胜利油田引黄沉沙池运行方式数学模型分析研究
戴 清 胡春宏 蒋如 2006-02-21
摘要：利用泥沙数学模型，对胜利油田耿井水库2#沉沙池运行特性进行了系统分析。提出依据不同的引水含沙量条件，2#沉沙池实现转圈沉沙的合理运行方式，成果包括一级泵站引水流量过程及历时，二级泵站调整沉沙池出口水位过程及有效历时。如果进一步考虑初期二级泵站即降低沉沙池出口运行水位，则可进一步增加引水历时，提高沉沙池输沙沉沙效果。计算结果与实际运行观测结果，两者可互相印证。运用数学模型分析泥沙输移规律，可以预先选定沉沙池的进出口运行方式，同时为工程维护设计可行性提供一种论证途径。
关键词：沉沙池 运行 数学模型
1 前言
耿井水库2#沉沙池采用转圈沉沙模式，沉沙池沉沙同时，亦能蓄水，并随着四周外堤淤高，蓄水容积不断加大，平面呈现“回”形。该工程沉沙与造库相结合，是胜利油田引黄取水新模式的试验工程。胜利油田1999年完成了提高二级泵站提水能力的工程改造，并在进口右汊淤滩上开挖输水主槽，使沉沙池单汊运行。进口附近200m长度范围的滩面高程已达到6.2m，如果再淤高，水位将超过内堤堤顶高程，直接进入沉沙池内清水水库。本研究采用泥沙数学模型计算手段，系统考虑了耿井水库2#沉沙池工程的具体条件，对此运行问题加以分析论证。
2 模型方法
2.1 模型介绍[1，2]
本研究采用的是根据非均匀不平衡输沙理论建立的河床冲淤演变数学模型。该模型经大量河道，水库的实际工程检验，被证明是十分可信的。该模型计算包括水力因素计算、输沙计算(含沙量，悬移质级配，淤积物级配)、河床变形计算。限于篇幅，具体方程形式在此不再详细介绍。除上述有关方程外，尚有床沙分层模型，断面修改模型等支持。
2.2 计算条件
沉沙池右汊长约2300m，总共计算断面为11个。引水流量选为10m3/s。出口水位选定为6.0m，调整水位不低于5.5m。以20天运行为计算时间依据。参照主槽两侧挡水堤堤顶高程6.5m，依此计算确定安全运行历时。以土渠渠道糙率0.017作为耿井2#沉沙池输水主槽的糙率。悬移质级配采用长年观测的汛期引黄泥沙平均级配。初始淤积滩槽被视为定床。新淤积物按床面交换层理论进行级配处理。采用水库中挟沙力系数经验取值。挟沙力系数选为0.03。
3 运行特性
3.1 输水主槽适宜输送20kg/m3含沙量水流
计算结果表明，含沙量为20kg/m3时，大部分泥沙堆积在桩号800～1100m段，可见已实现了沉沙池转圈沉沙的目标。小于20kg/m3，20天所引进的泥沙量较少，最大淤积仍在400m桩号附近，向下推进的效果不明显。大于20kg/m3，主槽内泥沙淤积加快，进口段水位迅速抬高，淤积靠上。
3.2 大含沙量引水将减小运行历时
运行历时结果如表１所列。流量为10m3/s，出口水位为6.0m条件下，含沙量超过20kg/m3时，历时均达不到20天。引水含沙量越大，历时越短，应该考虑改变运行，以延长沉沙池的运行时间。
3.3 加大引水流量有利于保证引水量但对沉沙效果作用不大
表1 不同来水来沙条件及出口水位沉沙池运行历时
Operation duration of the basin in different caces 表内单位：天
流量
出口水位
含沙量(kg/m3)
(m3/s)
(m)
10
20
30
40
50
60
6
6.0
20
20
14
8
6
10
6.0
20
20
10
4
4
15
6.0
20
20
8
4
10
5.5
20
20
20
16
10
10
含沙量大于30 kg/m3，流量越大，运行时间反而缩短，但引水水量却会增加。加大引水流量有利于保证引水量。但泥沙在上游段淤积加快。可见，除非对主槽适宜的含沙量条件，运行上通过加大引水流量对大含沙量水流泥沙向下游推进作用不大。
3.4 降低出口水位运行可延长引水历时及增大主槽适宜的含沙量
向降低出口水位，主槽适宜输送的水流含沙量可由20kg/m3提高到30kg/m3以上，运行时间也明显加长。泥沙最大淤积部位由400m推进至800m桩号处。
4 运行方式
4.1 安全运行引水含沙量的过程
如图1所，含沙量小于20 kg/m3，沉沙池可以维持20天安全运行。含沙量大于20 kg/m3，如以30 kg/m3为例，运行10天后，只有引水含沙量下降到10 kg/m3，沉沙池才可安全运行。20天内出现含沙量为40 kg/m3的时间应不超过6天；20天内出现50～60 kg/m3含沙量的时间应不超过4天。
4.2 单纯调整引水流量的运行
以30 kg/m3为例，由图2中曲线可知，运行10天后，一级泵站流量应减小至6m3/s，12天后，引水流量还应进一步减小。
图 1 安全运行引水含沙量过程
Safe operation duration for different sediment concentration
40 kg/m3时，运行6天后，可维持2天小流量运行。由图中60kg/m3曲线可知，60kg/m3时，运行4天后，即使小流量，也已无法再继续运行。
图 2 一级泵站安全运行流量过程及历时
图 3 安全运行出口水位过程及历时
Processes of safe operation discharge and duration of the inlet
Processes of safe operation water level and duration of outlet
4.3 单纯调整出口水位的运行
同样以30 kg/m3为例，由图3曲线可知，运行10天后，沉沙池出口水位应降至5.9m，16天后，出口水位还应进一步降低。40 kg/m3时，建议运行4天后，就降低出口水位至5.5m，这样可维持14天的安全运行。当含沙量大于30 kg/m3，如果初期就低水位运行，维持沉沙池安全运行的时间还会加长。
5 结语
虽然计算无法先知实际出现的来水来沙情况，但仍可以依据计算结果，指导实际运行。如考虑主槽及挡水堤等工程具体条件，通过数模分析，选定二级泵站水位低于6.0m，监测进口水位及含沙量，当水位接近6.5m或来沙大于20 kg/m3，应调整运行[3]。说明数学模型可以为工程运行提供有用的数据。
参 考 文 献
[1] 韩其为等。水库淤积（第四册）。长江流域规划办公室水文局，1980年3月。
[2] 戴清，王崇浩，韩其为。澜沧江景洪至三道拐河段一维泥沙数学模型研究报告。中国水利水电科学研究院，1998年5月。
[3] 戴清，胡春宏等。胜利油田1999年引黄取水新模式实际运行效果观测研究。中国水利水电科学研究院等，1999年10月。
