河道采砂對(duì)通航水流影響后評(píng)估研究

劉 朋

（寬甸滿族自治縣古樓子水利服務(wù)站，遼寧 丹東 118217）

科研與管理

河道采砂對(duì)通航水流影響后評(píng)估研究

劉 朋

（寬甸滿族自治縣古樓子水利服務(wù)站，遼寧 丹東 118217）

以長(zhǎng)江大沙壩砂石采區(qū)后評(píng)估為例，著重研究項(xiàng)目實(shí)施后對(duì)該河段通航水流條件的影響。通過建立二維數(shù)學(xué)模型復(fù)演工程河段項(xiàng)目實(shí)施前后流場(chǎng)，數(shù)模計(jì)算結(jié)果顯示采砂活動(dòng)對(duì)該河段水位及流速影響較小，總體對(duì)通航影響較小，同時(shí)綜合目前河道采砂現(xiàn)狀，為采砂活動(dòng)提出建議。

采砂；數(shù)值模擬；后評(píng)估

江砂作為一種建筑材料，隨著城市建設(shè)的快速發(fā)展，需求量增長(zhǎng)較快。而從長(zhǎng)江直接開挖砂石，勢(shì)必影響河道的演變及長(zhǎng)江航運(yùn)安全。縱觀國內(nèi)的相關(guān)研究，毛野［1］在2000年提出采砂活動(dòng)將影響到工程河段流態(tài)及河床演變，并利用微尺度動(dòng)床河工模型進(jìn)行試驗(yàn)［2-3］，研究表明規(guī)模河道采砂可能改變具體河段的河勢(shì)。毛勁喬［4］應(yīng)用ASM模型研究天然河道采砂的次生流問題，計(jì)算成果表明采砂坑嚴(yán)重影響河床穩(wěn)定。劉蓉［5］闡述了河道采砂現(xiàn)狀及采砂管理中存在的問題，分析了無序采砂的不利影響。李文全［6］以長(zhǎng)江中游武穴水道為例，重點(diǎn)分析非法采砂給中游河床演變及通航造成的影響，并利用物理與數(shù)學(xué)模型，研究預(yù)測(cè)了本河段河道演變發(fā)展趨勢(shì)。謝林申［7］建立河網(wǎng)一維水動(dòng)力模型與河網(wǎng)一維水質(zhì)數(shù)學(xué)模型，對(duì)采砂疏浚所引發(fā)的珠江三角洲河網(wǎng)區(qū)局部水系的水質(zhì)變化進(jìn)行模擬研究。穆錦斌［8］利用平面二維水沙數(shù)學(xué)模型，對(duì)長(zhǎng)江中游河段對(duì)采砂沖淤變化及采區(qū)內(nèi)泥沙回淤率進(jìn)行了預(yù)測(cè)。李健［9］應(yīng)用FLUENT進(jìn)行了沙坑局部的立面二維水沙數(shù)值模擬，計(jì)算表明沙坑在立面方向上也改變了流場(chǎng)及泥沙的分布結(jié)構(gòu)。徐芳［10］運(yùn)用二維數(shù)學(xué)模型計(jì)算，對(duì)長(zhǎng)江中游武漢河段的采砂對(duì)航道和通航環(huán)境安全影響進(jìn)行了分析。肖洋［11］利用數(shù)值模擬技術(shù)在與明渠水流實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比的基礎(chǔ)上，研究了不同矩形采砂坑長(zhǎng)度、深度和面積對(duì)明渠水位降低的影響。高健［12］基于采砂區(qū)域、采砂量、采砂區(qū)域航道結(jié)構(gòu)信號(hào)的自動(dòng)采集和識(shí)別方法，設(shè)計(jì)出長(zhǎng)江航道采砂實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。目前有關(guān)采砂的研究絕大多數(shù)集中在長(zhǎng)江中下游地區(qū)，本文以長(zhǎng)江大沙壩邊灘采砂活動(dòng)實(shí)施后的河道影響后評(píng)估為例，重點(diǎn)研究采砂活動(dòng)實(shí)施后對(duì)該河段的河床通航水流條件的影響，同時(shí)結(jié)合目前工程實(shí)施情況，對(duì)下一步工程的實(shí)施提出建議。

1 項(xiàng)目概況

對(duì)于長(zhǎng)江上游采砂活動(dòng)后評(píng)估研究，以大沙壩采區(qū)為例，本采區(qū)在2014年4月至2015年2月期間開采部分砂石作為建筑材料，由于該水域?qū)嵤┎缮盎顒?dòng)已滿1個(gè)年度，因而需根據(jù)采砂方案實(shí)施情況，論證采砂是否對(duì)航道條件產(chǎn)生影響等，進(jìn)行符合性后評(píng)估。

大沙壩采砂工程位于長(zhǎng)江上游左岸茄子磧至窎魚磧河段之間的大沙壩邊灘，上首窎魚咀為急彎河段，其下窎溝磧、銅盆磧、大沙壩伸出河心較開。南岸蝦子梁石梁縱臥河心，形成中、洪水期上游著名的急彎滑梁險(xiǎn)槽，中下段較為順直。出銅盆磧至大沙壩出口河段河身仍較為狹窄，但河道順直，水流條件較好。采砂位置位于窎魚咀急彎河段凸岸稍下首，受彎道水流及河勢(shì)影響，在彎道凸岸下首即左岸形成一大型砂卵石邊灘：銅盆磧和大沙壩。

2014～2015年度大沙壩采區(qū)實(shí)際開采統(tǒng)計(jì)，如表1所示，同時(shí)對(duì)比采砂實(shí)施前2014年4月和采砂實(shí)施后2015年9月河床地形測(cè)圖，1#采區(qū)下段、2#采區(qū)和3#采區(qū)頭部等區(qū)域河床高程下降明顯，其中1#采區(qū)下段和2#采區(qū)71%的范圍內(nèi)采挖后床面高程已低于開采控制高程，存在一定超挖現(xiàn)象。

表1 大沙壩采區(qū)實(shí)際開采統(tǒng)計(jì)

2 通航條件影響后評(píng)估

采砂活動(dòng)實(shí)施后按照相關(guān)規(guī)定，需要及時(shí)對(duì)項(xiàng)目實(shí)施進(jìn)行后評(píng)估研究工作。后評(píng)估研究的內(nèi)容與項(xiàng)目可行性研究不盡相同，其側(cè)重點(diǎn)主要是項(xiàng)目的實(shí)施對(duì)通航水流條件的影響及對(duì)河床演變進(jìn)程的改變程度，同時(shí)為下一階段的工程規(guī)劃做指導(dǎo)。本文主要研究項(xiàng)目實(shí)施對(duì)通航條件的影響。為了復(fù)演工程前后河段流場(chǎng)，本研究建立平面二維數(shù)學(xué)模型，根據(jù)實(shí)測(cè)工程河段前后地形及水文資料，模擬了工程前后河段的流動(dòng)情況。

2.1 計(jì)算條件

為了分析采砂實(shí)施后對(duì)工程河段航道水流條件的影響，本次采用二維數(shù)學(xué)模型計(jì)算分析采砂實(shí)施前后河段的水流條件變化情況。本次數(shù)學(xué)模型計(jì)算區(qū)域?yàn)椋哼M(jìn)口位于上游佛耳巖（航道里程695.7km），出口位于下游龍家溪（航道里程682.4km），長(zhǎng)13.4km，平均寬1km。本次計(jì)算考慮了4級(jí)流量、2種工況共計(jì)8個(gè)組合。計(jì)算流量和水位如表2。

表2 計(jì)算流量和水位

2.2 模型驗(yàn)證

數(shù)學(xué)模型對(duì)Q=5790m3/s和Q=13000m3/s兩級(jí)流量下的實(shí)測(cè)瞬時(shí)水面線及斷面流速分布進(jìn)行了驗(yàn)證，水位、流速的大小和分布與實(shí)測(cè)資料較為一致，計(jì)算結(jié)果與實(shí)測(cè)資料基本吻合，二維水流數(shù)學(xué)模型基本能模擬實(shí)際河道的水流條件。

2.3 采砂對(duì)水流條件的影響

2.3.1 河道水位的影響

通過實(shí)測(cè)地形圖發(fā)現(xiàn)，大沙壩采砂實(shí)施后，各采區(qū)內(nèi)床面高程有所下降，采區(qū)附近水位有不同程度變化，具體表現(xiàn)為采區(qū)頭部及上游有不同程度下降，且距采區(qū)愈近，水位下降愈明顯，各計(jì)算工況水位降幅基本在0～0.07m，最大水位降幅0.076m（來流量13000m3/s）；采區(qū)內(nèi)局部水位有不同程度增加，水位增幅基本在0～0.18m。總體來看，采砂實(shí)施后，采砂引起的本河段水位變化較小，且影響局限在采區(qū)附近局部水域，各計(jì)算工況中，以中水位期時(shí)對(duì)河道水位變幅影響最大，如表3。

表3 采砂實(shí)施后采區(qū)附近河道水位變化

2.3.2 采區(qū)附近流速的影響

采砂實(shí)施后，改變了采區(qū)河床邊界條件，采區(qū)附近流速有明顯變化，距采區(qū)愈近，局部流速變化影響愈明顯。計(jì)算結(jié)果，在中高水位期時(shí)，采砂實(shí)施對(duì)采區(qū)附近流速影響最明顯，采區(qū)附近最大流速變幅-0.3～0.39m/s。分析其原因，在中高水期時(shí)，采區(qū)所在邊灘水深相對(duì)較小，局部流速對(duì)采區(qū)地形變化的敏感性較強(qiáng)，如表4。總的來看，上年度采砂實(shí)施對(duì)采區(qū)附近局部流速變化影響不大，其影響范圍基本在采區(qū)上游500m至采區(qū)下游600m范圍內(nèi)。

表4 采砂實(shí)施后采區(qū)附近流速變化

2.3.3 河道主流帶流速的影響

從典型流量（Q=54500m3/s）下工程前后流場(chǎng)分布圖1，圖2比較看出，采砂實(shí)施后河道內(nèi)水流流向未有明顯改變，與采砂前河道流場(chǎng)方向基本一致。采砂實(shí)施前后計(jì)算流量下采砂河段主流帶流速變化情況如表5。

圖1 采砂實(shí)施前流場(chǎng)分布

圖2 采砂實(shí)施后流場(chǎng)分布

表5 采砂實(shí)施前后主流帶流速變化

從表5可看出，采砂工程實(shí)施后，采砂河段主流帶流速基本呈減小趨勢(shì)，最大減幅發(fā)生在來流量Q=13000m3/s時(shí)，流速減幅0.46m/s，且主流帶流速減幅隨著來流量的增加而呈遞減趨勢(shì)，即流量愈大，采砂實(shí)施對(duì)河道主流流速的影響愈小。

3 結(jié)語

（1）通過建立二維數(shù)學(xué)模型復(fù)演工程河段項(xiàng)目實(shí)施前后流場(chǎng)，計(jì)算結(jié)果顯示本年度采砂施工后，采砂工程實(shí)施對(duì)附近局部水位、流速有一定影響，但采砂后河道主流線變化不明顯，對(duì)右側(cè)主航道水流條件變化影響不大，局部航槽內(nèi)流速略有減小，現(xiàn)狀條件下采砂對(duì)河道通航水流條件尚未顯現(xiàn)不利影響。

（2）下一步制定采砂方案時(shí)，應(yīng)對(duì)采砂施工范圍、采深和采量進(jìn)行嚴(yán)格控制，防止過度無序開采對(duì)采區(qū)河段水流條件造成不利影響。

［1］毛野.初論采沙對(duì)河床的影響及控制［J］.河海大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2000（4）：92-96.

［2］毛野，黃才安，陳建華，等.長(zhǎng)江鎮(zhèn)江段河道采砂的影響及其控制利用的試驗(yàn)研究［J］.泥沙研究，2004（3）：41-45.

［3］毛野，黃才安.采砂對(duì)河床變形影響的試驗(yàn)研究［J］.水利學(xué)報(bào)，2004（5）：64-69.

［4］毛勁喬.河道復(fù)雜采砂坑附近流場(chǎng)的數(shù)值模擬［J］.水科學(xué)進(jìn)展，2004（1）：6-11.

［5］劉蓉，錢兆燕，趙志舟.采砂對(duì)河道的影響分析及治理措施研究［J］.重慶交通學(xué)院學(xué)報(bào)，2006（2）：146-149.

［6］李文全.長(zhǎng)江中下游采砂對(duì)航道演變及整治工程影響研究［D］.武漢：武漢大學(xué)，2004.

［7］謝林伸.河道采砂對(duì)珠江三角洲河網(wǎng)水質(zhì)影響數(shù)值模擬［D］.南京：河海大學(xué)，2007.

［8］穆錦斌，楊芳麗，謝作濤，等.采砂工程對(duì)河道影響分析研究［J］.泥沙研究，2008（2）：69-76.

［9］李健.河道采砂影響的數(shù)值模擬研究［D］.武漢：長(zhǎng)江科學(xué)院，2008.

［10］徐芳，岳紅艷.河道采砂對(duì)航道和通航環(huán)境安全的影響［J］.水運(yùn)工程，2010（8）：106-110.

［11］肖洋，張九鼎，雷鳴，等.矩形采砂坑形態(tài)對(duì)明渠水位降低的影響［J］.河海大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2011（6）：702-707.

［12］高健，陳先橋，初秀民，等.內(nèi)河航道采砂監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)及應(yīng)用［J］.武漢理工大學(xué)學(xué)報(bào)（信息與管理工程版），2013（4）：524-527.

Research of the post-assessment for the impact of river sand mining on the navigable flow

LIU Peng
（Kuandian Manchu Autonomous County Water Conservancy Service Stations，Dandong 118217，China）

This paper takes the Dashaba sand mining area of the Yangtze River for an example，we focuse on the influence of river sand mining.on the navigable flow condition.A two-dimensional mathematical model illustrates the change of flow field after river sand mining.The results show that the sand mining activities have little effect on the river water level and velocity，and have a little effect to navigation.Combing current status of river sand mining，put forward some suggestions for the sand mining activities.

sand mining；numerical simulation；post-assessment

TV147

B

1672-9900（2017）05-0054-03

2017-07-11

劉 朋（1976-），男（漢族），遼寧丹東人，工程師，主要從事水利水電工程建設(shè)管理工作，（Tel）0415-5123018。

（責(zé)任編輯：王艷肖）