河道型水庫泥沙分選沉積及粗沙對淤積作用實驗研究項目摘要

河道型水庫是主要的大型水庫類型，泥沙問題沒有很好解決，影響工程效益和水庫可持續(xù)性。不均勻泥沙沿程分選沉積是決定淤積強度和形態(tài)的重要結(jié)構(gòu)特征，不同粒徑泥沙的力學和沖淤性能相差很大，占入庫比例很小的粗沙對水庫平衡淤積坡降和淤積量影響很大。分選淤積是一個明顯的物理現(xiàn)象，但受水庫運行方式、水沙條件、水庫斷面變化、淤積過程和回水變化等復(fù)雜因素影響，實際水庫分選情況非常復(fù)雜。同時，水庫淤積形態(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程的微觀與宏觀表現(xiàn)。準確認識沿程泥沙分選沉積規(guī)律及粗沙作用對合理管理水庫泥沙、減少淤積和下游影響、提高工程效益都具有重要意義。因此，本研究擬利用長實驗水槽模擬理想水庫回水條件下不均勻懸沙分選沉降、不平衡輸沙和坡降變化，分析粗沙對水庫淤積和沖淤平衡坡降的影響，認識水庫淤積規(guī)律，為研究淤積控制、淤積泥沙利用和為檢驗數(shù)學模型等提供提供科學依據(jù)。

當前，大壩已徹底改變下游河流泥沙等通量。2003年以來，三峽下泄泥沙減少91%(長江入海減少70%，而且將繼續(xù)減少)，2000年以來黃河入海沙量減少96%。水庫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，水庫淤積使工程可持續(xù)性受到挑戰(zhàn)。因此，認識水庫淤積機制對流域科學開發(fā)和河流保護具有重要意義。我們研究發(fā)現(xiàn)，三峽等大型河道水庫具有明顯分選淤積規(guī)律，這一特征對水庫淤積控制和下游河流生態(tài)修復(fù)都具有重要意義。在自然科學基金項目支持下，主要開展了大型水槽懸移泥沙分選淤積實驗、不均勻泥沙懸浮動力機理實驗、不平衡輸沙理論研究、水庫淤積粗泥沙對下游河流作用及應(yīng)對策略、水庫挖粗沙減淤對策和水庫分選淤積對下游河流磷及營養(yǎng)結(jié)構(gòu)影響等方面工作。除大型水槽實驗因遇到很多問題(目前多數(shù)具體問題已解決)還在繼續(xù)進行外，本研究取得下列主要結(jié)果：1) 通過機理實驗，提出一個比原來平衡泥沙濃度更能反映不均泥沙挾沙能力的動力度量指標—沉降通量(?)，實驗表明給定紊動動能懸浮不同泥沙的?是不變量。由這一認識可推導(dǎo)出分組挾沙能力，對構(gòu)建符合不均勻特性的不平衡輸沙模型具有關(guān)鍵意義。采用上述實驗認識，提出一個新的不平衡輸沙模型(尚需嚴格檢驗后發(fā)表)。對比大型水槽實驗數(shù)據(jù)，過程模擬結(jié)果比原模型顯著改善。應(yīng)用到平面二維數(shù)學模型后，成功刻畫出多沙游蕩河型變化過程。這一成果可望提高泥沙數(shù)學模型理論水平。2)提出了沖積河流中關(guān)鍵少數(shù)粗沙對水庫和下游河道平衡坡降影響的經(jīng)驗關(guān)系，表明在水庫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t/a可使黃河下游河床不抬高。這些認識對研究江河長遠治理策略有重要理論價值。3)研究了大型水庫分選細沙和磷淤積規(guī)律及其對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，三峽蓄水后進入長江中下游總磷減少75%，水庫調(diào)節(jié)永久改變下游河流磷過程節(jié)律，非汛期下游將永遠處于清水和少磷狀態(tài)，河流和河床磷補給/調(diào)節(jié)機制破壞。同時，水庫攔截大幅度提高下游水域氮磷比、改變營養(yǎng)結(jié)構(gòu)，不利于水域生物提取營養(yǎng)，進一步抬高已不斷增加的河流碳、氮等物質(zhì)相對量。這些結(jié)果有助于完善我們對大壩生態(tài)效應(yīng)認識、保護下游生態(tài)系統(tǒng)。 2100433B

本書運用數(shù)學模型結(jié)合實測資料分析，究了水庫泥沙淤積發(fā)展的過程及沖淤平衡特征，水庫調(diào)度方式對水庫泥沙淤積發(fā)展及平衡的影響規(guī)律，側(cè)重對水沙過程、泥沙淤積過程及變化機理的分析，并在此基礎(chǔ)上對三峽水庫現(xiàn)有調(diào)度方式進一步進行優(yōu)化。

水流挾帶的泥沙在水庫內(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 水庫泥沙研究的發(fā)展過程及處理措施

1.2.2 水庫泥沙研究的主要途徑

1.2.3 水庫運用方式與淤積關(guān)系研究進展

1.3 研究方法

1.4 研究內(nèi)容

第2章 水庫淤積形態(tài)及發(fā)展

2.1 水庫淤積過程概述

2.1.1 水庫淤積形態(tài)

2.1.2 水庫淤積過程

2.2 采用蓄清排渾運用方式時水庫淤積過程特性分析

2.2.1 龔嘴水庫概況

2.2.2 來水來沙特性

2.2.3 水庫調(diào)度特點及蓄水過程

2.2.4 龔嘴水庫泥沙淤積發(fā)展分析

2.3 庫區(qū)河道沖淤平衡特征分析

2.4 本章小結(jié)

第3章 調(diào)度方式變化對水庫淤積的影響

3.1 三峽水庫概況

3.2 三峽水庫一維泥沙數(shù)學模型

3.2.1 模型原理

3.2.2 模型驗證

3.3 三峽水庫調(diào)度方式特性及淤積發(fā)展

3.3.1 三峽水庫蓄水過程

3.3.2 三峽水庫調(diào)度方式分析

3.3.3 蓄水后三峽水庫沖淤變化特征

3.3.4 三峽水庫淤積平衡后沖淤特征

3.4 汛限水位改變對水庫淤積過程及平衡的影響

3.4.1 一定范圍內(nèi)改變汛限水位對水庫淤積過程及平衡的影響

3.4.2 汛限水位整體變化對水庫淤積過程及平衡的影響

3.5 正常蓄水位一定范圍內(nèi)的變化對水庫淤積過程及平衡的影響..

3.6 本章小結(jié)

第4章 三峽水庫汛限水位優(yōu)化調(diào)度初步研究

4.1 三峽水庫汛限水位優(yōu)化調(diào)度目標分析

4.1.1 汛限水位優(yōu)化調(diào)度目標

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 汛前推遲落水對防洪的影響

4.2.2 汛后提前蓄水對防洪的影響

4.2.3 上游建庫情況下優(yōu)化調(diào)度對防洪的影響

4.3 三峽水庫汛限水位優(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 上游建庫情況下優(yōu)化調(diào)度發(fā)電效益

4.4 三峽水庫汛限水位優(yōu)化調(diào)度對航運的影響

4.4.1 汛限水位優(yōu)化調(diào)度對枯水期下泄流量的影響

4.4.2 汛限水位優(yōu)化調(diào)度對水庫泥沙淤積及變動回水區(qū)航運的影響

4.5 三峽水庫汛限水位優(yōu)化調(diào)度方案綜合比選

4.5.1 發(fā)電效益

4.5.2 航運補償

4.5.3 優(yōu)化萬桑比選

4.6 本章小結(jié)

第5章 優(yōu)化調(diào)度對重慶河段沖淤的影響

5.1 重慶河段平面二維水沙數(shù)學模型

5.1.1 模型原理

5.1.2 模型驗證

5.2 河段壅水情況

5.3 上游無庫情況下優(yōu)化調(diào)度對重慶河段沖淤的影響

5.3.1 優(yōu)化調(diào)度對重慶河段整體沖淤的影響

5.3.2 優(yōu)化調(diào)度對重點淺灘泥沙沖淤及航運的影響

5.4 上游建庫情況下優(yōu)化調(diào)度對重慶河段沖淤的影響

5.4.1 優(yōu)化調(diào)度對重慶河段整體沖淤的影響

5.4.2 優(yōu)化調(diào)度對重點淺灘泥沙沖淤及航運的影響

5.5 采用優(yōu)化調(diào)度運用后重慶河段航運整治措施及效果

5.6 本章小結(jié)

參考文獻 2100433B