第３３卷第３期 ２０１１年３月 人民黄河 Ｖｏ１．３３．Ｎｏ．３ Ｍａｒ．．２０１１ ＹＥＬＬＯＷ ＲＩＶＥＲ 【水文・泥沙】 下游建坝对大伙房输水隧洞出口河段的影响 关见朝，方春明 （中国水利水电科学研究院泥沙研究所，北京１０００４８） 摘要：基于实测数据，利用平面二维水流泥沙数学模型，模拟了辽宁大伙房输水隧洞出口附近河段水沙分布形态，预测 了该河段３０ ８ｔ内的冲淤趋势，分析了下游章京拦河坝（拟建）修建后，对大伙房输水隧洞出口河床演变的影响。结果表 明：未建坝时河床冲刷明显，由隧洞出口至章京拟建拦河坝之间河床平均冲深约０．４ ｍ；建坝后河床普遍淤积，由隧洞出 口至章京拟建拦河坝之间河床平均淤厚约２．０ ｉｎ。为保证大伙房输水隧洞的安全运行，建坝后隧洞出口附近床面的淤 高问题不容忽视。 关键词：二维水沙模型；河床演变；章京拦河坝；大伙房输水隧洞；苏子河 文献标识码：Ａ ｄｏｉ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１０００—１３７９．２０１ １．０３．０１４ 中图分类号：ＴＶ１４２．３１ 章京拟建拦河坝位于辽宁省新宾县苏子河穆家水库下游 约２．６０ ｋｍ处，大伙房输水隧洞出口位于该拟建坝址上游约 ３００ ｍ的左岸上，章京拦河坝修建与否将显著影响其上游河段 水流泥沙的运动状态。笔者采用平面二维水流泥沙数学模型 处自然下泄。建坝之后，当来水流量大于７０．２２ ｍ ／ｓ时，计算 河段内有两处水沙排放边界，一是章京拟建拦河坝处的翻板 闸，二是章京电站引水隧洞人口；当来水流量不大于７０．２２ ｍ ／ｓ时，全部来水均由章京电站引水隧洞排出。 采用平面二维水沙模型，其中曲线正交坐标系下的水流控 制方程为 模拟建坝前后隧洞出口附近河段３０ ａ内的水沙运动趋势，分析 了下游建坝对上游输水隧洞出口河床演变的影响。 １计算方案及计算模型 为分析下游建坝对上游输水隧洞出口的影响，共制订了两 组计算方案，分别模拟未建坝和建坝后隧洞出口附近河段３０ ａ 内的水沙运动趋势。以平面二维水沙数学模型展开计算，计算 河段上起穆家水库拦河坝，下迄北头子拟建坝址处。未建坝 时，在２００９年实测地形的基础上展开计算；建坝时，根据工程 设计方案，对实测地形沿主槽进行挖槽处理。两组方案均以 ２００９年为起始年，分别模拟计算３０ ａ。 计算河段的来水来沙由两部分构成：一是从穆家拦河坝处 下泄的水沙，此处年内仅汛期洪峰到达的时段有水沙下泄；二 是从大伙房输水隧洞出口注入的水沙，此处来水条件依据大伙 其中 軎＋去素ｃ ＋ ｃ 峨，＝。 ＋旦韭＋ ｇ ａ ｇ ａｚ＝ ＋ ｇｅｇ目ａ叼 一 ｇ ｇ ａ Ｏｔ ｇ ａ叼 ａ（ １ ｏ考，一 ｄ１ ａＢ）＋ （１） 叼＋ ｖＯ＋旦 ＋ ＋ 一 Ｏｔ ｇｅ ｇ 却ｚａ ｇ 。ｇｅｇ ｇｅｇ ａ ｇＨ ｄ ＝ｓ（ 嚣一ｇｎ ｄ可 ｇ １ ∈ｄＯＢ毛 ，＋ 房输水隧洞达产率计划（见表１）确定 ，大伙房输水隧洞达产 率达１００％以后，其多年平均引水量将达１７．８８亿ｍ ／ａ，大伙 房输水隧洞的来沙条件根据其水源库的含沙量确定。悬沙级 Ａ＝Ｅ￣（ｕｇ ） （ ｆ）］／ｇ Ｂ＿［素 ）－－￣（ｕｇ ｇｅ＝、， ＋ｙ２ ｇｅ—Ｏｇｎ＝ ＋ｙ２ ａｎ 配及床沙级配均取多年均值。 表１ 大伙房输水隧洞达产率计划 ａ￡ ｔ 式中： 为水位； 为水深 叼为与物理域中坐标ｘ．ｙ相应的计 算域坐标；ｕ、 分别为垂线平均流速沿 和＇７方向的分量； 、 Ｆ 分别为水流在 和＇７方向的受力； 为动量扩散系数，它不仅 反映了紊动扩散，而且反映了流速在水深方向上分布的不均匀 项目 ２０１５年２０１６年２０１７年２０１８年２０１９年２０２０年 收稿日期：２０１ｏ－０９－－０２ 基金项目：水利部公益性行业科研专项（２００７０１００３）。 作者简介：关见朝（１９８Ｏ一），男，河北唐山人，工程师。主要从事泥沙运动研完 工作。 对于未建章京拦河坝的情况，全部来水均由章京拟建坝址 ・Ｅ—ｍａｌｌ：ｉｓｅｄｉｅ＠１６３．ｃｏｒｎ ３４・ 人民黄河２０１１年第３期 性及实际的三维特征 ；Ａ、Ｂ分别为流速散度和旋度在二维曲 分别为床沙容重和水容重。 线正交坐标系中的表达； 、ｇ 为拉梅系数。 河床变形方程为 １ 曲线正交坐标系下悬移质输沙方程为 Ｐ ：∑ ｆ（５ｒ—Ｓ ） （５） 鲁＋ — ＋ — 一一一 素㈨ 等卜 式中：Ｐ 为泥沙密度； 为床面高程。 水流运动方程和悬移质输沙方程均可采用ＡＤＩ法求解，其 ｄ（ 丝 ）： ｌ叼 ｇ ｄｒｌ （．ｓｆ—Ｓｆ）ｇ （２） 中连续方程离散为守恒形式，运动方程离散为非守恒形式，二 式中：各量下标中的ｆ为非均匀沙分组编号；ｅＬ为恢复饱和系 维悬移质不平衡输沙方程为对流扩散方程，方程离散为守恒形 数；∞为沉速；Ｓ．Ｓ 分别为含沙量和挟沙能力。 式，对流项采用迎风离散，扩散项为中心差分。河床变形方程 模型中采用的推移质输沙率公式为 与泥沙运动方程分开求解。将计算河段划分为５００×４０的曲 Ｇ ＿ｏ＿９５ ）（ （３） 线正交网格，网格平均尺寸为４ ｍ×５ ｍ，划分较密。 其中 ２计算结果 ＝１．３４（ｈ） （ Ｄ） （４） 建坝前后大伙房输水隧洞出口附近的平均流速与平均水 式中：Ｄ为泥沙颗粒粒径；Ｕ、Ｕ 分别为流速和起动流速； 、 位计算结果见表２。 表２ 建坝前后大伙房输水隧洞出口附均流速与平均水位 由表２可知，未建坝时，大伙房输水隧洞出口附近河段平 时隧洞注入的水流在章京拦河坝的拦蓄作用下沿苏子河道逆 均水位在１９７．１６ ｍ以下，建坝后在章京拦河坝的拦蓄作用下， 流而上，由章京拟建电站引水洞出口流出，河段内流速很小。 该处平均水位在１９９．０７ ｍ以上。未建坝时隧洞出口附近河段 在建坝后高水位状态下，隧洞出Ｅｌ附近的流速分布也很整齐， 的平均流速为建坝后相应流速的２倍以上。无论建坝与否，在 起主导作用的仍是穆家拦河坝处的下泄洪水，此时隧洞出口注 高水位（汛期洪峰）状态下，隧洞出口附近河段的平均流速均大 入的水流对主流影响不大。 于低水位（汛前、汛后枯水）的相应值，但当大伙房输水隧洞达 未建坝时隧洞出口附近河段的平均流速要比建坝后的平 产率由３０％增大到１００％时，高水位状态下的平均流速增幅较 均流速大。 小，低水位状态下的相应增幅则较大。存在这种差异的原因 分析隧洞出口附近河段未建坝和建坝后第３０ ａ末冲淤厚 是：当计算河段低水位运行时，隧洞出口附近的平均流速主要 度等值线可见，至第３０ ａ末，未建坝时，由隧洞出口至拟建坝址 受隧洞注入流量的影响，注人流量增幅越大，平均流速的增幅 间河段冲刷明显，计算表明此段河床平均冲深约０．４ ｍ，最大冲 也越大；在高水位状态下，该处平均流速则主要由穆家水库泄 深约２．０ ｍ；建坝之后，由隧洞出口至拟建坝址间河段多有淤 洪流量决定，在泄洪流量远大于隧洞注入流量时，隧洞注入流 积，计算表明此段河床平均淤积约２．０ ｍ，个别位置最大淤厚约 量的变化对平均流速的影响不大 Ｊ。 ５．０ ｍ。 未建坝时在低水位状态下，隧洞出口附近河段的流速分布 散乱，此时穆家拦河坝处无水沙下泄，大伙房输水隧洞注入的 ３结语 水沙占主导地位，由隧洞注入的水沙绝大部分流向出口断面， 章京（北头子）拟建拦河坝修建与否，对大伙房水库输水隧 有一小部分先流向河段上游，再顺流而下由出口断面流出。未 洞出口的影响显著，未建坝时河段冲刷明显，建坝之后河段则 建坝时在高水位状态下，隧洞出口附近河段的流速分布整齐， 普遍淤积。 在穆家拦河坝处下泄洪峰作用下，河段内形成流向大体一致的 未建坝时，大伙房输水隧洞出口附均水位在１９７．１６ ｉｎ 流速分布，此时隧洞来水对主流影响较小，穆家拦河坝处下泄 以下，建坝之后平均水位在１９９．０７ ｍ以上，相应地未建坝时隧 洪水起主导作用。 洞出口附近的平均流速约为建坝后的２倍以上。 建坝后在低水位状态下，隧洞出口附近河段的流速分布也 无论建坝与否，在高水位（汛期洪峰）状态下，隧洞出口附 较散乱，起主导作用的仍是由大伙房输水隧洞注入的水流，此 近的平均流速均大于低水位（汛前、汛后枯水）（下转第３８页） ・３５・ 人民黄河站未来径流则呈增长趋势。黄河流域长水站、东湾站和海河流 ２０１１年第３期 响，２００８（２）：１６—２１． 域的元村集站未来年均气温均比较低，而长水站和东湾站的未 来年平均降水量比元村集站的高，原因可能是在湿润地区径流 ［２］Ｄａｖｉｄ Ｃａｍｅｒｏｎ．Ａｎ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ＵＫＣＩＦ０２ ｃｈｍａｔｅ ｃｈａｎｇｅ ｓｃｅｎａｒｉｏｓ ｔｏ ｌｆｏｏｄ ｅｓｔｉｍａｔｉｏｎ ｂｙ ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｆｏｒ ａ ｇａｕｇｅｄ ｃａｔｃｈｍｅｎｔｓ ｉｎ ｔｈｅ ｎｏｒｔｈ－ 对降水比对气温的响应更加显著 ，也可能是由于下垫面不 同而产生的结果 。 从图ｌ和表４均可看出：Ａ２模式下径流的变化率最大，Ｂ１ ｅａｓｔ ｏｆ Ｓｃｏｔｌａｎｄ，ＵＫ（ｗｉｔｈ ｕｎｃｅｒｔａｉｎｔｙ）［Ｊ］．Ｊｏｕｍａｌ ｏｆ Ｈｙｄｒｏｌｏｇｙ，２００６（３２８）： ２１２—２２６． ［３］Ｒ Ｌ Ｗｉｌｂｙ．Ｐ Ｇ Ｗｈｉｔｅｈｅａｄ．１ｎｔｅｇａｔｄ ｍｏｄｅｌｅｉｎｇ ｏｆ ｃｌｉｍａｔｅ ｏｈａ￣ｓｅ ｉｍｐａｃｔｓ ｏｎ ｗａｔｅｒ Ｉ￣ＳＯＵｒｃｅｓ ａｎｄ ｑｕａｌｉｔｙ ｉｎ ａ ｌｏｗｌａｎｄ ｃａｔｃｈｍｅｎｔｓ：Ｒｉｖｅｒ Ｋｅｎｎｅｔ，ＵＫ［Ｊ］． Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｈｙｄｒｏｌｏｇｙ，２００６（３３０）：２０４—２２０． 模式下径流的变化率最小，表明在Ａ２模式（即一个发展极不均 衡的世界）对气候的影响最大，从而使径流变化速度加快；Ｂ１ ［４］刘波，姜彤，任国玉．２０５０年前长江流域地表水资源变化趋势［Ｊ］．气候变化 模式为一个发展均衡的世界，且引入清洁能源和高效的技术， 对气候的影响较小，径流变化速度缓慢；Ａ１Ｂ模式为一个各种 能源供应和利用技术发展速度相当的世界，对气候产生一定的 影响，径流变化适中。由此可见，不同排放情景模式下，由于人 类对自然资源的开发利用方式不同，因此人类活动对自然环境 特别是气候变化的影响也不同，即气候变化对人类活动具有一 定敏感性，同时径流对气候变化亦有一定的敏感性。从某种意 义上说，人类活动影响气候变化，进而影响区域径流变化，不同 人类活动引起的变化程度不同。 表４各站点３种情景模式下未来径流增长率 ｍ ／（ｓ－ａ） ４结语 利用多元回归方法分析历史资料数据建立数学模型，在 ＩＰＣＣ—ＡＲ４的３种气候情景模式下对２１世纪河南省四大流域 ５个站点控制流域的未来径流进行了预估。结果表明：①降水 量和温度均呈增加趋势，不同气候情境下所表现的增加趋势有 所不同；②唐河站（长江流域）、元村集站（海河流域）、周口站 （淮河流域）年均温度较高，径流随着温度的升高而减少，黄河 流域长水、东湾站年均温度较低，降水量较大，径流对降水的响 应比温度的响应显著；③在３种不同的情景模式下，未来径流 变化的响应各不相同，Ａ２模式对径流变化的影响最大；Ｂ１模式 对径流变化的影响最小；Ａ１Ｂ模式对径流变化的影响适中。 由于气候系统复杂多样，且未来气候变化受多种因素影响 （如自然条件变化、人类活动等因素），因此对未来气候变化的 预估具有不确定性。水文模型仅仅是对复杂水文系统的简化， 总会存在一定的误差。对全球模式和区域模式的模拟性能以 及温室气体排放浓度的预估也具有不确定性。因此，还需要进 一步的综合考虑和研究，以减少未来气候变化趋势预估的不确 定性对水文水循环的影响。 参考文献： ［１］秦大河，罗勇．全球气候变化的原因和未来变化趋势［Ｊ］．科学对社会的影 ・３８・ 研究进展，２００８（３）：ｉ４５—１５０． ［５］魏智，蓝永超，吴锦奎，等．黄河源区水资源对气候变化的响应［Ｊ］．人民黄 河，２００６，２８（３）：３６—３９． ［６］江志红，张霞，王冀．ＩＰＥＣ—ＡＲ４模式对中国２ｌ世纪气候变化的情景预估 ［Ｊ］．地理研究，２００８（４）：７８７—７９９． ［７］程炳岩．河南气候概论［Ｍ］．北京：气象出版社，１９９５． ［８］余卫东，柳俊高，常军，等．１９５７－－２００５年河南省降水和温度极端事件变化 ［Ｊ］．气候变化研究进展，２００８（２）：７８—８３． ［９］袁作新．流域水文模型［Ｍ］．北京：水利电力出版社，１９９０． ［ｍ］ 付国斌．全球变暖对华北水资源影响的初步分析［Ｊ］．地理学与国土研究， １９９１（４）：２２—２６． ［１ １］ 叶守泽，詹道江．工程水文学［Ｍ］．北京：中国水利水电出版杜，２０００． ［１２］ 曾涛，郝振纯，王加虎．气候变化对径流影响的模拟［Ｊ］．冰川冻土，２ＯＯ４ （３）：３２４—３３２． ［１３］ 陈玲飞，王红亚．中国小流域径流对气候变化的敏感性分析［Ｊ］．资源科 学，２００４（６）：６２—６８． ［１４］刘晓燕，常晓辉．黄河源区径流变化研究综述［Ｊ］．人民黄河，２００５，２７（２）： ６—９． 【责任编辑翟戌亮】 （上接第３５页）状态下的相应值。当大伙房输水隧洞达产率由 ３０％增大到１００％时，高水位状态下的平均流速增幅较小，低水 位状态下的增幅较大。 未建坝时，河床冲刷明显，由隧洞出口至章京拟建拦河坝 之间河床平均冲深约０．４ ｍ；建坝之后，河床普遍淤积，由隧洞 出口至章京拟建坝拦河坝之间河床平均淤厚约２．０ ｍ。为保证 大伙房输水隧洞的安全运行，建坝后隧洞出口附近床面的淤高 问题不容忽视。 参考文献： ［１］ 辽宁省水利水电勘测设计研究院．大伙房输水工程初步设计报告［Ｒ］．沈 阳：辽宁省水利水电勘测设计研究院，２００５． ［２］方春明．全隐式差分法求解河道平面二维恒定水流运动方程［Ｊ］．水利学 报，１９９７（４）：４２－４７． ［３］方春明．重庆河段水流泥沙二维数学模型计算［Ｒ］．北京：中国水利水电科 学研究院，２００５． ［４］关见朝．大伙房输水工程隧洞出口河段水流泥沙数学模型计算研究报告 ［Ｒ］．北京：中国水利水电科学研究院泥沙研究所，２００９． 【责任编辑张华岩】
