河道型水庫挖槽清淤參數(shù)優(yōu)化設(shè)計研究

石大國

（遼寧潤中供水有限責任公司，遼寧 鞍山 114000）

0 引言

水庫一般具有防洪、供水、發(fā)電等諸多功能，是最重要的水利基礎(chǔ)設(shè)施，在國民經(jīng)濟和社會發(fā)展中發(fā)揮著十分重要的作用。但是，水庫的修建也會破壞天然河流的平衡狀態(tài)，導致水位雍高、水深增大、水流的輸沙能力大幅減弱，致使大量泥沙在庫區(qū)淤積，特別是水土流失嚴重區(qū)域的水庫，其淤積情況更為嚴重[1]。水庫淤積不僅會影響水庫自身的運行安全，還會限制其防洪、興利功能的發(fā)揮，降低水庫使用年限[2]。

白石水庫位于遼寧省西部大凌河干流上，是一座以防洪、灌溉和城市供水為主，兼有發(fā)電、養(yǎng)殖等功能的大型水利樞紐工程。水庫所在的大凌河是遼寧省西部最大的河流，由于流經(jīng)地區(qū)主要為半干旱丘陵山區(qū)，植被條件差，水土流失較為嚴重，河流的含沙量較高、輸沙量大。因此，白石水庫建成以來一直面臨較為嚴重的泥沙淤積問題。根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)，白石水庫在2000—2014 年的淤積總量就達到9 386.77 萬m3，占水庫設(shè)計庫容的9.3%。此外，白石水庫的入庫河流牛亡牛河雖然近年來輸沙量有所減小，但是交匯區(qū)的淤積會進一步發(fā)展，其河口的凸起將形成攔門沙坎，最終將庫區(qū)分為上下兩部分，嚴重影響水庫的正常使用。因此，采取有效措施解決水庫的淤積問題就顯得尤為重要。

一般情況下，針對不同來水來沙條件，天然河流可以作出相應(yīng)的調(diào)整，力求上游的水沙通過河段向下游宣泄，使河道形態(tài)基本保持穩(wěn)定[3]。當來水來沙條件變化十分劇烈時，河道的上述平衡狀態(tài)就將被打破，就需要通過改道等大規(guī)模的變動實現(xiàn)新的平衡。顯然，河道的疏浚挖槽屬于前者，可以通過自我調(diào)節(jié)恢復平衡狀態(tài)。河道型水庫的修建給河道形態(tài)和上游水沙條件造成巨大變化，難以通過河流自身的適應(yīng)性變化進行調(diào)整并導致較為嚴重的淤積，而通過清淤塑槽可以有效解決其淤積問題[4]。顯然，清淤槽的參數(shù)是其工程效果的直接影響因素。因此，此次研究利用數(shù)值模擬的方式展開挖槽清淤參數(shù)優(yōu)化設(shè)計，以便為工程應(yīng)用提供支持和借鑒。

1 水文-水動力耦合模型的構(gòu)建

1.1 建模思路

MIKE SHE 是具有先進預(yù)處理系統(tǒng)的分布式水文模型[5]，該模型涵蓋了明渠流、非均勻流、地表徑流及蒸散發(fā)等水文過程中的各個主要環(huán)節(jié)，可以為水文研究提供比較簡便和靈活的求解方法。MIKE 11 是用于水庫、河網(wǎng)及水工建筑物綜合設(shè)置的一維水動力模型[6]。因此，本文利用上述兩個模型的耦合，建立楊樹溝小流域的水文-水動力耦合模型。

1.2 建模過程

在構(gòu)建MIKE SHE 水文模型時，將模型的范圍定義為白石水庫庫區(qū)，并利用四邊形網(wǎng)格進行模型單元劃分，并利用曼寧公式和擴散波逼近法進行模型求解，以盡量體現(xiàn)流域的空間變化特征[7]。鑒于模型主要用于水沙過程的模擬，因此選擇了比較精密的網(wǎng)格，這也有助于MIKE 11水動力模型中河道連接的準確。綜合上述考量，將模型網(wǎng)格單元的尺寸設(shè)定為邊長為30.0 m 的正方形網(wǎng)格[8]。

研究中利用地理空間數(shù)據(jù)云獲取研究區(qū)的DEM 圖，利用ArcGIS 10 軟件將獲得的分辨率為30.0 m 的DEM 圖進行鑲嵌、裁剪和投影等一系列圖形的轉(zhuǎn)化操作，將其轉(zhuǎn)化為.shp格式的地形數(shù)據(jù)。

利用ArcGIS 10軟件進行研究區(qū)河網(wǎng)矢量文件提取，并使用軟件進行河網(wǎng)文件生成，利用軟件中自帶的3D Analyst 工具進行DEM 的切割，并結(jié)合實際調(diào)查數(shù)據(jù)對提取的斷面參數(shù)進行修正。鑒于研究區(qū)屬于開放性流域，因此，將上游邊界設(shè)置為流量邊界條件，下游為固定水位邊界。在MIKE SHE 和MIKE 11 模型構(gòu)建完成后，在MIKE SHE中的Rivers and Lakes 模塊下打開MIKE 11 文件，并在每一個計算步長進行水量交換，實現(xiàn)兩個模型的全動態(tài)耦合。

2 計算結(jié)果與分析

2.1 挖槽長度

在河道進行開挖之后，其上游河道在一定范圍內(nèi)會產(chǎn)生水位下降，特別是首端水位下降比較顯著。相關(guān)研究顯示，開挖長度越大，其首端的水位下降越多，但是長度超過10 km 后的水位下降率會大幅減小。因此，開挖長度建議不超過10 km。結(jié)合白石水庫的實際情況，研究中保持開挖寬度為100.0 m、開挖深度為3.0 m 不變，設(shè)計4，5，6，7，8，9 和10 km 等7 種不同的開挖長度進行計算，獲得挖槽段的沖刷比和回淤比，利用計算結(jié)果繪制出沖刷比和回淤比隨挖槽長度的變化曲線，如圖1 和圖2 所示。從計算結(jié)果可以看出，隨著開挖長度的增加，挖槽段的沖刷比和回淤比均呈現(xiàn)出不斷減小的變化趨勢，但是降幅變化不同，沖刷比的前期降幅較小，后期降幅較大；回淤比的前期降幅較大，后期降幅較小。結(jié)合計算結(jié)果同時考慮整體清淤效果，開挖長度為6～7 km 為宜。

圖1 沖刷比隨挖槽長度變化曲線

圖2 回淤比隨挖槽長度變化曲線

2.2 挖槽寬度

研究中選擇6 km 的挖槽長度和3.0 m 的挖槽深度不變，結(jié)合白石水庫的庫區(qū)特點，設(shè)計50.0，100.0，150.0，200.0，250.0，300.0，350.0 m 等7 種不同的挖槽寬度進行計算，獲得挖槽段的沖刷比和回淤比，利用計算結(jié)果繪制出沖刷比和回淤比隨挖槽寬度的變化曲線，如圖3 和圖4 所示。從計算結(jié)果可以看出，隨著挖槽寬度的增加，沖刷比呈現(xiàn)出迅速增大，然后趨于穩(wěn)定的變化特點，當挖槽寬度小于250.0 m 時，沖刷比的增大比較迅速，當挖槽寬度大于250.0 m 時沖刷比的增大幅度較為有限。從回淤比的計算結(jié)果來看，隨著挖槽寬度的增加，回淤比呈現(xiàn)出先減小后增大的變化特點，當挖槽寬度為250.0 m 時回淤比最小。由此可見，增加挖槽寬度雖然可以提高沖刷比，但是大幅增加挖槽寬度的效果較為有限，同時還會導致回淤比的增加。從具體計算結(jié)果來看，挖槽寬度為250.0 m時的整體清淤效果最佳。

圖3 沖刷比隨挖槽寬度變化曲線

圖4 回淤比隨挖槽寬度變化曲線

2.3 挖槽深度

研究中選擇6 km 的挖槽長度和250.0 m 的挖槽寬度不變，結(jié)合白石水庫的庫區(qū)特點，設(shè)計2.0，2.5，3.0，3.5，4.0，4.5，5.0 m 等7 種不同的挖槽深度進行計算，獲得挖槽段的沖刷比和回淤比，利用計算結(jié)果繪制出沖刷比和回淤比隨挖槽深度的變化曲線，如圖5 和圖6 所示。從計算結(jié)果可以看出，挖槽深度的影響和挖槽寬度類似，隨著挖槽深度的增加，沖刷比呈現(xiàn)出迅速增大并趨于穩(wěn)定的變化特點，當挖槽深度小于3.5 m 時，沖刷比的增大比較迅速；當挖槽深度大于3.5 m 時，沖刷比的增大幅度較為有限。從回淤比的計算結(jié)果來看，隨著挖槽深度的增加，回淤比呈現(xiàn)出先減小后增大的變化特點，當挖槽深度為3.5 m 時回淤比最小。由此可見，增加挖槽深度雖然可以提高沖刷比，但是大幅增加挖槽深度的效果較為有限，同時還會導致回淤比的增加。從具體計算結(jié)果來看，挖槽深度為3.5 m 時的整體清淤效果最佳。

圖5 沖刷比隨挖槽深度變化曲線

圖6 回淤比隨挖槽深度變化曲線

3 結(jié)語

此次研究以白石水庫為例，利用數(shù)值模擬的方式探討了挖槽參數(shù)對河道型水庫清淤效果的影響，并獲得最優(yōu)參數(shù)組合方案，可以為白石水庫工程清淤的設(shè)計施工提供必要的支持，也可以為相關(guān)的理論研究和類似工程設(shè)計提供有益的借鑒。當然，挖槽清淤工程效果的影響因素較多，挖槽的斷面形態(tài)、縱比降、上游的來水來沙條件均會對清淤效果產(chǎn)生直接或間接影響。因此，在今后的研究中應(yīng)該選擇更多的參數(shù)進行研究和分析，以獲得更為科學和準確的研究結(jié)論。