淮河蚌埠以下河道治理前后糙率變化

王守勤,胡 星,儲德義

(1.中水淮河規(guī)劃設計研究有限公司,安徽蚌埠 233001;2.水利部淮河水利委員會,安徽蚌埠 233001)

淮河蚌埠以下河道治理前后糙率變化

王守勤1,胡 星1,儲德義2

(1.中水淮河規(guī)劃設計研究有限公司,安徽蚌埠 233001;2.水利部淮河水利委員會,安徽蚌埠 233001)

為了給平原河道治理工程提供參考和借鑒,針對淮河蚌埠以下河道建立一維水動力模型,采用1991年及2008年測量的河道斷面資料及相應的實測洪水資料率定模型,就河道治理前后的糙率參數變化進行分析評價。結果表明:對于無水生植物生長的平原河道,經過挖泥船水下作業(yè)、局部堤防退建、拋石護岸等治理后,主槽和灘地的糙率均有不同程度的增加。

河道糙率;平原河流;水下挖疏;堤防退建;拋石護岸;淮河

河道糙率作為表征水流能量沿程損失的重要參數,不僅是河流水沙輸移模擬中必須考慮的問題,而且該參數的取值對河道治理規(guī)劃設計也起到至關重要的作用。河道糙率選擇正確與否,直接影響河道的防洪安全和防洪措施安排。曼寧糙率系數表問世以后,人們采用查表法選用糙率,雖然簡便,但表中只有影響因素的定性描述,缺乏定量指標,加之制表時對影響因素歸納不全,選用糙率時帶有很大的主觀任意性和經驗性,難以獲得滿意的成果[1]。因此,探求糙率的變化規(guī)律一直是水力學中重要研究課題之一。

隨著計算機和數值計算技術的提高,糙率自動反演成為水力學計算中備受關注的課題,國內外學者對此做了諸多研究。Becker等[2]構建了一個關于明渠非恒定流參數辨識的影響系數算法來對糙率進行反演計算。Fread等[3]將河網分解成單個河道分別進行校正,采用最小化誤差進行參數優(yōu)化反演,取得了一定成果,只是在實際工程中河網是個復雜的系統(tǒng),如果將河網分成單個河道進行反演工作量非常大,而且很多人工處理難免出現(xiàn)很大誤差。金忠青等[4]從糙率的物理意義出發(fā),根據河道規(guī)模及水力特性,將河道分成若干等級,將同一級河道看成相同的糙率,并將各級糙率的率定問題,提為反問題中的參數,首先根據實測資料,選擇水位過程或流量過程作為目標函數的變量,構建各河段誤差平方和目標函數。董文軍等[5]對一維圣維南方程中曼寧糙率的參數辨識問題進行了研究與計算。李光熾等[6-7]提出了利用卡爾曼濾波來求解河道糙率,應用離散優(yōu)化方法求解一維河道糙率的分布。

本文選取一段平原河道,建立一維水動力模型,采用1991年、2008年的實測河道斷面資料及相應的洪水資料率定模型,就河道治理前后的糙率參數變化進行分析評價,以期為今后更加科學地進行工程規(guī)劃設計和平原河道治理提供參考和借鑒。

1 河道概況

選取的河段為淮河中游蚌埠閘至洪澤湖入口河段,長約110km。從上游至下游,依次分布有蚌埠閘水文站(A)、吳家渡水文站(B)、臨淮關水位站(C)、浮山水位站(D)和小枊巷水文站(E),該河段屬平原河道,河道主槽為三級航道,河槽內無水生植物生長。

河道深泓高程一般為-7～7m(1985國家高程基準,下同),河道最低處深泓高程為-11.9m,最淺處深泓高程為7.77m,二者相差較大?？傮w而言,河段縱剖面為下凹型,總的趨勢是以D為轉折點,AD段平均深泓高程沿程降低,深泓高程為-10.78～7.77m,呈正比降,河底比降約為1/40000;而DE段河道平均深泓高程沿程增大,河床呈倒比降,河道縱剖面形態(tài)見圖1。

圖1 河道縱剖面形態(tài)

2 基礎資料

水文資料主要是河道AE控制站1991年、2007年的汛期水位、流量資料,包括A、C、D站的水位過程與B、E站的水位及流量過程。地形資料主要是1991年及2008年測量的河道斷面資料。

所選河道在1991年前的20多年間基本未進行疏浚治理,在1991—2005年,先后在AC段全面進行疏浚和堤防退建;CD段部分險工段進行護岸、切灘、退堤;DE段基本沒有治理。在2005—2008年研究河道基本沒有治理工程實施。因此選擇1991年為治理前的典型年,2007年為治理后的典型年,分別以1991年、2007年的汛期實測資料對此河道的糙率進行率定。

3 計算模型

采用Preissmann四點隱式格式離散圣維南方程組,再利用三系數追趕法消元,得到河道首、末斷面的水位、流量表示的方程,結合邊界條件,解出節(jié)點水位后代回到各河段差分方程,求出各河段的流量和水位。描述河道水流運動的圣維南方程組[8-9]為

式中:q為旁側入流流量;Q、A、B、Z分別為河道斷面流量、過水面積、河寬和水位;Vx為旁側入流流速在水流方向上的分量,一般可以近似為零;K為流量模數;α為動量校正系數;u為主流斷面平均流速;g為重力加速度。

對斷面i與斷面i+1組成的河段Δxi,式(1)采用四點線性隱式差分格式進行數值離散,得任一河段的差分方程:

圖2為計算河段示意圖,節(jié)點I、J分別為河道的首節(jié)點、末節(jié)點。

圖2 計算河段示意圖

該河道共有L2-L1個河段,共有2(L2-L1)個差分方程,包含2(L2-L1)+2個未知量,以首節(jié)點和末節(jié)點的水位為自由變量,采用三系數追趕法消去中間斷面的水位和流量,最后得到首、末斷面的流量與首、末節(jié)點水位關系的方程:

采用分段率定的方法率定糙率,即將該河道分成AB、BC、CE這3段來分別率定各段的糙率。AB河段率定時上、下邊界均采用水位邊界,率定B站流量過程;BC河段率定時上邊界采用B站流量過程,下邊界采用C站水位過程,率定B站水位過程;CE河段率定時上邊界采用C站水位過程,下邊界采用E站水位過程,率定E站流量過程;AE整體演算時,上邊界采用A站水位過程,下邊界采用E站水位過程,分段率定糙率。

4 整治前后糙率分析

4.1 模擬結果

河道整治前后的糙率計算結果見表1,1991年及2007年河道沿程各站的水位峰值計算值與實測值對比見表2、表3,河道沿程各站的水位及流量過程計算值與實測值對比見圖3～5。

表1 河道整治前后糙率計算結果

表2 1991年河道沿程各站的水位峰值計算值與實測值對比

表3 2007年河道沿程各站的水位峰值計算值與實測值對比

由表2、表3及圖3～5可知,河道沿程各站的水位峰值計算值與實測值誤差在10cm以內,水位及流量過程的計算值與實測值吻合較好,確定性系數均在0.99以上,據此分析計算結果滿足精度要求。

4.2 結果分析

AE河段治理前后主槽和灘地糙率率定結果對比見表4、表5。由表4可知,AB河段主槽糙率治理后比治理前增加了13.51％;BC河段主槽糙率治理后比治理前增加了19.04％～6.38％;CD河段主槽糙率治理后比治理前增加了4.55％～8.70％;DE河段主槽糙率沒有變化。治理后河段的主槽糙率均有不同程度的增加,其中BC河段主槽糙率治理前后變化最大,最大增加19.04％;AB河段主槽糙率治理前后變化也比較大,增加13.51％。

圖3 1991年河道沿程各站的水位過程

圖4 2007年河道沿程各站的水位過程

由表5可知,AB河段灘地糙率治理后比治理前增加了5.13％;BC河段主槽糙率治理后比治理前增加了1.29％～7.69％;CD河段主槽糙率治理后比治理前增加了3.90％～7.95％;DE河段灘地糙率沒有變化。治理后河段的灘地糙率均有不同程度的增加,其中BC、CD河段灘地糙率治理前后變化最大,最大增加7.95％;AB河段灘地糙率治理前后變化也比較大,增加5.13％。

對于原來無水生植物生長的河槽,由于主槽經過水下挖泥船擴挖疏浚治理,使得原來平滑的河槽表面糙度加大,故而主槽糙率有所增加,如上述河段分析中的AB、BC兩段;而CD河段河槽主要是對局部險工段采取拋石護岸,局部河槽的糙度有所增加,河段糙率略有增加;而DE河段沒有經過任何治理,主槽糙率沒有變化。

AB、BC、CD這3河段灘地的糙率由于受到局部退堤影響,灘地變寬,退出的灘區(qū)原來土地肥沃,植物生長較茂盛,加上退堤段防浪林的種植,使得灘區(qū)糙度增加,致使灘區(qū)糙率略有增加;DE河段沒有經過任何治理,灘地糙率也基本沒有變化。

圖5 2007年河道沿程各站的流量過程

表4 AE河段治理前后主槽糙率率定結果對比

表5 AE河段治理前后灘地糙率率定結果對比

5 結語

a.對于寬淺自然河道而言,治理后河道糙率一般會有所減小,但由于影響河道糙率的因素錯綜復雜,對于本文研究的淮河中游蚌埠閘至洪澤湖入口河段,受工程措施實施導致的河槽粗糙、縱橫斷面等變化影響,河道治理后的糙率較治理前反而增加。因此,河道治理前后糙率變化應視具體情況研究確定。雖然研究河段河道治理后的糙率較治理前有所增加,由于治理后河道行洪斷面面積增加,河道治理后的行洪流量較治理前還是增加的。

b.對于水生植物生長較少的平原河道,挖泥船水下作業(yè)而非水上明挖疏浚,局部堤防退建、拋石護岸等治理措施,可能導致原河道近期內主槽和灘地的糙率有不同程度的增加。但隨著時間的推移,河床在水流的作用下也有可能趨于平滑穩(wěn)定,河道主槽和灘地的糙率也可能會隨之變化,這將有待今后對此進行跟蹤研究。

c.河道糙率與河床組成、床面特征、平面形態(tài)、水流特征、岸壁特征等有關,它是反映河道阻力的綜合系數。在制定河道治理規(guī)劃目標時,可以對治理前后影響河道糙率的各種因素進行綜合分析論證,合理確定規(guī)劃參數和治理方案。

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[8]李家星,趙振興.水力學[M].南京:河海大學出版社,2001.

[9]芮孝芳.水文學原理[M].北京:中國水利水電出版社,2005.

Analysis of the river roughness of Huaihe River channels in lower reaches of Bengbu before and after its regulation

//WANG Shouqin1,HU Xing1,CHU Deyi2(1.China Water Huaihe Planning,Design and Research Co.,Ltd.,Bengbu 233001,China;2.The Huaihe River Commission of the Ministry of Water Resources,Bengbu 233001,China)

In order to provide reference for plain river regulation project,this study established a one-dimensional hydrodynamic mathematical model of Huaihe River channels in lower reaches of Bengbu,and then analyzed the roughness from beginning to the end of the river regulation based on the bathymetry from 1991 and the re-surveyed data in 2008.Overall,the results showed:in plain river channels without hydrophyte,the river roughness increased in varying degrees after river regulation including dredge of underwater operation,retreat built embankments and riprap bank.

river channel roughness;plain river;dredge of underwater operation;retreat built embankments;riprap bank;Huaihe River

TV133.2

:A

:1006-7647(2014)06-0062-04

10.3880/j.issn.1006-7647.2014.06.013

2013-09-24 編輯:周紅梅)

王守勤(1963—),女,安徽亳州人,高級工程師,主要從事水利規(guī)劃研究。E-mail:wangshouqin1@126.com