河道清淤工程對(duì)防洪的累積影響研究

孫光寶，劉紅奎，李宗駿

（1.長(zhǎng)江水利委員會(huì)水文局荊江水文水資源勘測(cè)局，湖北 荊州 434099；2.湖北省襄陽(yáng)市水文水資源勘測(cè)局，湖北 襄陽(yáng) 441003）

本文研究河段上起沙市鹽卡港（荊46 斷面）下迄新廠（荊82 斷面），長(zhǎng)度約66 km，整體位于上荊江下段沙市至藕池口，流經(jīng)荊州市沙市區(qū)，公安縣和江陵縣，為微彎分汊型河道。擬實(shí)施清淤項(xiàng)目位于長(zhǎng)江柳林洲-新廠河段左岸，河段為沙質(zhì)河床，具有二元結(jié)構(gòu)特征，主流線擺動(dòng)幅度較大，河岸主要由厚層黏土組成，且受到兩岸護(hù)岸工程保護(hù)，多年來(lái)工程河段岸線較為穩(wěn)定[1]。

自三峽工程建成以后，荊江水沙條件發(fā)生了較大的變化[2]，加之長(zhǎng)江航道部門實(shí)施筑壩攔洪，主泓南移工程后，北岸泥沙淤塞嚴(yán)重等因素影響，導(dǎo)致研究區(qū)內(nèi)顏家臺(tái)泵站、耀興電灌、普濟(jì)中心水廠取水口無(wú)法正常取水。因轄區(qū)內(nèi)種養(yǎng)殖結(jié)構(gòu)發(fā)生變化及《荊州市四湖總干渠污染防治三年行動(dòng)計(jì)劃（2018—2020 年）》的要求，為確保四湖總干渠流域內(nèi)河水水質(zhì)達(dá)到Ⅲ類標(biāo)準(zhǔn)，同時(shí)兼顧農(nóng)業(yè)種植結(jié)構(gòu)調(diào)整后農(nóng)業(yè)常態(tài)化用水需求，需對(duì)灌區(qū)內(nèi)水系常年進(jìn)行生態(tài)補(bǔ)水。因此，需對(duì)顏家臺(tái)泵站、耀興電灌、普濟(jì)中心水廠取水口開展清淤。

1 水動(dòng)力模型構(gòu)建與驗(yàn)證

在水動(dòng)力模型構(gòu)建中，首先要考慮平面尺度與垂直尺度的相對(duì)關(guān)系，本文所選取的長(zhǎng)江柳林州—新廠河段為典型的大江大河天然河道，平面尺度遠(yuǎn)大于垂直尺度，故可構(gòu)建水動(dòng)力二維模型進(jìn)行相關(guān)計(jì)算求解[3]。為準(zhǔn)確評(píng)估取水口清淤對(duì)河道演變的實(shí)際影響，基于研究區(qū)域河床演變趨勢(shì)初步判斷結(jié)果，以實(shí)例進(jìn)行驗(yàn)證，通過(guò)對(duì)比計(jì)算結(jié)果和實(shí)測(cè)成果，驗(yàn)證模型的適應(yīng)性，用于計(jì)算和分析工程實(shí)施后對(duì)河道水位、流速的實(shí)際影響。本文基于Mike21 構(gòu)建二維水動(dòng)力模型，分析工程河段的流速變化情況。本次選用Mike21 模型中的Hydrodynamic（HD）水動(dòng)力模塊，利用Saint-Venant 方程組描述二維非恒定流運(yùn)動(dòng)規(guī)律，由質(zhì)量守恒的連續(xù)性方程和能量守恒的動(dòng)量方程組成，可模擬湖泊，河道的水流運(yùn)動(dòng)規(guī)律，利用ADI 法求解。

河道地形大部采用2018 年10 月1∶10 000地形圖，研究區(qū)域局部地形采用2019 年7 月1∶2 000 地形圖。其中耀興電灌站段1∶2 000 地形圖2.3 km2，顏家臺(tái)閘段1∶2 000 地形圖3.2 km2，普濟(jì)中心水廠取水口段1∶2 000 地形圖3.8 km2。選取郝穴站基本水尺斷面和新廠水位站基本水尺斷面為水位觀測(cè)斷面；選取荊53、荊58 左汊、荊58 右汊為流量測(cè)驗(yàn)斷面。分別選取2019 年7 月24 日（26 600 m3/s）和7 月21 日的（21 000 m3/s）的資料進(jìn)行率定和驗(yàn)證。經(jīng)試算率定并參照經(jīng)驗(yàn)值得本河段主槽的糙率取值范圍為0.017~0.020，灘地的糙率取值范圍為0.020~0.025。

表1 為各斷面水位計(jì)算值與2019 年7 月24 日實(shí)測(cè)值的差值統(tǒng)計(jì)表。結(jié)果表明兩者基本吻合，最大誤差在0.01 m 以內(nèi)。結(jié)果表明：所建模型可很好地描述各斷面情況。

表1 各斷面水位計(jì)算值與實(shí)測(cè)值對(duì)比統(tǒng)計(jì)表 m

以圖1 為例，計(jì)算河段率定流場(chǎng)圖及斷面流速分布率定及驗(yàn)證結(jié)果?？梢?jiàn)二維數(shù)學(xué)模型計(jì)算所得流場(chǎng)變化平順，灘、槽水流運(yùn)動(dòng)區(qū)分明顯；斷面流速計(jì)算值和實(shí)測(cè)值吻合較好，流速偏差在±0.1 m/s 以內(nèi)。

圖1 26 000 m3/s 流量下流速率定結(jié)果（荊53）

2019 年7 月24 日實(shí)測(cè)長(zhǎng)江干流流量26 600 m3/s，突起洲左汊分流量7 300 m3/s，突起洲右汊分流量18 700 m3/s，差值600 m3/s，占干流流量的2.3%，在測(cè)驗(yàn)誤差允許范圍內(nèi)。實(shí)測(cè)和計(jì)算的汊道分流比結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 汊道分流比實(shí)測(cè)值與計(jì)算值對(duì)比統(tǒng)計(jì)表

由表2 可知：干流與汊道流量測(cè)驗(yàn)時(shí)段內(nèi)郝穴水位站水位變幅0.01 m，水位過(guò)程與上游沙市站、下游新廠站相應(yīng)，水位變幅基本一致，符合恒定流模型要求。

綜合對(duì)比和分析結(jié)果，經(jīng)率定后平面二維數(shù)學(xué)模型可以較準(zhǔn)確地模擬本河段的水流運(yùn)動(dòng)特性，計(jì)算結(jié)果和實(shí)測(cè)成果誤差較小，吻合較好，可用于計(jì)算和分析取水口清淤工程實(shí)施后對(duì)研究區(qū)域水位和流速的影響。

2 清淤方案對(duì)實(shí)際工程的影響

2.1 方案的選取

為了反映清淤疏浚對(duì)防洪、通航等的影響，基于3 個(gè)水文站（沙市水文站、郝穴水位站、新廠水文站）的資料選取了1998 年洪水、多年平均、枯水期、設(shè)計(jì)流量共四級(jí)流量進(jìn)行工程影響分析計(jì)算（見(jiàn)表3）?？紤]到1998 年洪水沙市站最高水位達(dá)45.22 m（凍結(jié)），故選取1998 年洪水期實(shí)測(cè)最高水位和最大流量作防洪設(shè)計(jì)水位和流量。計(jì)算河段下邊界在新廠站基本水尺斷面下游約3.4 km，下邊界控制水位用新廠站實(shí)測(cè)水位、河段比降推算。

表3 工程影響計(jì)算水流條件表

表3 中下邊界設(shè)計(jì)水位27.30 m 按郝穴、新廠兩站枯季比降推出。顏家臺(tái)閘站原設(shè)計(jì)水位為27.57 m，原設(shè)計(jì)流量5 500 m3/s，在設(shè)計(jì)初期是正確的。但河道經(jīng)幾十年的演變，特別是三峽水庫(kù)蓄水后河道沖刷下切，枯季水庫(kù)調(diào)蓄運(yùn)用下泄水量加大，枯水期同水位條件下河道流量加大較多，再用5 500 m3/s 作為設(shè)計(jì)流量不符合實(shí)際。因此，根據(jù)2018 年枯季郝穴站水位與沙市站流量關(guān)系推求出顏家臺(tái)閘設(shè)計(jì)流量為9 400 m3/s，枯季流量為2003—2018 年沙市站年最小流量平均值取整，下邊界水位為新廠站同期年最低水位平均值。

2.2 清淤工程概化

當(dāng)建筑物尺寸相對(duì)網(wǎng)格尺寸較小時(shí)，假定河底高程增加值所阻擋的流量與工程阻擋的流量相同，通過(guò)增加工程所在網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)的河底高程來(lái)反映工程的阻水影響；當(dāng)建筑物尺寸大于或與網(wǎng)格尺寸相當(dāng)時(shí)，可直接根據(jù)建筑物高度來(lái)修改相應(yīng)網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)的河底高程[4-5]。

假定垂線流速沿水深呈指數(shù)分布，則垂線上某點(diǎn)流速u 可表示為[6-7]：

式中：y為該點(diǎn)離床面距離，m；u0為y=h處水流表面流速，m/s；h為水深，m；指數(shù)m可取1/6。

令a為工程阻水增加的河底高程，b1、b2分別為工程阻水寬度和網(wǎng)格寬度，則工程阻擋的流量Q1和河底高程增加阻擋的流量Q2分別為：

由Q1=Q2可解出河底高程增加值。

2.3 不同方案下的模擬計(jì)算

2.3.1 原始清淤方案下模擬計(jì)算

利用構(gòu)建的水動(dòng)力平面二維模型計(jì)算了1998 年洪水、多年平均、枯水期、設(shè)計(jì)流量共四級(jí)流量工況下，3 個(gè)水利工程取水口清淤引起的水位和流速變化，清淤引起突起洲分流比變化，以及對(duì)岸坡穩(wěn)定影響的變化。

1）水位變化分析。在設(shè)計(jì)流量和多年平均流量工況下，3 個(gè)取水口清淤疏浚前后的水位變化見(jiàn)表4。由表4 可知，中洪水流量下清淤疏浚后，清淤區(qū)上游水位略有降低，清淤區(qū)下游局部水位略升高；枯水設(shè)計(jì)流量下疏浚區(qū)水位變化規(guī)律基本一致，但因工程前不過(guò)水，清淤疏浚后過(guò)水，受計(jì)算方法影響，清淤區(qū)顯示為水位降低。

表4 不同工況下清淤區(qū)域水位最大影響值

由模型計(jì)算結(jié)果可知，耀興電灌站清淤疏浚后該區(qū)域水位變化較小，水位變化在0.2 cm，影響范圍主要位于工程區(qū)域上游約1 km 范圍內(nèi)；其中在枯水期文村夾左汊基本不過(guò)流，此時(shí)耀興電灌處無(wú)流量，因此無(wú)水位、流速變化。

顏家臺(tái)閘清淤疏浚后，在設(shè)計(jì)流量條件下清淤疏浚區(qū)尾端水位壅高，最大壅高值約為5.27 cm；清淤疏浚區(qū)上游局部水位下降，最大水位下降約3.86 cm。普濟(jì)中心水廠清淤疏浚后，水位最大壅高值約為6.85 cm，最大水位下降約4.91 cm。兩者在設(shè)計(jì)流量下水位變化影響區(qū)域較小，水位變化在0.2 cm 的影響范圍局限在清淤疏浚區(qū)上游600 m 至下游400 m 內(nèi)。兩者各自多年平均流量、設(shè)計(jì)流量和枯水期流量下的水位變化規(guī)律與設(shè)計(jì)流量條件下的變化規(guī)律基本一致。

2）流速變化分析。工程前后采樣點(diǎn)流速變化等值線及流速變化值見(jiàn)表5。

表5 不同計(jì)算方案下取水區(qū)域水位流速最大影響值

根據(jù)模型計(jì)算結(jié)果可知，耀興電灌由于上下游筑有潛丁壩等航道整治建筑物，施工后該區(qū)域水位流速變化較小，流速變化在0.01 m/s 影響范圍主要位于工程區(qū)域上游約1 km 范圍內(nèi)。顏家臺(tái)閘清淤疏浚后，在設(shè)計(jì)流量條件下，清淤疏浚區(qū)上游和下游局部流速增大，流速最大增加值約為0.13 m/s，流速最大減小值0.16 m/s。普濟(jì)中心水廠流速最大增加值約為0.12 m/s，流速最大減小值0.16 m/s。這兩者多年平均流量下的流速變化規(guī)律與其各自設(shè)計(jì)洪流量條件下的變化規(guī)律基本一致，但流速變化值略有所變化?？菟诹髁肯露家蚴┕で昂哟膊贿^(guò)水、工程后河床過(guò)水，導(dǎo)致施工后清淤疏浚區(qū)域及附近區(qū)域流速變化較大。

3）突起洲分流比變化。各級(jí)流量下工程前后突起洲左右汊分流流量及分流比變化情況如表6所示。各級(jí)流量下，工程前后突起洲左右汊分流情況無(wú)明顯變化。入口流量為6 000 m3/s 時(shí)，突起洲左汊保持不過(guò)流狀態(tài)，主要從右汊過(guò)流。隨著入口流量增加，左汊分流比逐漸增加，右汊的分流比逐漸減小，工程過(guò)后，突起洲左右汊流量分流比變化較小，其中12 100 m3/s 時(shí)，工程對(duì)分流比影響最大，但此時(shí)分流量的變化只有個(gè)位數(shù)、分流比變化幅度仍較小。

表6 不同計(jì)算方案下突起洲分流比變化

4）清淤對(duì)岸坡穩(wěn)定影響分析。三大取水口距離上下游護(hù)岸工程至少有100 m 以上的距離，因此三大取水口清淤作業(yè)對(duì)護(hù)岸工程、取水工程和航道工程安全無(wú)不利影響，且清淤區(qū)底部處在近期床沙活動(dòng)層上部，清淤不會(huì)對(duì)岸坡穩(wěn)定產(chǎn)生不利影響。

2.3.2 河流模擬計(jì)算

由前述的模擬結(jié)果可知，相距較遠(yuǎn)的3 個(gè)取水口清淤所引起的研究河段水文特征值的變化基本不會(huì)相互影響。為進(jìn)一步研究距離較近的取水口清淤對(duì)所在河段水文特征值所造成的累積影響效應(yīng)，假定顏家臺(tái)泵站沿長(zhǎng)江河道下移3 km，下移后顏家臺(tái)泵站與普濟(jì)水廠取水口兩個(gè)清淤區(qū)之間相距不足1 km。在此假設(shè)背景下，選取多年平均流量工況重新對(duì)顏家臺(tái)泵站清淤后的河流進(jìn)行模擬計(jì)算，為進(jìn)一步探討兩個(gè)距離較近的取水口清淤所造成的疊加效應(yīng)提供對(duì)比方案。

1）水位變化分析。多年平均流量下清淤的水位變化見(jiàn)表7。由表7 可知：多年平均流量下，清淤疏浚工程實(shí)施后，清淤區(qū)上游水位略有降低，清淤區(qū)下游局部水位略升高。

表7 清淤區(qū)域水位最大影響值

由模型計(jì)算結(jié)果可知，顏家臺(tái)閘下移3 km實(shí)施清淤疏浚后，在多年平均流量條件下，本次擬清淤疏浚區(qū)尾端水位壅高，最大壅高值約為3.87 cm；清淤疏浚區(qū)上游側(cè)局部水位下降，最大水位下降約2.54 cm。

2）流速變化分析。工程前后采樣點(diǎn)流速變化值見(jiàn)表8。

表8 不同計(jì)算方案下取水區(qū)域水位流速最大影響值

根據(jù)數(shù)學(xué)模型計(jì)算結(jié)果可知，顏家臺(tái)泵站下移3 km 后實(shí)施清淤疏浚，在多年平均流量下，工程河段流速變化增加值最大為0.16 m/s，流速減小值最大0.22 m/s，流速變化0.1 m/s 范圍局限在清淤疏浚區(qū)上游800 m 至下游400 m，流速變化最大影響范圍均在清淤疏浚范圍附近。

2．3．3 顏家臺(tái)泵站下移后產(chǎn)生的疊加效應(yīng)

為了進(jìn)一步研究距離較近的水利工程取水口清淤對(duì)所在河段水文特征值所造成的疊加影響效應(yīng)，在上節(jié)假定的基礎(chǔ)下，仍選取多年平均流量的工況對(duì)顏家臺(tái)泵站清淤后的河流模擬計(jì)算，不同的是本節(jié)以下移的顏家臺(tái)泵站和普濟(jì)水廠取水口同時(shí)清淤所產(chǎn)生的相互影響，來(lái)研究?jī)蓚€(gè)距離較近的取水口清淤所造成的疊加效應(yīng)。

1）水位影響疊加效應(yīng)。上述兩處水利工程取水口實(shí)施清淤后引起的水位變化見(jiàn)表9。由表9可知：多年平均流量下，清淤疏浚工程實(shí)施后，清淤區(qū)上游水位略有降低，清淤區(qū)下游局部水位略升高。

表9 顏家臺(tái)泵站（下移）和普濟(jì)水廠同時(shí)清淤水位最大影響值

由模型計(jì)算結(jié)果可知，在多年平均流量條件下，上述兩個(gè)取水口同步清淤，造成水位最大壅高值4.15 cm，大于任一取水口單獨(dú)清淤造成的水位壅高值（3.87 cm；2.56 cm），小于兩個(gè)取水口清淤造成的水位壅高值之和（4.15＜3.87+2.56）。與此同時(shí)，兩個(gè)取水口同步清淤，造成淤疏浚區(qū)上游側(cè)局部水位下降，最大水位下降約2.68 cm，大于任一取水口單獨(dú)清淤造成的水位壅高值（2.54 cm；2.51 cm），小于兩個(gè)取水口清淤造成的水位下降值之和（2.68＜2.54+2.51）。由上述河流模擬計(jì)算分析可以看出，顏家臺(tái)泵站（下移）和普濟(jì)水廠清淤對(duì)清淤區(qū)在上下游引起的水位壅高和降低產(chǎn)生了疊加效應(yīng)。

2）流速變化分析。上述兩處取水口清淤后的引起的流速變化見(jiàn)表10。由表10 可知：清淤疏浚工程實(shí)施后，工程河段流速變化增加值最大為0.19 cm/s，流速減小值最大0.28 cm/s。

表10 不同計(jì)算方案下取水區(qū)域流速最大影響值

由模型計(jì)算結(jié)果可知，在多年平均流量條件下，清淤疏浚區(qū)上游和下游局部流速增大，顏家臺(tái)泵站（下移）和普濟(jì)水廠取水口同步實(shí)施清淤后造成上游和下游局部流速最大增加值為0.19 m/s，大于任一取水口單獨(dú)清淤造成的流速最大增加值（0.16 m/s；0.17 m/s），小于兩個(gè)取水口清淤造成的流速增加值之和（0.19＜0.16+0.17）。上述兩個(gè)取水口同步清淤，造成清淤疏浚前沿區(qū)域流速減小，最大流速減小值為0.28 m/s，減小值大于任一取水口單獨(dú)清淤造成的水位壅高值（0.22 m/s；0.24 m/s），小于兩個(gè)取水口清淤造成的水位下降值之和（0.28＜0.22+0.24）。由上述河流模擬計(jì)算分析可以看出，顏家臺(tái)泵站（下移）和普濟(jì)水廠清淤對(duì)清淤區(qū)上游和下游局部地區(qū)以及清淤疏浚前沿區(qū)域引起的流速增大或減小產(chǎn)生了疊加效應(yīng)。

3 結(jié) 論

1）清淤工程實(shí)施后，局部過(guò)水?dāng)嗝婷娣e擴(kuò)大，無(wú)阻洪建筑物構(gòu)建，對(duì)局部行洪有利。清淤疏浚作業(yè)后，工程區(qū)域上下游附近水域的水位與流速變化幅度較小，且影響范圍局限在疏浚區(qū)及其上下游局部河段范圍。清淤施工不涉及堤身護(hù)護(hù)岸，對(duì)堤防不產(chǎn)生直接影響，不會(huì)引起崩岸或切灘等劇烈的河勢(shì)變化，對(duì)河勢(shì)穩(wěn)定沒(méi)有很大的影響，開挖區(qū)至護(hù)岸腳為近期堆積的中細(xì)沙，清淤對(duì)岸坡穩(wěn)定也不產(chǎn)生不利影響。

2）構(gòu)建了二維水動(dòng)力數(shù)學(xué)模型，利用2019年7 月24 日（26 600 m3/s）和2019 年7 月21 日（21 000 m3/s）流速和水位資料進(jìn)行模型率定和驗(yàn)證，得出的結(jié)果表明斷面流速計(jì)算值和實(shí)測(cè)值吻合較好，流速偏差在±0.1 m/s 以內(nèi)。

3）利用構(gòu)建的二維水動(dòng)力模型，得出結(jié)果表明，相鄰取水口同步清淤對(duì)河道水位和流速的影響大于其中任一取水口單獨(dú)清淤所產(chǎn)生的影響，但小于兩個(gè)取水口單獨(dú)清淤所產(chǎn)生影響的線性之和。