利用异重流在极端天气下改善水库泥沙淤积问题研究
摘要：为实现水库可持续利用，减少水库泥沙淤积，同时解决极端天气下我国水库城市供水问题，通过对异重流排沙与浑水水库排沙两种排沙方式进行比较分析，提出了异重流和浑水水库联合排沙的方式来导引入库浑水排出，同时缩短入库浑水滞库时间，并指出该方式在水库排沙实际运用中的几点建议。
关键词：泥沙淤积；极端天气；异重流排沙；浑水水库排沙
中图分类号：X52 文献标识码：A 文章编号：2095-672X（2018）07-0225-01
DOI：10.16647/j.cnki.cn15-1369/X.2018.07.138
Research on using reservoir to improve reservoir sedimentation environment
Yang Peifang
（Sichuan University， Chengdu Sichuan 610065，China）
Abstract ： In order to realize the sustainable utilization of reservoirs， reduce the siltation of reservoirs， and solve the problem of water supply for reservoirs in China during extreme weather， a comparative analysis of the two types of sand discharge methods： gravity flow sediment discharge and waste water discharge from the Tangshui Reservoir is proposed. The combination of gravity flow and the Yushui Reservoir combined with sand draining led to the introduction of muddy water discharge， while shortening the time for delaying storage of muddy water， and pointed out some suggestions for the practical application of this method to the reservoir.
Key words： Sedimentation；Extreme weather；Different gravity flow discharge sand；Lishui reservoir drainage
我國各河流水库泥沙淤积环境问题突出。河流含沙浑水注入水库，由于水库水体体积巨大且比较稳定，含沙浑水进入水库后，流速迅速减小，挟沙能力迅速减弱，这就导致入库浑水挟带的泥沙颗粒逐渐沉积最后淤积到水库底部。泥沙淤积导致水库有效库容减少，并且缩短了水库使用寿命。减少水库泥沙淤积，实现水库可持续利用意义重大。
我国台风、大暴雨等极端天气频繁，极端天气伴随着的强降雨会造成大量较高浓度的含沙浑水进入水库，导致水库水体浑浊，入库浑水挟带的泥沙淤积在水库底部，十分影响水库的供水以及发电等功能的发挥。水库作为城市供水的主要来源之一，在极端天气下，水库水处理的成本和难度均会增加，导致城市供水中断，居民生活用水无法保障，给城市居民的生活带来极大的不便。因此，研究极端天气情况下导引入库浑水排出的措施是十分必要的。
1 异重流排沙方式
不同比重且相互接触的流体因比重差异相对流动的现象为异重流现象。具体来讲，异重流是指一种流体沿着其与其他流体交界面的方向流动但不与其他流体发生大面积混掺的现象。而水库异重流是指较高浓度的含沙浑水注入水库水体后在水库底部产生的异重流现象。
异重流排沙是有效减少水库泥沙淤积的一种方式，即使较高浓度的含沙浑水进入水库后以异重流的形式沿着水库底部持续运动到坝前，再经由泄水口将挟带泥沙的入库浑水排出水库。在极端天气情况下，采用异重流排沙方式不仅可以达到减少水库泥沙淤积的目的，还可以缩短浑水滞库时间，保证水库供水等功能的正常发挥。
1.1 异重流的形成条件
异重流的形成要求不同流体之间可以相互混合，并且不同流体的比重不能相差过大。在水库中，水库水体的体积巨大而且流速很小，极端天气条件下，较高浓度的含沙浑水进入水库库区后，流速会迅速减小，挟沙能力迅速减弱，较大颗粒的泥沙就会淤积在水库进口底部。同时，含有剩余较细泥沙颗粒的浑水因与库区水体的比重差异而潜入水库的底部，形成水库异重流。水库异重流开始形成的标志即为潜入点。由范家骅[1]进行的室内水槽试验，可知异重流形成条件判别式为：
1.2 异重流的运动特性
利用异重流排沙必须保证异重流在形成之后能够持续运动到坝前，由于异重流在流动过程中需要克服各种阻力产生能量损耗，那么异重流在形成时所具有的能量必须高于其在流动过程中的能量损耗。异重流的阻力通常用异重流平均阻力系数来表示。该系数的公式[2]为：
上式中，J为河底比降，ue为异重流流速，为异重流厚度沿程变化，Re为异重流湿周。
1.3 异重流的挟沙能力
异重流的挟沙能力关系着在异重流流动过程中入库含沙浑水中泥沙的沉积量，关系着异重流排沙的效果，十分重要。
2 浑水水库排沙方式
当入库浑水沿着水库底部以异重流的形式持续运动到坝前但是异重流的排出受阻或者部分受阻时，就会出现浑水滞库现象。在库区清水水体下面产生浑水体，浑水的水位不断地升高，清浑水的界面自然也不断升高，形成浑水水库。
浑水水库排沙也是减少水库泥沙淤积的一种方式。极端天气下，较高浓度的含沙浑水进入水库后潜入库底，以异重流的形式沿着水库底部持续运动到坝前，这时将泄水口关闭或者部分关闭，阻碍浑水异重流的排出，形成浑水水库。在浑水水库的浑水体中，少部分相对较大的泥沙颗粒沉降比较快，而大部分较小的泥沙颗粒沉降速度很慢。[3]然后，再通过泄水口排出水库底部的浑水水体，即为浑水水库排沙。
浑水水库排沙与异重流排沙相比，其优势在于在极端天气下能够保证在较长的时间内以及在较高浓度的入库浑水停止流入水库后，依然能够保持较高浓度地排沙，实现减少水库泥沙淤积的目的。因此浑水水库排沙比异重流排沙方式节约用水，但用时较长。
3 结论及建议
异重流排沙和浑水水库排沙两种方式均可实现减少水库淤积的目的，但各有优劣。采用异重流排沙方式会导致水库库区大量的水被排出，造成库区蓄水的损耗。浑水水库排沙方式节约用水，但浑水水库排沙方式不直接将运动到坝前的入库浑水排出，而是形成浑水水库，在实际应用中不容易控制浑水水库下部的浑水体，若清浑交界面的位置较高，浑水水库中的浑水体所占体积过大则会影响水库的供水功能[4]。
因此，宜采用異重流和浑水水库联合排沙的方式导引入库浑水。在暴雨等极端天气情况下，第一阶段进入水库的含沙浑水浓度相对较高时，采用异重流排沙方式，为避免提前形成浑水水库，应使排出浑水流量稍大于入库浑水流量。第二阶段入库浑水浓度相比第一阶段较低，采用浑水水库排沙方式，宜将浑水水库清浑交界面的高度控制在较低的水平，浑水体上部的库区清水体可以实现正常向城市供水。异重流和浑水水库联合排沙方式结合了两种排沙方式的优势，既可以减少水库泥沙淤积，实现水库可持续利用，又可以在极端天气情况下缩短入库浑水滞库时间，保证水库正常向城市供水，还减少了排沙过程中水库的水量损失。
另外，异重流排沙和浑水水库排沙都是十分复杂的问题，入库浑水的流量、含沙量、持续时间、排出浑水的流量以及水库的具体情况等都会影响异重流的持续运动、挟沙能力和浑水水库清浑交界面的高度，进而影响到排沙的效果和浑水滞库的时间。因此，第一，若要采用异重流和浑水水库联合排沙方式减少水库淤积，必须完善水库的监测系统。该系统应当能够监测水库异重流的入库、流动和排出过程中的各项数据，包括异重流的速度、浓度等。第二，应用异重流的形成条件、挟沙能力等相关计算公式以及浑水水库计算模型，清浑水体交界面的确定等必须要以各水库的实测资料和具体情形为基础。第三，对于异重流排沙和浑水水库排沙的衔接问题，应当通过水库实地观测或者模拟实验方式作进一步的研究，在实践中探寻最佳时机。
参考文献
[1]范家骅.关于水库浑水潜入点判别数的确定方法[J].泥沙研究，2008（01）：74-81.
[2]唐海东.水库异重流排沙的研究与实践[J].水科学与工程技术，2009（02）：42-45.
[3]陈景梁，付国岩，赵克玉.浑水水库排沙的数学模型及物理模型试验研究[J].泥沙研究，1988（01）：77-86.
[4]许继军，陈进，陈广才.长江上游大型水电站群联合调度发展战略研究[J].中国水利，2011（04）：44-45.
收稿日期：2018-05-08
作者简介：杨佩芳（1998-），女，本科在读，研究方向为土木工程。
关键词：泥沙淤积；极端天气；异重流排沙；浑水水库排沙
中图分类号：X52 文献标识码：A 文章编号：2095-672X（2018）07-0225-01
DOI：10.16647/j.cnki.cn15-1369/X.2018.07.138
Research on using reservoir to improve reservoir sedimentation environment
Yang Peifang
（Sichuan University， Chengdu Sichuan 610065，China）
Abstract ： In order to realize the sustainable utilization of reservoirs， reduce the siltation of reservoirs， and solve the problem of water supply for reservoirs in China during extreme weather， a comparative analysis of the two types of sand discharge methods： gravity flow sediment discharge and waste water discharge from the Tangshui Reservoir is proposed. The combination of gravity flow and the Yushui Reservoir combined with sand draining led to the introduction of muddy water discharge， while shortening the time for delaying storage of muddy water， and pointed out some suggestions for the practical application of this method to the reservoir.
Key words： Sedimentation；Extreme weather；Different gravity flow discharge sand；Lishui reservoir drainage
我國各河流水库泥沙淤积环境问题突出。河流含沙浑水注入水库，由于水库水体体积巨大且比较稳定，含沙浑水进入水库后，流速迅速减小，挟沙能力迅速减弱，这就导致入库浑水挟带的泥沙颗粒逐渐沉积最后淤积到水库底部。泥沙淤积导致水库有效库容减少，并且缩短了水库使用寿命。减少水库泥沙淤积，实现水库可持续利用意义重大。
我国台风、大暴雨等极端天气频繁，极端天气伴随着的强降雨会造成大量较高浓度的含沙浑水进入水库，导致水库水体浑浊，入库浑水挟带的泥沙淤积在水库底部，十分影响水库的供水以及发电等功能的发挥。水库作为城市供水的主要来源之一，在极端天气下，水库水处理的成本和难度均会增加，导致城市供水中断，居民生活用水无法保障，给城市居民的生活带来极大的不便。因此，研究极端天气情况下导引入库浑水排出的措施是十分必要的。
1 异重流排沙方式
不同比重且相互接触的流体因比重差异相对流动的现象为异重流现象。具体来讲，异重流是指一种流体沿着其与其他流体交界面的方向流动但不与其他流体发生大面积混掺的现象。而水库异重流是指较高浓度的含沙浑水注入水库水体后在水库底部产生的异重流现象。
异重流排沙是有效减少水库泥沙淤积的一种方式，即使较高浓度的含沙浑水进入水库后以异重流的形式沿着水库底部持续运动到坝前，再经由泄水口将挟带泥沙的入库浑水排出水库。在极端天气情况下，采用异重流排沙方式不仅可以达到减少水库泥沙淤积的目的，还可以缩短浑水滞库时间，保证水库供水等功能的正常发挥。
1.1 异重流的形成条件
异重流的形成要求不同流体之间可以相互混合，并且不同流体的比重不能相差过大。在水库中，水库水体的体积巨大而且流速很小，极端天气条件下，较高浓度的含沙浑水进入水库库区后，流速会迅速减小，挟沙能力迅速减弱，较大颗粒的泥沙就会淤积在水库进口底部。同时，含有剩余较细泥沙颗粒的浑水因与库区水体的比重差异而潜入水库的底部，形成水库异重流。水库异重流开始形成的标志即为潜入点。由范家骅[1]进行的室内水槽试验，可知异重流形成条件判别式为：
1.2 异重流的运动特性
利用异重流排沙必须保证异重流在形成之后能够持续运动到坝前，由于异重流在流动过程中需要克服各种阻力产生能量损耗，那么异重流在形成时所具有的能量必须高于其在流动过程中的能量损耗。异重流的阻力通常用异重流平均阻力系数来表示。该系数的公式[2]为：
上式中，J为河底比降，ue为异重流流速，为异重流厚度沿程变化，Re为异重流湿周。
1.3 异重流的挟沙能力
异重流的挟沙能力关系着在异重流流动过程中入库含沙浑水中泥沙的沉积量，关系着异重流排沙的效果，十分重要。
2 浑水水库排沙方式
当入库浑水沿着水库底部以异重流的形式持续运动到坝前但是异重流的排出受阻或者部分受阻时，就会出现浑水滞库现象。在库区清水水体下面产生浑水体，浑水的水位不断地升高，清浑水的界面自然也不断升高，形成浑水水库。
浑水水库排沙也是减少水库泥沙淤积的一种方式。极端天气下，较高浓度的含沙浑水进入水库后潜入库底，以异重流的形式沿着水库底部持续运动到坝前，这时将泄水口关闭或者部分关闭，阻碍浑水异重流的排出，形成浑水水库。在浑水水库的浑水体中，少部分相对较大的泥沙颗粒沉降比较快，而大部分较小的泥沙颗粒沉降速度很慢。[3]然后，再通过泄水口排出水库底部的浑水水体，即为浑水水库排沙。
浑水水库排沙与异重流排沙相比，其优势在于在极端天气下能够保证在较长的时间内以及在较高浓度的入库浑水停止流入水库后，依然能够保持较高浓度地排沙，实现减少水库泥沙淤积的目的。因此浑水水库排沙比异重流排沙方式节约用水，但用时较长。
3 结论及建议
异重流排沙和浑水水库排沙两种方式均可实现减少水库淤积的目的，但各有优劣。采用异重流排沙方式会导致水库库区大量的水被排出，造成库区蓄水的损耗。浑水水库排沙方式节约用水，但浑水水库排沙方式不直接将运动到坝前的入库浑水排出，而是形成浑水水库，在实际应用中不容易控制浑水水库下部的浑水体，若清浑交界面的位置较高，浑水水库中的浑水体所占体积过大则会影响水库的供水功能[4]。
因此，宜采用異重流和浑水水库联合排沙的方式导引入库浑水。在暴雨等极端天气情况下，第一阶段进入水库的含沙浑水浓度相对较高时，采用异重流排沙方式，为避免提前形成浑水水库，应使排出浑水流量稍大于入库浑水流量。第二阶段入库浑水浓度相比第一阶段较低，采用浑水水库排沙方式，宜将浑水水库清浑交界面的高度控制在较低的水平，浑水体上部的库区清水体可以实现正常向城市供水。异重流和浑水水库联合排沙方式结合了两种排沙方式的优势，既可以减少水库泥沙淤积，实现水库可持续利用，又可以在极端天气情况下缩短入库浑水滞库时间，保证水库正常向城市供水，还减少了排沙过程中水库的水量损失。
另外，异重流排沙和浑水水库排沙都是十分复杂的问题，入库浑水的流量、含沙量、持续时间、排出浑水的流量以及水库的具体情况等都会影响异重流的持续运动、挟沙能力和浑水水库清浑交界面的高度，进而影响到排沙的效果和浑水滞库的时间。因此，第一，若要采用异重流和浑水水库联合排沙方式减少水库淤积，必须完善水库的监测系统。该系统应当能够监测水库异重流的入库、流动和排出过程中的各项数据，包括异重流的速度、浓度等。第二，应用异重流的形成条件、挟沙能力等相关计算公式以及浑水水库计算模型，清浑水体交界面的确定等必须要以各水库的实测资料和具体情形为基础。第三，对于异重流排沙和浑水水库排沙的衔接问题，应当通过水库实地观测或者模拟实验方式作进一步的研究，在实践中探寻最佳时机。
参考文献
[1]范家骅.关于水库浑水潜入点判别数的确定方法[J].泥沙研究，2008（01）：74-81.
[2]唐海东.水库异重流排沙的研究与实践[J].水科学与工程技术，2009（02）：42-45.
[3]陈景梁，付国岩，赵克玉.浑水水库排沙的数学模型及物理模型试验研究[J].泥沙研究，1988（01）：77-86.
[4]许继军，陈进，陈广才.长江上游大型水电站群联合调度发展战略研究[J].中国水利，2011（04）：44-45.
收稿日期：2018-05-08
作者简介：杨佩芳（1998-），女，本科在读，研究方向为土木工程。
