淮河干流劉臺子彎道水動力及河床變形數(shù)值模擬研究

孫騰飛,楊桂根,王久晟

(1.安徽省港航建設投資集團有限公司，安徽 合肥 230000；2.安徽省·水利部淮河水利委員會水利科學研究院，安徽 蚌埠233000)

隨著國民經(jīng)濟的持續(xù)、快速、協(xié)調(diào)發(fā)展，水運交通在國民經(jīng)濟中發(fā)揮著越來越重要的作用[1]。隨著引江濟淮工程的快速推進，淮河干流及其支流安徽段在全國內(nèi)河水運主通道和安徽骨干航道網(wǎng)中的作用更加突出，航道水深不夠、航道彎曲半徑不足的短板愈加凸顯。其中位于淮干臨淮崗閘下約22 km處的劉臺子彎道，河槽彎曲半徑僅為200 m[2-3]，不滿足該段航道整治工程天然和渠化河流Ⅱ級航道標準建設要求，擬采用裁彎措施進行整治。航道演變預測是了解和評價整治工程效果的重要手段，但是由于航道整治工程實施后改變了天然河道的水流條件[4]，對水流結構和河床演變的影響非常復雜[5]，所以現(xiàn)有的理論分析很難預測工程整治后的效果。為了選擇最優(yōu)整治方案，筆者利用二維泥沙數(shù)學模型研究分析不同整治方案裁彎對上下游河道水沙運動及沖淤的影響、通航水流條件及新老河段未來沖淤情況，推薦航道整治方案?？陀^、定量地預測整治河段的沖淤變化及河床演變過程，不僅對于本段水運工程規(guī)劃、設計、管理和整治工程可行性研究具有重要的參考價值，也可為淮河干流及其支流后續(xù)航道整治和建設提供借鑒。

1 數(shù)學模型的構建與驗證

將研究河段邊界自劉臺子彎道進、出口分別向上、下游延伸，取淮河干流臨淮崗閘下—魯臺子河段為重點研究河段。采用SIMHYD-2D平臺構建淮河干流臨淮崗閘下—魯臺子河段(簡稱“臨魯段”)二維泥沙數(shù)學模型，基本方程、數(shù)值解法、邊界條件及動邊界技術等詳見文獻[6-9]。利用臨淮崗閘下—魯臺子段水文與地形實測資料，對數(shù)學模型進行水位、流速分布及河床沖淤變形的驗證。

1.1 計算河段及網(wǎng)格布置

計算范圍包括淮河干流臨淮崗閘—魯臺子之間長約43 km的河段，中間考慮支流淠河與沙潁河入?yún)R。因計算區(qū)域內(nèi)地形比較復雜，為了合理布置計算網(wǎng)格，采用Delaunay三角化法對計算區(qū)域進行網(wǎng)格劃分。在計算區(qū)域內(nèi)共布置了81 528個網(wǎng)格節(jié)點和162 083個計算單元，網(wǎng)格間距最大為100 m，最小為10 m。

1.2 模型驗證

臨魯段分別在2008年及2016年進行過2次完整的地形測量，本文利用前述二維泥沙數(shù)學模型對2測次之間共計7 a的水沙運動及沖淤分布進行驗證計算。模型的進口邊界為臨淮崗閘下，上游為潤河集站，采用潤河集站實測流量過程，來沙量依據(jù)阜陽站、魯臺子站實測泥沙過程，參照2008—2016年淮河干流臨魯段實際河床累計沖淤量，反算淮干進口處的來沙量，懸沙級配參照魯臺子站實測懸沙級配；沙潁河進口采用阜陽站同期實測流量過程和日平均含沙量；淠河進口采用橫排頭站同期流量過程，由于淠河來沙較少，忽略淠河的來沙貢獻。淮河干流出口為魯臺子站，故下邊界直接采用該站同期實測水位過程。

1.2.1水流運動驗證

為了監(jiān)測提取計算過程內(nèi)的水位過程，在臨淮崗閘下和正陽關附近布置斷面LD01和斷面LD02(圖1)。圖2為臨淮崗閘下(LD01斷面)和正陽關(LD02斷面)計算水位過程與實測水位過程的對比情況。從圖2可知，無論是汛期還是非汛期，兩者吻合都較好，盡管幅值略有差異，但相差甚微。精度評定的結果顯示，兩斷面的Nash效率系數(shù)和相關系數(shù)R2均超過了0.97。

圖1 臨淮崗閘—魯臺子河段控制斷面布置

圖2 計算水位與實測水位的對比

1.2.2河床沖淤驗證

采用2009年1月1日—2015年12月31日實測日平均水沙過程進行驗證計算。驗證過程中沿程布置1#～11#共11個典型斷面(圖1)。

從2個測次實測地形對比可知，驗證時期內(nèi)計算河段的河床總體處于沖刷的狀態(tài)，其中主槽沖刷為主，灘地以淤積為主?；春痈闪髋R淮崗—魯臺子河段，在2008—2016年間累計沖刷1 309.9萬m3。驗證計算的各分段沖淤量見表1，典型斷面變化見圖3。

表1 計算河段沖淤量驗證

圖3 典型斷面沖淤變形驗證計算成果

驗證結果表明：在計算時段內(nèi)，各河段均表現(xiàn)為主槽的沖刷，灘地的淤積，計算河段整體表現(xiàn)為沖刷狀態(tài)，其中臨淮崗閘下—李郢孜沖刷306.4萬m3，比實測值小12.3%；李郢孜—正陽關段沖刷63.3萬m3，比實測值小8.5%；正陽關—沙潁河口沖刷151.6萬m3，比實測值大9.2%；沙潁河口—魯臺子沖刷842.0萬m3，比實測值大11.9%。分析實測值與計算值之間的誤差可知，計算值與實測值吻合較好，計算精度滿足泥沙數(shù)模驗證計算要求。

可見，所建模型能夠很好地模擬河道的水力因子，也能合理地模擬自然條件下的沖淤分布，可以用于開展工程河段的沖淤演變預測的分析。

1.3 整治方案

劉臺子裁彎有2種設計方案，即按照裁彎半徑R=480 m和R=550 m進行設計，為此本研究的計算方案如表2所示。

表2 劉臺子裁彎工程計算方案

注：計算河段起始地形采用2016年實測地形，采用2006—2015年實測水沙系列，進出口邊界條件由實測水文數(shù)據(jù)提供。

2 成果與分析

2.1 計算河段影響

2.1.1沖淤總量

模型計算未來10 a各河段累計沖淤量分布,如表3所示。由表3可知，2種航道整治工程方案實施后，臨魯段整體仍呈現(xiàn)沖刷形態(tài)，累計沖刷量分別為1 106.2萬m3(方案1)和1 101.1萬m3(方案2)，比現(xiàn)狀方案分別減小約3.4%和3.9%，沖刷速度有所減緩；2種方案實施后的沖淤情況除工程所在的局部河段有所差異，其他河段幾乎一致。

表3 計算河段沖淤變化

2.1.2沖淤厚度及其分布

圖4為航道整治工程實施前后10 a末計算河段的沖淤分布情況。從圖4可知，臨魯段在航道工程實施后(方案1、2)，工程上下游附近河段河床沖淤趨勢未受明顯影響，主槽仍以沖刷為主，灘地仍以淤積為主。臨淮崗閘下—正陽關河段主槽沖刷程度小于正陽關—魯臺子段，主槽沖刷深度一般小于3 m，后者沖刷深度可達3 m以上；但臨淮崗—正陽關河段灘地淤積程度大于后者，可能是正陽關以上河段灘地較寬、主槽面積相對較小、水流漫灘幾率稍大所致。

圖4 工程后10 a末河床沖淤分布

2.2 工程局部綜合影響

2.2.1水動力

1)分流比。劉臺子裁彎工程實施后，劉臺子彎道新、老河槽并存，同時過流，整理提取計算結果，研究過流情況的變化。為了使分析更有針對性和實際意義，選取該河段平灘流量(Q淮干=2 520 m3s)和平灘以下流量洪水(Q淮干=1 200 m3s)，給出工程實施開始(2016年)工程實施10 a末時新、老河槽的分流比，見表4。

表4 劉臺子彎道新、老河槽分流情況變化

從表4可知，2種工程方案在平灘流量和平灘以下流量洪水2種來流情況下，彎道中部主流都更偏向新河槽，方案2偏移較多，更加有利于通航；經(jīng)過10 a沖淤調(diào)整后，2種方案都表現(xiàn)為新河槽的分流有所增大、老河槽有所減少的趨勢。

2)水位。表5給出工程實施之初和10 a末時工程河段進、出口段新老河橫斷面水位變化。由表5可知，方案2相較于方案1相同來流情況下，工程河段進、出口橫斷面水位都有所降低；工程之初和10 a末水位變化情況為：經(jīng)過沖淤調(diào)整10 a后，方案1在平灘流量(1 200 m3s)以下，進出口水位都降低，但平灘流量(2 520 m3s)時，進、出口水位都升高；方案2表現(xiàn)為2種來流情況下，進出口水位都降低，表明隨著河床刷深，工程段過流能力呈增加趨勢。

表5 劉臺子彎道新、老河槽水位變化

2.2.2河床沖淤情況

為了對新、老河槽的演變特性進行較為系統(tǒng)的分析，在劉臺子彎道新、老河槽上布設監(jiān)測斷面，通過套繪不同時間段的斷面形態(tài)，分析河床的形態(tài)變化(圖5)。表6給出10 a末工程局部河段新、老河槽的沖淤量。由表6可知：經(jīng)過沖淤調(diào)整10 a后，方案2相較于方案1，老河槽淤積量和新河槽的沖刷量都減少，表明方案2相對于方案1在工程河段整治效果更能長久地維持。

表6 劉臺子彎道新河老河沖淤化

3 結論

1)計算河段采用2種整治方案，經(jīng)過沖淤調(diào)整10 a后，臨魯段河道主槽均仍以沖刷為主，沖刷速度有所減緩，灘地仍以淤積為主，整體河道表現(xiàn)為沖刷，方案2沖刷量略小于方案1沖刷量。

2)劉臺子彎道局部河段經(jīng)過10 a沖淤調(diào)整后，2種方案都表現(xiàn)為新河槽的分流有所增大，老河槽有所減少的趨勢；方案2表現(xiàn)為2種來流情況下，進出口水位都降低，表明隨著河床刷深，工程段過流能力呈增加趨勢；方案2相較于方案1，老河槽淤積量和新河槽的沖刷量都減少，表明方案2相對于方案1在工程河段整治效果更能長久維持。

3)通過對比分析2種整治方案裁彎對上下游河道水沙運動及沖淤的影響、通航水流條件及新老河段未來沖淤情況，推薦整治方案2。