基于理論模型計算的某河道防洪區(qū)泥沙沖淤分析研究

顧 峰，楊 帆，葛萬明

（1.無錫市新吳區(qū)水利局，江蘇 無錫 214023；2.無錫市泓利工程監(jiān)理有限公司，江蘇 無錫 214023；3.無錫市水利設(shè)計研究院有限公司，江蘇 無錫 214023）

1 引言

經(jīng)濟社會不可控制發(fā)展，對生態(tài)環(huán)境帶來不可忽視的負面影響，而水利工程中受到長期工民業(yè)用水等多重侵害，導(dǎo)致部分河流淤泥沉積較嚴重、水體富營養(yǎng)化等[1-3]，甚至在部分防洪規(guī)劃區(qū)域內(nèi)，都已經(jīng)出現(xiàn)河床過高，導(dǎo)致雨水季節(jié)水位漲幅顯著，極大威脅著民眾正常生活工作。已有較多學者通過水力學理論公式推導(dǎo)或者數(shù)值計算等[4-6]，研究著河流中泥沙沖淤狀態(tài)，研究成果主要集中在河流水庫攔壩后的排沙比、含沙量等參數(shù)選擇驗證上[7-9]。為了更進一步反映出河流泥沙沖淤，針對實際案例，選擇科學合理的模型參數(shù)，在泥沙理論運動模型基礎(chǔ)上，研究河流各個斷面上泥沙堆積表現(xiàn)，為了解河流狀態(tài)及水利工程設(shè)施除險加固設(shè)計等提供重要參考。

2 工程概況

某河流控制流域面積超過45 000 km2，防洪區(qū)將河流分為上下2個斷面，控制流域面積近乎一致，在下斷面中建設(shè)有一座中型水庫，負責攔截洪水，河流并無其他較大的支流水源補充，利用矩估計法確定多年平均徑流量為12.5億m3。圖1（a）為10 a以來水文觀測站監(jiān)測到的年均水量，各年份之間水量基本呈交替變化，最大水量出現(xiàn)在1989年，超過20億m3，最小水量出現(xiàn)在1992年，僅有最大水量年份的32.6%，高水量表明了在該年份輸送泥沙量更大，最大泥沙量達到39 200.5萬t。圖1（b）為常年各月份平均水量與沙量之間的關(guān)系。水量與沙量最大值出現(xiàn)在降雨季節(jié)7—9月，月份中最大平均水量與最大輸沙量分別為3.02億m3、5 150.3 萬t。依據(jù)水沙特性分析可知，該河流流經(jīng)防洪區(qū)上游含沙量超過50 kg/m3的天數(shù)有48.5 d，總輸沙量達到13 555.2 萬t，占比超過95%；河流防洪區(qū)總輸沙量包括懸浮質(zhì)與滑移質(zhì)年輸沙量，但其中主要以懸浮質(zhì)輸沙量占比最大，顆粒粒徑分布在0.005～2 mm，中位數(shù)粒徑為0.025 mm。

圖1 河道水文觀測資料

3 理論模型的率定與驗證

3.1 理論模型參數(shù)的率定

該河流防洪區(qū)天然水位流量曲線，如圖2 所示，此與下游出口水位息息相關(guān)。根據(jù)測試資料，獲得泥沙粒徑分組數(shù)據(jù)，詳見表1。由于泥沙沖淤量不僅僅與泥沙粒徑相關(guān)，同樣與沖積物的物理參數(shù)相關(guān)，如干、飽和容重以及糙率[10，11]。

圖2 天然水位流量曲線

表1 泥沙粒徑分組

設(shè)定流經(jīng)水流為各向同性的均勻狀態(tài)，由已知流量獲得糙率值，根據(jù)歷史水文經(jīng)驗資料[12]，帶入擬合公式，獲得相對應(yīng)的糙率，如圖3所示。

圖3 糙率曲線

3.2 理論模型驗證分析

不同時間段內(nèi)河道內(nèi)沖淤變化曲線以及各年份沖淤量隨時間變化曲線，如圖4所示。從圖4可以看出，隨著年度沖淤量積累，河床高程均會相比原始河床高出一定程度，在距壩里程為10 km段處時，8、10 a的累計沖淤量相比原始河床分別高了3.3%、3.5%。從累計沖淤量隨時間變化關(guān)系來看，沖淤量5 a左右是一個輪回，總會通過自身調(diào)控回到平衡狀態(tài)，在1991 年沖淤量達到最高峰，但隨后逐年下降，趨于計算初始年份狀態(tài)，而這也與不同時間段內(nèi)河道內(nèi)沖淤變化相一致，不同積累年限下的河床高程在最終靠近，表明該理論模型參數(shù)率定是合理與科學的。

圖4 理論模型驗證曲線

4 河道防洪區(qū)泥沙沖淤分析計算

4.1 上游閘壩口泥沙沖淤計算

（1）基本參數(shù)。由于泥沙數(shù)學模型涉及參數(shù)較多，因而筆者選擇該河道防洪區(qū)內(nèi)22個斷面開展研究，其中河道長度為11.8 km，水力坡降為0.1%，選擇前文分析所選用的糙率3.2%，以1 d為單位計算時間長度，獲得整個10 a內(nèi)各個時段內(nèi)泥沙沖淤量。

（2）現(xiàn)狀河道縱剖面變化。圖5為河道不同年限內(nèi)縱剖面變化曲線。從圖5可以看出，所有年份縱剖面發(fā)生較大差異主要出現(xiàn)在河道里程為0～7.0 km，該區(qū)段內(nèi)，河道高程幾乎隨著年份增長而逐漸抬高，以初始年份和第10 年為典型，在河道里程為3.763 km處，第10年河道高程相比初始年份提升了1.8%。類似的第2、第4、第6、第8 年河道高程在縱剖面上走向近乎一致，聯(lián)系初始年份與尾年份河道高程抬高比，可知現(xiàn)狀河道在縱剖面上近乎無顯著變化，高程長期穩(wěn)定在365.0～380 m。

圖5 不同年限內(nèi)縱剖面變化曲線（上游閘壩口）

（3）泥沙沖淤量及防洪區(qū)內(nèi)庫容變化。圖6 為不同年限內(nèi)河道內(nèi)累計泥沙沖淤量及防洪區(qū)內(nèi)庫容變化曲線。從圖6（a）可以看出，在10 a 周期內(nèi)，上游閘壩口除第1 年泥沙沖淤量大幅度上升外，其他年份泥沙沖淤量處于波動變化。第1年至第10年泥沙累計沖淤量為257.12 萬m3，根據(jù)每年平均排沙比亦可知，年均排沙比均在99%以上，各年份泥沙淤積累計量正值最大為44.33 萬m3，表明上游閘壩口對泥沙沉積量調(diào)控較為正常，總體泥沙沖淤量穩(wěn)定。從圖6（b）可以看出，在不同運行年限內(nèi)，隨著運行時間愈長，上游閘壩庫容降低愈顯著，其中第10 年剩余庫容僅有初始年份的56.8%，筆者分析此主要是由于隨著年限積累，泥沙沖淤消耗了水庫庫容，造成水庫庫容逐年下降，直至第10年庫容減小至625萬m3。

（4）洪水線與泥沙沖淤量計算結(jié)果。圖7 為上游閘壩按照不同洪水頻率計算得出的10 a年限內(nèi)水面線。從圖7 可以看出，在100 a 一遇洪水條件下，壩體建設(shè)完成后水面線最大抬升了1.59 m，位于5.39 km里程處；而50 a 一遇洪水條件下，水面線抬升了1.53 m，位于4.6 km 處；同樣，5 a 一遇洪水條件下，水面線抬升了1.27 m，位于3.393 km 處。經(jīng)統(tǒng)計，在危險洪水頻率下，洪水水位上漲最高，但3種不同洪水頻率下的水面漲幅仍然較低，漲幅均低于0.1%；另一方面，10 a 運行年限后的上游閘壩過水面積為0.6 km2，相比初始年份減少了61%。

圖6 泥沙沖淤量及防洪區(qū)內(nèi)庫容變化結(jié)果

圖7 不同頻率洪水條件下水面線與深泓線（上游閘壩口）

4.2 下游閘壩口泥沙沖淤計算

下游閘壩口剖面高程趨勢與上游閘壩口類似，如圖8 所示。經(jīng)不同運行年限后，泥沙淤積導(dǎo)致河道各斷面里程上的高程均有一定程度上升，由于泥沙淤積影響在時間線上受汛期與里程影響，各斷面高程均具有一定波動性，第2 年至第10 年各斷面高程集中在362.37～368.77 m，相比上游閘壩口有所下降。

圖8 不同年限內(nèi)縱剖面變化曲線（下游閘壩口）

（1）泥沙沖淤量及庫容變化。下游閘壩口泥沙沖淤量及庫容變化曲線，如圖9所示。從圖9可以看出，10 a 年限內(nèi)累計淤積量為76.28 萬m3，從第1 年至第10年泥沙沖淤量總體是呈下降趨勢，正淤積量值最大為15.8 萬m3，年排沙比均值為99.2%。從運行年限庫容變化來看，第10年下游閘壩口庫容損失了35%，降到149.2 萬m3，相比上游閘壩口，損傷比減少了，表明庫容量受泥沙沖淤量影響減弱。

圖9 下游閘壩口泥沙沖淤量及庫容變化曲線

（2）洪水線及沖淤量結(jié)果。洪水線與泥沙沖淤量息息相關(guān)，通過分析不同洪水頻率洪水線可反映河道內(nèi)泥沙淤積量，如圖10所示。從圖10可以看出，下游閘壩口10 a年限內(nèi)洪水位與初始年份洪水位幾乎一致，相比上游閘壩口，下游閘壩口受泥沙沖淤量影響較弱，不論是100 a一遇洪水還是5 a一遇洪水，水面線與初始年份一致。原始深泓線與10 a年限運行周期內(nèi)僅在里程1.819 km處一致，其他區(qū)域里程深泓高程相比均有一定程度升高，表明泥沙沖淤量影響了深泓線走向，原始深泓線主要為前后兩“V”形，10 a年限后的深泓線呈線性上升。利用泥沙理論模型計算，獲得了下游閘壩口斷面上10 a年限后的過水面積為0.7 km2，相比初始年份0.72 km2，并無顯著變化。

圖10 不同頻率洪水條件下水面線與深泓線（下游閘壩口）

5 結(jié)論

本文主要結(jié)論如下。

（1）獲得了上游閘壩口河道斷面內(nèi)高程長期穩(wěn)定在365.0～380 m，下游閘壩口斷面高程集中在362.37～368.77 m，上下游閘壩口現(xiàn)狀河道在縱剖面上近乎無顯著變化。

（2）獲得了上、下游閘壩口河道斷面內(nèi)累計沖淤量穩(wěn)定，年均排沙比均在99%以上，上游閘壩口泥沙淤積累計量正值最大為44.33 萬m3，下游閘壩口相比泥沙淤積累計量有所減少，最大值僅有15.8萬m3；上、下游閘壩口庫容分別減少了56.8%、35%，10 a年限后庫容分別為625萬、149.2萬m3。

（3）分析了不同頻率洪水位對河道內(nèi)泥沙淤積影響：在危險洪水頻率下，上游閘壩口洪水水位上漲最高1.59 m，但漲幅較低，均低于0.1%；下游閘壩口10 a 年限內(nèi)洪水水位線與初始年份一致，泥沙淤積量主要影響深泓線走向，由前后兩“V”形的原始深泓線演變成10 a年限后的線性上升。