河道采砂對通航水流影響后評估研究

劉 朋

（寬甸滿族自治縣古樓子水利服務站，遼寧 丹東 118217）

科研與管理

河道采砂對通航水流影響后評估研究

劉 朋

（寬甸滿族自治縣古樓子水利服務站，遼寧 丹東 118217）

以長江大沙壩砂石采區后評估為例，著重研究項目實施后對該河段通航水流條件的影響。通過建立二維數學模型復演工程河段項目實施前后流場，數模計算結果顯示采砂活動對該河段水位及流速影響較小，總體對通航影響較小，同時綜合目前河道采砂現狀，為采砂活動提出建議。

采砂；數值模擬；后評估

江砂作為一種建筑材料，隨著城市建設的快速發展，需求量增長較快。而從長江直接開挖砂石，勢必影響河道的演變及長江航運安全。縱觀國內的相關研究，毛野［1］在2000年提出采砂活動將影響到工程河段流態及河床演變，并利用微尺度動床河工模型進行試驗［2-3］，研究表明規模河道采砂可能改變具體河段的河勢。毛勁喬［4］應用ASM模型研究天然河道采砂的次生流問題，計算成果表明采砂坑嚴重影響河床穩定。劉蓉［5］闡述了河道采砂現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］以長江中游武穴水道為例，重點分析非法采砂給中游河床演變及通航造成的影響，并利用物理與數學模型，研究預測了本河段河道演變發展趨勢。謝林申［7］建立河網一維水動力模型與河網一維水質數學模型，對采砂疏浚所引發的珠江三角洲河網區局部水系的水質變化進行模擬研究。穆錦斌［8］利用平面二維水沙數學模型，對長江中游河段對采砂沖淤變化及采區內泥沙回淤率進行了預測。李健［9］應用FLUENT進行了沙坑局部的立面二維水沙數值模擬，計算表明沙坑在立面方向上也改變了流場及泥沙的分布結構。徐芳［10］運用二維數學模型計算，對長江中游武漢河段的采砂對航道和通航環境安全影響進行了分析。肖洋［11］利用數值模擬技術在與明渠水流實驗數據對比的基礎上，研究了不同矩形采砂坑長度、深度和面積對明渠水位降低的影響。高健［12］基于采砂區域、采砂量、采砂區域航道結構信號的自動采集和識別方法，設計出長江航道采砂實時監測系統。目前有關采砂的研究絕大多數集中在長江中下游地區，本文以長江大沙壩邊灘采砂活動實施后的河道影響后評估為例，重點研究采砂活動實施后對該河段的河床通航水流條件的影響，同時結合目前工程實施情況，對下一步工程的實施提出建議。

1 項目概況

對于長江上游采砂活動后評估研究，以大沙壩采區為例，本采區在2014年4月至2015年2月期間開采部分砂石作為建筑材料，由于該水域實施采砂活動已滿1個年度，因而需根據采砂方案實施情況，論證采砂是否對航道條件產生影響等，進行符合性后評估。

大沙壩采砂工程位于長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年度大沙壩采區實際開采統計，如表1所示，同時對比采砂實施前2014年4月和采砂實施后2015年9月河床地形測圖，1#采區下段、2#采區和3#采區頭部等區域河床高程下降明顯，其中1#采區下段和2#采區71%的范圍內采挖后床面高程已低于開采控制高程，存在一定超挖現象。

表1 大沙壩采區實際開采統計

2 通航條件影響后評估

采砂活動實施后按照相關規定，需要及時對項目實施進行后評估研究工作。后評估研究的內容與項目可行性研究不盡相同，其側重點主要是項目的實施對通航水流條件的影響及對河床演變進程的改變程度，同時為下一階段的工程規劃做指導。本文主要研究項目實施對通航條件的影響。為了復演工程前后河段流場，本研究建立平面二維數學模型，根據實測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情況。

2.1 計算條件

為了分析采砂實施后對工程河段航道水流條件的影響，本次采用二維數學模型計算分析采砂實施前后河段的水流條件變化情況。本次數學模型計算區域為：進口位于上游佛耳巖（航道里程695.7km），出口位于下游龍家溪（航道里程682.4km），長13.4km，平均寬1km。本次計算考慮了4級流量、2種工況共計8個組合。計算流量和水位如表2。

表2 計算流量和水位

2.2 模型驗證

數學模型對Q=5790m3/s和Q=13000m3/s兩級流量下的實測瞬時水面線及斷面流速分布進行了驗證，水位、流速的大小和分布與實測資料較為一致，計算結果與實測資料基本吻合，二維水流數學模型基本能模擬實際河道的水流條件。

2.3 采砂對水流條件的影響

2.3.1 河道水位的影響

通過實測地形圖發現，大沙壩采砂實施后，各采區內床面高程有所下降，采區附近水位有不同程度變化，具體表現為采區頭部及上游有不同程度下降，且距采區愈近，水位下降愈明顯，各計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）；采區內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，采砂實施后，采砂引起的本河段水位變化較小，且影響局限在采區附近局部水域，各計算工況中，以中水位期時對河道水位變幅影響最大，如表3。

表3 采砂實施后采區附近河道水位變化

2.3.2 采區附近流速的影響

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

表4 采砂實施后采區附近流速變化

2.3.3 河道主流帶流速的影響

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

圖1 采砂實施前流場分布

圖2 采砂實施后流場分布

表5 采砂實施前后主流帶流速變化

從表5可看出，采砂工程實施后，采砂河段主流帶流速基本呈減小趨勢，最大減幅發生在來流量Q=13000m3/s時，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，即流量愈大，采砂實施對河道主流流速的影響愈小。

3 結語

（1）通過建立二維數學模型復演工程河段項目實施前后流場，計算結果顯示本年度采砂施工后，采砂工程實施對附近局部水位、流速有一定影響，但采砂后河道主流線變化不明顯，對右側主航道水流條件變化影響不大，局部航槽內流速略有減小，現狀條件下采砂對河道通航水流條件尚未顯現不利影響。

（2）下一步制定采砂方案時，應對采砂施工范圍、采深和采量進行嚴格控制，防止過度無序開采對采區河段水流條件造成不利影響。

［1］毛野.初論采沙對河床的影響及控制［J］.河海大學學報（自然科學版），2000（4）：92-96.

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

［3］毛野，黃才安.采砂對河床變形影響的試驗研究［J］.水利學報，2004（5）：64-69.

［4］毛勁喬.河道復雜采砂坑附近流場的數值模擬［J］.水科學進展，2004（1）：6-11.

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

［6］李文全.長江中下游采砂對航道演變及整治工程影響研究［D］.武漢：武漢大學，2004.

［7］謝林伸.河道采砂對珠江三角洲河網水質影響數值模擬［D］.南京：河海大學，2007.

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

［9］李健.河道采砂影響的數值模擬研究［D］.武漢：長江科學院，2008.

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

［11］肖洋，張九鼎，雷鳴，等.矩形采砂坑形態對明渠水位降低的影響［J］.河海大學學報（自然科學版），2011（6）：702-707.

［12］高健，陳先橋，初秀民，等.內河航道采砂監測系統設計及應用［J］.武漢理工大學學報（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管理工作，（Tel）0415-5123018。

（責任編輯：王艷肖）