PAUTE-CARDENILLO水庫的沉積與沖刷分析

*本文翻譯自2014年第三屆 IAHR 歐洲大會論文集，葡萄牙波爾圖

Luis G. Castillo(1), Manuel A Álvarez(2), José M. Carrillo(3)

(1,3. Universidad Politécnica de Cartagena、2. Universidade da Coruña)

這項研究分析了厄瓜多爾帕烏特河在建造帕烏特-卡德尼略大壩後預期的變化。考慮到該項目必須在其使用壽命期間保持可行性，水庫的操作規則需要考慮沉積效應。研究使用了四種互補的方法：經驗公式、一維模擬（沉積）、二維模擬（沖刷）和三維模擬（詳細底部出水口資訊）。

1.專案的主要特徵

研究區域位於厄瓜多爾的帕烏特河流域，距離阿馬盧薩大壩下游23公里。待分析的區域面積為275平方公里。河流的平均坡度為0.05。見圖1。

圖1. (a)帕烏特河流域的研究區域 (b)帕烏特河

圖2. 顯示了河流三個地點的篩選曲線，以及計算中所使用的平均曲線

2.沉積物運輸的公式

沉積物運輸可以分為兩種類型：沖刷載荷（極細顆粒物質的懸浮運輸）和總床沉積物運輸（取決於沉積物大小和流速的床上沉積物的運輸或懸浮運輸）。沉積物及其運輸的主要特性包括顆粒大小、形狀、密度、沉降速度、孔隙率和濃度。

圖3. 主通道和氾濫平原的曼寧阻力

圖4. 沉積物運輸能力(平均值)、沉積物運輸(模擬整個河段)和大壩地點的淨沉積物運輸

3.數值模擬

床面高程變化Zb可從床載泥沙的整體質量平衡方程（Exner方程）計算：

其中，p代表床材料的孔隙率；Qbs和Qbn分別代表主流方向s和橫流方向n的床載通量。它們是根據非平衡床載方程計算出來的：

其中，αbs和αbn分別是決定床面載荷在s和n方向傳輸分量的方向向量的餘弦。所有非平衡效應都通過右側的模型來表示，假設這些效應與非平衡床面載荷Qb和平衡床面載荷Qe之差成正比，並與非平衡適應長度Ls有關。

表2. 到達底部出口所需的時間和沉積物的體積

圖5. 冲洗 72 小時前後的沉積物水平

圖6. 冲洗過程中底部出口的沉積物量和沉積物輸送量的變化

圖7. (a)冲洗過程中通過底部出口的速度矢量；(b)每個管道的流量

圖8. 三維模擬中三角洲沉積物的演變

圖9. 三維模擬中三角洲沉積物的側視圖：(a)初始狀態；(b)5000秒後

4.結論 

本研究針對沖洗這一複雜現象，採用了四種相關的方法進行分析：經驗公式、一維模擬、二維模擬和三維模擬。經驗模擬構成了沉積物輸送能力的上限。同時也能用來估算數值模擬所需的阻力係數或曼寧粗糙度。由於分析水庫中的沉積過程需要一年的時間，以及河段長度為23.128公里，模擬是使用一維程序進行的（二維和三維程序需要高效能設備和長時間模擬）。沖洗操作的模擬是使用二維（Iber）和三維（FLOW-3D）程序。對於72小時的沖洗模擬，Iber程序需要近24小時（使用一個處理器的Intel Core i7 CPU，3.40 GHz處理器，16 GB RAM）。FLOW-3D程序，使用相同設備和8個核心，需要超過70天才能完成完整水庫的72小時沖洗過程。因此，三維模擬僅用於分析沖洗最初幾秒內的流動行為。結果證明了採用不同程度複雜性的數值模擬，能夠補充傳統公式的適當性，並有助於更好地理解物理現象。

詳細原文可至以下連結參考

https://www.flow3d.com/wp-content/uploads/2014/08/Analysis-of-Sedimentation-and-Flushing-into-the-Reservoir-Paute-Cardenillo.pdf