文档介绍：黄河海勃湾水库库尾冰塞计算
雷鸣1,饶素秋2,张志红1,贺顺德1,高治定1
,河南郑州 450003;
2. 黄委会水文局水文水资源信息中心,河南郑州 450003
摘要:利用原北京院、西北院对黄河盐锅峡~刘家峡河段冰塞计算的研究,借鉴推移质泥沙运动特性理论推出的一套冰塞壅水计算方法,通过对有实测冰塞资料的万家寨河段冰塞水面线的计算验证,找出各经验参数的地区变化规律,进而推求无实测冰塞观测资料的海勃湾河段冰塞壅水水面线,论证推求成果的合理性,为该计算方法能够推广到其它无实测冰塞资料河段进行了探索。
关键词:库尾冰塞;计算方法
1 概述
冰塞是我国北方河流较严重的冰凌现象,一般形成于流凌封河期。在天然河段,冰塞一般发生在河道弯曲、河道比降由陡变缓处。水库修建以后,水库回水末端以上的河段比降较陡,流速较大,其下游河段比降变缓处先行封河后,有一部分冰花在冰盖前沿下潜,堵塞、壅水,冰盖逐渐上延,这种过程反复发展,易形成冰塞。
冰塞发展过程可分为形成、稳定和消融三个阶段。当冰塞发展到一定时期,就进入动态平衡时期。此时,冰塞体断面流速、比降、过水断面出现较长时间的稳定,该时期称为冰塞的稳定阶段。这时期水位虽有波动,但比较平稳,为壅水最高时期。处于这种状态的河段称为“稳定河段”,常位于冰塞体中部,瞬时最高水位也出现在这个河段内。稳定阶段冰塞体的这些特点对推估冰塞稳定阶段冰塞最高壅水位及相应水面线具有实际意义。
目前计算冰塞壅水的方法主要有概率统计方法,结合经验公式的水力学方法,以及借用相似河段最大壅水资料(最大涨差)进行类比估计法。其中,概率统计法需要长期稳定的冰塞观测资料;结合经验公式的水力学方法,主要建立在冰塞稳定阶段的水流的水力学特性基础上,概化了断面平均流速与流量、水面宽的经验关系,其中经验系数仍需要利用河段少量冰塞体实例资料率定;相似类比法采用相似河段最高壅水位类比推估,一般仅能给出最高壅水位,而无法给出其冰塞体确切位置及冰塞水面线。本次计算研究了刘家峡河段使用过的两种结合经验公式的水力学方法,借用其中的水流挟冰花能力建立的水力学方法与成果,再通过对有实测冰塞资料的万家寨河段冰塞水面线进行验算后,分析了公式经验系数及有关参数的地区变化规律,进而用于推求无实测资料的海勃湾河段冰塞壅水水面线。
2 计算原理及方法
原北京院、西北院研究黄河盐锅峡~刘家峡河段冰塞计算研究中[1],提出了根据阿尔图宁河相关关系式和水流挟携冰花能力建立的冰塞壅水两种计算方法。这两种方法均需要利用设计河段实际冰塞资料率定经验公式。对于前一种方法,用万家寨河段实测资料验证时发现,计算冰塞水面线与实测冰塞水面线差别较大,而且其公式中河相系数变化规律较难掌握。而后一种方法,通过万家寨3年冰塞资料,反复试算,重新率定稳定冰塞河段断面平均流速与流量、水面宽建立的经验公式的经验系数,计算结果表明,与万家寨3年冰塞资料比较,~,拟合较好。同时,参照有关文献分析[2],冰塞的稳定程度是阻力的函数,它们取决于河流宽度和坡度,以及存在不同的河床阻碍作用。分析了盐锅峡、万家寨河段所用经验公式的经验系数与两河段平均比降与断面宽的关系,发现其与平均比降有正相关关系,与断面宽有反相关关系。以此,为海勃湾水库库尾冰塞计算合理选用公式经验系数,提供了分析思路与方法。
该方法借用泥沙推移质运动概念,根据实测冰塞资料率定的稳定冰塞阶段断面平均流速与流量、水面宽建立经验公式:
(1)
并结合曼宁公式和水流连续方程:
Q = HBV (2)
式中:Q 为相应冰塞最高壅水时的流量;H 为断面水深;B 为水面宽;V 为断面稳定平均流速,β为经验系数。
即可进行冰塞堆积和冰塞壅高水位的计算,根据以上计算方法,冰塞壅水水面线的计算步骤如下:
①利用盐锅峡水库和万家寨水库冰塞计算公式的经验系数β值,与河段的平均比降建立相关关系。在计算海勃湾水库的库尾冰塞时,利用原始及淤积20年的库尾河段平均比降,用上述关系,初选相应经验系数β值,再按以下步骤进行试算,选用合适的数值,见表1。
表1 海勃湾水库冰塞壅水计算经验系数β分析表
水库
河道平均比降(%)
经验系数β值
盐锅峡

万家寨

海勃湾(原始河道)

海勃湾(淤积20年)

②根据预报或某设计频率确定冰花总量(即冰塞体冰量)及封河期平均流量;
③初步确定冰塞头部及尾部的位置。冰塞头部可取断面平均流速V = m/s~ m/s的位置。尾部可据地形、流速条件判定,一般在比降陡、流速大,且下游冰塞壅水后又难以改变该河段水力条件