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长江中游江湖联算耦合数学模型优化方案

【摘要】:表7.3-1长江干流2003—2006年不同河段冲淤量实测值与验证值对比注 表中负值表示河道冲刷。洞庭湖区采用2003年四口河系地形资料和2006年长江干流和洞庭湖湖盆地形资料,对模型进行验证计算。

本研究采用一二维江湖水沙模型计算长江上游水库运用对中下游河道冲淤影响。根据长江上游水库建设进程,2013年起主要考虑三峡、溪洛渡、向家坝、锦屏一级、二滩、瀑布沟、紫坪铺、宝珠寺、亭子口、构皮滩、彭水等11个水库的拦沙作用。通过水库群联合调度计算,以三峡水库出库的水沙过程作为坝下游江湖冲淤计算时长江干流的进口水沙条件。

7.3.1.1 模型范围

长江中下游水沙数学模型计算范围为宜昌至大通,包括整个洞庭湖区、汉江中下游、鄱阳湖区和注入长江干流的重要支流,以及长江中游地区主要蓄滞洪区,如图7.3-1所示。根据长江中下游水系结构,建立以长江干流宜昌—螺山、螺山—大通、松虎河系、藕池河系、洞庭湖湖泊、洞庭湖四水尾闾、汉江中下游和鄱阳湖区八大模块,模块之间采用显式连接,形成整体模型。

7.3.1.2 模型算法

模型算法采用一维显隐结合的分块三级河网水沙算法[16]和二维有限控制体积高性能水沙算法[17]。一维显隐结合的分块三级河网水沙算法包括一维隐式三级河网算法、一维泥沙隐式逆风算法和河床冲淤平衡计算。二维湖泊有限控制体积高性能水沙算法[18]包括二维湖泊有限控制体积高性能水流差分算法、二维泥沙显式逆风算法和湖盆冲淤平衡计算[19]。此外,水流控制方程与泥沙输运方程非耦合联解。

图7.3-1 长江中下游水沙模型概化图

7.3.1.3 四口河系河网若干环节的计算模式

在一维和二维水沙算法的基础上,还需要对河网动边界、荆江三口分流分沙、河网闸坝控制、内边界含沙量、河道断面冲淤等若干环节进行分析研究,建立相应的计算模式,并选取通过长江洪水实测资料分析得到的张瑞瑾水流挟沙能力公式作为模型计算挟沙力公式,以保证建模成功。

7.3.1.4 率定与验证

长江干流利用2003年的实测资料对模型糙率等进行率定,利用2003—2010年的实测地形和水沙数据,从河段冲淤量、测站水位流量关系等方面进行了验证。长江干流各河段2003—2006年冲淤量验证成果见表7.3-1。

表7.3-1 长江干流2003—2006年不同河段冲淤量实测值与验证值对比

注 表中负值表示河道冲刷。

洞庭湖区采用2003年四口河系地形资料和2006年长江干流和洞庭湖湖盆地形资料,对模型进行验证计算。水位率定验证误差范围在0.3m以内,流量相对误差在15%以内,淤量计算误差为2.62%~20.87%。所建模型和所选参数较好地模拟了长江中下游水沙运动情况,若干环节技术处理合理,具有较高的准确性,可用于长江与西洞庭湖关系变化趋势的计算与分析。