水库防凌调度数学模型的研制与开发.doc

1 水库防凌调度数学模型的研制与开发摘要:本文着重研究利用水库调节径流减轻冰凌灾害. 文中系统分析了影响凌汛的因素、水库防凌调度机理、运用方式; 研究了不稳定封冻河段和稳定封冻河段冰下过流能力的经验公式,并依据冰水力学理论、河冰运行规律和水冰两相流连续方程及运动方程, 参照黄河流域冰期实测资料,建立了水库防凌调度数学模型. 经过模拟黄河内蒙古、下游河段典型年凌汛检验, 证明调度模型合理、实用, 对减轻凌汛灾害有重要作用,具有较好的应用价值. 关键词:凌汛水库防凌防凌调度数学模型我国北方地区的河流,在每年冬春季节常有冰凌灾害发生, 其中以黄河流域和东北地区松花江、黑龙江流域较为严重. 黄河下游是举世闻名的地上悬河,据不完全统计, 自 1855 ~ 1938 年的 84 年间,有 27 年发生凌汛决口, 平均 年、 1955 年因凌情严重、堤防薄弱而造成堤防决 2 口, 淹没耕地 hm2 , 受灾人口26万. 黄河下游的防凌问题一直为人们所关注, 1960 年三门峡水库投入防凌运用后, 下游防凌形势有很大改观, 但水库防凌调度牵涉到下游河道冰凌运行规律、热力条件以及边界条件, 是一个复杂的系统工程. 如运用不当,则可能出现人为灾害. 因此,研制水库防凌调度数学模型, 实行水库防凌的科学调度具有重要意义. 1 水库防凌调度机理 凌汛成因凌汛是由于河道中产生冰凌阻水而引起的一种涨水现象. 其生成一般有 3 个条件: 一是河道内有足够的流冰量; 二是具有阻塞冰凌运动的河势条件; 三是有适宜形成凌汛的气候因素. 河道内有足够的流冰量是形成凌汛的物质基础, 黄河以北的海河、辽河流域纬度虽高于黄河, 但由于河道流冰量不足而难以出现凌汛现象. 阻塞冰凌运动的河势条件是形成凌汛的外部因素, 黄河下游河道上宽下窄, 下段河道多弯曲, 无疑给冰凌运动造成大的阻力. , 多为流向自低纬度流向高纬度的高寒地带,它的冰情变化规律是,上段河道封河晚、开河早,下段河道封河早、开河晚、冰盖厚. 当上游段开河时下游河段仍处于固封状态, 这样势必造成冰凌堆积, 产生冰桥、冰坝堵 3 塞河道,抬高水位,漫滩决堤造成灾害. 防凌调度机理根据凌汛形成原因分析,当今人们还无法控制气候因素及改变河道边界的条件下, 调节河道内的流冰量还是可能的, 即利用已建的水库, 按照水力因素和冰情形态演变之间的关系, 调整冬季河道流量, 也就是调整冬季河道流速变化过程, 充分发挥水力因素在控制河冰危害方面的作用. 从大量有关冰情演变的理论分析成果得知, 冬季河道的流速与河流的封冻、冰盖的类型、冰盖前缘流冰块的稳定、冰塞的形成, 冰塞下冰花的稳定, 冰塞厚度、冰盖下输冰以及冰坝的形成和演变等均有密切关系. 而调整冬季河道流速在实际运作中主要是调节流量:①在河道封冻以前, 适当增加流量, 加大水体搬运冰体的能力, 避免浮冰块受阻而滞蓄于河中,争取推迟封冻或不封冻; ②一旦发生封河现象后, 应施放适应冰盖下过流能力,及时减小流量,降低流速,争取“平封”防止“立封”和产生冰塞, 尽量减少河道里的储冰量; ③在不致产生冰塞和开河高水位的前提下, 加大冰下过流能力, 减少河槽蓄水量, 以削减开河期的凌峰流量, 避免大流冰量的发生,达到“文开河” 水库防凌调度数学模型研制 4 模型建立原理根据水库防凌调度机理,充分发挥水力因素在控制河冰危害方面的作用,调节河道流量变化的过程, 能够遏制冰塞、冰坝的发生. 而河段冰下过流能力是水库调度的关键所在. 水库下泄流量又是根据冰下过流能力和水流的演进情况而定. 冰下过流能力主要是分析冰盖前缘流冰临界的下潜条件, 如流冰花不潜入冰盖之下, 则不会形成冰塞,冰下过流能力则最大. 然而流冰下潜条件牵涉到河床阻力、湿周、比降、断面水深、重力加速度等因素, 一般常用佛汝德数来表示. 式中: fc 为佛汝德数; v 为冰盖前缘平均流速(m/s) ;g 为重力加速度() ;H 为断面平均水深(m). 黄河下游分析 fc为 ~ ,若计算值大于此值者, 则流冰花易于下潜, 反之, 则冰花集结于冰盖前缘向上端延伸, 进而演变为冰盖. 冰下过流能力多采取经验公式法求解. 水库调节后下泄流量的演进系根据河冰水力学水冰两相流连续方程( 河道不稳定流基本方程) 和水冰两相流的运动方程,联立求解. 冰下过流能力计算冰下过流能力是水库防凌调度的重要依据. 不同时期冰下过流能力是不同的, 而封冻初期的冰下 5 过流则起着关键作用. 从冰凌演变的规律分析,封冻到开河, 冰下过流一般呈递减过程. 当确定了封冻初期