王 敏，程 文，施練東，黃 晶，閔 亮，鄭建剛

(1. 西安理工大學(xué)西北旱區(qū)生態(tài)水利工程國家重點實驗室培育基地，陜西西安 710048; 2. 紹興市湯浦水庫有限公司，浙江上虞 312364； 3. 長慶油田公司第七采油廠，陜西延安 716000； 4. 長慶油田分公司超低滲透油藏第一項目部，陜西西安 710000)

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湯浦水庫泥沙沖淤分布數(shù)值模擬

王 敏1，程 文1，施練東2，黃 晶1，閔 亮3，鄭建剛4

(1. 西安理工大學(xué)西北旱區(qū)生態(tài)水利工程國家重點實驗室培育基地，陜西西安 710048; 2. 紹興市湯浦水庫有限公司，浙江上虞 312364； 3. 長慶油田公司第七采油廠，陜西延安 716000； 4. 長慶油田分公司超低滲透油藏第一項目部，陜西西安 710000)

泥沙淤積不僅影響水庫庫容，其中大量污染物還會影響水庫水質(zhì)。運用MIKE21軟件對湯浦水庫泥沙分布進行模擬研究。結(jié)果表明：泥沙在庫區(qū)分布不均，河流入庫位置淤積較少，局部甚至有沖刷；庫區(qū)中部是泥沙淤積主要地帶，模擬最大淤積厚度約30 cm；壩前位置淤積最小，厚度約為12 cm。模擬結(jié)果與沉積物淤積厚度采樣結(jié)果一致，說明該模型能合理模擬湯浦水庫沉積物分布狀況。模型提供的沉積物分布狀況對控制湯浦水庫內(nèi)源污染有一定參考價值。

水庫； 沉積物； 泥沙分布； 污染防治； 數(shù)值模擬

據(jù)統(tǒng)計，迄今為止我國共建成庫容10萬m3以上水庫98 002座，總庫容9 323.12億m3[1]。水庫蓄水后，由于過水?dāng)嗝嬖黾?，水流速度降低，挾沙能力隨之降低，入庫泥沙逐步在庫區(qū)沉積，使庫容不斷減小[2]。此外，近年來研究發(fā)現(xiàn)水庫(湖泊)的污染日趨嚴重。2013年全國重點湖泊與水庫中水質(zhì)為優(yōu)良、輕度污染、中度污染和重度污染的國控重點湖泊(水庫)比例分別為60.7%,26.2%,1.6%和11.5%[3]。有研究表明湖泊、水庫中存在的大量泥沙(沉積物)往往含有氮、磷及金屬等污染物，這些污染物在水-沉積物界面具有存儲和傳輸功能，在適當(dāng)條件下底部沉積物成為污染物的來源，造成水體的二次污染[4]。本文采用MIKE21軟件，對作為水源地的湯浦水庫的泥沙分布狀況進行模擬研究，確定庫區(qū)主要淤積地帶，為水庫管理和內(nèi)源污染控制提供依據(jù)。

圖1 湯浦水庫及采樣點Fig.1 Shape and sampling sites of Tangpu reservoir

1 研究區(qū)域概況

湯浦水庫建成于2002年，是紹興平原專有供水水庫，位于浙江上虞市湯浦鎮(zhèn)南，曹娥江支流小舜江上，是典型的河道型水庫。雙江溪、王化溪和萬寶溪3條河流入庫，其中雙江溪年入庫流量占總流量的75%以上，王化溪約占20%，萬寶溪流量最小，約占5%。水庫流域面積460 km2，水面面積14 km2，總庫容2.35億m3，設(shè)計日供水規(guī)模達100萬t，水庫庫形見圖1。水庫流域地處會稽山脈東南部，屬浙東低山丘陵區(qū)，北亞熱帶南緣。全年溫暖濕潤，多年平均氣溫16.5 ℃，流域多年平均降水量1 564.4 mm，多年平均流量11.6 m3/s。

2 模型的建立

2.1 理論基礎(chǔ)

本次研究只采用MIKE 21中的水動力(HD)和泥沙傳輸(MT和ST)模塊。水動力模塊的控制方程由質(zhì)量守恒方程及沿垂向積分的動量守恒方程組成[5-7]。模型采用交替方向隱式(ADI)技術(shù)對質(zhì)量守恒方程及動量方程分別進行時空上的積分。每個方向及每個單獨網(wǎng)格線產(chǎn)生的方程矩陣采用雙掃描法(Double Sweep)求解。MT模塊(黏性泥沙模塊)結(jié)合了水動力模型(HD)和對流擴散模型(AD模型)。水動力模型計算水流和紊流擴散，對流擴散模型計算輸運過程，輸沙模型計算河床的沖淤過程。

對流擴散模型(AD)中，懸移質(zhì)的對流擴散方程[9-10]為：

2.2 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)及地形資料

2.2.1 水文、泥沙及邊界條件 水文資料由湯浦水庫管理部門提供，主要有逐日入庫流量、出庫流量及水位等。入庫流量主要為雙江溪、王化溪和萬寶溪來水，考慮到萬寶溪流量較小，為簡化模型將萬寶溪流量歸入王化溪。以雙江溪入庫流量作為入口端邊界條件。出口邊界設(shè)為取水口和泄洪口。出庫流量為每天紹興方向取水量。泥沙資料采用雙江溪水文站實測資料，該站已有36年懸移質(zhì)泥沙觀測資料(1957—1968年和1970—1993年)。該站多年平均懸移質(zhì)含沙量0.348 kg/ m3，推移質(zhì)按懸移質(zhì)含沙量的20%計算，則總的含沙量為0.418 kg/ m3，泥沙粒徑小于3 μm，3～12 μm，12～31 μm，31～62 μm，62～125 μm，大于125 μm所占的比例分別為：17%，12.6%，21.2%，32.2%，16.1%和0.9%。

2.2.2 地形資料 對湯浦水庫建庫前庫區(qū)地形圖(1∶5 000)進行數(shù)字化處理，得到軟件要求的地形數(shù)據(jù)圖。根據(jù)建庫前紙質(zhì)庫區(qū)地形圖信息，庫區(qū)分布有280多個勘測樁號點的坐標(biāo)和高程數(shù)據(jù)。由于已知的庫區(qū)勘測散點數(shù)據(jù)較少，為得到足夠詳細的庫區(qū)原始地形數(shù)據(jù)，本研究中根據(jù)已知散點高程數(shù)據(jù)，在庫區(qū)底部增加高程數(shù)據(jù)信息，再采用克里克插值法，生成相對詳細的庫區(qū)高程數(shù)據(jù)資料，最后將散點圖和邊界圖的數(shù)據(jù)文件導(dǎo)入MIKEZERO，利用軟件自帶的插值工具進行插值，生成需要的非結(jié)構(gòu)地形文件。單位網(wǎng)格面積控制在200～600 m2，對河流入庫位置、淺水區(qū)及地形復(fù)雜區(qū)域網(wǎng)格進行加密，壩前深水區(qū)網(wǎng)格劃分相對較疏，整個庫區(qū)共劃分為51 721個網(wǎng)格。

2.3 模型率定與驗證

建好庫區(qū)地形非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格并加載地形數(shù)據(jù)，建立非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格流場模型，然后在模型中分別設(shè)置水動力模型和泥沙輸運模型的相關(guān)參數(shù)。利用2004—2006年日測水位數(shù)據(jù)率定水動力模塊，2007—2008年實測水位驗證各模型參數(shù)。

根據(jù)懸移質(zhì)實測值與模擬值，調(diào)整泥沙模塊各參數(shù)直到滿足計算要求。驗證結(jié)果表明模型各參數(shù)基本合理，最終確定的各項參數(shù)為：曼寧系數(shù)32 m1/3/s，渦黏系數(shù)為0.25，干水深hd=0.005 m，淹沒水深hf=0.05，濕水深hw=0.1 m，最小和最大時間步長為0.01 s和60 s，每2天輸出一次結(jié)果。參數(shù)設(shè)置完成后，加載湯浦水庫2002—2014年數(shù)據(jù)資料，對泥沙分布進行數(shù)值模擬。

圖2 湯浦水庫泥沙淤積模擬分布Fig.2 Numerically simulated distribution of sediment deposition in Tangpu reservoir

3 結(jié)果分析

3.1 模擬結(jié)果分析

從湯浦水庫泥沙淤積模擬(圖2)可以看出，該水庫自2002年運行至2014年，其泥沙分布大致分為3部分。第1部分為A′-A段，主要包括從雙江溪入庫開始到王化溪入庫段，泥沙淤積平均厚度小于10 cm。A′-A段為水庫變動回水區(qū)，因此有沖有淤。非汛期時水庫高水位運行，導(dǎo)致該段泥沙淤積；水庫度汛期間，庫區(qū)水位消落，導(dǎo)致變動回水區(qū)水面比降增加，水體挾沙能力增強，引起該段河床沖刷，前期淤積泥沙被攜帶入庫區(qū)中部。第2部分A-B段為湯浦水庫常年回水區(qū)上段，是泥沙淤積主要地帶，淤積厚度相對均勻，約18 cm。該段水深增加，水面開闊，流速降低，水體挾沙在此迅速沉積，此外該段河道較彎曲，會形成一些緩沖區(qū)域，更有利于泥沙沉積，故此段是泥沙沉積主要地帶。第3部分B-B′段為近壩段，該段泥沙淤積相對較少，厚度約12 cm。該段水深大，流速慢，水體含沙量很小，一般只有極細的懸移質(zhì)泥沙以靜水沉降等方式均勻淤積。由此可見，B-B′段以及整個庫區(qū)尚未達到或接近泥沙沖淤平衡，淤積前緣可能在A-B段尾部靠近壩前一端。

3.2 特征斷面淤積分析

為了更準(zhǔn)確了解水庫不同位置典型斷面的淤積狀況，在湯浦水庫入庫、庫中及壩前位置選取3個斷面，分別是1-1′斷面、2-2′斷面和3-3′斷面(圖2)。對各斷面高程變化和逐年淤積加以分析，見圖3。

圖3 湯浦水庫3個斷面高程變化和泥沙淤積Fig.3 Sediment deposition along three sections in Tangpu reservoir

由圖2可見，1-1′斷面形狀為不規(guī)則“V”字型，左岸坡度較緩，右岸坡度大，斷面最低點靠近右岸，該斷面從2002—2014年總的淤積厚度不明顯，斷面高程沒有明顯變化。此外，從斷面逐年淤積狀況可以看出，泥沙淤積逐漸增加，主要在中間地帶，最大淤積厚度達12.8 cm，淤積厚度由中間向兩側(cè)岸邊逐步減少，右岸一側(cè)2014年的淤積厚度小于2006年淤積厚度，說明右岸可能存在一定程度的沖刷。2-2′斷面形狀為不規(guī)則碗狀，斷面位置在湯浦水庫中部，位于庫區(qū)淤積較多地帶，從2002年到2014年，斷面最大淤積厚度近20 cm，集中在斷面中部兩個凹槽之間，左岸淤積較多，右岸淤積變化不大。位于壩前位置的3-3′斷面左岸坡度較大，右岸坡度小。該斷面最大淤積厚度超過16 cm，右岸淤積大于左岸，由于斷面底部地勢相對較小，故淤積分布相對均勻。

圖4 各采樣點沉積物采樣厚度Fig.4 Sampling depth of each sampling site

3.3 淤積厚度實測結(jié)果分析

為進一步驗證模型計算結(jié)果，本研究根據(jù)水庫地形，水流條件等在湯浦水庫從入庫到壩前共選取10個采樣點(圖1所示)，分別采集柱狀沉積物樣品，每個采樣點采集3次。各采樣點底泥厚度如圖4所示。從圖4可見，底泥樣品存在明顯分層。表層為黑色淤泥，密度小，顆粒構(gòu)成細，含水量很高，帶有臭味；往下層顏色逐步變?yōu)榍嗌蛘呋疑?，含水量降低，顆粒變粗；再往下層往往出現(xiàn)黃色沙?；蛘呱沉：忘S泥的混合物；底泥最下層有時會有緊密而細膩的黃泥層或者緊密的小塊碎石。湯浦水庫建庫前，河道狹窄，河道兩岸大多為耕地、居民點和山地，土壤類型比較復(fù)雜，結(jié)合以前地圖及調(diào)研資料對本次底泥樣品加以分析，綜合判斷水庫建成后淤積的起點暨各采樣點的淤積厚度。認為黃色泥、沙混合段是淤積部分與原狀土的分界段，黃泥層以上為淤積部分；緊密碎石層以上也認為是淤積部分；根植土和耕作層土之上也為淤積部分。

根據(jù)采樣厚度，用SURFER軟件繪制湯浦水庫底泥采樣厚度分布?？梢钥闯?，湯浦水庫底泥實際厚度表現(xiàn)出“中間大，兩頭小”的特點。底泥最厚的位置出現(xiàn)在水庫中部，厚度超過35 cm，集中在I，F(xiàn)，C和J采樣點附近。該段水面較入庫開闊，且地形復(fù)雜，有連續(xù)彎道，其水力條件更有利于泥沙沉積。壩前位置沉積物采樣厚度較小，兩個采樣點淤積厚度都小于10 cm，這比模型計算的淤積厚度小，可能存在的原因是：壩前沉積物一般都是細小的松散沉積物，在用柱狀采集器采樣時會對這些沉積物產(chǎn)生壓實效果，因此其實測的淤積厚度會相對偏小。

4 結(jié) 語

MIKE21模型經(jīng)過參數(shù)調(diào)整以后，可以合理模擬湯浦水庫的泥沙分布狀況。模擬結(jié)果表明，湯浦水庫泥沙等沉積物在庫區(qū)底部分布不均。河流入庫位置淤積較少，局部有沖刷；庫區(qū)中部是泥沙淤積主要地帶，模擬最大淤積厚度約30 cm；壩前位置淤積最小，厚度一般在12 cm左右。模擬結(jié)果與泥沙淤積厚度采樣分析結(jié)果基本一致。采樣顯示，湯浦水庫泥沙分布從入庫到庫區(qū)中部逐漸增加，庫區(qū)中部是主要淤積地帶，由庫中向壩前，淤積厚度逐步減小。本研究結(jié)果首次揭示了湯浦水庫的泥沙淤積分布狀況，可為水庫管理部門在水庫安全評估和內(nèi)源污染防治方面提供科學(xué)依據(jù)。

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Numerical simulation of sediment scouring-silting distribution in Tangpu reservoir

WANG Min1， CHENG Wen1， SHI Lian-dong2， HUANG Jing1， MIN Liang3， ZHENG Jian-Gang4

(1.StateKeyLaboratoryBaseofEco-HydraulicEngineeringinAridArea,Xi’anUniversityofTechnology，Xi’an710048，China； 2.ShaoxingTangpuReservoirCo.，Ltd.，Shangyu312364，China; 3.TheSeventhOilProductionPlantofChangqingQilfieldCompany,Yan’an716000,China; 4.The1stUltra-lowPermeabilityReservoirProjectDepartmentofChangqingOilfieldCompany,Xi’an710000,China)

Sediment deposition not only occupies the storage capacity, but also releases pollutants into the water body. In this study, the sediment distribution in the Tangpu reservoir has been investigated based on MIKE 21 software. The research results show that the sediment distribution is uneven in the reservoir. At the zone of the reservoir entrance, sediment deposition is not severe, and sediment erosion even occurs at sone places. In the centre of the reservoir there is significant sediments deposition, and the maximum simulated thickness of sediment deposition is about 30 cm, and the minimum thickness is about 12 cm, which is close to that of the dam front. Sediment sampling results are consistent with the simulation results. It means that the model can be used to simulate the sediment distribution along the Tangpu reservoir reasonably. The simulation results have some reference values for the control of internal source pollution in the Tangpu reservoir.

reservoir; sediments; sediment distribution; pollution prevention and control; numerical simulation

10.16198/j.cnki.1009-640X.2015.06.016

王敏， 程文， 施練東， 等. 湯浦水庫泥沙沖淤分布數(shù)值模擬[J]. 水利水運工程學(xué)報, 2015(6): 107-111. (WANG Min, CHENG Wen, SHI Lian-dong, et al. Numerical simulation of sediment scouring-silting distribution in Tangpu reservoir[J]. Hydro-Science and Engineering, 2015(6): 107-111.)

2015-03-02

王 敏(1984—)，男，陜西寶雞人，博士研究生，主要從事水污染處理與生態(tài)修復(fù)研究。 E-mail：271781310@qq.com 通信作者:程文(E-mail:wencheng@xaut.edu.cn)

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1009-640X(2015)06-0107-05