水沙數(shù)學(xué)模型在航道整治中的應(yīng)用

陳躍宏

摘 要：目前在關(guān)于航道整治方面的研究慣用的方法主要是野外實(shí)地探測、河工模型以及具有光明的發(fā)展前途的數(shù)學(xué)模型。其中，水沙數(shù)學(xué)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(yōu)點(diǎn)，是如今研究水沙運(yùn)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(guān)問題中的實(shí)際應(yīng)用情況。關(guān)于本文中的某航道工程的某干流所在河段類型的相關(guān)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(guān)鍵詞：航道治理;水沙運(yùn)動;數(shù)學(xué)模型

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

1引言

如今，關(guān)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(jì)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(yīng)用到了當(dāng)時的工程建設(shè)中并取得了不錯的成績。就我國來說，從上個世紀(jì)末期開始，我國的水利建設(shè)不斷發(fā)展完善，水利建設(shè)的需要也推動了我國關(guān)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(shè)中起到了重要作用。隨著相關(guān)研究的進(jìn)步，一些水力問題如今只能由相關(guān)數(shù)學(xué)模型來解決。河流數(shù)學(xué)模型的應(yīng)用范圍越來越廣，具有光明的應(yīng)用前景。結(jié)合文中河段的水流特點(diǎn)，參考前人的經(jīng)驗(yàn)和現(xiàn)有的該河段的有關(guān)研究資料，建立一維水沙數(shù)學(xué)模型，對該河段的泥沙問題進(jìn)行模擬計算驗(yàn)證數(shù)學(xué)模型，并以此為基礎(chǔ)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(shù)值方法

水流的演算主要分兩大板塊：水文學(xué)和水動力學(xué)。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(xué)經(jīng)過幾十年的不斷研究與進(jìn)步，已經(jīng)發(fā)展成為目前應(yīng)用較多的模擬方法。這種演算方法已經(jīng)產(chǎn)生了好幾種數(shù)值計算方法，綜合考慮到了會影響到計算結(jié)果的各種因素。水動力學(xué)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(xué)，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(shù)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(qū)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(yùn)線路經(jīng)過粵、桂地區(qū)，地理位置也十分優(yōu)越，聯(lián)系著粵、桂、黔、港澳五大地區(qū)的水上交通，也是其所屬水系的重要航運(yùn)道路，流經(jīng)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(jié)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(jìn)行了專門治理，取得了一定效果，但又因?yàn)樯嫌蔚貐^(qū)水電站的出現(xiàn)，影響了該河段的水沙情況，給航運(yùn)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(yōu)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(dá)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(nèi)的水量季節(jié)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(dǎo)致水沙比較低，但是總體的含沙量卻比較大的情況出現(xiàn)，而且每個月份的水沙情況不一樣，比較不穩(wěn)定，差距較大。該干流的輸沙情況就總的來說是以懸移質(zhì)為主，詳情見表2。

4 全沙數(shù)學(xué)模型的實(shí)際應(yīng)用研究

4.1某河段模型沖淤模擬驗(yàn)證

根據(jù)現(xiàn)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(chǔ)，來進(jìn)行相關(guān)的模擬計算和驗(yàn)證。設(shè)定該河段所在起始點(diǎn)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(zhǔn)，經(jīng)過計算，我們將該河段的沖淤情況和下一年的測繪圖進(jìn)行對比之后得出，最終模擬結(jié)果與實(shí)際情況基本吻合，因此可以借助進(jìn)行沖淤測算。

4.2某樞紐對下游地區(qū)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?yàn)閹靺^(qū)堆積了一些泥沙，導(dǎo)致向下游地區(qū)輸送的泥沙降低，而且泥沙的顆粒也較小，但是下游地區(qū)對于泥沙有一定數(shù)量的要求，所以河床需要進(jìn)行從上倒下的沖刷。在這一過程中，懸移質(zhì)泥沙會逐漸變得細(xì)小。等到水庫裝滿淤泥開始向下游泄出渾水，這時也會產(chǎn)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(guān)，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?？傊?，導(dǎo)致下游河道產(chǎn)生變化的因素有很多，情況也比較復(fù)雜，其中水沙和河段的水文地質(zhì)是最關(guān)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(jié)時泄洪方式為敞洪，無法進(jìn)行調(diào)整。在水量最低的時期能夠進(jìn)行日調(diào)節(jié)，但能夠調(diào)整的幅度是非常小的。樞紐產(chǎn)生之后，下游地區(qū)的水流情況跟自然條件下的情況差別無幾。根據(jù)水庫運(yùn)行期間攔截的泥沙等信息發(fā)現(xiàn)，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(tài)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(shí)際作用有限。經(jīng)過多年的運(yùn)作，下泄的泥沙慢慢回轉(zhuǎn)到原始狀態(tài)，下游地區(qū)可能會出現(xiàn)些微回淤問題，之后河道沖淤逐漸恢復(fù)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(jìn)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(jù)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(shù)量的變化方向大致相同，呈正相關(guān)。

表3展示的為該河段一年內(nèi)的泥沙沖淤的演變辯護(hù)量，表4則顯示的是一年內(nèi)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(hù)，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(jié)果分析

以對應(yīng)的河流上段水流情況和下段水位情況，對其進(jìn)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(yīng)狀態(tài)下的含沙量過程，入口含沙量應(yīng)當(dāng)是對應(yīng)某河段的含沙量過程。模擬分析結(jié)果：模擬一年的沖刷，共選取6個斷面展開相應(yīng)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(dǎo)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(jié)論

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

參考文獻(xiàn)：

[1]謝鑒衡.河流模擬[J].武漢水利電力學(xué)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(shù)學(xué)模型及數(shù)值方法研究[D].武漢水利電力大學(xué).1991.

[4]韓其為，何明民.恢復(fù)飽和系數(shù)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(shù)學(xué)模型[J].水利學(xué)報，2001（10）：82-87.