望謨河新屯段整治效果研究

周 維

（貴州省水利水電勘測設(shè)計研究院，貴州 貴陽 550002）

1 概述

望謨河發(fā)源處高程1500 m，至復(fù)興鎮(zhèn)處高程約550 m，發(fā)源處至望謨縣城復(fù)興鎮(zhèn)長度約30 km，河道比降平均約為30‰，望謨河從打易鎮(zhèn)至復(fù)興鎮(zhèn)比降呈減緩趨勢：打易至打便村另一支流匯口處河床高差為483 m，河床平均坡降為60.4‰；打遍村支流匯口至新屯鎮(zhèn)河道長度9.6 km，高差為209.13 m，河床平均坡降為21.8‰。新屯至平繞河段長度為5.7 km，高差為74.543 m，平均坡降為13.1‰；平繞村至縣城王母大橋河段長度為2.9 km，高差為25.78 m，平均坡降為8.9‰。望謨河歷來洪澇災(zāi)害頻繁，給地方經(jīng)濟(jì)和人民生命財產(chǎn)造成巨大損失。到2020年，全縣形成以縣城復(fù)興鎮(zhèn)為中心、7座重點(diǎn)城鎮(zhèn)、9座一般城鎮(zhèn)的城鎮(zhèn)體系，其中縣城復(fù)興鎮(zhèn)為縣域中心城鎮(zhèn)，打易鎮(zhèn)及新屯鎮(zhèn)均為重點(diǎn)城鎮(zhèn)。隨著城鎮(zhèn)人口的增長和城鎮(zhèn)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，若不及時對望謨河進(jìn)行河道治理，洪水造成的損失必將越來越大。河道整治后，整治效果如何也將是設(shè)計過程中最為關(guān)心的問題。河道整治效果的研究方法主要有理論分析法[1]、物理模型試驗(yàn)方法[2-3]以及數(shù)學(xué)模型計算方法[4-5]。本文根據(jù)實(shí)際情況，提出新屯段的整治措施，并建立望謨河水流數(shù)學(xué)模型，選取適當(dāng)模型邊界和工程條件，開展整治工程實(shí)施前后水流特性的研究。

2 研究方法

2.1 數(shù)學(xué)模型的建立與驗(yàn)證

本文采用平面二維水沙數(shù)學(xué)模型進(jìn)行研究，該模型的控制方程如下[3]：

水流連續(xù)方程

水流運(yùn)動方程：

式中：Zs為水位；h為水深；Zb為河底高程；u、v為垂線平均流速沿x、y方向的分量；f為柯氏力；C為謝才系數(shù)；n為糙率系數(shù)；νt表示紊動粘性系數(shù)；河床變形方程可參考文獻(xiàn)[3]。本文采用有限體積法進(jìn)行離散，離散過程、驗(yàn)證計算等可參考作者的前期研究成果[6]，在此不再贅述。

2.2 計算條件

選取典型的十年一遇洪水和二十年一遇洪水，計算分析工程前后水位的影響，典型洪水條件下D1新貿(mào)橋、D2新屯和D6斷面來流量并不相同，有逐漸遞增的趨勢，由于實(shí)測資料水文資料、地形資料極為有限，為了更安全本次典型年的計算選取三個斷面中最大的流量作為數(shù)模的上游入流量，下游的水位則由D6斷面的水位流量關(guān)系插值得到，故本次數(shù)模計算的條件如表1所示，圖1為數(shù)模計算測點(diǎn)斷面分布圖。

表1 數(shù)學(xué)模型計算條件

圖1 數(shù)模計算測點(diǎn)斷面分布圖

3 望謨河整治方案

望謨縣望謨河新屯至東巖段河道進(jìn)行治理的主要任務(wù)是：結(jié)合沿河兩岸常年受洪水威脅的情況，根據(jù)地形、地質(zhì)條件、總體規(guī)劃要求、施工條件、工程造價等因素，主要通過修建防洪堤和河道疏浚對望謨河新屯段進(jìn)行治理，保護(hù)新屯鎮(zhèn)附近建筑和人口，使河道水流順暢，并增大河道行洪斷面面積、提高河道行洪能力、降低設(shè)計洪水水面線高度，以使沿河兩岸田土、房屋、人口在相應(yīng)頻率的設(shè)計洪水中不受威脅，保障地方經(jīng)濟(jì)持續(xù)、穩(wěn)定發(fā)展。

本次治理基本沿深泓區(qū)布置疏浚中心線，以平面直線和圓弧線切向連接，盡量修直局部扭曲段和增大半徑修圓急轉(zhuǎn)彎段，使河道在平面布置上呈順暢走勢，利于水流下泄。根據(jù)規(guī)劃中的堤距要求，疏浚后河道渠化橫斷面最小底寬取為50 m。因河道彎曲段凹岸基本為較陡的河岸及山體，清淤邊界以凹岸天然地形為限向?qū)Π稊U(kuò)展布置，河床寬度不滿足設(shè)計要求時以削除對岸較凸的沖積層灘地和田地的方式圓弧化處理，減小天然河道彎曲度。根據(jù)不同砂卵石覆蓋深度，疏浚深度0～3 m，局部較深處疏浚達(dá)4m。疏浚河道共長1.647 m，疏?？v斷面坡降為15.32‰，基本維持原河道坡降。

4 整治效果分析

4.1 望謨河整治后水位的變化

采用數(shù)學(xué)模型計算工程前后計算河段水位的變化，表2和表3分別為十年一遇洪水條件下和二十年一遇洪水條件下的水位變化變化。由表可知，不同洪水條件下，整治工程實(shí)施后河道內(nèi)水位均有所降低。其中D4斷面至D5-1斷面降低最多，降低幅度在2 m~2.5 m之間，對削減洪水位有顯著的影響；D1至D2斷面洪水位降低程度次之，降低幅度在0.2 m~0.75 m之間，該河段整治后效果也較好；D2-1斷面至D3-1斷面水位降低幅度最小，工程前后相差不大。

十年遇洪水和二十年遇洪水的模擬計算均表明，望謨河新屯段整治后，同水位下河道過水面積增大，水位降低，有利于河道防洪。

表2 十年一遇洪水條件下工程前后測量斷面最大水位變化

表3 二十年一遇洪水條件下工程前后測點(diǎn)水位變化

4.2 流速變化規(guī)律

數(shù)模計算結(jié)果表明，十年和二十年一遇洪水條件下工程前后流場的變化趨勢較為接近。D1斷面上游，水流經(jīng)過該斷面后分為左右兩汊，主流處于左汊，工程前后流速大小差異不大；D1至的D1-3河段，水流歸槽，受河道疏浚影響，工程后流速較工程前流速稍??；D1-3至D3-1河道內(nèi)，灘面流速歸槽明顯，尤其是在D2河段附近，工程前右側(cè)過流，且過流范圍較大，工程后右側(cè)不過流，主流均在槽內(nèi)，該條件下工程后洪水的淹沒范圍較工程前減小較大；D3-1至D5-1河段內(nèi)流速變化不大，水流流向疏浚的河槽，其中D4斷面工程后出現(xiàn)明顯淺灘，表明工程后該區(qū)域水位下降較多；D5-1斷面下游，水流流向變化不明顯。表4為十年一遇洪水條件下工程前后流速變化，表5為二十年一遇洪水條件下工程前后流速變化。

表4 十年一遇洪水條件下工程前后流速變化

表5 二十年一遇洪水條件下工程前后流速變化

4.3 典型條件下河床演變分析

采用數(shù)學(xué)模型模擬分析了10年一遇洪水條件和20年一遇洪水條件下河道整治前后的河床淤積量，表6為計算結(jié)果。由表可知，洪水條件下，河道整治前河床均發(fā)生淤積，其中D2、D4、D5斷面附近淤積厚度最大；隨著洪水量的增大，河道的淤積厚度也增大。河道整治后，不同條件下河道斷面淤積厚度呈減小趨勢，其中D2、D4、D5淤積厚度減小劇烈，且D2-1和D3-1斷面在10年一遇洪水條件下出現(xiàn)沖刷狀態(tài)。該結(jié)果產(chǎn)生的主要原因是，河道整治過程中，對初始河道的狹窄區(qū)域進(jìn)行了疏浚，并且對岸灘進(jìn)行了整治，增大了河道主槽的過流面積，減小了河道兩側(cè)的阻力。實(shí)現(xiàn)了洪水期洪水歸槽，減少了漫灘洪水，達(dá)到了減淤的效果。

表6 不同條件下工程前后斷面平均淤積厚度

5 結(jié)論

望謨河新屯段整治工程實(shí)施后，對于降低河道洪水位，減少河道淤積具有明顯的效果，主要結(jié)論如下：

（1）整治工程實(shí)施后，不同洪水條件下望謨河沿程的水位均發(fā)生同程度降低，有利于河道防洪。

（2）不同洪水條件下，D1斷面上游，工程前后流速大小差異不大；D1至的D1-3河段，工程后流速較工程前流速稍有減??；D1-3至D3-1河道內(nèi)，灘面流速歸槽明顯，尤其是在D2河段附近，流速減小迅速；D3-1至D5-1河段內(nèi)流速變化不大；D5-1斷面下游，流速有一定程度減小。

（3）河道整治前，不同洪水條件下，整治河段均發(fā)生淤積；整治工程實(shí)施后，河道淤積厚度大幅減小，局部河段發(fā)生沖刷。

[1]張瑞瑾，謝鑒衡.河流泥沙動力學(xué)[M].北京：水利電力出版社，1998.

[2]李昌華，金德春.河工模型試驗(yàn)[M].北京：人民交通出版社，1981.

[3]謝鑒衡.河流模擬[M].北京：水利電力出版社,1998.

[4]吳騰,朱瑞虎.漫灘水流動量修正系數(shù)特性分析與模擬[J].水道港口.2011,32(1):54-59.

[5]Wu,T.,Li,X.(2010).Vertical 2-D mathematical model of sediment siltingin dredged channel.Journal of Hydrodynamics,22(5):628-632.

[6]周維，郜會彩，吳騰.山區(qū)河流二維推移質(zhì)數(shù)學(xué)模型及應(yīng)用研究[J].長江科學(xué)院院報,2016,33(8):5-10.