CN111241467A - 一种多沙河流水库排沙比的计算方法 - Google Patents

一种多沙河流水库排沙比的计算方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种多沙河流水库排沙比的计算方法，属于水利工程领域中的水库调度研究技术领域，设定水库坝址上游进口为0‑0断面，下游排沙处出口为1‑1断面，计算进口0‑0断面和出口1‑1断面的水流挟沙力；建立出口断面1‑1的含沙量垂线分布公式；根步骤6中的含沙量垂线分布公式，计算排沙孔处的出库含沙量S2；将出库沙量除以入库沙量即可得到水库的排沙比η。本发明考虑到实际情况中水库的排沙底孔皆偏底部，平均含沙量大于断面平均含沙量，故而用传统排沙比计算的断面平均含沙量导出的排沙比公式计算值偏小，应该根据实际排沙口的位置计算排沙比；本发明可以依据不同的水库特征修改排沙比公式中的参数，以达到本发明中的排沙比公式适用于不同的水库。

Description

一种多沙河流水库排沙比的计算方法
技术领域
本发明属于水利工程领域中的水库调度研究技术领域，具体涉及一种多沙河流水库排沙比的计算方法。
背景技术
在多沙河流上的水库都会出现因泥沙淤积而降低有效库容，减少水库的使用寿命。我国针对多沙河流上的水库，保持其库容的方法多为蓄清排浊。在实际水库中，为了高效合理的排水排沙，通常利用排沙比来反映水库的排沙效果，排沙比为出库沙量与入库沙量的比值。研究排沙比的计算方法可以为水库合理的调度泥沙提供有力的依据。
目前，国内外对排沙比的计算方法开展了大量的研究。有学者采用成因分析法，根据水库排沙的特点找出影响排沙比的7个因素，按照线性多元回归计算方法进行数学处理，根据恒山浑水水库的实测资料，建立排沙比与无量纲因素的数学表达式。
但是该经验公式对于其他水库应用时，需要验证和修正参数，并且此方法在入库洪水挟带泥沙颗粒较细的地区适宜使用，对于入库泥沙颗粒较粗条件，计算误差较大。也有学者将小浪底水库实测数据代入已有的排沙比公式，分析这些公式的适用性，找出与排沙比有关的因素，最后采取洪水滞留系数、进出库平均流量变化系数、进库平均含沙量三个因素，采用回归分析法得到小浪底水库排沙比的公式。
此外，有学者考虑区间来沙的情况，将三峡水库区间分成若干区域，在满足水文比拟法原则的基础上，计算出三峡水库排沙比的计算公式。由于水库排沙是通过排沙低孔或泄洪洞排沙，排沙的位置靠近水库底部。由含沙量的垂线分布公式可知，在垂线上，越靠近底部，含沙量越高，越靠近水面，含沙量越低。目前，排沙比的计算多采用垂线平均的含沙量代替排沙孔的含沙量，在理论上偏小。
发明内容
发明目的：本发明的目的在于提供一种多沙河流水库排沙比的计算方法，实际情况中大坝的排沙底孔皆偏底部，平均含沙量大于断面平均含沙量，故而用断面平均含沙量导出的排沙比公式计算值偏小；该方法根据均匀沙不平衡输沙基本方程和二维恒定流中，平衡情况下含沙量沿垂线分布的基本微分方程推导出排沙口的含沙量；排沙比即为排沙口出口断面含沙量和进口断面含沙量的比值。
技术方案：为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种多沙河流水库排沙比的计算方法，包括如下步骤：
步骤1，设定水库坝址上游进口为0-0断面，下游排沙处出口为1-1断面，测量进出口断面间的距离L，测量出口排沙孔处中心点距河床的距离为y0；
步骤2，统计进口河道单宽流量q0、进口含沙量s0和进出口断面的距离L；
步骤3，测量入库悬移质泥沙的中值粒径D50，计算该粒径的沉速ω；
步骤4，测量进口断面和出口断面的平均水深H0和H1，计算进口0-0断面和出口1-1断面的水流挟沙力，分别记为S0*和S1*；
步骤5，采用下式计算1-1断面的平均含沙量：
Figure BDA0002358058630000021
其中，s1为出口断面的含沙量、s1*为出口断面的水流挟沙力，单位为kg/m3；s0为进口断面的平均含沙量；s0*为进口断面水流挟沙力，单位为kg/m3；ω为悬移质泥沙沉速，单位为m/s；L为进出口断面间的距离，单位为m；q为进口河道单宽流量，单位为m2/s；
步骤6，建立出口断面1-1的含沙量垂线分布公式；
步骤7，根步骤6中的含沙量垂线分布公式，计算排沙孔处的出库含沙量S2；
步骤8，将出库沙量除以入库沙量即可得到水库的排沙比η。
进一步的，所述的步骤3泥沙沉速的计算方法为：
Figure BDA0002358058630000022
其中，ω为悬移质泥沙沉速，单位为m/s；D50为悬沙泥沙的粒径，单位为m；ν为运动粘性系数，取0.000001，单位为m2/s。
进一步的，所述的步骤4进口为0-0断面和1-1断面的水流挟沙力S*计算式为：
Figure BDA0002358058630000023
其中，q为进口河道单宽流量，单位为m/s；g为重力加速度，取9.8m/s2；H为断面的平均水深，进口断面和出口断面的平均水深分别取H0和H1，单位为m；ω为悬移质泥沙沉速，单位为m/s。
进一步的，所述的步骤6进口河道单宽流量q＝q0；步骤6出口断面含沙量沿垂线分布公式为：
Figure BDA0002358058630000031
其中，s2为距河床底部高y处的含沙量，单位为kg/m3；H1为出口断面的平均水深；ω为悬移质沉速，单位为m/s；κ为挟沙水流卡门常数，取κ＝0.21；u*为摩阻流速。
进一步的，所述的步骤6摩阻流速u*的计算方法为：
Figure BDA0002358058630000032
进一步的，所述的步骤7排沙底孔处的含沙量计算方法为：
Figure BDA0002358058630000033
进一步的，所述的步骤8排沙比η的计算公式即为：
Figure BDA0002358058630000034
其中：s1为出口断面平均含沙量，单位为kg/m3；ω为悬移质泥沙沉速，单位为m/s；L为进出口断面间的距离，单位为m；s0为进口断面的平均含沙量；κ为挟沙水流卡门常数，取k＝0.21；u*为摩阻流速。
有益效果：与现有技术相比，本发明的一种多沙河流水库排沙比的计算方法，根据水库实际情况，考虑到实际情况中水库的排沙底孔皆偏底部，平均含沙量大于断面平均含沙量，故而用传统排沙比计算的断面平均含沙量导出的排沙比公式计算值偏小，应该根据实际排沙口的位置计算排沙比；本发明可以依据不同的水库特征修改排沙比公式中的参数，以达到本发明中的排沙比公式适用于不同的水库。
附图说明
图1是本发明多沙河流水库排沙比的计算方法的流程图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作更进一步的说明。
一种多沙河流水库排沙比的计算方法，包括如下步骤：
步骤1，设定水库坝址上游进口为0-0断面，下游排沙处出口为1-1断面，测量进出口断面间的距离L，测量出口排沙孔处中心点距河床的距离为y0；
步骤2，统计进口河道单宽流量q0、进口含沙量s0和进出口断面的距离L；
步骤3，测量入库悬移质泥沙的中值粒径D50，计算该粒径的沉速ω；
步骤4，测量进口断面和出口断面的平均水深H0和H1，计算进口0-0断面和出口1-1断面的水流挟沙力，分别记为S0*和S1*；
步骤5，采用下式计算1-1断面的平均含沙量：
Figure BDA0002358058630000041
其中，s1为出口断面的含沙量、s1*为出口断面的水流挟沙力，单位为kg/m3；s0为进口断面的平均含沙量；s0*为进口断面水流挟沙力，单位为kg/m3；ω为悬移质泥沙沉速，单位为m/s；L为进出口断面间的距离，单位为m；q为进口河道单宽流量，单位为m2/s；
步骤6，建立出口断面1-1的含沙量垂线分布公式；
步骤7，根步骤6中的含沙量垂线分布公式，计算排沙孔处的出库含沙量S2；
步骤8，将出库沙量除以入库沙量即可得到水库的排沙比η。
其中，步骤3泥沙沉速的计算方法为：
Figure BDA0002358058630000042
其中，ω为悬移质泥沙沉速，单位为m/s；D50为悬沙泥沙的粒径，单位为m；ν为运动粘性系数，取0.000001，单位为m2/s。
其中，步骤4进口为0-0断面和1-1断面的水流挟沙力S*计算式为：
Figure BDA0002358058630000043
其中，q为进口河道单宽流量，单位为m/s；g为重力加速度，取9.8m/s2；H为断面的平均水深，进口断面和出口断面的平均水深分别取H0和H1，单位为m；ω为悬移质泥沙沉速，单位为m/s。
其中，步骤6进口河道单宽流量q＝q0；步骤6出口断面含沙量沿垂线分布公式为：
Figure BDA0002358058630000051
其中，s2为距河床底部高y处的含沙量，单位为kg/m3；H1为出口断面的平均水深；ω为悬移质沉速，单位为m/s；κ为挟沙水流卡门常数，取κ＝0.21；u*为摩阻流速。
其中，步骤6摩阻流速u*的计算方法为：
Figure BDA0002358058630000052
其中，步骤7排沙底孔处的含沙量计算方法为：
Figure BDA0002358058630000053
其中，步骤8排沙比η的计算公式即为：
Figure BDA0002358058630000054
其中：s1为出口断面平均含沙量，单位为kg/m3；ω为悬移质泥沙沉速，单位为m/s；L为进出口断面间的距离，单位为m；s0为进口断面的平均含沙量；κ为挟沙水流卡门常数，取k＝0.21；u*为摩阻流速。
实施例
如图1所示，本发明多沙河流水库排沙比的计算方法的流程如下：
步骤1，设定水库坝址上游进口为0-0断面，下游排沙处出口为1-1断面，进出口断面间的距离40000m，测量出口排沙孔处中心点距河床的距离为10m；
步骤2，统计进口单宽流量q0为20m3/s、进口含沙量s0为10kg/m3；
步骤3，测量入库泥沙的中值粒径D50＝0.00003m，计算该粒径的沉速ω；
Figure BDA0002358058630000061
其中，ω为悬移质泥沙沉速，单位为m/s；D50为泥沙的粒径，单位为m；ν为运动粘性系数，可取0.000001，单位为m2/s。计算得到泥沙沉速为：0.00058m/s。
步骤4，进口断面平均水深10m，出口断面平均水深50m，采用下式计算进口0-0断面的水流挟沙力S0*和出口1-1断面的水流挟沙力s1*；
Figure BDA0002358058630000062
其中，U为断面的平均流速，单位为m/s；g为重力加速度，取9.8m/s2；H为断面的平均水深，单位为m。
步骤5，采用下式计算1-1断面的平均含沙量：
Figure BDA0002358058630000063
其中，s1为出口断面的含沙量、s1*为出口断面的水流挟沙力，单位为kg/m3；s0为进口断面的平均含沙量；s0*为进口断面水流挟沙力，单位为kg/m3；ω为悬移质泥沙沉速，单位为m/s；L为进口断面到出口断面的长度，单位为m；q为河道单宽流量，单位为m2/s。计算得到s1＝8.94kg/m3。
步骤6，排沙底孔处的含沙量：
Figure BDA0002358058630000064
Figure BDA0002358058630000065
其中，s1为出口断面的含沙量，单位为kg/m3；ω为悬移质泥沙沉速，单位为m/s；L为进口断面到出口断面的长度，单位为m；κ为挟沙水流卡门常数，取k＝0.21；H1为出口断面的平均水深，H0为进口断面平均水深，y1为排沙孔至河床的距离。
步骤7，计算水库的排沙比：
Figure BDA0002358058630000066
其中：s1为出口断面平均含沙量，单位为kg/m3；ω为悬移质泥沙沉速，单位为m/s；L为两断面总长度，单位为m；s0为进口断面的平均含沙量；κ为挟沙水流卡门常数，取k＝0.21；u*为摩阻流速。最后综合得到水库排沙比为：0.93。

Claims (7)

1.一种多沙河流水库排沙比的计算方法，其特征在于：包括如下步骤：
步骤1，设定水库坝址上游进口为0-0断面，下游排沙处出口为1-1断面，测量进出口断面间的距离L，测量出口排沙孔处中心点距河床的距离为y0；
步骤2，统计进口河道单宽流量q0、进口含沙量s0和进出口断面的距离L；
步骤3，测量入库悬移质泥沙的中值粒径D50，计算该粒径的沉速ω；
步骤4，测量进口断面和出口断面的平均水深H0和H1，计算进口0-0断面和出口1-1断面的水流挟沙力，分别记为S0*和S1*；
步骤5，采用下式计算1-1断面的平均含沙量：
Figure FDA0002358058620000011
其中，s1为出口断面的含沙量、s1*为出口断面的水流挟沙力，单位为kg/m3；s0为进口断面的平均含沙量；s0*为进口断面水流挟沙力，单位为kg/m3；ω为悬移质泥沙沉速，单位为m/s；L为进出口断面间的距离，单位为m；q为进口河道单宽流量，单位为m2/s；
步骤6，建立出口断面1-1的含沙量垂线分布公式；
步骤7，根步骤6中的含沙量垂线分布公式，计算排沙孔处的出库含沙量S2；
步骤8，将出库沙量除以入库沙量即可得到水库的排沙比η。
2.根据权利要求1所述的一种多沙河流水库排沙比的计算方法，其特征在于：所述的步骤3泥沙沉速的计算方法为：
Figure FDA0002358058620000012
其中，ω为悬移质泥沙沉速，单位为m/s；D50为悬沙泥沙的粒径，单位为m；v为运动粘性系数，取0.000001，单位为m2/s。
3.根据权利要求2所述的一种多沙河流水库排沙比的计算方法，其特征在于：所述的步骤4进口为0-0断面和1-1断面的水流挟沙力S*计算式为：
Figure FDA0002358058620000013
其中，q为进口河道单宽流量，单位为m/s；g为重力加速度，取9.8m/s2；H为断面的平均水深，进口断面和出口断面的平均水深分别取H0和H1，单位为m；ω为悬移质泥沙沉速，单位为m/s。
4.根据权利要求3所述的一种多沙河流水库排沙比的计算方法，其特征在于：所述的步骤6进口河道单宽流量q＝q0；步骤6出口断面含沙量沿垂线分布公式为：
Figure FDA0002358058620000021
其中，s2为距河床底部高y处的含沙量，单位为kg/m3；H1为出口断面的平均水深；ω为悬移质沉速，单位为m/s；κ为挟沙水流卡门常数，取κ＝0.21；u*为摩阻流速。
5.根据权利要求4所述的一种多沙河流水库排沙比的计算方法，其特征在于：所述的步骤6摩阻流速u*的计算方法为：
Figure FDA0002358058620000022
6.根据权利要求5所述的一种多沙河流水库排沙比的计算方法，其特征在于：所述的步骤7排沙底孔处的含沙量计算方法为：
Figure FDA0002358058620000023
7.根据权利要求6所述的一种多沙河流水库排沙比的计算方法，其特征在于：所述的步骤8排沙比η的计算公式即为：
Figure FDA0002358058620000024
其中：s1为出口断面平均含沙量，单位为kg/m3；ω为悬移质泥沙沉速，单位为m/s；L为进出口断面间的距离，单位为m；s0为进口断面的平均含沙量；κ为挟沙水流卡门常数，取k＝0.21；u*为摩阻流速。
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