黄河积石峡水库变动回水区航道整治研究

杨武 肖政 陈杰 刘易庄

摘 要：根据黄河青海段积石峡水库变动回水区托坝村至市政大桥下游2km河段水文地形资料。基于有限体积方法，建立平面二维水流数学模型，应用经过验证的航道整治二维数学模型，对积石峡库区变动回水区重点浅滩整治措施进行了模拟分析。通过模型计算得出：实施整治工程后，整治河段水流条件得到明显改善，变动回水区中拖坝村、加入村及市政大桥三处碍航滩段水流条件得到明显改善，能够满足Ⅵ级航道通航标准。

关键词：变动回水区；二维数学模型；航道整治；积石峡

积石峡库区位于黄河上游河段，干流流经循化县，处于黄河阶梯水电枢纽黄丰水电站和积石峡水电电站之间。黄丰电站下游2km循化托坝村至清水湾10km为积石峡水库库区变动回水区河段，河道平面图见图1。该河段地形复杂，浅滩交错分布，泥沙运动及河床演变均十分复杂，航道弯窄，平均比降1.54‰，最小水深处仅0.8m并伴有不良流态，船舶通行困难，严重制约着黄河积石峡河段航运发展。在以往的研究中多采用平面二维数学模型和物理模型对峡谷滩段航道整治技术进行研究。如张明进[1]等采用平面二维有限单元水流数学模型对融江螺滩河段进行航道整治方案研究；陆永军[2]等采用平面二维数学模型对松花江三姓浅滩航道整治工程进行了模拟；孙冬梅[3]等建立二维水沙数学模型对长江中游枯牛水道航道整治工程进行了研究；徐成伟[4]利用已建立的二维数学模型[5]对黄河李家峡变动回水区散乱浅滩整治工程进行研究；由此可见二维数学模型已经广泛的应用于航道整治工程的研究中。文章基于有限体积法，建立平面二维水流数学模型，对黄河积石峡水库变动回水区航道整治工程进行论证分析。文献[6]对模型控制方程及离散方法有详细介绍，文章不再赘述。

图1 河道平面图

1 数学模型建立与验证

1.1 计算范围及网格划分

本次模拟中模型上边界选定在托坝村，下边界选定在P18号水尺处，地形采用2010年实测1：2000地形图，计算河段全长6.8km。

计算网格由三角形六节点单元的非结构化网格，保证对流速计算具有二阶精度。模拟河段沿水流方向的网格单元尺寸最大为60m，局部丁坝工程区网格加密，加密处网格尺寸为3～4m。网格节点总数为21818个，网格单元总数为42157个。模型上有开边界选取托坝村流量边界，下游开边界选取水位边界控制。

1.2 数学模型的验证

采用2010年10月实测积石峡库区上游变动回水区河段枯水期和中水期瞬时水位资料和断面流速资料，分别对水面线、断面流速分布进行验证。

图2和图3分别给出水面和流速验证图，采用实测水位和流速数据进行模型验证，从图中可以看出水位误差在±10.0cm之内，流速最大误差小于5%，满足《内河航道与港口水流泥沙模拟技术规程》（JTJ/T232-2001）的要求。2 整治方案计算及结果分析

2.1 整治思路及参数

积石峡库区河段属于原始河床，浅滩类型为沙质和卵石浅滩，上游来水来沙情况对于河段浅滩发展有重要影响。对于变动回水区浅滩，整治原则应顺应河势，因势利导，调整中枯水动力轴线和水流结构，稳定主流，束水攻沙，控制和调整泥沙运动；工程布置应以控制河床，筑坝与护岸为主，平顺岸线，浅区结合疏浚措施保证航槽水深，改善沙质和卵石浅滩航道条件[7]。按照上述整治原则，采用第二造床流量法计算得出整治流量为575m3/s，相应水位即为整治水位；积石峡库区河段拟按内河Ⅵ级航道进行整治，通航50～100t级船舶，设计航道尺度为1.2m×30m×180m。考虑模型计算研究内容及要求，模型选取洪、中、枯水共5级流量，作为整治方案的计算流量。计算流量及相应水位见表1。

表1 模型计算流量及其对应水位

图4为整治流量Q=575m3/s下工程前后变动回水区沿程水深变化图。从图中可以看出，整治河段航槽水深局部变化明显，江心洲尾部以上河段水深较浅，以下河段水深条件较深。整治工程实施前，托坝村滩段上游右汊入口及江心洲尾部位置水深较浅，最小航深大约为0.5m左右。而右汊右岸拟建设托坝村码头，水深条件远不能满足Ⅵ级航道的通航要求。针对航槽水深不足，整治方案通过对江心洲入口处进行疏浚挖槽，同时对右岸进行切咀来解决水深不足的问题。整治工程实施后，整治流量下1.2m航槽上下基本贯通，水深条件得到有效改善。

2.2 整治前后水面及比降变化

计算结果表明：各级流量下托坝村滩段及以上河段水位差和水面比降变化较大，加入村及市政大桥及以下河段水面比降比降变化较小，基本趋于平缓。最低通航流量323m3/s时，托坝村滩段水位变幅在0.16m～1.24m之间，比降变幅在0.43‰～3.04‰之间，相比工程前水面比降得到了有效减缓，其中江心洲下游沙梗处最大比降减少了0.72‰。整治流量575m3/s，水库水位为汛期防洪限制水位1854m时，托坝村滩段水位变幅在0.15m～0.99m之间，比降在0.54‰～2.62‰之间，市政大桥上游河段水位壅高0.27m，水库水位为正常蓄水位1856m时，托坝村滩段水位变幅在0.14m～0.87m之间，比降在0.54‰～2.52‰之间；一年一遇洪水1000m3/s时，托坝村滩段水位变幅在0.24m～0.83m之间，比降在0.92‰～2.48‰之间；相比工程前平均比降减小0.05‰，市政大桥上游河段水位壅高0.26m。设计最高通航流量1770m3/s时，托坝村滩段水位在1858.66～1862.97m之间，水位差在0.22m～0.74m之间，比降在0.32‰～2.47‰之间；相比工程前平均比降减小0.11‰，市政大桥上游河段壅高0.34m。

2.3 整治前后航槽流速变化

整治流量Q=575m3/s航槽流速变化对航槽影响较大，当比降减小、流速变缓，水流挟沙能力也随之减弱，泥沙落淤造成河床抬高，淤积成滩。库区尾部回水区流速减缓较大，水流挟沙能力减弱，造成“翘尾巴”现象。图5为整治流量下整治工程实施前后河段航槽流速变化图。从图中可以看出整治流量Q=575m3/s，水库水位处于防汛限制水位1854m时，托坝滩段流速流态较整治前有一定改善，急流区流速减小，减小幅度为0m/s～2.2m/s，最大流速约为3.5m/s；加入村滩段流速相比整治前略有增加，市政大桥滩段流速最大增幅为1.17m/s，有助于提高水流冲沙能力；市政大桥以下河段流速变化不大。水库正常蓄水到1856m时，托坝村滩段流速减小幅度为0m/s ～2.23m/s，最大流速约为3.0m/s；市政大桥滩段由于回水影响，较防汛水位时流速增幅减小，最大增幅为0.29m/s。

3 结束语

文章建立平面二维水流数学模型，对黄河积石峡变动回水区航道整治进行数值模拟研究。模型计算了整治河段在各级流量下整治工程实施前后的通航水流特性，对整治流量下的航道水深、水位、比降变化及航槽流速变化进行了分析，计算结果表明：

（1）应用建立的平面二维水流数学模型进行了水面线及流速分布验证，计算值与实测值吻合较好，为航道整治方案计算奠定了良好基础。

（2）实施整治工程后，整治河段通航条件得到明显改善，设计流量下的沿程水深都在设计水深1.2m以上，水位比降得到较好的调整。

（3）整治流量下，水库水位处于防汛限制水位1854时，托坝滩段流速明显减小，减小幅度为0m/s～2.2m/s，加入村滩段流速相比整治前略有增加，市政大桥滩段流速最大增幅为1.17m/s，市政大桥以下河段流速变化不大。水库正常蓄水到1856m时，托坝村滩段流速减小幅度为0m/s ～2.23m/s，市政大桥滩段由于回水影响，较防汛水位时流速增幅减小，最大增幅为0.29m/s。

参考文献

[1]张明进，张华庆.融江螺滩河段航道整治数学模型研究[J].水道港口，2006，27（4）：211-216.

[2]陆永军.松花江三姓浅滩航道整治的二维数值模拟研究[J].泥沙研究，1998，（2）：26-34.

[3]孙冬梅，张明进，冯平等.数学模型在长江中游牯牛沙水道航道整治工程中的应用[J].水利水电技术，2009，40（7）：125-129.

[4]徐成伟.李家峡水库变动回水区散乱浅滩整治研究[J].水道港口，2010，31（6）

[5]陆永军.陈国祥.航道工程泥沙数学模型的研究（Ⅰ）-模型的建立[J].河海大学学报，1997，25（6）

[6]杨明远，杨武，郁达等.北江千吨级航道整治研究：Ⅱ二维数学模型与整治河段通航水流条件分析.交通科学与工程，2013，29（4）：66-72.

[7]曹明雄.山区河流急流滩险航道整治技术研究[D].南京，南京水利科学研究院.

作者简介：杨武（1990-），男，江西九江人，硕士，主要从事海岸动力过程及其模拟技术研究。