基于防洪安全影響的河道采沙場設(shè)置方案比選研究

董文津

(凌河保護區(qū)管理局，遼寧 朝陽 122629)

1 研究區(qū)概況

大凌河發(fā)源于遼寧與河北兩省的接壤地區(qū)，全長約447 km，大小支系縱橫交錯，其主脈橫貫遼西，向東南匯入渤海[1-2]。大凌河是遼寧省西部最大的河流，流域面積約2.33萬km2，流域內(nèi)年降雨量400～600 mm，年均徑流量17.91億m3。流域內(nèi)的山地占73%，丘陵占22%，平原占5%，上游地區(qū)處于降水偏少的遼西，水少、沙少；下游地區(qū)位于雨量較為充沛的平原地區(qū)，水多、沙多。大凌河的干流河床上游主要是粗砂和中砂，下游河床主要是中砂和細砂[3-4]。

研究區(qū)的大凌河采砂段全長約4.5 km，地處大凌河的下游，河道曲折蜿蜒，彎曲系數(shù)約1.8，洪水時河寬約1800 m，枯水時河寬約200 m，河中分布有多個沙洲。該河段的多年演變結(jié)果顯示，其平面與斷面形態(tài)變化不大，灘情比較穩(wěn)定，沒有明顯的蠕動現(xiàn)象。

2 計算模型與方案

2.1 模型選擇

擬建的采砂場位于京哈高速公路橋下游22 km處，河道中沙洲較多，屬于典型的寬淺型河道。同時，項目區(qū)的上游和下游存在較多的彎道，為了進行河道水流的有效控導，在河道的彎道和險工部位修建了多處丁壩和堤岸防護工程，因此，河道的流態(tài)比較復(fù)雜。為了準確模擬采砂場開采后對河道水位和流態(tài)等特征的影響，此次研究通過垂向平均處理的平面二維水流物理過程模型MIKE21進行計算模型的構(gòu)建。該模型是丹麥水力學研究所設(shè)計開發(fā)的數(shù)學模擬程序，目前已經(jīng)廣泛應(yīng)用于水動力模擬研究，屬于水動力研究領(lǐng)域比較優(yōu)越的模型[5]。

2.2 模型的建立

綜合考慮采砂場所在的大凌河河段的河勢以及工程影響等因素，選擇項目區(qū)上游2.5 km至下游3.0 km之間的河道作為模擬區(qū)域，全長20 km，模擬區(qū)域的平均寬度1.5 km，模擬總面積為15.68 km2。采用三角形網(wǎng)格對模擬河段進行網(wǎng)格剖分，對于高程變化相對較小，河道的岸線比較平順的位置可以適當加大網(wǎng)格，以減小模型的計算量[6]；在河岸附近以及高程變化相對劇烈的部位，需要對網(wǎng)格進行適當?shù)募用芴幚?，以提高模型計算的精度。研究中最大網(wǎng)格的面積為1574 m2，最小網(wǎng)格的面積為8.3 m2。最終，整個計算模型劃分為49 424個計算網(wǎng)格，24 263個計算單元。模型的網(wǎng)格剖分示意圖如圖1所示。

圖1 計算模型網(wǎng)格剖分示意圖

2.3 計算參數(shù)與邊界條件

為了降低中小型洪水對大凌河兩岸行洪灘地的農(nóng)田和建筑物的影響，在該河段的河道兩側(cè)均修建了防洪小埝，采用5000 m3/s設(shè)計，采用7000 m3/s校核。根據(jù)擬建采砂場的位置，對河道的行洪能力進行復(fù)核，結(jié)果顯示該河段防洪小埝的現(xiàn)狀行洪能力為5000 m3/s，相當于5年一遇。在模型計算過程中，將模型的上邊界設(shè)定為設(shè)計流量邊界，5年一遇流量為5000 m3/s，模型的下邊界為給定起推水位。研究河段的糙率主要根據(jù)2006年8月大凌河洪水的實測洪痕，按照當時4280 m3/s的最大流量進行率定。其中，河道主槽的糙率為0.025～0.055，灘地的糙率為0.040～0.100。由于大凌河下游河段近年來并沒有經(jīng)過大水的侵襲，植被與林地侵占河道的現(xiàn)象比較嚴重，河道的糙率明顯偏大[7]。因此，在本次模擬中要以上述成果為基礎(chǔ)，經(jīng)過進一步率定確定河槽的糙率為0.030，灘地的糙率為0.045，樹木的糙率為0.057，農(nóng)田的糙率為0.053。

模擬的時長確定為24 h，其中,主時間步長為15 s，共5760步，時間的積分和空間的離散方式均采用高階。

2.4 計算方案

在此次研究中，采砂方案的總體設(shè)計目標是在保證河勢不發(fā)生重大變化并保證防洪安全的情況下，滿足砂石開采的實際需求[8]?；诖?，考慮采砂區(qū)的上下游邊界是否打開以及是否具有施工的可行性，初步確定了兩種采砂方案，具體的設(shè)計思路如下：

方案1為全封閉采砂方案，大凌河在此處分為東西兩汊，采砂區(qū)主要分布于兩汊之間的河心沙洲部位，且全部位于防洪小埝的內(nèi)部。采區(qū)上游與左岸和右岸灘地的距離大于370 m，下游采區(qū)與出口左岸預(yù)留200 m的采砂通道，采區(qū)與防洪大堤外側(cè)河堤腳線的距離均大于1000 m。

方案2為半封閉方案，采砂區(qū)主要分布于兩汊之間的河心沙洲部位，且全部位于防洪小埝的內(nèi)部。采區(qū)上游與左岸和右岸灘地的距離大于370 m，下游采區(qū)的邊線和大凌河的南汊相連接形成連通狀態(tài)，采區(qū)與防洪大堤外側(cè)河堤腳線的距離均大于1000 m。

在計算對比分析過程中，統(tǒng)一確定控采高程為-2.0 m，也就是開采之后采區(qū)的底部高程為134.5 m。在研究中，為了獲取不同流量工況下兩種開采方案對河道水文特征的影響，設(shè)置了如表1所示的計算工況。

表1 計算工況設(shè)計

3 計算結(jié)果與分析

3.1 水位變化計算結(jié)果與分析

利用上節(jié)構(gòu)建的二維水沙模型，對兩種不同開采方案各工況下的水位高度進行計算，獲得如表2所示研究河段4個典型觀測點的水位值。由計算結(jié)果可知，在采砂之后，研究段在各斷面、各工況下的水位高度均呈現(xiàn)出不同程度的下降，對提升研究河段的行洪能力有利。從兩種不同的采砂方案的對比來看，方案2的水位變化較方案1更為明顯。因此,方案2在采砂之后對研究河段沿程水位的影響相對較大。

表2 四個典型斷面水位高度計算結(jié)果 m

3.2 險工段近岸流速計算結(jié)果分析

為了研究大凌河分汊河段防洪安全受采砂的影響，需要分析東西汊傳統(tǒng)險工險段的局部流場變化。利用上節(jié)構(gòu)建的模型，對不同計算工況下研究河段的兩處險工險段的近岸流速進行計算，其最大值如表3所示。由表中的計算結(jié)果可知，在采砂之后，各工況下的兩處險工險段的近岸流速均有不同程度的下降，同時方案2對西汊險工險段近岸流速的影響更為明顯。

表3 險工險段的近岸最大流速計算結(jié)果

3.3 分匯流處流速計算結(jié)果分析

為了進一步研究采砂對河道走勢變化的影響，汊道分流和匯流部位的水流結(jié)構(gòu)形態(tài)的穩(wěn)定性十分重要?；诖?，研究中利用上節(jié)構(gòu)建的模型，對研究河段的汊道分流和匯流部位的流速進行計算，其最大值如表4所示。由表中的計算結(jié)果可知，在不同的計算工況下，采砂活動會對河道局部流速的分布造成一定的影響，對上游分流部位的影響最為顯著。從兩種采砂方案的對比來看，對分、匯流部位的流速的影響基本一致，但是方案2的影響相對更大。

表4 分、匯流部位最大流速計算結(jié)果

4 結(jié) 論

此次研究采用數(shù)值模擬的方法，對大凌河干流某采砂場的設(shè)計方案進行對比分析，得出如下主要結(jié)論：

(1)在采砂之后，研究段在各斷面、各工況下的水位高度均呈現(xiàn)出不同程度的下降，對提升研究河段的行洪能力有利，且半封閉方案的水位變化較全封閉方案更為明顯。

(2)在采砂之后，各工況下的兩處險工險段的近岸流速均有不同程度的下降，同時半封閉方案對西汊險工險段近岸流速的影響更為明顯。

(3)采砂活動會對分、匯流部位的流速的分布造成一定的影響，對上游分流部位的影響最為顯著。從兩種采砂方案的對比來看，半封閉方案的影響相對更大。

(4)綜合研究結(jié)果，推薦全封閉采砂方案為某采砂場的設(shè)計方案。