职保平，王 宇，秦净净

(1.黄河水利职业技术学院, 河南 开封 475004；2.小流域水利河南省高校工程技术研究中心， 河南 开封 475004)

黑岗口水库水沙特性的数值模拟

职保平1,2，王 宇1,2，秦净净1

(1.黄河水利职业技术学院, 河南 开封 475004；2.小流域水利河南省高校工程技术研究中心， 河南 开封 475004)

小浪底电站建成后，作为开封市水源地的黑岗口水库不再进行排沙，为了研究黑岗口水库的多年的水沙沉积及分布问题，通过对花园口水文站观测数据及黑岗口引流量数据的分析，结合黑岗口地形数据，依据插值和拟合数学理论，利用Flow-3D软件进行建模并进行数值计算得到水库泥沙的空间分布，并推导预测黑岗口水库未来的水沙分布及趋势分析，对黑岗口水库的管理及优化引水工作方式等提供依据，具有一定的现实意义。

黑岗口水库；水沙特性；水力特性

自小浪底建成后，黄河下游引水含沙量明显下降，作为开封市水源地的黑岗口水库总引沙量下降明显，因此，基本不再进行排沙工作。虽然黄河下游含沙量下降，但经过16年的长期引水，总引沙量依然十分可观，目前引水口处明显出现泥沙沉积效应。

水库中水沙的长时间沉积和分布不均匀是泥沙研究中的重要工作内容之一，而如何推算出水沙变化的过程和规律是治河泥沙工程中急需解决的问题。对于此类研究，已有很多学者利用物理模型实验的方法进行了深入研究，给出了水库中水沙分布变化规律的特性[1]。随着研究工具的发展及数值模拟方法的完善，利用计算机数值模拟软件可以更好的对该类问题进行研究，常用的水沙数学模型主要包括水流模块和泥沙模块。张红艺等[2],杨程等[3]及冯淑萍等[4]通过对高含沙水库和河道的数值模拟得出了泥沙分布相关规律，王勤香等[5]运用数值模拟方法研究了人工倒虹吸的水力特性，假冬冬等[6]通过三维数学模型系统的分析了水沙条件变化对河型河势影响，程文等[7]和潘存鸿等[8]通过数值模拟分析了河道及水库泥沙冲淤的分布。

为整体分析黑岗口水库的水沙特性，以黑岗口水库实测地形数据为基础，建立完整的黑岗口水库模型，以现有的原型观测资料计算边界条件，对黑岗口水库进行了数值模拟，最终对未来水库中水沙沉积和分布等问题进行研究，为库区的运行和管理提供依据。

1 研究区域

本文研究区域以黑岗口水库为核心，引用上游花园口水文站(1987年—2015年)数据平均值，见表1，该站是距黑岗渠首闸最近的上游水文站。以2015年径流量和输沙量为计算特征数据，见表2。

黑岗口水库，又名黑池，位于小浪底枢纽下游180 km，花园口水文站下游75 km处，开封市西北部15 km处，紧临黄河大堤，东窄西宽，长约5 km，宽500 m～1 000 m，水深3 m～8 m。黑岗口渠首闸位于黑岗口险工段30坝与31坝之间，大堤里程桩号为77+170处。该闸为钢筋混凝土结构涵洞式水闸，共5孔，孔高2.0 m，宽1.8 m，闸室长6.85 m，闸底高程76.75 m，设计防洪水位82.64 m，设计引水流量50 m3/s，加大引水流量为64 m3/s，黑岗口1999年—2013年引水量见表3，其中2008年—2010年数据缺失。

表1 花园口水文站1987年—2015年水沙特征表

表2 花园口水文站2015年来水来沙年内分配表

表3 黑岗口引水流量分布表

2 模拟计算模型

2.1 控制方程

本文涉及数值模型计算控制方程[7]包括连续性方程、动量方程、紊动能k方程，紊动能耗散率ε方程，泥沙辅助方程。根据计算水力学相关内容[8-11]可知：

连续性方程：

(1)

动量方程：

(2)

紊动能k方程：

(3)

紊动能耗散率ε方程：

(4)

现有主要紊流模型中，Reynolds应力模型对脉动应力直接建立输运方程，因此对于考虑各向异性及强曲率情况较为适合。但由于该类模型建模相对复杂且计算量大，在特殊情形下才考虑使用。涡黏模型中的RNG模型则通过对标准k-ε的湍流黏度进行修正，RNGk-ε模型是一种改进的k-ε模型，基于多尺度随机过程重整化思想，方程形式同标准k-ε模型相似，模式常数由重整化理论算出，该模型可以更好的处理高应变率及流线弯曲程度较大的波动且计算量适中，基于上述原因，本研究中采用近年来逐渐成熟并被广泛应用[12-14]的修正湍流黏度的RNG (Renormalization Group)k-ε模型。

泥沙模型的辅助方程[9]：

当来沙处于过饱和而床沙又较粗的条件下，床沙和悬沙就总体而言不发生交换，悬沙发生单向淤积。挟沙力级配是由来沙决定的，与床沙无关。

(5)

2.2 模型建立、计算范围、网格剖分及边界条件

本文地形建模资料采用2016年黑岗口水库地形实测数据资料进行三维模型建立。水文资料采用实测2015年水位、流速、流量观测资料，模型下边界水位采用2016年实测流量与水位关系给定。以黑岗口水库整体边界为计算范围。模型采用自适应边界较好的正交网格进行模拟。网格均匀分布，模型计算时上游开边界由实测流量控制，下游开边界由实测水位控制。

图1三维数值模型的建立

初始状态按照黑岗口设计说明书进行设置，进出口条件按照现状开封河务局提供的涵闸水文资料中黑岗口闸多年(1999年—2007年)平均引水量进行设定(Q=2.76 m3/s)模拟结果如下：

表5 模拟条件参数设置

3 模拟计算

3.1 计算工况

为了更好的了解目前以及未来黑岗口水库的水沙变化趋势，根据黑岗口水库引水闸不同引水流量设定工况进行仿真计算，进口含沙量采用表2中多年平均值。模拟分析中根据不同引水量拟定工况，主要有在小引水量的情况下、在平均引水量的情况下以及大引水量的情况下，多年后黑岗口水库水沙分布情况计算，各工况特征数据见表6。

表6 黑岗口水沙计算工况

3.2 计算结果分析

水沙仿真计算结果如下：

图2 工况1情况下黑岗口水库泥沙分布示意图

图3 工况2情况下黑岗口水库泥沙分布示意图

图4工况3情况下黑岗口水库泥沙分布示意图

图2～图4为不同工况下黑岗口水库泥沙分布模拟示意图，其中，断面A-A是黑岗口渠首闸处的典型分布情况，断面B-B是湖中岛西侧的中心位置，断面C-C是湖心岛西侧，断面D-D是湖心岛东侧，断面E-E是黑岗口至柳池的分水口断面。分析可知：由于黄河中下游泥沙含量较大，因此黑岗口引水闸附近含沙量较大，含沙量达到2.6 kg/m3；同时由于湖心岛的存在，使大量的泥沙沉积在进水端与湖心岛之间(断面A-A到C-C)，该区域沉沙量明显高于湖心岛东侧的区域，这有利于向二级沉沙池柳池提供更为纯净的水源。黄河水经渠首闸引水渠道口流入黑池，过流断面迅速增加，流速降低显著，因此形成较为明显的沉沙廊道，见断面A-A到断面B-B之间的红色区域，该廊道随着时间的增长，沉沙淤积作用显著。湖心岛附近含沙量由于阻流的原因，岛后形成一定的回旋作用，因此，岛的东面(断面D-D)含沙量高于其他水库部位，在库底形成淤积效应；柳池进口端(断面E-E)整体悬沙、沉沙成分较少，未对输水道形成危害。黑岗口引水闸附近常年有大量泥沙淤积，在不考虑挖沙等处理手段的情况下，仿真计算出的10年后的引水闸处(断面标注)含沙量已经达到8.5 kg/m3，在经过计算后得出引水口处泥沙淤积深度达4 m左右。

4 结 论

研究得出黑岗口水库在持续引水10年后，冲沙廊道不会至湖心岛，形成链接，但由于水流作用，会在二者之间，形淤积并呈圆形分布，且与黑池北岸库底聚集显著。由于柳池进口末端(断面E-E)水体流动较与整个黑池而言，非常缓慢，形成区域死水效应，悬移质沙体逐步沉淀，该区域将形成滩涂，侵占水面。黑岗口引水闸附近10年后不采取排沙措施，造成引水效率下降甚至无法正常引水。该结论与郭维东等[15]研究结果不同，说明黑岗口水库虽然引水渠流量较大，但目前并不同于河道型水库的水力特性。

[1] 段志科,王延贵,戴 清.水库泥沙数学模型与物理模型成果比较及其应用[J].泥沙研究,1994(4):76-85.

[2] 张红艺,杨 明,张俊华,等.高含沙水库泥沙运动数学模型的研究及应用[J].水利学报，2001，32(11):20-25.

[3] 杨 程,李春光,景何仿,等.宁夏沙坡头河段二维水沙运动数值模拟研究[J].水力发电，2013，39(5):8-12.

[4] 冯淑萍,杨 程.沙坡头库区三维水沙运移数值模拟研究[J].水力发电，2014，40(7):22-25.

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NumericalSimulationofFlowandSedimentCharacteristicsinHeigangkouReservoir

ZHI Baoping1,2, WANG Yu1,2, QIN Jingjing1

(1.YellowRiverConservancyTechnicalInstitute,Kaifeng,He'nan475004,China；2.EngineeringTechnologyResearchCenterofSmallWatershedConservancyUniversityofHe'nanProvince,Kaifeng,He'nan475004,China)

After the completion of Xiaolangdi hydropower station, as the water source of Kaifeng city, Heigangkou reservoir no longer carried out desilting. In order to study the water and sediment deposition and distribution in the Heigangkou reservoir, based on the observation data of Huayuankou hydrological station and the data of Heigangkou drainage data, combined with the data of Heigangkou mouth terrain, based on the interpolation and fitting mathematical theory, this paper adopted Flow-3D software to model and calculate the reservoir spatial distribution of reservoir sediment. The distribution and trend of water and sediment in the future of Heigangkou reservoir was analyzed. This is the basis for the management of the Heigangkou reservoir and the way of optimizing the way of water diversion, and it has certain practical significance.

Heigangkoureservoir;waterandsedimentcharacteristics;hydrauliccharacteristics

10.3969/j.issn.1672-1144.2017.05.034

2017-05-11

2017-06-17

开封市科技局科技计划项目“汴西湖水库对开封水系的水沙变化影响研究”(1503037)

职保平(1983—)，男，河南新乡人，博士，讲师，主要从事水利水电工程方面的研究工作。E-mail: clownzhi@hotmail.com

TV651.1

A

1672—1144(2017)05—0188—04