基于理論模型計算的某河道防洪區泥沙沖淤分析研究

顧 峰，楊 帆，葛萬明

（1.無錫市新吳區水利局，江蘇 無錫 214023；2.無錫市泓利工程監理有限公司，江蘇 無錫 214023；3.無錫市水利設計研究院有限公司，江蘇 無錫 214023）

1 引言

經濟社會不可控制發展，對生態環境帶來不可忽視的負面影響，而水利工程中受到長期工民業用水等多重侵害，導致部分河流淤泥沉積較嚴重、水體富營養化等[1-3]，甚至在部分防洪規劃區域內，都已經出現河床過高，導致雨水季節水位漲幅顯著，極大威脅著民眾正常生活工作。已有較多學者通過水力學理論公式推導或者數值計算等[4-6]，研究著河流中泥沙沖淤狀態，研究成果主要集中在河流水庫攔壩后的排沙比、含沙量等參數選擇驗證上[7-9]。為了更進一步反映出河流泥沙沖淤，針對實際案例，選擇科學合理的模型參數，在泥沙理論運動模型基礎上，研究河流各個斷面上泥沙堆積表現，為了解河流狀態及水利工程設施除險加固設計等提供重要參考。

2 工程概況

某河流控制流域面積超過45 000 km2，防洪區將河流分為上下2個斷面，控制流域面積近乎一致，在下斷面中建設有一座中型水庫，負責攔截洪水，河流并無其他較大的支流水源補充，利用矩估計法確定多年平均徑流量為12.5億m3。圖1（a）為10 a以來水文觀測站監測到的年均水量，各年份之間水量基本呈交替變化，最大水量出現在1989年，超過20億m3，最小水量出現在1992年，僅有最大水量年份的32.6%，高水量表明了在該年份輸送泥沙量更大，最大泥沙量達到39 200.5萬t。圖1（b）為常年各月份平均水量與沙量之間的關系。水量與沙量最大值出現在降雨季節7—9月，月份中最大平均水量與最大輸沙量分別為3.02億m3、5 150.3 萬t。依據水沙特性分析可知，該河流流經防洪區上游含沙量超過50 kg/m3的天數有48.5 d，總輸沙量達到13 555.2 萬t，占比超過95%；河流防洪區總輸沙量包括懸浮質與滑移質年輸沙量，但其中主要以懸浮質輸沙量占比最大，顆粒粒徑分布在0.005～2 mm，中位數粒徑為0.025 mm。

圖1 河道水文觀測資料

3 理論模型的率定與驗證

3.1 理論模型參數的率定

該河流防洪區天然水位流量曲線，如圖2 所示，此與下游出口水位息息相關。根據測試資料，獲得泥沙粒徑分組數據，詳見表1。由于泥沙沖淤量不僅僅與泥沙粒徑相關，同樣與沖積物的物理參數相關，如干、飽和容重以及糙率[10，11]。

圖2 天然水位流量曲線

表1 泥沙粒徑分組

設定流經水流為各向同性的均勻狀態，由已知流量獲得糙率值，根據歷史水文經驗資料[12]，帶入擬合公式，獲得相對應的糙率，如圖3所示。

圖3 糙率曲線

3.2 理論模型驗證分析

不同時間段內河道內沖淤變化曲線以及各年份沖淤量隨時間變化曲線，如圖4所示。從圖4可以看出，隨著年度沖淤量積累，河床高程均會相比原始河床高出一定程度，在距壩里程為10 km段處時，8、10 a的累計沖淤量相比原始河床分別高了3.3%、3.5%。從累計沖淤量隨時間變化關系來看，沖淤量5 a左右是一個輪回，總會通過自身調控回到平衡狀態，在1991 年沖淤量達到最高峰，但隨后逐年下降，趨于計算初始年份狀態，而這也與不同時間段內河道內沖淤變化相一致，不同積累年限下的河床高程在最終靠近，表明該理論模型參數率定是合理與科學的。

圖4 理論模型驗證曲線

4 河道防洪區泥沙沖淤分析計算

4.1 上游閘壩口泥沙沖淤計算

（1）基本參數。由于泥沙數學模型涉及參數較多，因而筆者選擇該河道防洪區內22個斷面開展研究，其中河道長度為11.8 km，水力坡降為0.1%，選擇前文分析所選用的糙率3.2%，以1 d為單位計算時間長度，獲得整個10 a內各個時段內泥沙沖淤量。

（2）現狀河道縱剖面變化。圖5為河道不同年限內縱剖面變化曲線。從圖5可以看出，所有年份縱剖面發生較大差異主要出現在河道里程為0～7.0 km，該區段內，河道高程幾乎隨著年份增長而逐漸抬高，以初始年份和第10 年為典型，在河道里程為3.763 km處，第10年河道高程相比初始年份提升了1.8%。類似的第2、第4、第6、第8 年河道高程在縱剖面上走向近乎一致，聯系初始年份與尾年份河道高程抬高比，可知現狀河道在縱剖面上近乎無顯著變化，高程長期穩定在365.0～380 m。

圖5 不同年限內縱剖面變化曲線（上游閘壩口）

（3）泥沙沖淤量及防洪區內庫容變化。圖6 為不同年限內河道內累計泥沙沖淤量及防洪區內庫容變化曲線。從圖6（a）可以看出，在10 a 周期內，上游閘壩口除第1 年泥沙沖淤量大幅度上升外，其他年份泥沙沖淤量處于波動變化。第1年至第10年泥沙累計沖淤量為257.12 萬m3，根據每年平均排沙比亦可知，年均排沙比均在99%以上，各年份泥沙淤積累計量正值最大為44.33 萬m3，表明上游閘壩口對泥沙沉積量調控較為正常，總體泥沙沖淤量穩定。從圖6（b）可以看出，在不同運行年限內，隨著運行時間愈長，上游閘壩庫容降低愈顯著，其中第10 年剩余庫容僅有初始年份的56.8%，筆者分析此主要是由于隨著年限積累，泥沙沖淤消耗了水庫庫容，造成水庫庫容逐年下降，直至第10年庫容減小至625萬m3。

（4）洪水線與泥沙沖淤量計算結果。圖7 為上游閘壩按照不同洪水頻率計算得出的10 a年限內水面線。從圖7 可以看出，在100 a 一遇洪水條件下，壩體建設完成后水面線最大抬升了1.59 m，位于5.39 km里程處；而50 a 一遇洪水條件下，水面線抬升了1.53 m，位于4.6 km 處；同樣，5 a 一遇洪水條件下，水面線抬升了1.27 m，位于3.393 km 處。經統計，在危險洪水頻率下，洪水水位上漲最高，但3種不同洪水頻率下的水面漲幅仍然較低，漲幅均低于0.1%；另一方面，10 a 運行年限后的上游閘壩過水面積為0.6 km2，相比初始年份減少了61%。

圖6 泥沙沖淤量及防洪區內庫容變化結果

圖7 不同頻率洪水條件下水面線與深泓線（上游閘壩口）

4.2 下游閘壩口泥沙沖淤計算

下游閘壩口剖面高程趨勢與上游閘壩口類似，如圖8 所示。經不同運行年限后，泥沙淤積導致河道各斷面里程上的高程均有一定程度上升，由于泥沙淤積影響在時間線上受汛期與里程影響，各斷面高程均具有一定波動性，第2 年至第10 年各斷面高程集中在362.37～368.77 m，相比上游閘壩口有所下降。

圖8 不同年限內縱剖面變化曲線（下游閘壩口）

（1）泥沙沖淤量及庫容變化。下游閘壩口泥沙沖淤量及庫容變化曲線，如圖9所示。從圖9可以看出，10 a 年限內累計淤積量為76.28 萬m3，從第1 年至第10年泥沙沖淤量總體是呈下降趨勢，正淤積量值最大為15.8 萬m3，年排沙比均值為99.2%。從運行年限庫容變化來看，第10年下游閘壩口庫容損失了35%，降到149.2 萬m3，相比上游閘壩口，損傷比減少了，表明庫容量受泥沙沖淤量影響減弱。

圖9 下游閘壩口泥沙沖淤量及庫容變化曲線

（2）洪水線及沖淤量結果。洪水線與泥沙沖淤量息息相關，通過分析不同洪水頻率洪水線可反映河道內泥沙淤積量，如圖10所示。從圖10可以看出，下游閘壩口10 a年限內洪水位與初始年份洪水位幾乎一致，相比上游閘壩口，下游閘壩口受泥沙沖淤量影響較弱，不論是100 a一遇洪水還是5 a一遇洪水，水面線與初始年份一致。原始深泓線與10 a年限運行周期內僅在里程1.819 km處一致，其他區域里程深泓高程相比均有一定程度升高，表明泥沙沖淤量影響了深泓線走向，原始深泓線主要為前后兩“V”形，10 a年限后的深泓線呈線性上升。利用泥沙理論模型計算，獲得了下游閘壩口斷面上10 a年限后的過水面積為0.7 km2，相比初始年份0.72 km2，并無顯著變化。

圖10 不同頻率洪水條件下水面線與深泓線（下游閘壩口）

5 結論

本文主要結論如下。

（1）獲得了上游閘壩口河道斷面內高程長期穩定在365.0～380 m，下游閘壩口斷面高程集中在362.37～368.77 m，上下游閘壩口現狀河道在縱剖面上近乎無顯著變化。

（2）獲得了上、下游閘壩口河道斷面內累計沖淤量穩定，年均排沙比均在99%以上，上游閘壩口泥沙淤積累計量正值最大為44.33 萬m3，下游閘壩口相比泥沙淤積累計量有所減少，最大值僅有15.8萬m3；上、下游閘壩口庫容分別減少了56.8%、35%，10 a年限后庫容分別為625萬、149.2萬m3。

（3）分析了不同頻率洪水位對河道內泥沙淤積影響：在危險洪水頻率下，上游閘壩口洪水水位上漲最高1.59 m，但漲幅較低，均低于0.1%；下游閘壩口10 a 年限內洪水水位線與初始年份一致，泥沙淤積量主要影響深泓線走向，由前后兩“V”形的原始深泓線演變成10 a年限后的線性上升。