濛河拓浚工程對(duì)淮河王臨河段河勢(shì)影響研究

倪 晉，虞 邦 義，張 輝，王 久 晟

(安徽省·水利部淮河水利委員會(huì)水利科學(xué)研究院 水利水資源安徽省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，安徽 蚌埠 233000)

1 研究背景

淮河干流王臨河段全長(zhǎng)110.98 km，上起豫皖分界王家壩，下訖中游最大的戰(zhàn)略性控制樞紐臨淮崗，南北兩側(cè)有洪汝河、白鷺河、史灌河等大型支流匯入，沿程還設(shè)有濛河分洪道及濛洼、城西湖等多處蓄滯洪區(qū)，形成了集眾多河流與水利工程為一體的復(fù)雜河網(wǎng)體系，見(jiàn)圖1。

圖1 淮河干流王家壩至臨淮崗段河勢(shì)及治理方案Fig.1 River regime and modification scheme of Huaihe River from Wangjiaba to Linhuaigang

作為淮河防洪重點(diǎn)河段，在王臨河段已經(jīng)整治出寬1.5～2.0 km的行洪通道，但由于主槽彎曲、窄小，河道整體排洪能力仍達(dá)不到設(shè)計(jì)值。整治思路是以擴(kuò)挖主槽為手段，合理調(diào)整行蓄洪區(qū)，即開(kāi)展淮河干流王家壩至臨淮崗河段行洪區(qū)調(diào)整及河道整治工程[1]，以下簡(jiǎn)稱“王臨河段工程”。

王臨河段工程是國(guó)務(wù)院確立的172項(xiàng)重大水利工程和進(jìn)一步治淮的38項(xiàng)任務(wù)之一。工程主要內(nèi)容包括：① 采用單式梯形斷面拓浚濛河分洪道，設(shè)計(jì)斷面底高程為21.0～18.6 m，底寬為100 m；② 對(duì)淮河干流南照集至汪集段進(jìn)行疏浚挖槽，疏浚后斷面高程為16.5～15.8 m，底寬為230～240 m。兩段合計(jì)疏浚線路總長(zhǎng)77.45 km，開(kāi)挖土方總量為2 912萬(wàn)m3。

王臨河段工程能有效提高河道的灘槽泄流能力，打開(kāi)銜接淮河上中游的束水瓶頸。但同時(shí)，疏浚工程對(duì)主槽規(guī)模進(jìn)行了較大幅度的調(diào)整，也可能對(duì)河勢(shì)穩(wěn)定產(chǎn)生一些負(fù)面影響?；春油跫覊沃聊险占螢榉帚夂有?，南汊淮河干流為主汊，北汊濛河分洪道為支汊，選擇對(duì)線路較短的支汊進(jìn)行疏浚。需要對(duì)拓浚后河道淤積、水位及兩汊分流比變化趨勢(shì)和特點(diǎn)進(jìn)行分析研究。

重大水利工程的建設(shè)和運(yùn)行一般均需進(jìn)行河床演變分析。針對(duì)長(zhǎng)江[2-3]、黃河[4]、漢江[5]水庫(kù)建設(shè)、航道疏浚引起的泥沙輸移、灘槽演變及水位變化進(jìn)行了長(zhǎng)期、持續(xù)的研究，為工程論證提供了有力支撐，深化了工程對(duì)水流泥沙特性及演變影響規(guī)律的認(rèn)識(shí)。相對(duì)而言，淮河在這方面的研究比較滯后，規(guī)劃設(shè)計(jì)人員普遍采用定床模型對(duì)工程效果進(jìn)行評(píng)估[6-9]。涉及到河床演變的部分，多通過(guò)實(shí)測(cè)資料進(jìn)行定性分析[10]，很難量化整治工程影響下河道長(zhǎng)時(shí)間的非平衡演變過(guò)程。這是由于淮河來(lái)沙較少，導(dǎo)致與沖淤相關(guān)的研究基礎(chǔ)比較薄弱，特別是泥沙級(jí)配資料十分匱乏。隨著淮河中游河床演變研究工作的開(kāi)展[11-12]，且河道整治重點(diǎn)逐漸轉(zhuǎn)向主槽[13]，通過(guò)構(gòu)建水沙數(shù)學(xué)模型，客觀、定量地分析工程河段的沖淤變化及河床演變過(guò)程，已成為目前淮河治理中不可或缺的技術(shù)手段[14-15]。

本文基于長(zhǎng)系列水沙資料，利用動(dòng)床模型預(yù)測(cè)了未來(lái)30 a淮河干流王臨河段河道的沖淤演變趨勢(shì)，及工程對(duì)河道過(guò)流能力、兩汊分流比的影響，以期為相關(guān)部門(mén)的決策提供依據(jù)。

2 河段基本情況

2.1 水沙特性

淮河王臨河段的水沙條件主要由王家壩(合并)站控制。該站流量觀測(cè)始于20世紀(jì)50年代，而在1954～1959年開(kāi)始泥沙施測(cè)后，留下了20多年的空白期，于1984年才恢復(fù)觀測(cè)。受泥沙停測(cè)的影響，該站連續(xù)完整的水沙資料僅30多年。

根據(jù)1985～2014年實(shí)測(cè)資料統(tǒng)計(jì)(表1)，該站多年平均年徑流量為83.1億m3，輸沙量為258.4萬(wàn)t。從年內(nèi)分配來(lái)看，六成以上的水沙均集中在汛期(6～9月)輸送，且輸沙量的集中程度更高。

表1 王家壩(合并)站年徑流量及輸沙量統(tǒng)計(jì)Tab.1 Statistical analysis of annual runoff and sediment load at Wangjiaba station

進(jìn)一步分析水沙變化趨勢(shì)可知，該站歷年徑流量呈不規(guī)則的周期性變化，高值區(qū)和低值區(qū)交替出現(xiàn)，而輸沙量則隨著時(shí)間推移呈現(xiàn)出明顯遞減趨勢(shì)。由表1可知，在2005～2014年間，王家壩(合并)站年輸沙量在200萬(wàn)t左右，僅為1985～1994年統(tǒng)計(jì)值的62%。

2.2 河床演變特征

王家壩是淮河上中游的分界節(jié)點(diǎn)，該河段恰好處于上游山區(qū)向中游平原的過(guò)渡地帶。由于河床比降驟然減緩，加之河道分汊、水流分散等因素的影響，該河段歷來(lái)是淮河泥沙沉積主要場(chǎng)所之一。根據(jù)分析[12]，無(wú)論采用輸沙量差法還是斷面法，王臨河段均表現(xiàn)為淤積。近年來(lái)，隨著上游來(lái)沙減少，該河段主槽基本處于沖淤平衡狀態(tài)，而灘地的淤積程度也有所減輕。

3 水沙數(shù)學(xué)模型

3.1 模型建立

王臨河段工程覆蓋空間范圍大，河網(wǎng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，模型涉及對(duì)眾多支流、行蓄洪區(qū)和分匯汊點(diǎn)的處理，采用一維模型能準(zhǔn)確快速地模擬河道內(nèi)的水沙運(yùn)動(dòng)過(guò)程，及時(shí)為工程規(guī)劃服務(wù)。同時(shí)，該河段水情變化迅速、河道槽蓄能力較大，建模時(shí)須運(yùn)用非恒定流手段，以保證洪水模擬和水沙聯(lián)算精度。基于此，本文采用一維非恒定流河網(wǎng)水沙數(shù)學(xué)模型，其主要控制方程如下：

連續(xù)方程：

(1)

動(dòng)量方程：

(2)

不平衡輸沙方程：

(3)

河床變形方程：

(4)

挾沙能力方程：

(5)

汊點(diǎn)輸沙平衡方程：

(6)

針對(duì)王臨河段含沙量較低、河床變形緩和特點(diǎn)，模型采用非耦合解法，即先完成水流計(jì)算，求出相關(guān)水力要素后，再解泥沙方程，并推求河床沖淤變化。模型的水流方程通過(guò)數(shù)值穩(wěn)定性高的四點(diǎn)隱式差分格式離散，配合以水位為隱函數(shù)的三級(jí)算法求解。不平衡輸沙方程基于守恒性好的有限體積法離散，再根據(jù)水流的方向，自上而下通過(guò)追趕法求解。各方程的離散求解過(guò)程以及床沙級(jí)配與橫斷面的修正方式詳見(jiàn)文獻(xiàn)[16-19]。

3.2 率定和驗(yàn)證

模型驗(yàn)證的范圍為淮河干流洪河口至魯臺(tái)子河段，并考慮區(qū)間支流入?yún)R及行蓄洪區(qū)的水沙調(diào)蓄作用，實(shí)現(xiàn)了對(duì)王臨河段工程區(qū)的全覆蓋。根據(jù)實(shí)際情況分析，上邊界洪河口給定王家壩及釤崗兩站的合成流量及王家壩站的實(shí)測(cè)含沙量過(guò)程，下邊界魯臺(tái)子采用相應(yīng)時(shí)段的控制水位過(guò)程，區(qū)間支流作為集中入流注入河網(wǎng)，行蓄洪區(qū)按實(shí)際進(jìn)退洪過(guò)程概化為源匯項(xiàng)進(jìn)行處理。

在收集到的淮河干流地形資料中，以1999年航測(cè)圖最為系統(tǒng)和完整，因此將其作為起算地形，并配合1999～2008年的水沙資料對(duì)模型進(jìn)行率定和驗(yàn)證。該模型中的大部分參數(shù)都具有比較穩(wěn)定的取值，如挾沙能力指數(shù)m圍繞0.92微小波動(dòng)；對(duì)于恢復(fù)飽和系數(shù)as，一般沖刷取0.25，淤積取1.0。對(duì)這類參數(shù)，本文直接采用上述經(jīng)驗(yàn)值[20]，以減少模型不確定性。經(jīng)過(guò)處理后，需要通過(guò)實(shí)測(cè)資料校正的敏感參數(shù)只剩下了糙率n及挾沙能力系數(shù)ks。經(jīng)反復(fù)試算分析，河道主槽及灘地糙率n可分別取0.0215和0.034；挾沙能力系數(shù)ks的取值與河道的沖淤狀態(tài)有關(guān)，在平衡時(shí)取0.025，當(dāng)發(fā)生明顯淤積或沖刷時(shí)可參考式(7)進(jìn)行修正：

(7)

計(jì)算范圍內(nèi)的人工采砂現(xiàn)象比較普遍，直接采用實(shí)測(cè)地形資料對(duì)模型沖淤量進(jìn)行校驗(yàn)難度較大。因此，本文僅對(duì)沿程主要控制站的水沙過(guò)程及總量進(jìn)行對(duì)比。表2為魯臺(tái)子站實(shí)測(cè)年輸沙量與計(jì)算值對(duì)比。由表2可知，無(wú)論是率定期還是驗(yàn)證期，該站年輸沙量計(jì)算與實(shí)測(cè)的誤差一般小于15%，相對(duì)而言，枯水年型2001年的誤差較大，但也沒(méi)超過(guò)20%。圖2給出了部分主要站點(diǎn)計(jì)算流量與含沙量過(guò)程與實(shí)測(cè)值的比較(限于篇幅，文中只列出了2005年計(jì)算成果)，由圖2可知，各站水沙計(jì)算過(guò)程與實(shí)測(cè)值基本吻合，表現(xiàn)出較好的峰谷對(duì)應(yīng)關(guān)系，洪峰誤差在10%之內(nèi)，沙峰誤差在20%以下，模型精度基本達(dá)到了方案分析要求。

表2 魯臺(tái)子站年輸沙量對(duì)比Tab.2 Comparison of annual sediment load between calculation and observation at Lutaizi station

圖2 2005年主要控制站流量與含沙量驗(yàn)證Fig.2 Verification of flow discharge and sand concentration process at main stations in 2005

4 沖淤模擬及成果分析

4.1 計(jì)算條件

(1) 水沙系列。根據(jù)淮河蚌埠以下河道的治理經(jīng)驗(yàn)[21]，要全面模擬河床縱剖面變化、水位升降及分流比調(diào)整，一般需要進(jìn)行20～30 a的動(dòng)床模擬。為了最大程度地利用現(xiàn)有資料，方案計(jì)算選擇1985～2014年連續(xù)30 a實(shí)際發(fā)生的水沙系列作為未來(lái)30 a的水沙條件，該系列多年平均年徑流量及輸沙量分別為100.3億m3及298.5萬(wàn)t，不僅樣本數(shù)量多，水沙總量的代表性好，而且包括了各種類型的水沙年型，能全面反映不同水沙組合對(duì)河床沖淤的影響。

(2) 初始地形。河道地形條件分為現(xiàn)狀和規(guī)劃兩種。其中，現(xiàn)狀地形基于最新斷面資料進(jìn)行構(gòu)建，即干流王家壩至汪集河段及濛河分洪道采用2018年斷面，汪集至臨淮崗河段采用2011年斷面；規(guī)劃地形則以王臨河段工程完成后的竣工斷面作為初始河床邊界。

(3) 出口邊界。方案計(jì)算以臨淮崗樞紐為下邊界，采用實(shí)測(cè)水位流量關(guān)系控制其閘上水位過(guò)程。需要說(shuō)明的是，臨淮崗樞紐對(duì)下游河段采用防洪補(bǔ)償?shù)恼{(diào)度方式，攔蓄洪水的流量起點(diǎn)很高。在現(xiàn)行的調(diào)度方案中[22]，該樞紐正常運(yùn)用的洪水標(biāo)準(zhǔn)為100 a一遇，即只有當(dāng)淮河發(fā)生特大洪水時(shí)才可以啟用，平時(shí)保持河道自然泄流的狀態(tài)。因此，方案計(jì)算的來(lái)水條件均不需要運(yùn)用臨淮崗工程進(jìn)行攔洪、滯洪。

4.2 成果分析

4.2.1沖淤總量及分布

根據(jù)模型計(jì)算，未來(lái)30 a現(xiàn)狀及規(guī)劃條件下的累計(jì)沖淤量如表3所示。

由表3可知，兩方案下該段整體均呈持續(xù)性的淤積狀態(tài)，但淤積總量及速度均不大。計(jì)算至30 a末，現(xiàn)狀方案的淤積量為946.8萬(wàn)m3，年均淤積31萬(wàn)m3；規(guī)劃方案的淤積量為1 048.1萬(wàn)m3，年均淤積35萬(wàn)m3。后者淤積的強(qiáng)度略大于前者。從淤積發(fā)展的進(jìn)程來(lái)看，兩方案前10 a的淤積量均占30 a總量的60%左右，即前期淤積量的貢獻(xiàn)率較高，隨著時(shí)間的推移，淤積速率有下降趨勢(shì)。在連續(xù)30 a的水沙作用下，兩種方案都沒(méi)有實(shí)現(xiàn)均衡輸沙，大部分河段的淤積仍在緩慢地發(fā)展中。

表3 治理前后沖淤量變化Tab.3 Distribution of deposition-erosion amount along the river channel before and after regulation scheme 萬(wàn)m3

與現(xiàn)狀方案相比，工程后沖淤縱向分布的差異表現(xiàn)為：汪集以下淤積量減少，汪集以上淤積量增加，并存在兩個(gè)明顯的增淤區(qū)。

(1) 第一個(gè)明顯的增淤區(qū)為王家壩至南照集河段，即南汊老淮河。該汊在現(xiàn)狀條件下表現(xiàn)為上沖下淤，沖淤分界大致在三河尖附近。濛河拓浚后，減少了進(jìn)入該汊的流量，河道整體的輸沙能力有所下降，尤其是上段沖刷能力明顯減弱，與進(jìn)口水沙條件的改變不無(wú)關(guān)系。至計(jì)算30 a末，河道累計(jì)淤積量為119萬(wàn)m3，較現(xiàn)狀增淤85.4萬(wàn)m3。該汊出現(xiàn)明顯增淤符合分流必淤的河床演變規(guī)律，此時(shí)河道的沿程水位低于現(xiàn)狀值。

(2) 第二個(gè)明顯的增淤區(qū)為潤(rùn)河集至汪集河段?，F(xiàn)狀方案下該河段總體呈沖淤平衡狀態(tài)，年際間也沒(méi)有大的變化。疏浚工程實(shí)施后，河道過(guò)水?dāng)嗝婷黠@增大，流速也隨之放緩，從而產(chǎn)生了淤積。至計(jì)算30 a末，該段淤積總量114.7萬(wàn)m3，較現(xiàn)狀增淤96.7萬(wàn)m3。

汪集至臨淮崗河段出現(xiàn)減淤，主要是因?yàn)樵摵佣螞](méi)有安排治理工程，現(xiàn)狀及規(guī)劃方案具有相同的初始地形。當(dāng)?shù)匦螚l件一致時(shí)，沙多則利于淤積，沙少則不利于淤積。與規(guī)劃方案相比，現(xiàn)狀汪集以上河道斷面較窄，水流集中，在洪水期能夠?qū)⒏嗄嗌齿斠浦料掠?，故而淤積量略大。

4.2.2水位效果及維持性

采用設(shè)計(jì)洪水條件，對(duì)王臨河段工程竣工起始及運(yùn)行30 a后的沿程水面線進(jìn)行計(jì)算，成果見(jiàn)表4。

表4 規(guī)劃方案下王臨河段主要控制點(diǎn)水位變化Tab.4 Water level variation along the reach after regulation scheme m

分析表4可知，起始狀態(tài)下，王家壩節(jié)點(diǎn)計(jì)算水位為29.19 m，低于設(shè)計(jì)值0.01 m，這說(shuō)明整治后王臨河段的整體排洪能力滿足規(guī)劃要求，疏浚工程的范圍及規(guī)模是合適的。經(jīng)過(guò)30 a的沖淤演變，河道的沿程水面線進(jìn)行了重新調(diào)整，其中三河尖以下各節(jié)點(diǎn)的水位略有升高，相應(yīng)三河尖以上河段的水位略有降低，如主要控制點(diǎn)王家壩的計(jì)算水位降低了0.03 m。

水位調(diào)整反映了沖淤對(duì)河道過(guò)流能力影響?；春痈闪魅蛹庖韵碌挠俜e縮減了過(guò)流斷面的尺寸，進(jìn)而抬高了水位。然而，三河尖以上河段并未表現(xiàn)為明顯沖刷，王家壩水位卻出現(xiàn)了下降。這是因?yàn)榇笏畷r(shí)水流能量集中，能夠增加洪水的造床和輸沙作用，還能對(duì)原有凹凸不平河床進(jìn)行重新塑造和整理。具體到王家壩-三河尖段，受采砂等人類活動(dòng)的影響，該段23.5～24.0 m以下主槽面積差異較大，極大值與極小值的比例達(dá)3.8。經(jīng)過(guò)30 a的沖淤調(diào)整，特別是2003、2005、2007大水年型的造床作用，眾多交錯(cuò)分布的采砂坑在水流的作用下相互貫通，河段斷面趨于均勻化。統(tǒng)計(jì)分析起始及30 a末的主槽面積可知，前者離差系數(shù)為0.32，后者為0.23。河道斷面更加均勻化，在一定程度上減少了突擴(kuò)與收縮帶來(lái)的局部水阻，從而降低了河道水位。

綜上分析可知，王臨河段雖然整體表現(xiàn)為淤積，但是河道的過(guò)流能力并沒(méi)有衰減，工程的治理效果能夠長(zhǎng)時(shí)間維持。

4.2.3分流比變化

自20世紀(jì)50年代淮河濛洼蓄洪工程建成以來(lái)，王家壩至南照集河段即形成了雙汊并行的格局，并一直維系著相對(duì)穩(wěn)定的河道形態(tài)及分流特性。通過(guò)對(duì)不同流量級(jí)和豐中枯來(lái)水年型的計(jì)算，可得工程前后濛河分流比及分洪水量比例(以下簡(jiǎn)稱“分洪比”)的變化情況，見(jiàn)圖3及表5。

圖3 工程前后分流比的變化Fig.3 Flow diversion radio variation before and after regulation scheme

表5 工程前后分洪比的變化Tab.5 Flood diversion radio variation before and after regulation scheme

(1) 現(xiàn)狀分流比。在中枯流量級(jí)(Q<2 000 m3/s)，南汊淮干是主要的過(guò)流通道，濛河分流比一般不會(huì)超過(guò)25%。隨著上游來(lái)流逐漸增大，在灘地參與行洪后，濛河河線較短的優(yōu)勢(shì)開(kāi)始凸顯，分流比不斷攀升，并在Q=6 000 m3/s時(shí)達(dá)到峰值，約為54.5%，略大于淮干流量。之后，濛河分流比隨著流量進(jìn)一步增加開(kāi)始下降，但也能維持約50%，基本與淮干平分上游來(lái)流。

(2) 現(xiàn)狀分洪比。王臨河段洪水多由暴雨形成，陡漲陡落，峰型尖瘦，大流量持續(xù)時(shí)間較短。受此影響，濛河的分洪比相對(duì)偏低。一般情況下，豐水年型的分洪比可以達(dá)到約25%，枯水年型的分洪比不超過(guò)2%。從多年平均來(lái)看，濛河一汊的分洪比在10%以下，在兩汊并行的輸水格局中處于支汊地位。

(3) 工程后的分流比。與現(xiàn)狀相比，規(guī)劃起始條件下濛河分流比的增幅一般在4.5%～16.3%，兩者最大的差異出現(xiàn)在Q=2 000 m3/s附近。低于這個(gè)流量級(jí)濛河中泓過(guò)水不充分，主槽疏浚效益沒(méi)有得到充分的發(fā)揮。反之，高于這個(gè)流量級(jí)，漫灘程度的增加又會(huì)降低主槽行洪所占的比例。因此，工程前后分流比的差異呈現(xiàn)出先增加后減少的特點(diǎn)。

(4) 工程后的分洪比。規(guī)劃工程可以在一定程度上增加濛河的分洪比。從提升的幅度看，中水年型的分洪比增幅最大(約10%)，豐水年型次之，枯水年型的變化最小。雖然過(guò)洪比例有所增加，但多年平均下來(lái)，南汊淮干的過(guò)水量仍將占到80%以上，主汊的地位還是比較穩(wěn)固的。

經(jīng)沖淤調(diào)整30 a后，濛河分流比、分洪比與規(guī)劃起始狀態(tài)相比均略有降低，其中，分流比的降幅在3%以下，分洪比的降幅不到1%。計(jì)算表明，濛河分流比及分洪比仍將長(zhǎng)期維持在工程剛竣工的起始狀態(tài)，并沒(méi)有進(jìn)一步擴(kuò)大。

5 結(jié)論與建議

(1) 無(wú)論是現(xiàn)狀還是規(guī)劃，王臨河段均呈持續(xù)性的淤積狀態(tài)，但由于淮河來(lái)沙較少，兩方案下河道淤積量及回淤速度均不大。其中規(guī)劃方案30 a累計(jì)淤積總量為1 048.1萬(wàn)m3，較現(xiàn)狀增淤101.3萬(wàn)m3。增加的淤積量主要分布在汪集以上河段，尤其是南汊老淮河及潤(rùn)河集至汪集段。

(2) 王臨河段工程的范圍和規(guī)模能夠滿足設(shè)計(jì)行洪能力的要求，且經(jīng)過(guò)30 a的沖淤調(diào)整，王家壩節(jié)點(diǎn)水位還能較剛竣工時(shí)降低0.03 m，工程效果基本能夠長(zhǎng)期維持。

(3) 濛河分洪道拓浚后，各流量級(jí)的分流比、豐中枯年型下的分洪比都呈增加趨勢(shì)。其中，分流比的增幅一般在4.5%～16.3%，以Q=2 000 m3/s附近的增幅最大；分洪比的增幅一般在0～10%，以中水年型的變化最為突出。在30 a水沙作用下，濛河的分流比、分洪比較起始狀態(tài)略有降低，并不會(huì)出現(xiàn)主流持續(xù)轉(zhuǎn)向濛河，主支汊易位的風(fēng)險(xiǎn)。

(4) 工程建成后，建議加強(qiáng)對(duì)河道水沙和沖淤的原型觀測(cè)，以便及時(shí)發(fā)現(xiàn)問(wèn)題并采用相應(yīng)措施。