一种多泥沙河道上修建清水水库的方法与流程

本发明属于水资源开发利用，具体涉及一种在多泥沙河道上修建清水水库的方法。

背景技术：

1、随着经济社会的迅猛发展和人口的快速增长，人们不合理的开发建设活动日益频繁，致使我国水土流失日趋严重，对于来沙量较大的河道，其取用水的水质情况无法满足城市生活、农业灌溉、养殖业等生活生产的需要。另外，对于河道上已建设水库、涵闸等水利工程设施的河道，水流中携带大量的泥沙将会影响工程的使用效果和使用年限，水库出现泥沙淤积致使其水库容量会明显减少，对水库引水、排沙建筑物的布置、抽水蓄能电站的出力以及水库的经济效益产生一定不利影响，进一步如果水利工程建筑物的出口或者进口被泥沙淤泥堵塞时，将会导致建筑物不能进行正常的使用，对工程安全产生较大危害。

2、世界上有许多河道由于水流含沙量大，特别是汛期暴雨形成的地表径流，水流含沙量更大，无法满足人民的生产生活需要，水资源得不到充分利用。在这样的河道上修建水库时，因水库淤积严重，其使用寿命短暂，很不经济。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种在多泥沙河道上修建清水水库的方法，利用拦沙池或叫前置拦沙库及排沙工程分流泥沙，以达到蓄存清水、拦排泥沙的目的，满足水资源开发需求。

2、本发明的技术方案：

3、一种多泥沙河道上修建清水水库的方法，

4、s1：确定修建清水水库的位置，收集并依据上游河道的实测水文资料，分析计算某一设计洪水标准下的设计洪水过程；

5、s2：分析确定水库枢纽工程建设规模和标准，拦沙池工程建设规模和标准，入库设计和校核洪水标准的设计洪水和泥沙过程；

6、s3：修建清水蓄水库枢纽工程，包括拦河坝、溢洪道、排沙洞；修建拦沙池及排沙工程，包括拦沙滚水坝、输沙洞、清水输水洞；确定水文和水质观测站网布置、选定观测站位置并修建观测站；

7、s4：构建物联网信息平台，采集水文和水质观测站观测信息，水库枢纽工程、拦沙池工程所有构筑物及其控制闸阀门感知信息，实现物联互通；

8、s5：构建河道入库洪水和泥沙数字模型，准确模拟河道水-沙运移演进过程，并通过物联网信息平台系统自动调控水库蓄水过程。

9、优选的，s1收集河道以往实测水文资料，以确定水库枢纽工程建设规模、设计和校核标准，拦沙池工程建设规模、设计标准，合理确定入库设计和校核洪水标准的设计洪水过程；实测水文资料为连续30年以上的实测资料。

10、优选的，s1分析计算某一设计洪水标准下的设计洪水过程具体方法如下：

11、设频率曲线的统计参数采用均值变差系数cv和偏态系数cs表示，采用矩法估算参数初值；对于n年连续系列，矩形法计算各统计参数的公式为：

12、

13、

14、

15、频率曲线采用皮尔逊ⅲ型曲线，利用皮尔逊ⅲ型曲线进行适线调整统计参数，采用适线法选定最优的频率曲线的统计参数；

16、通过对洪峰流量和时段洪量系列进行频率分析计算，得到不同频率设计洪峰和时段洪量成果；从而求得清水水库设计洪水过程线。

17、优选的，s3中所述拦河坝用于拦蓄清水，所述溢洪道用于宣泄多余蓄水，所述排沙洞用于排放清水库底部淤积的泥沙。

18、优选的，s3中所述拦沙滚水坝用于拦截河道超标准含沙量的洪水，阻止洪水底层泥沙尤其是推移质泥沙进入清水蓄水库；当遭遇较大洪水时，通过拦沙滚水坝顶部溢流，洪水进入蓄水库；所述输沙洞用于排泄超标准含沙量的洪水、洪水底层泥沙尤其是推移质泥沙；

19、所述清水输水洞修建在拦沙滚水坝下部或拦沙滚水坝两侧的山体里，用于输送含沙量不超标的河水直接进入清水水库蓄存。

20、优选的，s3中确定水文和水质观测站网布置、选定观测站位置并修建观测站，实现实时监测水位、流量、流速以及泥沙含量水质指标。

21、优选的，s4中构建物联网信息平台，对清水蓄水库枢纽工程、拦沙池工程所有构筑物及其控制闸阀门修建感知信息采集，并对采集的感知信息传输到物联网信息平台，实现物联互通。

22、优选的，s5具体步骤为：当河道来水入库水质控制断面含沙量水质指标小于控制阈值时，自动开启清水输水洞控制闸阀门，使河道来水直接进入清水库蓄存；当河道来水入库水质控制断面含沙量水质指标大于控制阈值时，自动关闭清水输水洞控制闸阀门，同时自动开启输沙洞控制闸阀门，将含沙量超过阈值的河水及其泥沙通过输沙洞排泄到清水蓄水库拦河坝下游，以达到蓄清排浑的目的。

23、优选的，s5中采用计算流体力学理论建立，准确模拟河道水-沙运移演进过程，并通过物联网信息平台自动调控水库蓄水过程。

24、优选的，采用计算流体力学理论建立河道水-沙运移演进过程，具体可采用方法如下：

25、(1)流场流动控制方程

26、

27、

28、

29、

30、式中：ui表示速度在i方向上的分量，u'i表示i方向上的脉动速度；p为压力；sij为应变率张量；u'iu'j为雷诺应力张量；ρ为流体密度；v为动力黏度；vt为湍流黏度；k为湍动能；δij为克罗内克符号(δij＝1,i＝j；δij＝0,i≠j)；

31、(2)rngk-ε方程

32、

33、

34、式中：k为湍动能，ε为湍动能耗散，μt为涡黏性系数，τij为雷诺应力，模型常数cμ＝0.085，c1ε＝1.42，c2ε＝1.68，σk＝σε＝0.7179；

35、(3)泥沙运输模型

36、水流切应力：

37、泥沙起动的临界切应力：

38、希尔兹数：

39、临界希尔兹数：

40、式中：τ为水流切应力，τc为泥沙起动的临界切应力，θ为希尔兹数，θc为临界希尔兹数，u*为摩阻流速，u*c为临界摩阻流速，ρ和ρs分别为水流和泥沙的密度，d为泥沙的平均粒径；

41、单位宽度推移质输沙率公式为：

42、

43、式中：qb为单位宽度推移质输沙率；ub为推移质的平均输运速度；p为泥沙的启动概率。对于实际工程地质情况的土工试验，可以根据上式得到ub和p，即可求解qb；

44、

45、动摩擦力为：

46、式中：fd为动摩擦力。

47、fd＝fd并联立(10)，得到

48、

49、令则

50、式中：au*为推移质运动的水流速度，当离沙床较近时，a＝6～10；cd为推力系数。当θ0＝0时，ub＝0，θ0相当于止动相对切应力，应小于临界相对切应力θc。由此，式(18)可写为

51、

52、泥沙临界切应力和运动颗粒所受切应力之和为切应力，即

53、

54、式中：n为泥沙颗粒总数，而单位面积河床泥沙颗粒总数与p的关系为：联立(12)和(13)，得到床面泥沙颗粒的起动概率为

55、

56、推移质输沙公式：

57、

58、式(19)即为所采用的泥沙运动模型。

59、本发明的有益效果：

60、本发明公开了一种在多泥沙河道上修建清水水库的方法，所述方法通过收集河道以往实测水文/泥沙历史系列资料，确定清水蓄水库枢纽工程、拦沙池及其排沙工程的建设规模、设计/校核标准，构建物联网信息系统，确定水文/水质观测站网布置，实时监测水位、流量、流速以及泥沙含量等水质指标等，实现自动调控水库蓄水过程。本发明能够达到蓄存清水、拦排泥沙的目的，满足水资源开发需求。