河道型水庫(kù)泥沙分選沉積及粗沙對(duì)淤積作用實(shí)驗(yàn)研究結(jié)題摘要

當(dāng)前，大壩已徹底改變下游河流泥沙等通量。2003年以來(lái)，三峽下泄泥沙減少91%(長(zhǎng)江入海減少70%，而且將繼續(xù)減少)，2000年以來(lái)黃河入海沙量減少96%。水庫(kù)攔沙的直接后果是清水沖刷引起下游河流地貌格局變化，河流環(huán)境和生態(tài)條件改變或?qū)е颅h(huán)境容量降低，水庫(kù)淤積使工程可持續(xù)性受到挑戰(zhàn)。因此，認(rèn)識(shí)水庫(kù)淤積機(jī)制對(duì)流域科學(xué)開發(fā)和河流保護(hù)具有重要意義。我們研究發(fā)現(xiàn)，三峽等大型河道水庫(kù)具有明顯分選淤積規(guī)律，這一特征對(duì)水庫(kù)淤積控制和下游河流生態(tài)修復(fù)都具有重要意義。在自然科學(xué)基金項(xiàng)目支持下，主要開展了大型水槽懸移泥沙分選淤積實(shí)驗(yàn)、不均勻泥沙懸浮動(dòng)力機(jī)理實(shí)驗(yàn)、不平衡輸沙理論研究、水庫(kù)淤積粗泥沙對(duì)下游河流作用及應(yīng)對(duì)策略、水庫(kù)挖粗沙減淤對(duì)策和水庫(kù)分選淤積對(duì)下游河流磷及營(yíng)養(yǎng)結(jié)構(gòu)影響等方面工作。除大型水槽實(shí)驗(yàn)因遇到很多問(wèn)題(目前多數(shù)具體問(wèn)題已解決)還在繼續(xù)進(jìn)行外，本研究取得下列主要結(jié)果：1) 通過(guò)機(jī)理實(shí)驗(yàn)，提出一個(gè)比原來(lái)平衡泥沙濃度更能反映不均泥沙挾沙能力的動(dòng)力度量指標(biāo)—沉降通量(?)，實(shí)驗(yàn)表明給定紊動(dòng)動(dòng)能懸浮不同泥沙的?是不變量。由這一認(rèn)識(shí)可推導(dǎo)出分組挾沙能力，對(duì)構(gòu)建符合不均勻特性的不平衡輸沙模型具有關(guān)鍵意義。采用上述實(shí)驗(yàn)認(rèn)識(shí)，提出一個(gè)新的不平衡輸沙模型(尚需嚴(yán)格檢驗(yàn)后發(fā)表)。對(duì)比大型水槽實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，過(guò)程模擬結(jié)果比原模型顯著改善。應(yīng)用到平面二維數(shù)學(xué)模型后，成功刻畫出多沙游蕩河型變化過(guò)程。這一成果可望提高泥沙數(shù)學(xué)模型理論水平。2)提出了沖積河流中關(guān)鍵少數(shù)粗沙對(duì)水庫(kù)和下游河道平衡坡降影響的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系，表明在水庫(kù)特定位置挖粗沙可大幅度降低淤積、在下游適量增加這種粗沙則可顯著抑制清水沖刷幅度。提出三峽下游拋少于3000萬(wàn)t/a粗沙可抑制荊江持續(xù)沖刷，利用三門峽和小浪底攔截并轉(zhuǎn)移粗沙5000萬(wàn)t/a可使黃河下游河床不抬高。這些認(rèn)識(shí)對(duì)研究江河長(zhǎng)遠(yuǎn)治理策略有重要理論價(jià)值。3)研究了大型水庫(kù)分選細(xì)沙和磷淤積規(guī)律及其對(duì)下游河流磷通量影響。表明河流磷與泥沙高度相關(guān)、磷密度決定于泥沙面積濃度，三峽蓄水后進(jìn)入長(zhǎng)江中下游總磷減少75%，水庫(kù)調(diào)節(jié)永久改變下游河流磷過(guò)程節(jié)律，非汛期下游將永遠(yuǎn)處于清水和少磷狀態(tài)，河流和河床磷補(bǔ)給/調(diào)節(jié)機(jī)制破壞。同時(shí)，水庫(kù)攔截大幅度提高下游水域氮磷比、改變營(yíng)養(yǎng)結(jié)構(gòu)，不利于水域生物提取營(yíng)養(yǎng)，進(jìn)一步抬高已不斷增加的河流碳、氮等物質(zhì)相對(duì)量。這些結(jié)果有助于完善我們對(duì)大壩生態(tài)效應(yīng)認(rèn)識(shí)、保護(hù)下游生態(tài)系統(tǒng)。 2100433B

河道型水庫(kù)是主要的大型水庫(kù)類型，泥沙問(wèn)題沒(méi)有很好解決，影響工程效益和水庫(kù)可持續(xù)性。不均勻泥沙沿程分選沉積是決定淤積強(qiáng)度和形態(tài)的重要結(jié)構(gòu)特征，不同粒徑泥沙的力學(xué)和沖淤性能相差很大，占入庫(kù)比例很小的粗沙對(duì)水庫(kù)平衡淤積坡降和淤積量影響很大。分選淤積是一個(gè)明顯的物理現(xiàn)象，但受水庫(kù)運(yùn)行方式、水沙條件、水庫(kù)斷面變化、淤積過(guò)程和回水變化等復(fù)雜因素影響，實(shí)際水庫(kù)分選情況非常復(fù)雜。同時(shí)，水庫(kù)淤積形態(tài)和坡降受泥沙粒徑影響很大，分選沉積與淤積坡降是同一過(guò)程的微觀與宏觀表現(xiàn)。準(zhǔn)確認(rèn)識(shí)沿程泥沙分選沉積規(guī)律及粗沙作用對(duì)合理管理水庫(kù)泥沙、減少淤積和下游影響、提高工程效益都具有重要意義。因此，本研究擬利用長(zhǎng)實(shí)驗(yàn)水槽模擬理想水庫(kù)回水條件下不均勻懸沙分選沉降、不平衡輸沙和坡降變化，分析粗沙對(duì)水庫(kù)淤積和沖淤平衡坡降的影響，認(rèn)識(shí)水庫(kù)淤積規(guī)律，為研究淤積控制、淤積泥沙利用和為檢驗(yàn)數(shù)學(xué)模型等提供提供科學(xué)依據(jù)。

本書運(yùn)用數(shù)學(xué)模型結(jié)合實(shí)測(cè)資料分析，究了水庫(kù)泥沙淤積發(fā)展的過(guò)程及沖淤平衡特征，水庫(kù)調(diào)度方式對(duì)水庫(kù)泥沙淤積發(fā)展及平衡的影響規(guī)律，側(cè)重對(duì)水沙過(guò)程、泥沙淤積過(guò)程及變化機(jī)理的分析，并在此基礎(chǔ)上對(duì)三峽水庫(kù)現(xiàn)有調(diào)度方式進(jìn)一步進(jìn)行優(yōu)化。

水流挾帶的泥沙在水庫(kù)內(nèi)發(fā)生淤積的現(xiàn)象。

前言

第1章 緒論

1.1 研究背景及意義

1.1.1 研究背景

1.1.2 研究意義

1.2 研究現(xiàn)狀

1.2.1 水庫(kù)泥沙研究的發(fā)展過(guò)程及處理措施

1.2.2 水庫(kù)泥沙研究的主要途徑

1.2.3 水庫(kù)運(yùn)用方式與淤積關(guān)系研究進(jìn)展

1.3 研究方法

1.4 研究?jī)?nèi)容

第2章 水庫(kù)淤積形態(tài)及發(fā)展

2.1 水庫(kù)淤積過(guò)程概述

2.1.1 水庫(kù)淤積形態(tài)

2.1.2 水庫(kù)淤積過(guò)程

2.2 采用蓄清排渾運(yùn)用方式時(shí)水庫(kù)淤積過(guò)程特性分析

2.2.1 龔嘴水庫(kù)概況

2.2.2 來(lái)水來(lái)沙特性

2.2.3 水庫(kù)調(diào)度特點(diǎn)及蓄水過(guò)程

2.2.4 龔嘴水庫(kù)泥沙淤積發(fā)展分析

2.3 庫(kù)區(qū)河道沖淤平衡特征分析

2.4 本章小結(jié)

第3章 調(diào)度方式變化對(duì)水庫(kù)淤積的影響

3.1 三峽水庫(kù)概況

3.2 三峽水庫(kù)一維泥沙數(shù)學(xué)模型

3.2.1 模型原理

3.2.2 模型驗(yàn)證

3.3 三峽水庫(kù)調(diào)度方式特性及淤積發(fā)展

3.3.1 三峽水庫(kù)蓄水過(guò)程

3.3.2 三峽水庫(kù)調(diào)度方式分析

3.3.3 蓄水后三峽水庫(kù)沖淤變化特征

3.3.4 三峽水庫(kù)淤積平衡后沖淤特征

3.4 汛限水位改變對(duì)水庫(kù)淤積過(guò)程及平衡的影響

3.4.1 一定范圍內(nèi)改變汛限水位對(duì)水庫(kù)淤積過(guò)程及平衡的影響

3.4.2 汛限水位整體變化對(duì)水庫(kù)淤積過(guò)程及平衡的影響

3.5 正常蓄水位一定范圍內(nèi)的變化對(duì)水庫(kù)淤積過(guò)程及平衡的影響..

3.6 本章小結(jié)

第4章 三峽水庫(kù)汛限水位優(yōu)化調(diào)度初步研究

4.1 三峽水庫(kù)汛限水位優(yōu)化調(diào)度目標(biāo)分析

4.1.1 汛限水位優(yōu)化調(diào)度目標(biāo)

4.1.2 汛限水位優(yōu)化調(diào)度方案

4.1.3 求解思路

4.2 三峽水庫(kù)汛限水位優(yōu)化調(diào)度的防洪限制條件

4.2.1 汛前推遲落水對(duì)防洪的影響

4.2.2 汛后提前蓄水對(duì)防洪的影響

4.2.3 上游建庫(kù)情況下優(yōu)化調(diào)度對(duì)防洪的影響

4.3 三峽水庫(kù)汛限水位優(yōu)化調(diào)度的發(fā)電效益

4.3.1 發(fā)電調(diào)度計(jì)算原理

4.3.2 汛限水位優(yōu)化調(diào)度發(fā)電效益分析

4.3.3 上游建庫(kù)情況下優(yōu)化調(diào)度發(fā)電效益

4.4 三峽水庫(kù)汛限水位優(yōu)化調(diào)度對(duì)航運(yùn)的影響

4.4.1 汛限水位優(yōu)化調(diào)度對(duì)枯水期下泄流量的影響

4.4.2 汛限水位優(yōu)化調(diào)度對(duì)水庫(kù)泥沙淤積及變動(dòng)回水區(qū)航運(yùn)的影響

4.5 三峽水庫(kù)汛限水位優(yōu)化調(diào)度方案綜合比選

4.5.1 發(fā)電效益

4.5.2 航運(yùn)補(bǔ)償

4.5.3 優(yōu)化萬(wàn)桑比選

4.6 本章小結(jié)

第5章 優(yōu)化調(diào)度對(duì)重慶河段沖淤的影響

5.1 重慶河段平面二維水沙數(shù)學(xué)模型

5.1.1 模型原理

5.1.2 模型驗(yàn)證

5.2 河段壅水情況

5.3 上游無(wú)庫(kù)情況下優(yōu)化調(diào)度對(duì)重慶河段沖淤的影響

5.3.1 優(yōu)化調(diào)度對(duì)重慶河段整體沖淤的影響

5.3.2 優(yōu)化調(diào)度對(duì)重點(diǎn)淺灘泥沙沖淤及航運(yùn)的影響

5.4 上游建庫(kù)情況下優(yōu)化調(diào)度對(duì)重慶河段沖淤的影響

5.4.1 優(yōu)化調(diào)度對(duì)重慶河段整體沖淤的影響

5.4.2 優(yōu)化調(diào)度對(duì)重點(diǎn)淺灘泥沙沖淤及航運(yùn)的影響

5.5 采用優(yōu)化調(diào)度運(yùn)用后重慶河段航運(yùn)整治措施及效果

5.6 本章小結(jié)

參考文獻(xiàn) 2100433B