基于防洪安全影響的河道采沙場設置方案比選研究

董文津

(凌河保護區管理局，遼寧 朝陽 122629)

1 研究區概況

大凌河發源于遼寧與河北兩省的接壤地區，全長約447 km，大小支系縱橫交錯，其主脈橫貫遼西，向東南匯入渤海[1-2]。大凌河是遼寧省西部最大的河流，流域面積約2.33萬km2，流域內年降雨量400～600 mm，年均徑流量17.91億m3。流域內的山地占73%，丘陵占22%，平原占5%，上游地區處于降水偏少的遼西，水少、沙少；下游地區位于雨量較為充沛的平原地區，水多、沙多。大凌河的干流河床上游主要是粗砂和中砂，下游河床主要是中砂和細砂[3-4]。

研究區的大凌河采砂段全長約4.5 km，地處大凌河的下游，河道曲折蜿蜒，彎曲系數約1.8，洪水時河寬約1800 m，枯水時河寬約200 m，河中分布有多個沙洲。該河段的多年演變結果顯示，其平面與斷面形態變化不大，灘情比較穩定，沒有明顯的蠕動現象。

2 計算模型與方案

2.1 模型選擇

擬建的采砂場位于京哈高速公路橋下游22 km處，河道中沙洲較多，屬于典型的寬淺型河道。同時，項目區的上游和下游存在較多的彎道，為了進行河道水流的有效控導，在河道的彎道和險工部位修建了多處丁壩和堤岸防護工程，因此，河道的流態比較復雜。為了準確模擬采砂場開采后對河道水位和流態等特征的影響，此次研究通過垂向平均處理的平面二維水流物理過程模型MIKE21進行計算模型的構建。該模型是丹麥水力學研究所設計開發的數學模擬程序，目前已經廣泛應用于水動力模擬研究，屬于水動力研究領域比較優越的模型[5]。

2.2 模型的建立

綜合考慮采砂場所在的大凌河河段的河勢以及工程影響等因素，選擇項目區上游2.5 km至下游3.0 km之間的河道作為模擬區域，全長20 km，模擬區域的平均寬度1.5 km，模擬總面積為15.68 km2。采用三角形網格對模擬河段進行網格剖分，對于高程變化相對較小，河道的岸線比較平順的位置可以適當加大網格，以減小模型的計算量[6]；在河岸附近以及高程變化相對劇烈的部位，需要對網格進行適當的加密處理，以提高模型計算的精度。研究中最大網格的面積為1574 m2，最小網格的面積為8.3 m2。最終，整個計算模型劃分為49 424個計算網格，24 263個計算單元。模型的網格剖分示意圖如圖1所示。

圖1 計算模型網格剖分示意圖

2.3 計算參數與邊界條件

為了降低中小型洪水對大凌河兩岸行洪灘地的農田和建筑物的影響，在該河段的河道兩側均修建了防洪小埝，采用5000 m3/s設計，采用7000 m3/s校核。根據擬建采砂場的位置，對河道的行洪能力進行復核，結果顯示該河段防洪小埝的現狀行洪能力為5000 m3/s，相當于5年一遇。在模型計算過程中，將模型的上邊界設定為設計流量邊界，5年一遇流量為5000 m3/s，模型的下邊界為給定起推水位。研究河段的糙率主要根據2006年8月大凌河洪水的實測洪痕，按照當時4280 m3/s的最大流量進行率定。其中，河道主槽的糙率為0.025～0.055，灘地的糙率為0.040～0.100。由于大凌河下游河段近年來并沒有經過大水的侵襲，植被與林地侵占河道的現象比較嚴重，河道的糙率明顯偏大[7]。因此，在本次模擬中要以上述成果為基礎，經過進一步率定確定河槽的糙率為0.030，灘地的糙率為0.045，樹木的糙率為0.057，農田的糙率為0.053。

模擬的時長確定為24 h，其中,主時間步長為15 s，共5760步，時間的積分和空間的離散方式均采用高階。

2.4 計算方案

在此次研究中，采砂方案的總體設計目標是在保證河勢不發生重大變化并保證防洪安全的情況下，滿足砂石開采的實際需求[8]。基于此，考慮采砂區的上下游邊界是否打開以及是否具有施工的可行性，初步確定了兩種采砂方案，具體的設計思路如下：

方案1為全封閉采砂方案，大凌河在此處分為東西兩汊，采砂區主要分布于兩汊之間的河心沙洲部位，且全部位于防洪小埝的內部。采區上游與左岸和右岸灘地的距離大于370 m，下游采區與出口左岸預留200 m的采砂通道，采區與防洪大堤外側河堤腳線的距離均大于1000 m。

方案2為半封閉方案，采砂區主要分布于兩汊之間的河心沙洲部位，且全部位于防洪小埝的內部。采區上游與左岸和右岸灘地的距離大于370 m，下游采區的邊線和大凌河的南汊相連接形成連通狀態，采區與防洪大堤外側河堤腳線的距離均大于1000 m。

在計算對比分析過程中，統一確定控采高程為-2.0 m，也就是開采之后采區的底部高程為134.5 m。在研究中，為了獲取不同流量工況下兩種開采方案對河道水文特征的影響，設置了如表1所示的計算工況。

表1 計算工況設計

3 計算結果與分析

3.1 水位變化計算結果與分析

利用上節構建的二維水沙模型，對兩種不同開采方案各工況下的水位高度進行計算，獲得如表2所示研究河段4個典型觀測點的水位值。由計算結果可知，在采砂之后，研究段在各斷面、各工況下的水位高度均呈現出不同程度的下降，對提升研究河段的行洪能力有利。從兩種不同的采砂方案的對比來看，方案2的水位變化較方案1更為明顯。因此,方案2在采砂之后對研究河段沿程水位的影響相對較大。

表2 四個典型斷面水位高度計算結果 m

3.2 險工段近岸流速計算結果分析

為了研究大凌河分汊河段防洪安全受采砂的影響，需要分析東西汊傳統險工險段的局部流場變化。利用上節構建的模型，對不同計算工況下研究河段的兩處險工險段的近岸流速進行計算，其最大值如表3所示。由表中的計算結果可知，在采砂之后，各工況下的兩處險工險段的近岸流速均有不同程度的下降，同時方案2對西汊險工險段近岸流速的影響更為明顯。

表3 險工險段的近岸最大流速計算結果

3.3 分匯流處流速計算結果分析

為了進一步研究采砂對河道走勢變化的影響，汊道分流和匯流部位的水流結構形態的穩定性十分重要。基于此，研究中利用上節構建的模型，對研究河段的汊道分流和匯流部位的流速進行計算，其最大值如表4所示。由表中的計算結果可知，在不同的計算工況下，采砂活動會對河道局部流速的分布造成一定的影響，對上游分流部位的影響最為顯著。從兩種采砂方案的對比來看，對分、匯流部位的流速的影響基本一致，但是方案2的影響相對更大。

表4 分、匯流部位最大流速計算結果

4 結 論

此次研究采用數值模擬的方法，對大凌河干流某采砂場的設計方案進行對比分析，得出如下主要結論：

(1)在采砂之后，研究段在各斷面、各工況下的水位高度均呈現出不同程度的下降，對提升研究河段的行洪能力有利，且半封閉方案的水位變化較全封閉方案更為明顯。

(2)在采砂之后，各工況下的兩處險工險段的近岸流速均有不同程度的下降，同時半封閉方案對西汊險工險段近岸流速的影響更為明顯。

(3)采砂活動會對分、匯流部位的流速的分布造成一定的影響，對上游分流部位的影響最為顯著。從兩種采砂方案的對比來看，半封閉方案的影響相對更大。

(4)綜合研究結果，推薦全封閉采砂方案為某采砂場的設計方案。