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认识石门水库异重流

发布时间:2020-08-05作者: 阅读:(417)

石门水库的改造大计中,发电二号压力钢管改造为排砂道是相当关键急迫的工程。自从民国102年完成后,每年较大的颱风豪雨都同时可见石门水库洩洪及排砂两股洪流,一在上为白色的清流,一在下为黑色的浊流,这就是异重流,如图一。

认识石门水库异重流

图一 2013.8.22潭美颱风洩洪排砂图 (水利署北区水资源局提供)

为何入库的高含砂洪水在坝前洩放会有如此清浊分流的现象?发生异重流的条件为何?异重流排砂对水库防淤有何贡献?本文将探讨之。

何谓水库异重流?

异重流係指两种密度不同又可以互相混合的流体,因密度差异而产生的分层流动,也称密度流或潜流。因温度、溶解质或挟带的细颗粒物质的密度差异皆可能产生异重流(出自中国水利百科全书)。在水库中,因入库高含砂浑水与水库清水间比重之差异而形成异重流。

水库异重流发生的过程

水库集水区山坡地因暴雨沖蚀表土及坡地崩塌,洪水夹带土砂进入库区水域,土砂有粗颗粒及细颗粒,较粗粒泥砂(称推移质)会沿程落淤,经年累月后,通常会自库区上游至中游段形成三角洲淤积型态,石门水库即于阿姆坪以上形成三角洲淤积。

从图二水库异重流运移过程所显示的意义,当较大洪水发生时,高含砂水流先进入库区上游段水深较浅,水流断面较小之河道,会维持全断面浑水明渠流状态,粗粒泥砂沿程逐渐落淤,含悬浮细粒泥砂(亦称悬移质,suspended load)之浑水进入三角洲一带后,水域宽广、水深变深、流速变慢,且清水量增多,浑水将与清水因密度之差异而分离,高浓度浑水潜入底床向前流动。

在水库底部会形成清水与浑水(即异重流)分层的现象,当异重流运移至坝前,经由底孔排砂道排洩此高浓度的浊水,若无底孔排砂或排砂道容量过小,则异重流碰到大坝的阻挡会向上翻搅而与上层清水混合,使得整个水库变成浑水潭。民国93年艾利颱风整个石门水库都是高浊度浑水,导致桃园数週大规模停水,就是这种现象。

水库底部清浊分层形成界面,界面上层的清水因受下层异重流运移的剪应力作用影响,也会缓慢向下游流动,到坝前向上迴流,将一些飘流浮木聚集在三角洲附近,石门水库阿姆坪一带也会看到这种现象,也证明了异重流的发生。

认识石门水库异重流

图二 水库异重流运移过程示意图(摘自石门水库既有设施防淤功能改善规划报告,2006)

水库异重流形成的条件

中国大陆于1950年代起,即有水库异重流的观测,中国水利水电科学院范家骅长期观测试验所得发生异重流之经验公式如下:

$$\displaystyle F’_r=\frac{v}{\sqrt{(1-\frac{r_0}{r})gh_0}}=0.78$$ (范家骅,1959)

式中,$$F’_r$$ 为异重流福禄数,$$v$$ 为流速,$$r_0$$ 为清水比重,$$r$$ 为浑水比重,$$g$$ 为重力加速度,$$h_0$$ 为潜入点水深。

可知含砂水流在三角洲附近是否会潜入库底形成异重流,与含砂浓度和水深、流速有关,含砂浓度越高,与清水的密度差异越大,而水深也要够深,流速不能太快,即有可能形成异重流,这些条件皆与洪水流量大小及潜入点的水域宽窄有关。综合而言,异重流的发生与库内要有一定的清水、上游来水要有一定的含砂浓度及三角洲一带潜入的浑水要有一定的单宽流量三者均有密切关联性。潜入点之浑水含砂浓度越大,流速越小,水深越深,越容易形成异重流。

异重流排砂对水库防淤有何贡献?

   异重流的特性是具有高浓度的浊水沿库底运移至坝前,水库可藉由少量的水排除大量的泥砂。但并非所有洪水皆会发生异重流,以石门水库实际观测分析历年十五场颱风洪水,当上游罗浮的入库含砂浓度大于 $$20,000~ppm$$ ($$1~ppm = 1~mg/L$$,$$1~kg/m^3=1~g/L = 1,000~ppm$$),且大于 $$300~cms$$ 进流量能维持 $$35$$ 小时以上,洪峰流量达 $$1,800~cms$$ 以上,最有可能发生异重流,其排砂浓度最高曾达 $$171,476~ppm$$( 苏力颱风,2013 )。异重流排砂效果係以排砂比衡量(排砂量与来砂量之比值)。

石门水库排砂道于民国 102 年改建完成后,近几年历经了苏力、潭美、苏迪勒、杜鹃等几场洪峰较大之颱风,水库之排砂比约为 $$0.33$$~$$0.37$$。中国大陆几座水库异重流排砂之排砂比为:三门峡水库为 $$0.18$$~$$0.21$$,冯家山水库为 $$0.23$$~$$0.65$$,刘家峡水库为 $$0.57$$~$$0.84$$ ( ICOLD, 1999。王文江,水利工程中之泥砂问题)。

异重流排砂是水力排砂之一种方式,亦为相当有效的排砂方式,但并非每次洪水皆会发生异重流,且异重流排砂也仅能排除当次洪水所带来的部分泥砂,对防止水库淤积有所助益,但对长年以来已经淤积在库底的泥砂则无能为力。为恢复水库部分有效库容,平时在库区上游仍须採取机械清淤,以怪手挖掘,卡车载运较粗粒砂石(此部分为有价料),在库区中下游则採取水力抽泥法,抽除细粒土砂的清淤措施(此部分多为无价料)。


参考文献

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