三门峡水库水沙调度过程的数值模拟研究

针对大部分水库调度模型中水沙输移计算大幅简化且与库水位计算过程间只有单向耦合的问题,本研究构建了基于激波捕捉式有限体积法与河网算法的库区水沙调度模型.该模型采用河段连接单元内水沙质量与动量守恒方程的准二维求解算法,河网算法可以反映干支流交汇角的影响,并且使用OpenMP技术实现了并行求解.该模型的水库调度模块将调度方案表示为5个触发条件和4个调度指令参数构成的调度规则表,由水沙动力学模型向调度模块提供入库监测断面的水沙条件与实时更新的水位库容关系,水库调度模块为水沙动力学模型提供库区下游边界条件,从而实现两者双向耦合.采用2020年三门峡库区实测水沙数据进行了模型验证,库区三个河段的水位、流量和含沙量计算结果与实测值相符,在坝前水位最快下降速度达到2.3 m/h的敞泄排沙时段,数值计算过程稳定且成功预测了出库沙峰.针对近年黄河来沙量减少而潼关高程下降趋势并不稳定的问题,应用模型开展了三门峡水库水沙调度过程的数值模拟研究,通过对不同的汛期和非汛期调度方案的模拟分析,初步确定了坝前控制水位对于年内库区冲淤量和潼关高程影响显著的时期,研究结果可以为三门峡水库调度方案进一步优化提供思路.

基于高速冲刷条件下悬浮通量理论的溯源冲刷模型

溯源冲刷是常发生于水库或者沉沙池中的一种高速冲刷现象,在短时间内可以清除大量前期淤积物。然而,能够准确预测实际场景下溯源冲刷过程的数学模型却比较少见。因此,基于高速冲刷条件下悬浮通量理论建立了水沙耦合的溯源冲刷模型。通过分析高速冲刷条件下的悬浮通量理论建立关于冲刷速率的非线性方程,提出非线性方程的数值解法进而求得控制方程中的垂向泥沙净通量。溯源冲刷模型采用一维有限体积法离散,采用HLLC近似黎曼算子求解数值通量。利用溯源冲刷模型模拟了1982年阳武河灌区沉沙池非汛期溯源冲刷过程,使用实测水位资料和累计冲沙量资料对模型进行了验证,其中计算水面高程的NSE分别为0.621,0.936,0.973和0.949,模型计算累计冲沙量与实测值的相对误差为1.8%,计算结果表明本文所建立的溯源冲刷模型能够准确的模拟溯源冲刷过程。利用模型研究了进口非恒定流量过程对于冲刷量的影响,结果表明在溯源冲刷过程总水量一定的条件下,通过提高峰值流量并延后峰值流量出现的时间可以获得更好的冲刷效果。