基于MIKE21模型的河道采砂防洪安全的影響評(píng)價(jià)

劉本寶，馬曉蕊，王軍委

(青島市水文中心，山東 青島 266200)

1 工程背景

某河流為季節(jié)性河流，上游段地勢(shì)較高，比降較大，沖刷較嚴(yán)重，長(zhǎng)時(shí)間的河道演變?cè)斐珊拥缹捳坏龋毒€不規(guī)整，河道演變較嚴(yán)重；中下游段河灘較平整，灘地相對(duì)較寬，灘面植被較好，現(xiàn)狀河道泄洪以灘地為主，部分灘地已被開(kāi)墾和耕種，河槽橫向擺動(dòng)很小，未對(duì)灘地上的農(nóng)田造成沖兌影響，河道變化更小。河道河床基本由塊石夾砂和中粗砂組成，床面表層粒徑較粗，表層以下稍細(xì)。上游河床質(zhì)組成極不均勻，粗細(xì)顆粒相差懸殊，級(jí)配范圍極寬，<0.15 mm的細(xì)砂約占9%，而最大塊石粒徑達(dá)150 mm左右。懸移質(zhì)泥沙顆粒組成比較單一，以粉沙為主，各站每年平均中值粒徑d50變化在0.0155～0.0214 mm，平均粒徑變化在0.0237～0.0322 mm之間。根據(jù)河道采砂規(guī)劃初步設(shè)計(jì)方案，可采區(qū)范圍長(zhǎng)度3.1 km。河砂和礫石是重要的工業(yè)和建筑材料，同時(shí)，也是河流的重要組成部分[1]。因此，應(yīng)在保證河流穩(wěn)定、健康以及防洪安全的前提下，最大限度發(fā)揮有限砂石資源的經(jīng)濟(jì)效益[2]?；诖?，此次研究利用數(shù)值模擬的方式探討河道采砂對(duì)防洪安全的影響，以便為規(guī)劃方案的設(shè)計(jì)和優(yōu)化提供支持。

2 模型與方法

2.1 模型的構(gòu)建

采砂規(guī)劃設(shè)計(jì)中的采砂區(qū)位于大沽河下游，屬于典型的寬淺型河道。項(xiàng)目區(qū)的上下游彎道較多，為了控導(dǎo)水流，當(dāng)?shù)卦诤拥赖膹澋啦课缓鸵恍╇U(xiǎn)工處建設(shè)了多處丁壩和岸坡防護(hù)工程，河道的流態(tài)比較復(fù)雜。因此，為了準(zhǔn)確反映采砂點(diǎn)開(kāi)采前后對(duì)河道水位及流態(tài)的影響，研究中以MIKE21模型進(jìn)行背景工程的計(jì)算模型構(gòu)建[3]。

研究中綜合考慮采砂部位的河道走勢(shì)以及工程影響等因素，選擇采砂區(qū)上游8.0 km以及采砂區(qū)下游8.9 km之間的河道作為模擬研究區(qū)域，模擬區(qū)域的總長(zhǎng)度為20.0 km。模擬計(jì)算區(qū)域內(nèi)存在河流的防洪大堤以及防洪小埝，兩者之間的區(qū)域?yàn)楹拥罏┑匦泻閰^(qū)。整個(gè)模擬區(qū)域的平均寬度約1.5 km，模擬面積約28.7 km2。

對(duì)模擬計(jì)算區(qū)域利用三角形單元進(jìn)行網(wǎng)格剖分。對(duì)于地勢(shì)比較平緩、岸線比較平順的部位，適當(dāng)加大網(wǎng)格尺寸，以提高模型的計(jì)算效率[4]。對(duì)于存在護(hù)岸工程或起伏較大的區(qū)域，則適當(dāng)減小網(wǎng)格尺寸，以提升模擬計(jì)算的精度[5]。其中，尺寸最大網(wǎng)格的面積為1022.0 m2，尺寸最小的網(wǎng)格面積為10.5 m2。整個(gè)計(jì)算模型的網(wǎng)格單元利用Mesh generator 形成，共獲得53 327個(gè)網(wǎng)格單元，60 224個(gè)節(jié)點(diǎn)。有限元模型示意圖如圖1所示。

圖1 有限元模型示意圖

模型的上邊界為給定流量設(shè)計(jì)，5 a一遇洪峰流量為1250 m3/s，3 a一遇洪峰流量為1020 m3/s。模型的下邊界為給定起推水位，水位采用《大沽河河道治理工程可行性研究報(bào)告》中的水面線計(jì)算成果。

大沽河的現(xiàn)狀河道糙率由2015年7月洪水實(shí)測(cè)洪痕為依據(jù)確定。其中，大沽河主槽的糙率為0.034，灘地為0.050。此次研究以上述成果為基礎(chǔ)，經(jīng)過(guò)率定后最終確定，研究河段河槽的糙率為0.030，灘地的糙率為0.045，樹(shù)木的糙率為0.056，農(nóng)田的糙率為0.051。模擬計(jì)算過(guò)程中通過(guò)干濕判別確定計(jì)算范圍內(nèi)因?yàn)楹拥浪桓淖兌纬傻膭?dòng)邊界[6]。

2.2 計(jì)算方案

根據(jù)研究河段的采砂具體規(guī)劃，采砂作業(yè)必須要嚴(yán)格遵循采砂深度、可采區(qū)的范圍、開(kāi)采量以及開(kāi)采期限[7]。開(kāi)采過(guò)程中的廢棄料必須要堆放在河道管理范圍之內(nèi)，堆放時(shí)間必須要控制在10 d以內(nèi)，同時(shí)，需要做到采完一處回填一處。為了反映采砂對(duì)研究河段水位的影響，此次研究通過(guò)模擬采砂前后的河道水位，對(duì)比分析評(píng)價(jià)其對(duì)河道防洪的影響。

此次規(guī)劃的采砂時(shí)間為5 a，而未來(lái)五年的降水量并不能準(zhǔn)確預(yù)測(cè)，為了了解不同流量級(jí)下河道水位的變化，選擇如表1所示的計(jì)算工況[8]。

表1 計(jì)算工況設(shè)計(jì)

3 計(jì)算結(jié)果與分析

3.1 沿程水位

研究中利用構(gòu)建的有限元模型，對(duì)四種不同計(jì)算工況下研究河段采砂前和采砂后的沿程水位進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果分別如圖2～圖5所示。從計(jì)算結(jié)果可以看出，在現(xiàn)狀工況、多年平均流量工況、典型年工況以及實(shí)測(cè)最大流量工況等4種不同的計(jì)算工況下，研究河段采砂場(chǎng)啟用前后的河道水位變化規(guī)律基本一致。具體來(lái)看，在采砂場(chǎng)啟用之后，采砂場(chǎng)上游河段的河道水位有一定的降低，下游水位有所雍高。究其原因，主要是采砂場(chǎng)的啟用會(huì)導(dǎo)致河道局部邊界條件的變化，特別是有助于河道過(guò)流面積的增大，河道水位呈現(xiàn)出小幅度變化。具體來(lái)看，在現(xiàn)狀工況下，起點(diǎn)距0～11.9 km河段的水位有所降低，其中，起點(diǎn)距7.9 km部位的水位下降幅度最大，為0.014 m；起點(diǎn)距12.5～20.2 km河段的水位有所升高，其中，起點(diǎn)距13.2 km部位的水位壅高幅度最大，為0.006 m；在多年平均流量工況下，起點(diǎn)距0～11.9 km河段的水位有所降低，其中，起點(diǎn)距7.9 km部位的水位下降幅度最大，為0.011 m；起點(diǎn)距12.5～20.2 km河段的水位有所升高，其中，起點(diǎn)距13.2 km部位的水位壅高幅度最大，為0.005 m；在典型年洪峰流量工況下，起點(diǎn)距0～11.9 km河段的水位有所降低，其中，起點(diǎn)距7.9 km部位的水位下降幅度最大，為0.019 m；起點(diǎn)距12.5～20.2 km河段的水位有所升高，其中，起點(diǎn)距13.2 km部位的水位壅高幅度最大，為0.007 m；在實(shí)測(cè)最大洪峰流量工況下，起點(diǎn)距0～11.9 km河段的水位有所降低，其中，起點(diǎn)距7.9 km部位的水位下降幅度最大，為0.019 m；起點(diǎn)距12.5～20.2 km河段的水位有所升高，其中，起點(diǎn)距13.2 km部位的數(shù)位壅高幅度最大，為0.008 m?？傮w來(lái)看，在4種不同的計(jì)算工況下，研究區(qū)河段的水位降低和壅高區(qū)域基本一致，水位降低和壅高幅度最大值出現(xiàn)的部位也相同。也就是在采砂區(qū)的上游河道水位出現(xiàn)一定范圍的下降，最大變化量在采砂區(qū)上游邊界附近；在采砂場(chǎng)的下游河道采砂后的水位呈現(xiàn)出小幅上升的變化特點(diǎn)，最大壅高出現(xiàn)為采砂區(qū)下游邊界附近。結(jié)合水位變化趨勢(shì)，在距離采砂區(qū)足夠遠(yuǎn)的部位，其水位壅高將降低為0 m。

圖2 現(xiàn)狀工況沿程流速變化曲線

圖4 典型年洪峰流量工況沿程流速變化曲線

圖5 實(shí)測(cè)最大洪峰流量工況沿程流速變化曲線

從不同計(jì)算工況的計(jì)算結(jié)果來(lái)看，多年平均流量工況下的水位變化量最小，其次，是現(xiàn)狀工況，再次，是典型洪峰流量工況，影響最大的是實(shí)測(cè)最大洪峰流量工況。由此可見(jiàn)，研究河段的流量值越大，采砂對(duì)河道水位的影響也越大。但總體來(lái)看，采砂活動(dòng)可以降低采砂區(qū)上游的水位，抬高下游水位，但是抬高幅度極為有限，因此，不會(huì)對(duì)河道防洪產(chǎn)生顯著影響，同時(shí)，在一定程度上還有利于采砂區(qū)的上游的防洪。

3.2 沿程流速

研究中利用構(gòu)建的有限元模型，對(duì)4種不同計(jì)算工況下研究河段采砂前和采砂后的沿程流速進(jìn)行計(jì)算。根據(jù)模擬計(jì)算結(jié)果，繪制出不同工況下采砂前和采砂后沿程流速變化曲線，結(jié)果分別如圖6～圖9所示。由計(jì)算結(jié)果可以看出，不同計(jì)算工況下各計(jì)算斷面的流速值存在一定的差別，且流量越大流速值也越大。另一方面，4種不同計(jì)算工況下的沿程流速值變化規(guī)律基本一致。由此可見(jiàn)，河道流量的增加對(duì)流速的沿程分布特征影響較為有限。究其原因，河道沿程流速的相對(duì)變化主要和河道寬度等特征有關(guān)，因此，在沿程變化上存在較大的相似性。從采砂前后的計(jì)算結(jié)果對(duì)比來(lái)看，采砂活動(dòng)對(duì)不同計(jì)算工況下沿程流速的影響主要集中在采砂區(qū)及其上下游附近區(qū)域，對(duì)其他區(qū)域的影響極為有限。具體來(lái)看，在采砂區(qū)上游的一定區(qū)域內(nèi)，采砂后的流速有明顯增大，原因可能是采砂后的地形驟降所致。在采砂區(qū)域，不同計(jì)算工況下的流速值較采砂前顯著降低?？傊缮盎顒?dòng)僅會(huì)導(dǎo)致采砂區(qū)上游小范圍內(nèi)的流速增大，但是幅度有限，采砂區(qū)流速顯著降低，對(duì)其余區(qū)域基本沒(méi)有影響。從沿程流速來(lái)看，采砂活動(dòng)不會(huì)對(duì)河道行洪安全造成明顯不利影響，而采砂區(qū)流速降低對(duì)該河段的防洪有一定的積極作用。

圖6 現(xiàn)狀工況沿程流速變化曲線

圖7 多年平均流量工況沿程流速變化曲線

圖8 典型年洪峰流量工況沿程流速變化曲線

圖9 實(shí)測(cè)最大洪峰流量工況沿程流速變化曲線

4 結(jié) 語(yǔ)

采砂活動(dòng)會(huì)對(duì)河道走勢(shì)以及水流流態(tài)產(chǎn)生直接影響，是河道人類活動(dòng)影響的重要領(lǐng)域。研究中以具體河道采砂規(guī)劃區(qū)為例，利用數(shù)值模擬的方式研究了采砂區(qū)對(duì)河道水位和流速的影響，通過(guò)采砂前后河道水位和流速的變化對(duì)比，探討其對(duì)河道防洪的影響。結(jié)果顯示，河道采砂活動(dòng)有助于降低采砂區(qū)上游水位，提高采砂區(qū)下游水位，但是，水位變化量相對(duì)較??；采砂后，采砂區(qū)流速顯著降低，其上游小范圍內(nèi)流速有所升高，其余部位基本不變?？傊缮盎顒?dòng)不會(huì)對(duì)河道防洪造成顯著影響，對(duì)河道防洪還有一定的積極作用。當(dāng)然，采砂活動(dòng)對(duì)河道的影響具有復(fù)雜性和廣泛性，對(duì)河道防洪還會(huì)影響河勢(shì)穩(wěn)定、水資源和生態(tài)環(huán)境，在今后的研究中還需要針對(duì)上述方面進(jìn)行進(jìn)一步的研究和探討，以便對(duì)采砂活動(dòng)的影響進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)。