以降低洪水位為目標(biāo)的河道疏浚規(guī)模與效果研究

郭慶超，陸 琴

（1.中國水利水電科學(xué)研究院 泥沙研究所，北京 100048；2.流域水循環(huán)模擬與調(diào)控國家重點實驗室，北京 100038；3.水利部泥沙科學(xué)與北方河流治理重點實驗室，北京 100048）

1 研究背景

疏浚作為一種清淤工程措施在河道治理、航道和港池維護、水庫庫容恢復(fù)、灌區(qū)引水渠運行、河湖污染物移除等方面得到廣泛使用［1-6］。然而由于疏浚后往往會發(fā)生回淤，疏浚效果不能長期保持，需要重復(fù)進行疏浚才能使疏浚效果得以維持，清淤成本較高。因此對于許多疏浚工程而言，疏浚后的回淤問題是最受關(guān)注的。為此，不少研究者開展了疏?；赜賳栴}的研究，涉及到河道、湖泊、河口和海洋等場景，采用的方法包括現(xiàn)場監(jiān)測、資料分析、模型試驗、數(shù)學(xué)模型計算和經(jīng)驗公式等。方春明等采用數(shù)學(xué)模型，對河道挖槽疏浚后回淤過程的一般規(guī)律進行了模擬研究［7］，劉文博等對洞庭湖環(huán)保疏浚后的回淤速率進行了研究［8］，袁勝英等根據(jù)實測資料對伶仃洋河口灣航道試挖槽泥沙回淤問題進行了分析［9］，曹慧江等利用二維潮流及泥沙數(shù)學(xué)模型和回淤公式對港珠澳大橋島隧工程沉管基槽開挖回淤強度進行過分析和估算［10］，GUO、王蒙等采用數(shù)學(xué)模型對河床局部挖坑的沖淤及再平衡過程進行了模擬［11-12］，劉家駒、羅肇森等通過建立基于一定物理機理的經(jīng)驗公式計算港池和引航道回淤［13-14］。這些研究為疏浚后的回淤強度評估和運行維護發(fā)揮了重要作用。

然而由于擔(dān)心疏浚后發(fā)生回淤，疏浚效果不能長期保持，在沖積性河流進行以降低洪水位為目標(biāo)的河道疏浚的案例很少，對于沖積性河流疏浚規(guī)模和效果論證的研究更少。事實上，對于某些河道，采用疏浚來降低洪水位，提高防洪能力是完全可能的。比如，對于沖刷型河道，由于其水流輸沙能力大于含沙量，雖然疏浚后水流輸沙能力有所降低，但只要保持疏浚后輸沙能力不小于含沙量，疏浚后是不會發(fā)生回淤的，疏浚效果是可以長期保留的。對于微沖微淤型河道或者輸沙總量較小或者低含沙量河流，只要疏浚以后水流輸沙能力不明顯小于含沙量，河道疏浚后即使有回淤，但是回淤總量很有限，疏浚效果仍然可以在較長時期內(nèi)得以保持。目前，很多河流的流域水土流失治理效果顯著，進入河道泥沙量大幅減少，再加上水利工程的攔沙作用，進入下游河道的沙量已明顯小于河道沖淤平衡的臨界值。比如近20年長江下游和黃河下游河道來沙量比2000年以前大幅度減少2/3 以上［15］，并可能在未來很長時期內(nèi)維持很低水平［16-17］，河道發(fā)生了持續(xù)性沖刷。而松花江、淮河、珠江等河流本來總沙量就很少［15］，含沙量很低，再加上流域水土保持治理和水庫攔沙的作用，使得這些河流的來沙更少，河道長期處于沖刷狀態(tài)。對于這樣的河道進行疏浚，以增加行洪能力，降低洪水位，不僅是可能的，而且因為不會發(fā)生嚴(yán)重回淤，效果可以長期保留［18］。

由此可見，在流域來沙大幅減少、河道普遍出現(xiàn)由淤積向沖刷轉(zhuǎn)換的大背景下，利用河道疏浚來降低洪水位是可行的，河道疏浚必然成為未來河道防洪治理的一個新措施。然而，在實際運用中，至少需要回答以下三個科學(xué)技術(shù)難題：（1）如何確定疏浚對降低洪水位或增加過流能力的效果？（2）如何確定合理疏浚規(guī)模？（3）如何長期保留疏浚效果？對這三個問題的回答，即構(gòu)成本文的主要研究內(nèi)容。

2 河道水力因子關(guān)系推導(dǎo)

這里所說的水力因子主要包括流量、流速、比降、過流面積、水面寬（河寬）、平均水深等。對于寬淺的沖積性河流，其水力半徑R可近似等于平均水深h，水流平均流速可以用曼寧公式表示如下：

式中：V為斷面平均流速；C為謝才系數(shù)；n為曼寧糙率；J為水面比降?？紤]到河相系數(shù)ζ=B1/2/h（B為水面寬），則由式（1）得：

而在天然河流中，根據(jù)實測水文資料，可以點繪上下游相鄰兩個水文站的水位流量關(guān)系，從而可以得到某一流量Q下的河段水面比降，進而點繪比降與流量關(guān)系，可以得到如下關(guān)系式：

式中k1和α1分別是系數(shù)和指數(shù)。

同樣，根據(jù)水文站實測的水力要素和斷面資料，可以計算不同水深的河相系數(shù)ζ，再點繪河相系數(shù)與水深關(guān)系，可以得到：

式中k2和α2分別是系數(shù)和指數(shù)。

將式（3）和（4）代入式（2）得到如下關(guān)系式：

式（5）—式（8）給出了主要水力因子與流量或水深之間的關(guān)系，均成單因素關(guān)系，即只需要已知流量或水深，就可以求解其他所有主要水力因子，大大方便了應(yīng)用，提高了解決實際問題的能力和效率。

3 疏浚對降低洪水位效果計算方法

疏浚對河道的防洪作用可以通過兩個參數(shù)分別評價，一個是同流量水位的下降值ΔH，另外一個是平灘水位時行洪能力的增加值ΔQ，如何計算這兩個變量，是本節(jié)需要解決的問題。

假定對某河道進行疏浚以降低洪水位，斷面的疏浚面積為ΔA，疏浚深度為ΔZ，河道疏浚長度為L，其疏浚對降低水位的效果如示意圖1 所示。需要說明的是，疏浚前后下端點的水位流量關(guān)系保持不變，上端點的ΔH為疏浚后同流量的水位下降值，上端點至下端點之間河段沿程水位的下降值可通過水面線計算或簡單按照沿程線性插值確定。

圖1 河道疏浚及水位變化示意圖

對于疏浚前，當(dāng)洪水流量為Q時，由曼寧公式得：

式中：變量名下標(biāo)“1”表示疏浚前；H0和H1分別為疏浚前流量為Q時疏浚河段上端點和下端點的水位；q為單寬流量，可表示為：

由于河道疏浚對河寬影響很小，因此可近似認為疏浚前后單寬流量是相同的。由式（9）得疏浚前流量為Q的上端點水位為：

式中h1為疏浚前上端點斷面的平均水深，可由式（6）計算確定。同理，疏浚后洪水流量為Q時上端點水位H2的計算式與式（11）類似，即：

式中變量名下標(biāo)“2”表示疏浚后，h2為疏浚后上端點斷面的平均水深，可近似表示為：

用式（11）減去式（12）并利用式（13），即可得到疏浚后流量為Q時疏浚河段上端點洪水位的下降值ΔH：

當(dāng)給定斷面疏浚深度ΔZ和河道疏浚長度L，即可由式（14）結(jié)合式（6）和式（10）計算洪水流量為Q時，疏浚后洪水位的下降值ΔH。

疏浚后河道的最大過流能力的增加值ΔQ可以用疏浚后滿槽時的平灘流量Qbf2與疏浚前的平灘流量Qbf1之差表示：

式中：Qbf1可由水文站實測資料確定；A1和Jbf1分別為疏浚前的平灘面積和滿槽時的水面比降，可由式（3）（6）—（7）計算確定；ΔA為斷面疏浚面積。

至此，在斷面疏浚深度為ΔZ或疏浚面積為ΔA、河道疏浚長度為L時，推導(dǎo)了疏浚河段上端點的洪水位下降值和過流能力增加值的計算公式，可以直接用于疏浚對提高河道防洪能力的論證評估。

4 疏浚規(guī)模確定方法

這里所說的疏浚規(guī)模包括兩方面的含義，一是斷面疏浚面積或深度，其量值大小是由疏浚后回淤程度所決定的，確定原則是疏浚后水流輸沙能力不小于含沙量，即以不發(fā)生回淤作為控制條件；二是河道疏浚長度，其量值大小是由降低洪水位程度所決定的。從防洪角度來看，疏浚規(guī)模越大越好。但是，由于疏浚后水流輸沙能力會下降，如果斷面擴大太多，勢必會發(fā)生回淤，致使疏浚效果難以長期保留。這里以沖刷型河道為例，來闡述合理的斷面疏浚規(guī)模的確定方法。

對于沖刷型河道，即水流輸沙能力大于含沙量，比如松花江的哈爾濱江段、淮河蚌埠以下河段等，對這些河段實施一定規(guī)模疏浚來降低洪水位是可行的，只要滿足疏浚后的水流輸沙能力不小于含沙量S*≥S即可。這里，以疏浚后水流輸沙能力恰好等于含沙量S*=S，即疏浚后恰好保持河床沖淤平衡，此時對應(yīng)的斷面疏浚面積或疏浚深度即為河道斷面的疏浚規(guī)模，超過此規(guī)模，疏浚后必然回淤。至于河道的疏浚長度，由式（14）可知，疏浚河段越長洪水位下降越多，但是疏浚成本也越大，因此合理的河道疏浚長度是由希望達到的防洪標(biāo)準(zhǔn)（即疏浚河段上端點的洪水位下降值）所決定的。

河道疏浚后的水流挾沙能力公式為：

式中：k和m為挾沙能力系數(shù)和指數(shù)，可按照文獻［19-20］來確定；ω為泥沙沉速，可由實測資料確定；h2為疏浚后流量為Q的斷面平均水深，可由式（13）確定；J2是疏浚后流量為Q時的水面比降，可由下式計算：

對于少沙河流或者微沖微淤河道，也可以通過河道疏浚來降低洪水位，雖然疏浚后會發(fā)生回淤，但是完全可以把回淤總量控制在一定規(guī)模內(nèi)。如此，疏浚效果也可以在一個較長的時期內(nèi)得以保留，此時的合理疏浚規(guī)模可以按照疏浚后水流挾沙能力不小于0.8 倍的含沙量作為約束條件來確定，即S*≥0.8S。

5 應(yīng)用范例

為了闡述該方法在實際中如何應(yīng)用，本文以松花江哈爾濱江段和淮河蚌埠以下河段為參考對象，構(gòu)建一個應(yīng)用范例，詳細說明合理疏浚規(guī)模的確定以及疏浚后洪水位下降值、過流能力增加值的計算過程。

5.1 數(shù)據(jù)準(zhǔn)備在正式計算之前，需要根據(jù)相鄰兩個水文站的實測水文泥沙和斷面資料，逐一確定基本參數(shù)的具體數(shù)值，這些參數(shù)包括河道糙率n、泥沙沉速ω、挾沙能力系數(shù)和指數(shù)，疏浚前的平灘流量Qbf1、比降與流量關(guān)系式中的系數(shù)和指數(shù)、河相系數(shù)與水深關(guān)系式中的系數(shù)和指數(shù)等。表1給出了某河段的上述基本參數(shù)的具體取值。表中Jbf1、Bbf1、hbf1和Vbf1分別由式（3）和（6）—（8）計算而得，A1=Bbf1hbf1。

表1 河道疏浚前基本參數(shù)及其取值

5.2 防洪效果計算由式（14）知，只要給定疏浚河段長度L，斷面疏浚深度ΔZ（或疏浚ΔA），就可以計算某一流量下疏浚后的水位下降值ΔH。下面以疏浚前的平灘流量Qbf1為例，說明不同疏浚深度ΔZ和長度L條件下，上端點水位下降值ΔH的計算步驟。

（1）假定斷面疏浚深度ΔZ和河道疏浚長度L為某數(shù)值；

（2）根據(jù)式（6）（7）（10），計算出h1、B1和q；

（3）根據(jù)式（14）試算得到疏浚后水位下降值ΔH；

（4）改變疏浚長度L，重復(fù)步驟（2）和（3），得到不同疏浚長度的上端點水位下降值；

（5）改變疏浚深度ΔZ，重復(fù)步驟（2）—（4），得到不同疏浚深度的上端點水位下降值。

表2和圖2 給出了以疏浚前平灘流量3500 m3/s 為例，不同疏浚深度和長度條件下，上端點水位下降值的計算成果。疏浚后平灘流量可由式（15）計算，結(jié)果也列于表2中，通過與疏浚前的平灘流量比較，可以評估疏浚對增加河道行洪能力的作用。從計算結(jié)果可以看出：

圖2 不同規(guī)模疏浚后的洪水位下降值

表2 不同疏浚長度和深度的某流量下的上端點洪水位下降值（單位：m）

（1）在疏浚深度相同時，疏浚河段越長，洪水位下降越多，但是隨著疏浚長度的增加，水位下降速率有減緩趨勢。短距離疏浚對降低洪水位效果微弱，只有長距離疏浚才能明顯降低水位，比如對于斷面疏浚深度1.0 m 的情況，疏浚2 km 長的河道只能降低水位2.5 cm，但是如果疏浚長度為50 km，則可以降低水位42.2 cm。由此可見，要想通過河道疏浚來降低洪水位，必須采用長距離疏浚。

（2）在疏浚長度相同的情況下，斷面疏浚越深，洪水位下降越明顯，但是隨著疏浚深度的增加，水位下降速率也有減緩趨勢。

（3）斷面疏浚越深，過流能力增加越大。以河道疏浚長度50 km 為例，按三種疏浚深度1.0 m、1.5 m 和2.0 m 疏浚后，河道平灘流量分別是4359 m3/s、4816 m3/s 和5291 m3/s，行洪能力比疏浚前的平灘流量3500 m3/s 分別增加24.5%、37.6%和51.2%。

5.3 合理疏浚規(guī)模計算合理的斷面疏浚規(guī)模是根據(jù)疏浚后基本不回淤，即水流挾沙能力與含沙量基本相等的原則來確定的，而合理的河道疏浚長度是由上端點同流量水位下降值確定的。在本計算案例中，以河道疏浚長度50 km 為例，通過計算疏浚后的挾沙能力，并與實測的含沙量進行比較，給出合理的斷面疏浚規(guī)模。

表3和圖3 給出了利用式（16）計算的三種斷面疏浚規(guī)模下不同流量的挾沙能力，以及與疏浚前的含沙量比較。從計算結(jié)果來看，對于斷面疏浚深度1.0 m 和1.5 m，對應(yīng)的疏浚面積分別是500 m2和750 m2的情況，疏浚后的挾沙能力仍然大于同流量的含沙量，說明這樣規(guī)模的疏浚不會發(fā)生回淤。而當(dāng)斷面疏浚深度為2.0m 或疏浚面積達到1000 m2時，當(dāng)流量小于3900 m3/s 時，疏浚后的挾沙能力已經(jīng)小于含沙量，這時會發(fā)生一定的回淤；但當(dāng)流量大于3900 m3/s 后，疏浚后的挾沙能力又大于含沙量，這時不僅不會發(fā)生回淤，反而可以把較小流量時的回淤泥沙沖走，從而可以基本保持疏浚后的沖淤平衡。因此，斷面疏浚深度2.0 m 或疏浚面積1000 m2可以作為本案例的斷面極限疏浚規(guī)模，此值可以作為河道疏浚設(shè)計的重要控制參數(shù)，也是河道疏浚效果能否長期保留的重要理論依據(jù)。當(dāng)然，在河道實際疏浚工作中，疏浚規(guī)?？梢孕∮诖酥?，以保持不回淤；也可以略大于此值，此時雖然疏浚后有回淤，但是回淤強度很小，疏浚效果仍然能在較長時期內(nèi)得以保留。

圖3 不同規(guī)模疏浚后的水流挾沙能力與含沙量比較

表3 不同規(guī)模疏浚后水流挾沙能力計算結(jié)果

6 結(jié)論與建議

（1）根據(jù)河流動力學(xué)和泥沙運動力學(xué)的基本原理，并利用實測資料建立的比降與流量關(guān)系、河相系數(shù)與平均水深關(guān)系，推導(dǎo)了主要水力因子與流量或水深的單因素關(guān)系計算公式，只需已知流量或水深，就可以求解其他所有主要水力因子，大大方便了應(yīng)用，提高了解決實際問題的能力和效率。

（2）推導(dǎo)了洪水位下降值與河道疏浚長度和斷面疏浚規(guī)模之間關(guān)系的計算公式，給出了疏浚后河道行洪能力增加值的計算公式，為論證疏浚對提高河道防洪能力提供了理論依據(jù)。以疏浚后不發(fā)生回淤、疏浚效果可以長期保留為原則，將疏浚后挾沙能力不小于水流含沙量作為約束條件，建立了確定合理河道疏浚規(guī)模的技術(shù)方法。

（3）計算案例表明，疏浚河段越長，洪水位下降越多，但是隨著疏浚長度的增加，水位下降速率有減緩趨勢；短距離河道疏浚對降低洪水位效果不明顯，只有長距離疏浚才能明顯降低洪水位。

（4）本文建立的方法主要用于河道疏浚規(guī)模的確定和疏浚效果的評估，適用于長系列的平均水沙條件。但是對于某一年或短期水沙條件，疏浚河道會不會發(fā)生回淤？還需要借助水沙運動數(shù)學(xué)模型進行預(yù)測計算，以反映動床對疏浚效果的短期波動影響。