水是生命之源，也是战略资源，解决水瓶颈、提供水保障，是重大战略问题。煤长水短是山西目前不可忽视的问题之一，不解决好水的问题，山西就有战略之忧。在山西省全面推动“五水综改”的背景下，作为汾河流域第一大水库，汾河水库在山西地区的经济社会发展中扮演了重要角色。然而水库在运行前期淤积了大量的泥沙，导致有效库容明显减少，严重影响了水库综合效益的良性发挥，显著增加了对水库及下游人民生命财产安全的威胁。因此本文建立二维水沙输运模型研究在不同影响因素下水库水沙输运规律，得出径流因素对水库冲淤影响最大的结论，进而搭建三维水动力模型对入库洪水的三维运动规律进行数值模拟分析，最后提出合理的泥沙控制方案，可为汾河水库的运行管理以及水库调度等提供科学依据。主要的研究内容及成果如下:
　　(1)本文以汾河水库为研究载体，根据水库所在区域的电子海图，结合库区周边的水陆环境确定模拟范围，建立非结构化三角形网格，得到水深数值地形文件。通过对糙率、源汇项等各种参数的设定，分别搭建二维水沙与三维水流数学模型，根据实测数据验证模型的准确性与合理性，验证结果表明均方根误差在误差允许范围内，所建模型的拟合度度满足要求，可用于对水库的数值模拟研究；
　　(2)基于已有的水文资料，综合考虑对库区水沙运动及冲淤变化产生影响的多种因素，结合泥沙输移模块，建立起二维水动力泥沙输移耦合模型。本文设计入库径流总量、库区降雨量、不同水沙来源3种影响因素进行单因素控制试验，采用Engelund-Hansen全沙公式对汾河水库在2018年汛期的泥沙输运及淤积状况、水下地貌演变过程进行了模拟分析。二维水沙模拟结果表明：
　　1)水流进入库区后，悬沙浓度与输沙率随水流挟沙力的沿程降低而逐渐减少。与汾河水库库区床面高程沿程降低的情况相反，水库泥沙纵向落淤量沿程逐渐增加。坝前的淤积量最大，长此以往将对泄洪洞闸门的开启带来一定影响。
　　2)汾河水库包括两个水沙来源：汾河干流与支流涧河。不考虑支流涧河入汇时，各断面冲淤变化率均在8%以下，纵剖面甚至接近于0，不考虑汾河入汇时，各断面冲淤变化率均在90%以上，故水库的纵横向冲淤变化主要受汾河干流的来水来沙影响。涧河的来水来沙主要影响2#断面的冲淤变化，对水库上部影响甚微，同时对库区中下部的影响也远小于汾河干流。汛期入库径流量是影响水库纵横向淤积与悬沙浓度分布变化的重要因素，同等条件下库区降雨量因素的影响基本可以忽略。故研究汛期入库水流的流场分布对水沙输运规律的分析具有较强的指导性作用。
　　3)基于Surfer软件计算得到截止2018年汾河水库泥沙淤积库容为39953万m3，超出水库设计的泥沙淤积库容5453万m3，侵占了兴利库容的14.9%，已严重影响了水库综合效益的发挥。
　　(3)针对水库复杂的地理和边界条件，基于三维水动力模型，结合汾河水库的洪水资料，模拟分析了汾河水库在p=0.5%、1%、5%、20%共4种不同频率洪水过程中库区水体表、中、底层的三维流场变化过程，以及水库的水位、库容等随时间的变化及其相互之间的关系，直观显示了洪水在库区垂向与横向上复杂的运动情况，三维水流模拟结果表明：
　　1)在不同频率洪水条件下，库区水流速度规律符合：在纵向上，从入库口到坝前沿程显著降低；在垂向上，库区各个部位的流速均符合从表层到底层逐渐减小的规律。库区各部分流速随着洪水频率降低而增大，应注意防护水库岸坡，避免洪水的严重冲刷导致的塌岸。水位峰值与平均水位值均随着洪水频率的减小而增加，两者的差值随着洪水频率的减小而增加，水位变化幅度大，大坝承受的动水压力变化频率大，溃坝风险显著增加。
　　2)各层流速随着洪水频率的增加呈现显著减小的趋势，且各层之间的流速梯度逐渐减小，说明随着洪水频率的不断增加，水体流速沿垂向逐渐变均匀。当洪水频率P<20%时，需采用三维模型进行分析研究。
　　3)水位峰值的出现时间滞后于洪峰的出现时间，且滞后时间差随洪水频率的减少而不断增加。
　　4)受水库地形影响，库容变化受水位影响的灵敏度逐渐增大，库容随水位增加的单位变化值逐渐增大。本文基于最小二乘法拟合得出目前的水位-库容的关系曲线，可为水库的运行管理调度提供一定的科学依据。
　　(4)本文较系统地研究了汾河水库汛期水动力条件和泥沙冲淤分布规律，针对当前汾河水库的上减下排的泥沙治理措施，提出以下减淤措施：1)汛期冲沙；2)设置潜坝，利于汛期结束后泥沙的集中清理；3)在水库上游的汾河流域做好水土保持工作，从源头减少水库的入库泥沙量。本文的研究可为缓解水库的泥沙淤积问题、延长水库的使用寿命、充分发挥水库的综合效益提供有力的理论依据和技术支持。