河道采砂對分汊河段河勢影響分析研究

2016-12-24 05:42:24呂敬軍范陸娥余之光陳歷鵬湖南省水利水電勘測設計研究總院長沙市410007

湖南水利水電 2016年4期

呂敬軍范陸娥余之光陳歷鵬王俊（湖南省水利水電勘測設計研究總院長沙市 410007）

河道采砂對分汊河段河勢影響分析研究

呂敬軍范陸娥余之光陳歷鵬王俊
（湖南省水利水電勘測設計研究總院長沙市 410007）

分汊河段水流條件復雜，河勢演變難以控制，在分汊河段進行采砂一直是一個備受關注的問題，尤其是對其分流比的影響是目前研究的熱點之一。文章在定性分析本河段河勢演變趨勢基礎上，建立采砂區一維水流數學模型，對沅水尾閭新興咀以下分汊河段采砂前后分流比變化進行分析和預測，其計算成果可為本河段的采砂的可行性及河勢演變評價提供科學依據。

河道采砂水流條件沅水尾閭數學模型

1 概況

沅水尾閭常德至牛鼻灘河段自新興咀以下分為三汊，北汊經牛鼻灘進入安彭港，汊道長13 km，是歷史上的通航汊道；南汊長約16 km，蜿蜒后在牛鼻灘鎮對面匯入北汊；中汊叫金石河，為1970年人工裁彎取直河道，經大凡洲、小凡洲出安彭港，長約7 km，河寬（80～100）m；新興咀以上洪水河寬1 100 m，枯水河寬約450 m，新興咀以下為河湖兩相型，枯水成河，寬約（300～900）m；洪水成湖，大凡洲、小凡洲淹沒時，水面寬達6.5 km。采砂河段（大凡洲采區）位置詳見圖1。

2 該河段河勢演變分析

該河段屬于典型的鵝頭形分汊河段，其共同的演變規律表現為平面的移動、洲頭洲尾的沖淤以及各汊分流比。該河段北汊為主流，其左側凹岸為沅澧大垸一線堤防，經過洞庭湖一期和二期治理，北汊凹岸通過護岸和堤腳拋石，堤線較為穩固，河道向凹岸一側蠕動的可能性較小；至于洲頭的沖淤變化主要取決于分流區河岸的展寬，該分汊河段分流點位于新興咀，從20世紀60～70年代的分流點與目前分流點比較，洲頭位置比較固定，歸結其原因大抵是江心洲分流點處耐沖刷性較好，受節點控制，灘情穩定；至于洲尾的沖淤主要決定于主汊、支汊主流相匯時交角的大小，該河段洲尾主汊和支汊交角約為72°，交角較大，易受沖刷，洲尾有向上游發展的趨勢，但受護岸工程保護，預計洲尾向上游退縮將受到一定程度的抑制。

圖1 采砂河段示意圖

隨著上游沅水干流五強溪、凌津灘電站的建成，下游中枯水流量將會加大，同時上游來沙大多被攔截在庫區內，對河段的沖刷有利。但就河道整體情況而言，受兩岸堤防的約束，加上眾多的天然節點以及抗沖能力較強的河床、洲灘地質條件，在經歷1993年五強溪水庫攔沙后清水下泄多年沖刷以及1995年、1996年大洪水的作用后，南汊其平面形態與過去相比并沒有大的調整，灘情比較穩定，河道沒有蠕動現象，中汊雖是水利部門開挖的直道引河，但由于河床質較密實堅硬，40多年來僅略微沖刷，基本穩定。北汊處于逐年沖刷狀態，南汊處于逐漸淤積狀態。

3 一維恒定流數學模型

目前國內外關于采砂對河道演變及河勢影響已展開廣泛研究，其研究手段主要有經驗公式法、水沙數學模型、物理模型及原型觀測調查等[1～3]。主要基于水動力學方法，建立采砂區一維水動力數學模型，并采用其上游主要控制水文站（桃源站）1951～2005年的多年平均流量2 053 m3/s作為數學模型計算的特征流量，模擬了采砂前后各汊分流比的變化，計算成果可為該河段的采砂的可行性及河勢演變定性評價提供科學依據。

3.1 一維恒定流數學模型建立

鑒于本河段屬于復雜的分汊河段，不同流量級下，各汊分流比各異，建立該河段一維恒定流數學模型，對該河段采砂前后分流比特征進行分析研究。

其中：Z1、Z2為上下游地面高程；Y1、Y2為上下游水深；V1、V2為上下游流速；

he為能量損失，按照進行計算，其中流程長按照計算，C為局部阻力系數，Sf為比阻。見圖2。

圖2 工程河段計算簡圖

3.2 計算工況及計算參數選擇

根據本河段上下游有桃源、常德、牛鼻灘和周文廟水文站資料，可以計算低水分汊情況下，各個河道的水面坡降，采用以上模型可以計算分汊流量情況。結合本河段河道治理的目標，本次計算工況采用其上游主要控制水文站（桃源站）1951～2005年的多年平均流量2 053 m3/s作為數學模型計算的特征流量。綜合考慮本河段實際情況，河槽糙率選擇為0.025，兩岸灘地糙率選取為0.04。

3.3 模型計算結果

按照采砂規模完成采砂以后，工程所在北汊河段深水河槽得到大幅度擴大，金石河（中汊）和南汊沒有變化。由于工程河段上下游52 km范圍，水面落差僅0.66 m，流速更為接近湖泊特征，且受下游牛鼻灘和周文廟的控制，采砂不直接影響下游河道的水位，主要工程河段的水位影響在“湖泊內部”，以流速進一步降低為主。采砂對各汊分流比影響見表1。

表1 采砂前分汊流量計算成功表

3.4 模型合理性驗證

根據表1的分流比計算結果，采取數學模型與經驗公式法對比分析來驗證數學模型的合理性。本次以簡化為二汊為例，其主汊的分流比為：

式中 A——過水斷面；

H——平均水深；

L——分流點至匯流點的長度；

N——糙率。

經典型斷面計算分析，多年平均流量2 053 m3/s條件下，主汊的分流比約為0.615，相應北汊流量為1 163 m3/s，南汊和中汊流量合計890 m3/s，與數學模型計算結構誤差小于5%，因此可認為本次數學模型計算成果合理可靠。3.5 采砂前后分流比變化分析

本河段采砂完成后，隨著河段水動力學條件的改變，分流比的變化主要在采砂擴大過水面積的北汊，北汊分流比由采砂前的52%，增加至54.8%；而中汊金石河分流比由采砂前的5.2%，減小至4.8%；南汊分流比由采砂前的42.8%，減少至40.4%，詳見表2和表3。

表2 采砂前后河段分流比變化分析表

表3 采砂前后河段Q支/Q總變化表

本文基于水動力方法，建立了本分汊河段的一維恒定流數學模型，對本河段采砂前后分流比特征進行分析研究，其計算結果表明：本河段采砂完成后，隨著河段水動力學條件的改變，分流比的變化主要在采砂擴大過水面積的北汊，北汊分流比由采砂前的52%，增加至54.8%；而中汊金石河分流比由采砂前的5.2%，減小至4.8%；南汊分流比由采砂前的42.8%，減少至40.4%。鑒于本河道在多年平均流量下，主流以北汊為主，采砂僅擴大了主汊（北汊）的分流比，分流比變幅較小，加之北汊左岸已進行護岸工程保護，且受上下游分汊起止節點控制，本河段采砂對河勢演變影響較小，且可控。

4 結論

河道采砂屬于人為強制干預自然的一種方式，作為河道管理人員需要在經濟利益和河道保護之間進行權衡，在保證河勢穩定、防洪安全、通航安全和滿足生態與環境保護要求的前提下，實現河道砂石資源的可持續性利用[4]。本文在定性分析本河段演變趨勢的基礎上，建立了本河段一維水流數學模型，研究探討了沅水尾閭新興咀以下分汊河段采砂前后各汊分流比的變化，其主要結論如下：

（1）采砂后由于輸水斷面的擴大，將對河道水面線產生一定的影響，導致上下游水位及比降發生變化，一般情況下，將加大采砂河段所在分汊的分流比。

（2）分汊河段進行采砂作業將引起分流比及分汊流速等的變化，嚴重時可能會引起分汊河段主次汊道的改變，因此需要采取一定的措施，因勢利導，使得河道演變朝著有利的方向進行。

值得注意的是，在現有水力學環境下，本河段適度的控制性開采對于本河段的河勢演變影響不大，但隨著河段上下游水力條件的改變，河勢演變還很難預測。為此，工程段的開采需要綜合考慮各部門的采挖控制要求，盡可能減少采砂對河勢演變的影響，為將來適應上下游水力條件的變化留有一定余地。

[1]李健.河道采砂影響的數值模擬研究[D].武漢：長江科學院，2008.

[2]曾慧俊，談廣鳴，呂平.采砂河道數值模擬研究進展[J].南水北調與水利科技，2008，6(2):80-83.

[3]岳紅艷，朱勇輝，王越，等.武漢長江楊泗嘰采砂對局部河道的影響分析[J].人民長江，2011，42(13)：76-78.

[4]余之光，宋雅靜，羅純軍.河道采砂可持續發展基本框架探討[J].中國水利，2015，(18):27-30.

2016-05-06）