基于NETSTARS運用定床水理原理在河道疏浚中的應(yīng)用

趙玲 ZHAO Ling；姜書鋒 JIANG Shu-feng

（鄭州市水利建筑勘測設(shè)計院，鄭州450000）

0 引言

在河道治理中為顧及河床泥砂平衡部份河段的河床可能利用疏浚方式，對較嚴重淤積河段進行疏浚減淤作業(yè)，以維持河道自然平衡，同時增加通水斷面降低洪水位。天然河道泥砂演變特性復(fù)雜，疏浚后雖能局部改善通水有效斷面積與水流挾砂能力，但上游輸送至下游的泥砂待水流挾砂能力回復(fù)正常后，泥砂亦可能逐漸落淤更下游段。故疏浚后的河道演變及疏浚作業(yè)對防洪安全及自然環(huán)境有一定程度的影響。在不同的河道水流運動中通常均有懸移載和推移載泥砂的運動，而依豐枯水期的變化及河道的動力特性，各河道皆擁有獨特的泥砂輸送特性及其獨自特有的水、砂平衡問題。因此，在河道中進行疏浚工程，以人為方法介入自然演變，必將使得原有河道的水、砂平衡狀態(tài)受到影響。在人為改變水流與底床形態(tài)后，必須將河道新的水、砂平衡狀態(tài)問題納入考慮，同時亦得考慮疏浚后上、下游河道所發(fā)生新的變化。這些泥砂輸送的問題及因為疏浚后所導(dǎo)致的河道沖刷及淤積變動的問題是值得研究與探討的。

為達到探討疏浚后河道沖刷、淤積及水理變動的目的，本研究利用NETSTARS擬似二維水理輸砂模式，在假設(shè)條件下進行模擬后討論因疏濬而產(chǎn)生河道的水理變化、河床高程變化等相關(guān)問題。研究范圍主要針對模擬澗河上游河道進行水理輸砂演算，探討在重復(fù)發(fā)生的洪水條件下河道的水理變化及泥砂的沖淤。透過本研究的進行，可以了解天然河道疏浚后的水理變化、影響范圍、沖淤潛勢及沖淤潛勢的變化等多項可能的特性，探討河道疏浚后的水理與輸砂演變趨勢等相關(guān)課題。

1 NETSTARS模式簡介

NETSTARS（Network of Stream Tube Model for Alluvial River Simulation）模式為可用于模擬辮狀河系及水庫沖淤變化的擬似二維水理輸砂模式，基本上以GSTARS模式為主架構(gòu)融入BRALLUVIAL及CHARIMA兩模式并加以擴展，因此兼具三個模式的優(yōu)點，功能亦較為完備。適用的范圍如主支流、復(fù)雜河系、陡坡、緩坡、水躍、定量流及變量流的水理與相對應(yīng)底床沖淤特性皆可模擬，同時藉由GSTARS模式的流管概念執(zhí)行輸砂演算，反應(yīng)河床橫斷面的變化。通常河道輸砂模式多數(shù)均采用總輸砂量公式演算輸砂量，若遇到輸砂不平衡的狀態(tài)時則誤差會較大，而NETSTARS模式則可采用推移載及懸浮載分開演算的方式以反應(yīng)不平衡狀況下的輸砂及底床變化的趨勢。

2 工程概況

新安縣境內(nèi)分布于澗河南北及畛河北岸的廣大地區(qū)以丘陵為主，其山區(qū)地形群山綿亙，峰巒重疊，嶺坡連綿，溝壑縱橫，巖石裸露，地墊起伏，溝谷幽深，切割嚴重，多為石質(zhì)中、低山區(qū)，一般海拔在700～1000m。而其境內(nèi)的主要河流自北向南有黃河、青河、畛河、金水河、澗河等，其沿岸均有河谷川地分布。這里地墊平坦，河渠縱橫，為農(nóng)作物的主要產(chǎn)區(qū)。除澗河岸川平地較為寬闊外，其余河谷均比較狹窄，一般海拔在200～300m。該河道的高程在進口處為245m，出口處為243m，其河道寬度有360m。

3 定床水理模擬

3.1 模擬條件 ①上游邊界條件。上游邊界流量分別依10、20、50、100 年重現(xiàn)期輸入 5,431cm/s、6,238cm/s、7,189cm/s及7,842cm/s，此流量系以比流量法，根據(jù)新發(fā)大橋的各重現(xiàn)期流量求得。②起始水位資料。利用線性內(nèi)插給予各斷面一初始水位，然后在定床條件下以起始流量計算至穩(wěn)定，即可作為各斷面的起始水位。③下游水位資料。下游水位系采用斷面的洪水位，分別依10、20、50、100年重現(xiàn)期給予238.87m、239.38m、240.01m及240.45m的洪水位。

3.2 定床水理模擬成果 澗河為中央管河道，計劃洪水流量為100年重現(xiàn)期距的洪水。因此，應(yīng)以100年重現(xiàn)期洪水流量進行定床水理模擬，且為了解不同重現(xiàn)期距的水理變化情形，另模擬10年、20年、50年重現(xiàn)期距的水理。所得成果如表1所示，由表檢視其中模擬結(jié)果，以100年重現(xiàn)期為例針對福祿數(shù)大于1的斷面計有52、56-2、64-1、64-2、64-6、64-7、65-2、65-3、65-4、66-4、67、67-1、67-2、68、72、73、77、78、81、82 及 83 共計 21 個斷面，將其整理列如表1并推述如下：

表1 福祿數(shù)變化較大的斷面匯整

綜合上述可知澗河上游河段坡度陡峭，全河段的坡度為0.0083，而局部河段的坡度則更甚的，如斷面50至斷面52其坡度達0.045，亦因位于山區(qū)受到地形的限制平均斷面寬度多較為窄小，導(dǎo)致流速皆較為大。本河段各重現(xiàn)期的洪水位差異不大，推斷應(yīng)為此區(qū)域位處上游，且本段河床坡度較陡的緣故可快速排洪，其水流湍急為一典型的急流河道。

4 總結(jié)

①疏浚模擬結(jié)果淤積總量的變異性很大，而上游的趨勢則較為穩(wěn)定，淤積的發(fā)生仍主要集中于上游。疏浚對于疏浚段的上游淤積量的影響較小，而對下游影響則較大。②研究河段原來多處福祿數(shù)大于1的斷面，經(jīng)由疏浚后部份斷面福祿數(shù)值降低為小于1，福祿數(shù)與流速及水位有關(guān)，福祿數(shù)的降低可代表疏浚對于洪水位、流速的降低是有效的措施。③疏浚段上游水理受疏浚的影響不大，疏浚段水位下降與疏浚深度成正比，疏浚段下游水位則與疏浚深度成反比。④疏浚段上游受疏浚影響的范圍較短，而疏浚段下游影響范圍則較為長遠，疏浚所造成疏浚段上下游間的影響差距頗大。

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