挖槽參數(shù)對(duì)河道型水庫清淤效果的影響

陳澤標(biāo)

(廣東大禹水利建設(shè)有限公司，廣東 汕頭 515000)

水庫是重要的水利基礎(chǔ)設(shè)施，在優(yōu)化水資源配置，促進(jìn)國民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展方面具有重要作用。水庫建設(shè)和運(yùn)行也會(huì)導(dǎo)致一系列負(fù)面問題的產(chǎn)生，特別是破壞天然河流的平衡狀態(tài)，導(dǎo)致水位雍高、水深增大、水流的輸沙能力大幅減弱，致使大量泥沙在庫區(qū)淤積，對(duì)于高含沙河流而言尤其如此[1]。嚴(yán)重的水庫淤積不僅會(huì)影響運(yùn)行安全，還會(huì)影響其功能和作用的發(fā)揮，降低水庫使用年限[2]。對(duì)淤積嚴(yán)重的水庫進(jìn)行工程清淤就顯得尤為必要，而選擇合理的清淤方案則可以有效降低工程量，提升清淤效果[3]。

某水庫是一座以防洪、灌溉和城市供水為主，兼有發(fā)電、養(yǎng)殖等功能的大型水利樞紐工程。水庫流經(jīng)地區(qū)主要為半干旱丘陵山區(qū)，植被條件差，水土流失較為嚴(yán)重，因此河流的含沙量較高、輸沙量大。因此水庫建成以來一直面臨較為嚴(yán)重的泥沙淤積問題。根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)，水庫目前的淤積總量已經(jīng)達(dá)到設(shè)計(jì)庫容的9.3%，嚴(yán)重影響水庫的正常使用。因此，采取有效措施，解決水庫的淤積問題就顯得尤為重要。

一般情況下，針對(duì)不同來水來沙條件，天然河流可以作出相應(yīng)的調(diào)整，力求上游的水沙通過河段向下游宣泄，使河道形態(tài)基本保持穩(wěn)定[4]。當(dāng)來水來沙條件變化十分劇烈時(shí)，河道的上述平衡狀態(tài)就將被打破，就需要通過改道等大規(guī)模的變動(dòng)實(shí)現(xiàn)新的平衡[5]。河道的疏浚挖槽屬于前者，可以通過自我調(diào)節(jié)恢復(fù)平衡狀態(tài)。河道型水庫的修建給河道形態(tài)和上游水沙條件造成巨大變化，難以通過河流自身的適應(yīng)性變化進(jìn)行調(diào)整并導(dǎo)致較為嚴(yán)重的淤積，而通過清淤塑槽可以有效解決其淤積問題[6]。清淤槽的參數(shù)是其工程效果的直接影響因素，此次研究利用數(shù)值模擬的方式展開挖槽清淤參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)，以便為工程應(yīng)用提供支持和借鑒。

1 計(jì)算模型的構(gòu)建

1.1 建模思路

MIKE SHE是具有先進(jìn)預(yù)處理系統(tǒng)的分布式水文模型[7]。該模型涵蓋了明渠流、非均勻流、地表徑流以及蒸散發(fā)等水文過程中的各個(gè)主要環(huán)節(jié)，可以為水文研究提供比較簡便和靈活的求解方法。MIKE11是用于水庫、河網(wǎng)以及水工建筑物綜合設(shè)置的一維水動(dòng)力模型[7]。本文利用上述兩個(gè)模型的耦合，建立楊樹溝小流域的水文-水動(dòng)力耦合模型。

1.2 建模過程

在構(gòu)建MIKE SHE水文模型時(shí)，將模型的范圍定義為白石水庫庫區(qū)，并利用四邊形網(wǎng)格進(jìn)行模型單元?jiǎng)澐郑⒗寐鼘幑胶蛿U(kuò)散波逼近法進(jìn)行模型求解，以盡量體現(xiàn)流域的空間變化特征[9]。鑒于模型主要用于水沙過程的模擬，因此選擇了比較精密的網(wǎng)格，這也有助于MIKE11水動(dòng)力模型中河道連接的準(zhǔn)確。綜合上述考量，將模型網(wǎng)格單元的尺寸設(shè)定為邊長為30m的正方形網(wǎng)格[10]。

研究中利用地理空間數(shù)據(jù)云獲取研究區(qū)的DEM圖，利用ArcGIS10軟件將獲得的分辨率為30m的DEM圖進(jìn)行鑲嵌、裁剪和投影等一系列圖形的轉(zhuǎn)化操作，將其轉(zhuǎn)化為shp.格式的地形數(shù)據(jù)。

利用ArcGIS10軟件進(jìn)行研究區(qū)河網(wǎng)矢量文件提取，并使用軟件進(jìn)行河網(wǎng)文件生成，利用軟件中自帶的3D Analyst工具進(jìn)行DEM的切割，并結(jié)合實(shí)際調(diào)查數(shù)據(jù)對(duì)提取的斷面參數(shù)進(jìn)行修正。鑒于研究區(qū)屬于開放性流域，因此將上游邊界設(shè)置為流量邊界條件，下游為固定水位邊界。在MIKE SHE和MIKE 11模型構(gòu)建完成后，在MIKE SHE中的Rivers and Lakes模塊下打開MIKE 11文件，并在每一個(gè)計(jì)算步長進(jìn)行水量交換，實(shí)現(xiàn)兩個(gè)模型的全動(dòng)態(tài)耦合。

1.3 計(jì)算方案

河道開挖疏浚過程中對(duì)沖淤影響的因素較多，其中影響比較顯著的有挖槽的長度、寬度、深度等3個(gè)幾何尺寸因素以及挖槽比降。研究中選擇上述4個(gè)因素作為變量進(jìn)行計(jì)算分析，獲得上述4個(gè)參數(shù)不同取值對(duì)水庫清淤效果的影響。結(jié)合相關(guān)研究成果和工程經(jīng)驗(yàn)以及背景工程的實(shí)際情況，確定挖槽參數(shù)的取值水平。其中，在河道進(jìn)行開挖之后，其上游河道在一定范圍內(nèi)會(huì)產(chǎn)生水位下降，特別是首端水位下降比較顯著。相關(guān)研究顯示，開挖長度越大，其首端的水位下降越多，但是長度超過10km后的水位下降率會(huì)大幅減小。開挖長度建議不超過10km。結(jié)合背景水庫的實(shí)際情況，設(shè)計(jì)4、5、6、7、8、9和10km等7種不同的開挖長度；結(jié)合白石水庫的庫區(qū)特點(diǎn)，設(shè)計(jì)50、100、150、200、250、300、350m等7種不同的挖槽寬度；設(shè)計(jì)2、2.5、3、3.5、4、4.5、5m等7種不同的挖槽深度；鑒于水庫挖槽段未開挖前的原始比降為0.21‰，為了研究比降對(duì)清淤效果的影響，設(shè)置0.18‰、0.19‰、0.20‰、0.21‰、0.22‰、0.23‰和0.24‰等7種不同的開挖比降。為了減小研究過程中的計(jì)算量，計(jì)算中保持3個(gè)參數(shù)的取值不變，對(duì)第4個(gè)參數(shù)的影響效果進(jìn)行計(jì)算評(píng)價(jià)，通過對(duì)計(jì)算結(jié)果的分析獲得最佳挖槽清淤方案，以便為背景工程提供有益的支持和借鑒。

2 計(jì)算結(jié)果與分析

2.1 挖槽長度

研究中保持挖槽深度3m、挖槽寬度200m、挖槽比降0.21‰不變，對(duì)不同挖槽長度方案進(jìn)行模擬計(jì)算，獲得挖槽段的沖刷比和回淤比，結(jié)果見表1。根根據(jù)計(jì)算結(jié)果，繪制出沖刷比和回淤比隨挖槽長度的變化曲線，結(jié)果分別如圖1—2所示。從計(jì)算結(jié)果可以看出，隨著挖槽長度的增加，挖槽段的沖刷比和回淤比均呈現(xiàn)出不斷減小的變化趨勢，但是變幅特征有所不同。具體來看，隨著挖槽長度的增加，沖刷比呈現(xiàn)出先小幅下降后迅速下降的變化特點(diǎn)，回淤比則呈現(xiàn)出迅速下降后逐步趨于穩(wěn)定的變化特點(diǎn)。結(jié)合計(jì)算結(jié)果，同時(shí)考慮水庫的整體清淤效果和工程量，建議采取6km的挖槽長度。

圖1 沖刷比隨挖槽長度變化曲線

圖2 回淤比隨挖槽長度變化曲線

表1 不同挖槽長度沖刷比和回淤比計(jì)算結(jié)果

2.2 挖槽寬度

研究中選擇6km的挖槽長度，保持挖槽深度3m和挖槽比降0.21‰不變，對(duì)不同挖槽寬度方案進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算，獲得挖槽段沖刷比和回淤，見表2。沖刷比和回淤比隨挖槽寬度的變化曲線分別如圖3—4所示。從計(jì)算結(jié)果可以看出，隨著挖槽寬度的增加，沖刷比呈現(xiàn)出迅速增大，然后趨于穩(wěn)定的變化特點(diǎn)，當(dāng)挖槽寬度小于250m時(shí)沖刷比的增大比較迅速，當(dāng)挖槽寬度大于250m時(shí)沖刷比的增大幅度較為有限。從回淤比的計(jì)算結(jié)果來看，隨著挖槽寬度的增加，回淤比呈現(xiàn)出先減小后增大的變化特點(diǎn)，當(dāng)挖槽寬度為250m時(shí)的回淤比最小。由此可見，增加挖槽寬度雖然可以提高沖刷比，但是大幅增加挖槽寬度時(shí)的效果較為有限，同時(shí)還會(huì)導(dǎo)致回淤比的增加。從具體計(jì)算結(jié)果來看，挖槽寬度為250m時(shí)的整體清淤效果最佳。

圖3 沖刷比隨挖槽寬度變化曲線

圖4 回淤比隨挖槽寬度變化曲線

表2 不同挖槽寬度沖刷比和回淤比計(jì)算結(jié)果

2.3 挖槽深度

研究中選擇6km的挖槽長度和250的挖槽寬度，保持挖槽比降0.21‰不變，對(duì)不同挖槽深度方案進(jìn)行模擬計(jì)算，獲得挖槽段的沖刷比和回淤比，見表3。沖刷比和回淤比隨挖槽深度的變化曲線分別如圖5—6所示。從計(jì)算結(jié)果可以看出，挖槽深度的影響和挖槽寬度類似，隨著挖槽深度的增加，沖刷比呈現(xiàn)出迅速增大并趨于穩(wěn)定的變化特點(diǎn)，當(dāng)挖槽深度小于3.5m時(shí)沖刷比的增大比較迅速，當(dāng)挖槽深度大于3.5m時(shí)沖刷比的增大幅度較為有限。從回淤比的計(jì)算結(jié)果來看，隨著挖槽深度的增加，回淤比呈現(xiàn)出先減小后增大的變化特點(diǎn)，當(dāng)挖槽寬度為3.5m時(shí)的回淤比最小。由此可見，增加挖槽深度雖然可以提高沖刷比，但是大幅增加挖槽深度時(shí)的效果較為有限，同時(shí)還會(huì)導(dǎo)致回淤比的增加。因此，挖槽深度為3.5m時(shí)的整體清淤效果最佳。

圖5 沖刷比隨挖槽深度變化曲線

圖6 回淤比隨挖槽深度變化曲線

表3 不同挖槽深度沖刷比和回淤比計(jì)算結(jié)果

2.4 挖槽比降

研究中選擇6km的挖槽長度、250m的挖槽寬度和3.5m的挖槽深度，對(duì)不同挖槽比降方案進(jìn)行模擬計(jì)算，獲得挖槽段的沖刷比和回淤比，見表4。沖刷比和回淤比隨挖槽比降的變化曲線分別如圖7—8所示。從計(jì)算結(jié)果可以看出，隨著挖槽比降的增大，挖槽段的沖刷比呈現(xiàn)出先增大后減小的變化趨勢，當(dāng)挖槽比降為0.21‰時(shí)的沖刷比最高；挖槽段的回淤比則呈現(xiàn)出先減小后增大的變化趨勢，當(dāng)挖槽比降為0.21‰時(shí)的回刷比最低。由此可見，河道型水庫挖槽清淤中的變幅與挖槽比降之間存在一定的關(guān)系，且與原河道比降保持一致時(shí)的工程效果最佳。因此可見，在河道型水庫開挖清淤過程中，應(yīng)該盡量和原河道保持相對(duì)一致的比降。

圖7 沖刷比隨挖槽比降變化曲線

圖8 回淤比隨挖槽比降變化曲線

表4 不同挖槽比降沖刷比和回淤比計(jì)算結(jié)果

3 結(jié)語

水庫經(jīng)過多年運(yùn)行之后，一般會(huì)產(chǎn)生淤積問題。對(duì)淤積水庫進(jìn)行清淤處理是恢復(fù)和改善其運(yùn)行狀態(tài)和功能發(fā)揮的重要手段。此次研究利用數(shù)值模擬的方式探討了挖槽參數(shù)對(duì)河道型水庫清淤效果的影響，并提出最優(yōu)參數(shù)組合方案，可以為工程清淤的設(shè)計(jì)施工提供必要的支持，也可以為相關(guān)的理論研究和類似工程設(shè)計(jì)提供有益的借鑒。當(dāng)然，挖槽清淤工程效果的影響因素較多，挖槽的斷面形態(tài)以及上游的來水來沙條件也會(huì)對(duì)清淤效果產(chǎn)生直接或間接影響。因此，在今后的研究中需要考慮更多的參數(shù)進(jìn)行研究和分析。