图10-1#1模型布置 10.3.2.1潮位验证在5个模型上进行大潮和中潮验证。图10-9中潮中浪各模型初始波高过程线10.3.2.4含沙量验证在#1、#2、#3、#4和#5模型上进行含沙量验证。......
2023-06-22
模型检验与验证：重要步骤
【摘要】：模型试验的上游进口边界条件由长江科学院提供。
建立的上述一维数学模型在基本方面，特别是关于其中的系数与参数等，在前面已经针对室内或简单条件下的试验或实测资料进行过检验和验证，对于数学模型而言，这种检验与验证是非常重要的。下面介绍利用试验室或天然比较复杂的资料，对三峡水库一维泥沙数学模型的综合验证情况。
5.2.2.1 与三峡坝区实体模型结果比较
清华大学1992～1996年对三峡坝区(坝轴线以上18km)范围泥沙冲淤进行了长系列的试验研究(王桂仙等，1994)。模型试验采用1961～1970年连续10年水沙资料连续循环7个周期，其中在第30年、第50年和第70年分别增加1954年和1955年两年水沙过程。所以，试验进行了相当于原型76年时间。模型试验的上游进口边界条件由长江科学院提供。坝区模型试验的主要目的是研究泥沙淤积对通航条件的影响以及坝区通航建筑物的布置和设计。
利用上述试验资料，在完全相同条件下进行了一维数学模型计算。计算只考虑悬沙，将不均匀沙分成4组，每组泥沙平均粒径0.005mm，0.0175mm，0.0375mm，0.08mm;相应沉速分别是0.0022cm/s，0.0272cm/s，0.125cm/s，0.569cm/s。1～76年分时段的水沙序列资料和坝前水位资料详细见参考文献(周建军，1995)。计算糙率初期用0.022，后期平衡糙率采用0.016。由于坝区河道很短，糙率对于计算结果的影响非常有限。挟沙能力系数和指数分别取为0.247和0.92，泥沙水下干容重为1300kg/m3，水温为20℃。计算一共采用了30个断面，平均断面间距约0.62km。
图5-24是坝区总淤积量的计算结果和试验结果的比较，图中也同时列出了二维模型计算的成果(周建军，1995)。图5-25是坝前水位145m、长江流量28000m3/s附近坝区各个断面的过水面积比较。在靠近坝前，水位变化不大的条件下，过水面积实际上代表了断面淤积情况，过水面积越大，淤积量就越少。两方面的结果都证明，一维模型计算的淤积量和沿程分布情况与模型试验结果都是一致的。
图5-24 三峡坝区计算淤积总量和试验结果(王桂仙等，1994)比较
图5-25 三峡坝区计算过水面积和试验结果(王桂仙等，1994)的比较
水库在长期淤积调整后将建立新的平衡断面。三峡水库淤积后，特别是坝区河段将转化为冲积型河道。其平衡过水面积应和三峡下游荆江河段接近。根据韩其为等(1995)分析，长江三峡水库淤积平衡后，过水面积应该在20000m2附近，这是荆江的平衡面积，葛洲坝水库也基本保持这一面积。数学模型计算得到的坝区河段的淤积面积介于18000～22500m2之间，靠近坝前段过水面积稍大，这可能和76年淤积尚没有完全平衡有关。总体上看，模型预报平衡面积和三峡下游冲积河道面积十分接近。
5.2.2.2 与天然水流资料比较
关于天然情况下模型的糙率系数，韩其为等采用天然水位资料，按恒定流模型对河道糙率进行了率定。直接采用了韩其为等确定的糙率计算了库区天然条件下5%频率洪水的水面线与长江水利委员会的移民研究计算成果比较。图5-26给出计算的重庆至三斗坪河道洪水水面线与长江委计算结果的比较，二者非常接近，最大差别小于0.5m，一般差别约0.3m。
在此基础上，可利用长江洪水和水位资料对不恒定水流模型进行比较。1954年是长江全流域洪水，具有比较全面的实测资料。三峡水库设计采用了1954年的洪水过程作为典型年，上下游干、支流和区间入流资料比较齐全，为不恒定流模型的验证提供了条件。计算采用的洪水资料包括了上游川江朱沱、嘉陵江北碚和乌江武隆3个主要入流量和沿岸所有的区间入流量。干流等三个主要入流流量直接根据实际过程线采用，区间入流量则通过在基本方程中加源项的方式逐段加入。下游出口的水位边界条件采用实测水位流量关系曲线。图5-27是宜昌站实际观测流量与数学模型计算流量过程的比较。可见，数学模型可以比较准确地给出实际洪水过程。同时，模型计算的库区沿江 (寸滩—茅坪十一个断面)水位过程与实测资料的对比见图5-28。可见，不恒定流模型的计算精度具有一定的可靠性。但计算与实测水位仍有一定偏差，库区糙率资料的准确性还有待提高。
图5-26 三峡库区河道洪水水面线与模型计算结果比较
(流量72300m3/s，长江水利委员会，1997)
图5-27 1954年宜昌实际流量过程与数学模型计算结果的对比
(入流过程线由各部分入流资料同时相加得到，时间起点:1954年7月14日0时)
图5-28 1954年洪水寸滩—茅坪水位过程验证情况
5.2.2.3 与三峡2003年蓄水后的实测泥沙资料对比
本次数学模型验证，从三峡库区李渡以下的干流断面为2003年2月实测资料，其余为1997年断面。2003年汛后(10月上旬)，三峡水库李渡至坝前又进行了淤积断面测量。对比汛前(2月)资料，可作为汛期水库淤积验证参考。根据长江科学院整理并提供的朱沱、北碚和武隆的2003年逐日水流、泥沙过程以及相应的坝前水位资料计算水流及泥沙淤积。2003年，原型观测可提供数学模型验证的资料有:①库区沿岸多站连续水位过程资料;②库区多站的输沙率过程资料，和由这些资料计算得到的各个断面输沙总量和河段冲淤量(输沙量法)资料;③库区(李渡以下断面法实测)淤积体积等。
图5-29 按模型计算的库区各站水位和实测水位比较
不恒定水流和泥沙模型计算是根据2003年365天逐日平均水沙条件进行的。计算根据三峡库区多站的实测水位过程资料自动率定沿河各段的糙率(重点是蓄水之后的糙率)。由率定资料可见，三峡蓄水后，水位抬高比较明显，河段糙率系数较原来论证期间采用的数据有较大增加。通过逐段调整糙率，沿水库各个站的水位得到很好的模拟。图5 29和图5-30是计算与实测各站水位过程及沿程水面线比较，都与实测资料吻合较好。
图5-30 模型计算沿程水位与实测水位比较(图中双点分别代表当日最高与最低水位)
图5-31 计算和实测清溪场 (a)、万县 (b)和庙河 (坝前)(c)输沙过程比较
图5-31 是模型计算得到的库区输沙过程与实测清溪场、万县和庙河三个断面输沙过程的对比。可见，不恒定模型得到的输沙率过程 (包括相位和幅度)和实测资料吻合很好。但是，在沙峰附近，计算得到的输沙率相对有些偏小，在出库站 (庙河)中小流量期间计算输沙率又稍有偏大，表明目前计算模式中采用的挟沙能力公式还有改进和调整的必要。图5-32 是计算的清溪场、万县和坝前累计输沙量与实测过程的比较。3个断面的输沙量和实际测量资料吻合良好。在清溪场与大坝、清溪场与万县之间的累计淤积过程如图5-33所示。可见，清溪场至大坝总淤积量与输沙量法实测几乎一样。而清溪场至万县计算比实测偏大1700万t。水库总淤积重量偏差很小，分段淤积误差稍大。
值得指出的是，三峡水库采用恒定模型在动力过程方面存在很大误差。洪水波按波速
传递，三峡蓄水后水深加大、洪水传递速度大大加快;而泥沙运动按流速传递，蓄水后流速减少，泥沙输运速度随之减缓。三峡建成后，水沙过程之间的相位差异较天然加大。对同时进入水库(朱沱断面)的洪峰、沙峰，出库时其相位要相差4～5天。恒定模型按准恒定(即阶梯)过程模拟洪水与泥沙过程，出库沙峰和洪峰完全对应。因此，恒定模型会在输沙动力条件上严重歪曲泥沙运动的过程。图5-34是按恒定模型计算得到的输沙过程与实测比较:计算出库(庙河)沙峰比实测过程提前了4～5天。
图5-32 计算和实测清溪场、万县和黄陵庙断面输沙率的比较
图5-33 清溪场—万县和清溪场—黄陵庙断面输沙率的比较
图5-34 按恒定模型计算和实测清溪场(a)、万县(b)和庙河(坝前)(c)输沙过程比较
三峡工程在论证阶段(目前仍然)采用恒定泥沙数学模型。这种模型只能将上下游水动力学条件和泥沙条件按同步处理。这会使计算的入库沙峰都可通过洪峰排出水库。考虑到三峡蓄水后泥沙和洪水过程之间的相位差将明显加大，而一般洪水过程的持续时间只有2～3天，今后很多由较大洪水带入水库的泥沙过程都只能依靠峰后小流量过程来搬运。洪峰后的挟沙能力大大减小，淤积量会大量增加。所以，今后三峡永久回水段泥沙淤积会较原来预计结果偏多。三峡2003年蓄水后，近坝段泥沙淤积较原来预计明显增多，也可能也与此有关。
根据2003年三峡水库蓄水后泥沙和淤积资料对不恒定泥沙数学模型进行的验证情况初步可以认为:相对于输沙量法和相应的淤积重量，库区各河段计算和实测资料的吻合度基本上可以接受;但是，相对于断面测量(断面法)得到的水库淤积体积，目前计算结果与之还相差较远;而更进一步，恒定模型可能在动力条件等方面都不合符实际，问题更大，对三峡水库这样的长距离输沙问题，应该采用不恒定水流和泥沙模型进行研究。
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