水沙數學模型在航道整治中的應用

陳躍宏

摘 要：目前在關于航道整治方面的研究慣用的方法主要是野外實地探測、河工模型以及具有光明的發展前途的數學模型。其中，水沙數學模型屬于河流模擬。該模型非常好用，不僅便利而且所需成本不高，再加上它可以用于不同邊界條件下的河流變化等優點，是如今研究水沙運動和河床變化的常見方法。本文以我國某航道工程為例，分析水沙模型在我國航道治理以及其他河流相關問題中的實際應用情況。關于本文中的某航道工程的某干流所在河段類型的相關研究甚少，這與它本身的價值是非常不匹配的，希望本文的研究可以略微豐富該河段類型的研究。

關鍵詞：航道治理;水沙運動;數學模型

中圖分類號：U617? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? 文章編號：1006—7973（2021）06-0111-03

1引言

如今，關于水沙模型的具體計算方式包括有限差分或者體積算法以及特征線等計算方法。大約從20世紀中期開始，一些國家逐漸增加對一些比較重要的工程的投入，在這樣的背景下，不同公司研究出了不同的水沙模型，這些模型應用到了當時的工程建設中并取得了不錯的成績。就我國來說，從上個世紀末期開始，我國的水利建設不斷發展完善，水利建設的需要也推動了我國關于水沙模型的研究，并取得了良好的成就，在我國水利工程的建設中起到了重要作用。隨著相關研究的進步，一些水力問題如今只能由相關數學模型來解決。河流數學模型的應用范圍越來越廣，具有光明的應用前景。結合文中河段的水流特點，參考前人的經驗和現有的該河段的有關研究資料，建立一維水沙數學模型，對該河段的泥沙問題進行模擬計算驗證數學模型，并以此為基礎分析水沙模型對航道治理的影響。

2 一維非恒定流模擬的數值方法

水流的演算主要分兩大板塊：水文學和水動力學。后一種演算方法按照對水流過程的處理方式的不一樣而劃為恒定和非恒定兩種。通常情況下，河流的水流都是非恒定的。水動力學經過幾十年的不斷研究與進步，已經發展成為目前應用較多的模擬方法。這種演算方法已經產生了好幾種數值計算方法，綜合考慮到了會影響到計算結果的各種因素。水動力學模型的適用范圍比較廣泛，精確度也比較高。前文提及的水沙模型的幾種計算方式都屬于水動力學，它的基本思想見圖1。

3 某河段的水流變化分析及整治參數的確定

3.1河流概況

該河段屬于珠江水系，源頭位于云南曲靖，河流總長度大約為2216千米，是南方地區的第一大河流，其中該河段的長度大約為851千米。該河段的航運線路經過粵、桂地區，地理位置也十分優越，聯系著粵、桂、黔、港澳五大地區的水上交通，也是其所屬水系的重要航運道路，流經17個城市，最終匯入南海。該干流水量豐富，而且一年到頭都不結冰，然而其界首到都城這一河段的水沙條件比較惡劣，長度大約為37千米。雖然后來進行了專門治理，取得了一定效果，但又因為上游地區水電站的出現，影響了該河段的水沙情況，給航運造成了一定阻礙。

3.2水沙條件

該干流所在流域的自然條件是非常優越的，從1月份開始，水量呈增加趨勢，漲幅也越來越大，直到7月份到達峰值。每年夏季的降雨最多，水量也最為豐富，之后每月水量逐漸下降，水量的最低峰值一般集中于12月或者1月。一年內的水量季節之間的差距是比較大的，分配不均勻。詳情見表1。

某干流的含沙量相對而言是比較低，但是總的含沙量則比較高，這是由于它的水量比較大，這樣就導致水沙比較低，但是總體的含沙量卻比較大的情況出現，而且每個月份的水沙情況不一樣，比較不穩定，差距較大。該干流的輸沙情況就總的來說是以懸移質為主，詳情見表2。

4 全沙數學模型的實際應用研究

4.1某河段模型沖淤模擬驗證

根據現有的資料，我們選擇以該河段2004年一整年的水沙情況為基礎，來進行相關的模擬計算和驗證。設定該河段所在起始點為長洲，末端為肇慶，長度為167千米。這一河段一共分布101個斷面，選取廣東某公司1：5000的水下地形測繪圖。我們以2004年的測繪地圖為準，經過計算，我們將該河段的沖淤情況和下一年的測繪圖進行對比之后得出，最終模擬結果與實際情況基本吻合，因此可以借助進行沖淤測算。

4.2某樞紐對下游地區航道治理的影響

4.2.1下游河道沖刷

某樞紐下游河段的河床變化情況一般是：因為庫區堆積了一些泥沙，導致向下游地區輸送的泥沙降低，而且泥沙的顆粒也較小，但是下游地區對于泥沙有一定數量的要求，所以河床需要進行從上倒下的沖刷。在這一過程中，懸移質泥沙會逐漸變得細小。等到水庫裝滿淤泥開始向下游泄出渾水，這時也會產生從上到下的淤泥的堆積。這一過程觸及的范圍一般在幾十到幾百公里左右。通常情況下沖刷的長度與時間是正相關，并且會水流量的影響。一般來說，水量較大，沖刷的程度就越高，同時距離也會隨之增加。如果水量較小，則情況完全相反，沖刷的程度和距離都會減弱。總之，導致下游河道產生變化的因素有很多，情況也比較復雜，其中水沙和河段的水文地質是最關鍵的因素，

4.2.2 下泄后水沙條情況的變化

某樞紐在水量最充沛的季節時泄洪方式為敞洪，無法進行調整。在水量最低的時期能夠進行日調節，但能夠調整的幅度是非常小的。樞紐產生之后，下游地區的水流情況跟自然條件下的情況差別無幾。根據水庫運行期間攔截的泥沙等信息發現，該樞紐的攔截的泥沙能力隨著泥沙的逐漸堆積起到的作用越來越小。十年之后，下泄的水沙情況與原本自然狀態下基本沒有差別。

綜上所述，該樞紐在建立初期，下游的含沙量有所降低，但實際作用有限。經過多年的運作，下泄的泥沙慢慢回轉到原始狀態，下游地區可能會出現些微回淤問題，之后河道沖淤逐漸恢復平衡。

4.2.3 計算成果分析

為了研究某樞紐以及航道治理對該河段的水沙情況起到的作用，我們利用一位泥沙模型進行了一系列的計算。我們以1998到2006年期間的水文信息為依據展開分析和計算。從圖2和圖3展示的信息我們能夠得出該河段的水量和泥沙數量的變化方向大致相同，呈正相關。

表3展示的為該河段一年內的泥沙沖淤的演變辯護量，表4則顯示的是一年內累積平均沖淤的厚度。從這兩個表中我們不難看出，某樞紐建立之后，沖刷下游的泥沙大部分都堆積在了同樣的位置，這種情況是不利于對于該位置河道的維護，所以在治理時需要格外注意這一問題。

4.2.4沖刷計算與結果分析

以對應的河流上段水流情況和下段水位情況，對其進行沖刷計算。河口位置由于某樞紐的原因，取含沙量為0;出口位置為某站對應狀態下的含沙量過程，入口含沙量應當是對應某河段的含沙量過程。模擬分析結果：模擬一年的沖刷，共選取6個斷面展開相應的分析，斷面位置見圖4，各個斷面在沖刷前后的河床變化對比見圖5。

從圖中我們可以看出，斷面沖刷大部分是深泓線亂沖，導致水下淺灘泥沙堆積，河道的形狀也變得窄深，這樣在水量較低的情況下水的深度也會有一定提升，有助于水上交通。

5 結論

本文中的研究對象某河段上游區域的航道等級是比較低的，已經不能滿足該區域及其流經地區的經濟和水上交通的需要，所以對該河段進行相應的治理是非常有必要的，并且要盡早采取相應的措施，而泥沙模型可以為這一工程提供科學技術支持。在利用泥沙模型進行航道整治時一定要結合河流的水文和地質情況，搜集準確豐富的資料，但仍有問題需要繼續深入了解。

參考文獻：

[1]謝鑒衡.河流模擬[J].武漢水利電力學院.1990.

[2]長江航道局.航道工程手冊[M].北京：人民交通出版社，2005.

[3]曹志先.水沙兩相流立面二維數學模型及數值方法研究[D].武漢水利電力大學.1991.

[4]韓其為，何明民.恢復飽和系數初步研究[J].泥沙研究.1997.9（3）：32-40.

[5]張修忠，王光謙.河道及河口一維及二維嵌套泥沙數學模型[J].水利學報，2001（10）：82-87.