三门峡水库运用对撞关高程影响的数值模拟研究

摘要

三门峡水库是在黄河干流上修建的一座大型综合性水利枢纽，在防洪、防凌、灌溉、减淤、发电等方面发挥了重要作用。潼关断面位于黄河和渭河汇流区下游，由于受三门峡水库回水淤积和近期黄河来水减少等因素的影响，致使近年来潼关高程持续上升且居高不下，给渭河下游防洪带来了较大危害。因此，通过数值模拟研究三门峡水库不同的运用方式对潼关高程的影响具有重大的现实意义。
　　本文首先对潼关高程以往的研究成果做了简单的评述，并且对国内外水沙数学模型的研究现状做了回顾。其次对泥沙沉速计算、水流挟沙力和恢复饱和系数的取值等问题进行了探讨并提出了合理的解决办法，在此基础上对现有的泥沙数模学型进行了改进和完善。利用1969～1995年的实测资料对模型中的综合糙率、恢复饱和系数等参数进行了率定，率定结果表明数学模型从总体上能够反映各河段的冲淤变化规律，冲淤趋势与实测资料符合较好；同时也能反映出潼关高程随时间升降的变化规律。又采用1997～2001年实测资料对数学模型进行了验证计算，验证结果表明各时段的冲淤量计算值与实测值符合较好，汛前、汛后潼关高程的计算值和实测值也基本相符。最后用验证后的数学模型对2种不同设计水沙系列、三门峡水库8种不同运用方式共16种组合方案对黄河龙门～潼关河段、潼关～坝址河段和渭河华县以下河段河道冲淤进行了预测。预测结果表明：①无论水沙系列Ⅰ情况还是水沙系列Ⅱ情况，14年后水库不同运用方式下潼关高程降低幅度大小的顺序都是相同的，降低幅度最小的均为现状运行方式，分别降低了0.14m、0.13m，降低幅度最大的均为全年敞泄运行方式，分别降低了2.11m、1.72m。②汛期控制水位相同时，非汛期控制水位越低，越有利于潼关高程降低。在水沙系列Ⅰ和水沙系列Ⅱ汛期敞泄情况下，潼关高程在非汛期控制水位310m时要比318m时分别降低了0.54m、0.49m。③非汛期水库控制水位相同时，汛期敞泄与汛期305m水位运用相比，潼关高程均有不同程度的降低。汛期只要采用305m控制运用，即使非汛期蓄水位控制在310m运用，其控制潼关高程的效果也不如汛期敞泄、非汛期控制水位最高318m的方案。这些成果对于确定三门峡水库的合理运用方式具有重要的参考价值。

目录

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1 绪论

1.1 研究背景及问题的提出

1.2 潼关高程问题的研究现状

1.3 泥沙数学模型的研究现状

1.3.1 一维水沙数学模型

1.3.2 二维水沙数学模型

1.3.3 三维水沙数学模型

1.4 本文研究的主要内容

2 一维泥沙数学模型的建立

2.1 三门峡水库概况

2.2 泥沙数学模型中相关问题的分析与讨论

2.2.1 断面概化

2.2.2 水面线计算中的若干问题

2.2.3 泥沙计算中的若干问题

2.3 一维泥沙数学模型的建立

2.3.1 一维泥沙数学模型的基本方程式

2.3.2 控制方程的离散及差分求解

3 模型的率定和验证

3.1 基本资料的整理与分析

3.1.1 上游边界水沙特性分析

3.1.2 下游边界(史家滩)水位变化特性分析

3.1.3 黄河潼关以下、渭河下游及黄河小北干流各河段的实测冲淤情况

3.2 模型的率定

3.2.1 率定依据的基本资料及有关问题的处理

3.2.2 参数的率定

3.2.3 模型率定计算结果与分析

3.3 模型验证

3.3.1 验证依据的基本资料

3.3.2 验证结果与分析

3.4 本章小结

4 三门峡水库运用方式对潼关高程影响的数值计算

4.1 方案计算说明

4.2 基本资料及有关问题的处理

4.3 设计系列水沙特性分析

4.3.1 设计水沙系列Ⅰ水沙特性分析

4.3.2 设计水沙系列Ⅱ水沙特性分析

4.3.3 设计水沙系列Ⅰ与设计水沙系列Ⅱ水沙特性对比分析

4.4 计算结果与分析

4.4.1 设计水沙系列Ⅰ各方案计算结果与分析

4.4.2 设计水沙系列Ⅱ各方案计算成果

4.5 本章小结

4.5.1 各方案黄河小北干流、潼关以下河段和渭河华县以下河段的冲淤情况

4.5.2 各种方案对潼关高程的影响

5 总结与展望

5.1 研究工作总结

5.2 工作展望

致谢

参考文献

附录