(guò)程中的能量損耗。異重流的阻力通常用異重流平均阻力系數(shù)來(lái)表示。該系數(shù)的公式[2]為：

上式中，J為河底比降，ue為異重流流速，為異重流厚度沿程變化，Re為異重流濕周。

1.3 異重流的挾沙能力

異重流的挾沙能力關(guān)系著在異重流流動(dòng)過(guò)程中入庫(kù)含沙渾水中泥沙的沉積量，關(guān)系著異重流排沙的效果，十分重要。

2 渾水水庫(kù)排沙方式

當(dāng)入庫(kù)渾水沿著水庫(kù)底部以異重流的形式持續(xù)運(yùn)動(dòng)到壩前但是異重流的排出受阻或者部分受阻時(shí)，就會(huì)出現(xiàn)渾水滯庫(kù)現(xiàn)象。在庫(kù)區(qū)清水水體下面產(chǎn)生渾水體，渾水的水位不斷地升高，清渾水的界面自然也不斷升高，形成渾水水庫(kù)。

渾水水庫(kù)排沙也是減少水庫(kù)泥沙淤積的一種方式。極端天氣下，較高濃度的含沙渾水進(jìn)入水庫(kù)后潛入庫(kù)底，以異重流的形式沿著水庫(kù)底部持續(xù)運(yùn)動(dòng)到壩前，這時(shí)將泄水口關(guān)閉或者部分關(guān)閉，阻礙渾水異重流的排出，形成渾水水庫(kù)。在渾水水庫(kù)的渾水體中，少部分相對(duì)較大的泥沙顆粒沉降比較快，而大部分較小的泥沙顆粒沉降速度很慢。[3]然后，再通過(guò)泄水口排出水庫(kù)底部的渾水水體，即為渾水水庫(kù)排沙。

渾水水庫(kù)排沙與異重流排沙相比，其優(yōu)勢(shì)在于在極端天氣下能夠保證在較長(zhǎng)的時(shí)間內(nèi)以及在較高濃度的入庫(kù)渾水停止流入水庫(kù)后，依然能夠保持較高濃度地排沙，實(shí)現(xiàn)減少水庫(kù)泥沙淤積的目的。因此渾水水庫(kù)排沙比異重流排沙方式節(jié)約用水，但用時(shí)較長(zhǎng)。

3 結(jié)論及建議

異重流排沙和渾水水庫(kù)排沙兩種方式均可實(shí)現(xiàn)減少水庫(kù)淤積的目的，但各有優(yōu)劣。采用異重流排沙方式會(huì)導(dǎo)致水庫(kù)庫(kù)區(qū)大量的水被排出，造成庫(kù)區(qū)蓄水的損耗。渾水水庫(kù)排沙方式節(jié)約用水，但渾水水庫(kù)排沙方式不直接將運(yùn)動(dòng)到壩前的入庫(kù)渾水排出，而是形成渾水水庫(kù)，在實(shí)際應(yīng)用中不容易控制渾水水庫(kù)下部的渾水體，若清渾交界面的位置較高，渾水水庫(kù)中的渾水體所占體積過(guò)大則會(huì)影響水庫(kù)的供水功能[4]。

因此，宜采用異重流和渾水水庫(kù)聯(lián)合排沙的方式導(dǎo)引入庫(kù)渾水。在暴雨等極端天氣情況下，第一階段進(jìn)入水庫(kù)的含沙渾水濃度相對(duì)較高時(shí)，采用異重流排沙方式，為避免提前形成渾水水庫(kù)，應(yīng)使排出渾水流量稍大于入庫(kù)渾水流量。第二階段入庫(kù)渾水濃度相比第一階段較低，采用渾水水庫(kù)排沙方式，宜將渾水水庫(kù)清渾交界面的高度控制在較低的水平，渾水體上部的庫(kù)區(qū)清水體可以實(shí)現(xiàn)正常向城市供水。異重流和渾水水庫(kù)聯(lián)合排沙方式結(jié)合了兩種排沙方式的優(yōu)勢(shì)，既可以減少水庫(kù)泥沙淤積，實(shí)現(xiàn)水庫(kù)可持續(xù)利用，又可以在極端天氣情況下縮短入庫(kù)渾水滯庫(kù)時(shí)間，保證水庫(kù)正常向城市供水，還減少了排沙過(guò)程中水庫(kù)的水量損失。

另外，異重流排沙和渾水水庫(kù)排沙都是十分復(fù)雜的問(wèn)題，入庫(kù)渾水的流量、含沙量、持續(xù)時(shí)間、排出渾水的流量以及水庫(kù)的具體情況等都會(huì)影響異重流的持續(xù)運(yùn)動(dòng)、挾沙能力和渾水水庫(kù)清渾交界面的高度，進(jìn)而影響到排沙的效果和渾水滯庫(kù)的時(shí)間。因此，第一，若要采用異重流和渾水水庫(kù)聯(lián)合排沙方式減少水庫(kù)淤積，必須完善水庫(kù)的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。該系統(tǒng)應(yīng)當(dāng)能夠監(jiān)測(cè)水庫(kù)異重流的入庫(kù)、流動(dòng)和排出過(guò)程中的各項(xiàng)數(shù)據(jù)，包括異重流的速度、濃度等。第二，應(yīng)用異重流的形成條件、挾沙能力等相關(guān)計(jì)算公式以及渾水水庫(kù)計(jì)算模型，清渾水體交界面的確定等必須要以各水庫(kù)的實(shí)測(cè)資料和具體情形為基礎(chǔ)。第三，對(duì)于異重流排沙和渾水水庫(kù)排沙的銜接問(wèn)題，應(yīng)當(dāng)通過(guò)水庫(kù)實(shí)地觀測(cè)或者模擬實(shí)驗(yàn)方式作進(jìn)一步的研究，在實(shí)踐中探尋最佳時(shí)機(jī)。

參考文獻(xiàn)

[1]范家驊.關(guān)于水庫(kù)渾水潛入點(diǎn)判別數(shù)的確定方法[J].泥沙研究，2008（01）：74-81.

[2]唐海東.水庫(kù)異重流排沙的研究與實(shí)踐[J].水科學(xué)與工程技術(shù)，2009（02）：42-45.

[3]陳景梁，付國(guó)巖，趙克玉.渾水水庫(kù)排沙的數(shù)學(xué)模型及物理模型試驗(yàn)研究[J].泥沙研究，1988（01）：77-86.

[4]許繼軍，陳進(jìn)，陳廣才.長(zhǎng)江上游大型水電站群聯(lián)合調(diào)度發(fā)展戰(zhàn)略研究[J].中國(guó)水利，2011（04）：44-45.

收稿日期：2018-05-08

作者簡(jiǎn)介：楊佩芳（1998-），女，本科在讀，研究方向?yàn)橥聊竟こ獭?/p>