基于泥沙動(dòng)力學(xué)分析水利工程調(diào)度對(duì)改善河道淤積的影響

莊 楊， 楊 超， 張 興， 李一如

(1.常州市城市防洪工程管理處， 江蘇 常州 213165； 2.江蘇常州經(jīng)濟(jì)開發(fā)區(qū)農(nóng)業(yè)水利服務(wù)中心， 江蘇 常州 213165)

根據(jù)《水污染防治行動(dòng)計(jì)劃》要求，地級(jí)及以上城市于2020年底前完成黑臭水體治理目標(biāo)。為改善市區(qū)河道水質(zhì)，常州市開展“暢流活水”系列工作，以加速水體更新為主要工作任務(wù)。“暢流活水”科學(xué)引用長(zhǎng)江優(yōu)質(zhì)水源，“引清入城”的模式提高了城區(qū)河道水環(huán)境更新效率，水體有望在有序流動(dòng)中恢復(fù)自凈能力。

河道淤積是導(dǎo)致黑臭水體發(fā)生的原因之一，淤泥會(huì)對(duì)河道水質(zhì)構(gòu)成持久的污染，且直接影響河道灌溉、排水功能的正常發(fā)揮以及河網(wǎng)生態(tài)效應(yīng)，清淤是河道綜合治理的先行條件。目前，常見的河道淤積處理主要集中于工程措施，這一治理手段耗時(shí)長(zhǎng)、投入高?！耙迦氤恰钡恼{(diào)水模式，加大了調(diào)水區(qū)域內(nèi)河網(wǎng)水流量，加速了水流流速。調(diào)水期間，沿線河網(wǎng)水位有不同程度的抬高，主城區(qū)河道流速明顯提高，達(dá)到平均10～20 cm/s?；趥鹘y(tǒng)泥沙動(dòng)力學(xué)理論，主城區(qū)在換水過程中，增大了水流的動(dòng)能，水流挾沙能力也隨之加強(qiáng)。由此推斷，通過優(yōu)化水利工程調(diào)度，增加城區(qū)河道水動(dòng)力條件，使其在提升地區(qū)水質(zhì)過程中發(fā)揮前期效用，在改善水質(zhì)的同時(shí)，降低地區(qū)淤積風(fēng)險(xiǎn)，為從源頭治理水體污染的總目標(biāo)爭(zhēng)取時(shí)間。

為科學(xué)評(píng)估常州市主城區(qū)調(diào)水工作產(chǎn)生的減淤效果，目前分析沖淤效果的常見方法包括河道斷面勘測(cè)，檢測(cè)輸水?dāng)嗝娴膽乙瀑|(zhì)含量，分析水流形態(tài)變化對(duì)沖淤能力的影響。這些方法雖然檢測(cè)結(jié)果較為準(zhǔn)確，但是過程繁瑣，試驗(yàn)要求和成本較高，檢測(cè)周期長(zhǎng)。本文利用傳統(tǒng)泥沙動(dòng)力學(xué)模型，分析調(diào)水前、后水體沖淤和挾沙能力的變化，對(duì)調(diào)水產(chǎn)生的沖淤效果進(jìn)行初步評(píng)價(jià)，為探尋在調(diào)水中逐步達(dá)成地區(qū)沖淤平衡的狀態(tài)提供理論支撐。

1 工程設(shè)施

2017年7月，常州市審議通過《常州市運(yùn)北片主城區(qū)“暢流活水”總體方案》，方案決定：活水工程引調(diào)長(zhǎng)江水，采用雙源(德勝河、澡港河)供水，修建4座(盤龍?jiān)?、恐龍園、新市橋、洋橋)活動(dòng)堰，增強(qiáng)了內(nèi)部調(diào)控能力，提高小河道流動(dòng)性，打造兩進(jìn)三出的水流路徑(“兩進(jìn)”指德勝河和澡港河，“三出”指肖龍港、老桃花港和新溝河)，配合水利工程的整體調(diào)度。工程建成以后，從澡港河引流(20～40 m3/s)的水資源全部流經(jīng)主城區(qū)，按每天調(diào)運(yùn)6 h，每年保證運(yùn)行250 d估算，全程河網(wǎng)平均引水量約為10 m3/s。調(diào)水工作增大了市區(qū)河道流量，利用水流勢(shì)能與動(dòng)能的轉(zhuǎn)換加速水流流動(dòng)，加快了水循環(huán)，為通過非工程措施進(jìn)行沖淤營(yíng)造了契機(jī)。

2 水情變化

現(xiàn)有研究結(jié)果顯示，常州城區(qū)適宜引水規(guī)?？蛇_(dá)50 m3/s。在這一引水量下，“暢流活水”方案目前可以實(shí)現(xiàn)人為重構(gòu)水位差20 cm以上。但由于南運(yùn)河、串新河等南排泵站的啟用，通常換水區(qū)全河段較引水前抬高約7～11 cm，城南排水河道出水側(cè)水位抬高不明顯，以2020年12月的暢流活水調(diào)度運(yùn)行水位數(shù)據(jù)為例，詳見表1。

表1 主城區(qū)平均水位變化

同時(shí)，引水期間，連通的河道基本形成由北往南、由西向東的有序流動(dòng)(平均流速由1～7 cm/s提升至9～25 cm/s)。古城區(qū)內(nèi)河道12～36 cm/s，其余暢通河道流速基本在10 cm/s以上，西北部區(qū)域總體流速7～20 cm/s。

3 水流沖淤和挾沙能力變化

挾沙水流的運(yùn)動(dòng)是一種相當(dāng)復(fù)雜的現(xiàn)象，影響因素主要有：渾水性質(zhì)、水流緩急程度、過流斷面寬深比、過流邊界糙率、水力半徑以及水沙綜合因素等。對(duì)于懸浮質(zhì)泥沙，紊流理論認(rèn)為懸浮在水體中的泥沙，受地心引力的影響有下沉趨勢(shì)，卻因受紊動(dòng)擴(kuò)散作用而上升，在運(yùn)動(dòng)過程中，水流和泥沙相互發(fā)生作用。一方面水流通過消耗其紊動(dòng)能量挾帶和輸送泥沙，另一方面泥沙的存在又反過來改變水流的物理性質(zhì)和水流結(jié)構(gòu)，從而影響水流的能量、流速和含沙濃度?，F(xiàn)有實(shí)測(cè)資料顯示：長(zhǎng)江水1982—1985年，含沙量范圍為0.20～3.76 kg/m3，2003—2004年，含沙量范圍為0.12～0.20 kg/m3。含沙量隨著沿岸綠化工程的推進(jìn)還呈現(xiàn)逐年降低的態(tài)勢(shì)，按照現(xiàn)有的含沙量劃分標(biāo)準(zhǔn)[1]，可將長(zhǎng)江水系劃分為低含沙量河流，本文假設(shè)調(diào)水區(qū)域內(nèi)泥沙為均勻沙。

3.1 沖淤能力提升

水中泥沙常見的3種形態(tài)為懸移質(zhì)、推移質(zhì)、河床質(zhì)，河流中泥沙以懸移質(zhì)為主。對(duì)于水流挾沙能力的探討，多基于懸浮功的概念，判斷標(biāo)準(zhǔn)是水流對(duì)懸移質(zhì)泥沙的運(yùn)輸能力，在水流動(dòng)能加大時(shí)會(huì)引發(fā)河床質(zhì)泥沙轉(zhuǎn)化成懸移質(zhì)、推移質(zhì)，隨水流運(yùn)動(dòng)，3種形態(tài)沒有嚴(yán)格的界線，可以隨水流條件的變化而相互轉(zhuǎn)化。

懸移質(zhì)泥沙隨水流移動(dòng)主要依靠水流的能量轉(zhuǎn)換，要使得河床保持沖淤平衡狀態(tài)，單位體積挾沙水流總耗能需等于懸浮泥沙消耗的能量與其他途徑消耗能量之和。

河道斷面平均流速：

(1)

泥沙啟動(dòng)流速：

(2)

泥沙揚(yáng)動(dòng)流速：

(3)

式中：ρ為水體密度，kg/m3；ρs為粒子密度，kg/m3；d為粒子直徑，m；h為水深,m；ω為泥沙顆粒沉速，m/s，可根據(jù)岡恰洛夫公式確定其取值；z為懸浮指標(biāo)，泥沙粒徑對(duì)其影響較大,將泥沙視為均勻沙時(shí)，可以根據(jù)羅斯公式確定z值。

想通過調(diào)度實(shí)現(xiàn)沖淤效果，要加大U值。根據(jù)實(shí)測(cè)資料，長(zhǎng)江水中懸移質(zhì)泥沙最大粒徑常出現(xiàn)在夏汛期，懸移質(zhì)粒徑范圍為0.0071～0.0276 mm，冬季則處于最小值狀態(tài),懸移質(zhì)粒徑范圍為0.0064～0.0150 mm[2]，當(dāng)d為8.5×10-7m時(shí)，z取0.7，ω取值0.0008 m/s。在12月份的調(diào)水過程中，水流平均流速由0.01～0.07 m/s提升至0.09～0.25 m/s，古城區(qū)內(nèi)河道部分流段高達(dá)0.36 m/s，滿足U>Us>Uc。

3.2 水流挾沙能力變化

借鑒三峽工程庫(kù)區(qū)淤積測(cè)算和長(zhǎng)江深水航道整治工程估算泥沙回淤等案例經(jīng)驗(yàn)，選取適用的挾沙能力計(jì)算公式[3]。張瑞瑾由能量守恒原理得出的流速、泥沙沉速、區(qū)域水深函數(shù)關(guān)系的一般表達(dá)式對(duì)低含沙量水流計(jì)算準(zhǔn)確性較高，適用于研究常州地區(qū)調(diào)水期間的挾沙量變化規(guī)律，計(jì)算式為

(4)

式中：Sv為按體積比濃度計(jì)算的水流挾沙能力；k、m為系數(shù)；v為水流的垂線平均流速，m/s；g為重力加速度，m/s2。其中，k影響因素復(fù)雜，變化幅度較大，m的取值可以定位在0～3之間。

參考孔俊等[4]針對(duì)長(zhǎng)江水流律定的挾沙能力公式系數(shù)的最佳結(jié)果，本文將張瑞瑾公式中k取值定為0.317，m值定為0.44。用張瑞瑾公式分析調(diào)水過程中水流挾沙能力變化，在k、m、ω取值均確定的情況下，影響水中懸移質(zhì)數(shù)量的主要因素是流速和水深，就同一河段而言，調(diào)水過程中水流的挾沙能力遠(yuǎn)超調(diào)水前。

分析可知，Sv值受流速的影響大于水深，對(duì)于水位差最大和最小的流段，調(diào)水前和調(diào)水時(shí)S值走向基本一致。調(diào)水開始后，隨著流量的增加，S值可以達(dá)到[0.0658，0.2577)，與調(diào)水前S值所處的[0.0037，0.0482)相比，水流挾沙能力增加效應(yīng)明顯。

4 結(jié) 論

綜上所述，引流量較大的河道，水流加速明顯，挾沙能力也成倍速增加?！皶沉骰钏惫ぷ髟诟纳剖袇^(qū)水質(zhì)的同時(shí)，能有效加大水流沖淤和挾沙能力，在水流沖刷下懸移質(zhì)粒徑會(huì)隨之變大，過去因流速緩慢，從河水分離出來導(dǎo)致河道淤積的部分泥沙可以轉(zhuǎn)換為懸移質(zhì)，并被過境水流帶走。

枯水期開展“暢流活水”在一定程度上增強(qiáng)了水流沖淤效果，適當(dāng)利用可以改善淤積，從而降低工程措施清淤頻率，帶來一定的經(jīng)濟(jì)價(jià)值。后期可以進(jìn)一步通過長(zhǎng)期的斷面輸沙量和檢測(cè)試驗(yàn)，監(jiān)測(cè)水流挾沙量變化值和易淤流段的淤積改善情況，為實(shí)現(xiàn)非工程清淤提供數(shù)據(jù)支撐。也可以嘗試研究不同調(diào)水量、調(diào)水模式下，水流狀態(tài)與挾沙能力的變化，從而實(shí)現(xiàn)模型到實(shí)際應(yīng)用的轉(zhuǎn)化，對(duì)“暢流活水”方案進(jìn)一步提出優(yōu)化建議。