基于理论模型计算的某河道防洪区泥沙冲淤分析研究

顾 峰，杨 帆，葛万明

（1.无锡市新吴区水利局，江苏 无锡 214023；2.无锡市泓利工程监理有限公司，江苏 无锡 214023；3.无锡市水利设计研究院有限公司，江苏 无锡 214023）

1 引言

经济社会不可控制发展，对生态环境带来不可忽视的负面影响，而水利工程中受到长期工民业用水等多重侵害，导致部分河流淤泥沉积较严重、水体富营养化等[1-3]，甚至在部分防洪规划区域内，都已经出现河床过高，导致雨水季节水位涨幅显著，极大威胁着民众正常生活工作。已有较多学者通过水力学理论公式推导或者数值计算等[4-6]，研究着河流中泥沙冲淤状态，研究成果主要集中在河流水库拦坝后的排沙比、含沙量等参数选择验证上[7-9]。为了更进一步反映出河流泥沙冲淤，针对实际案例，选择科学合理的模型参数，在泥沙理论运动模型基础上，研究河流各个断面上泥沙堆积表现，为了解河流状态及水利工程设施除险加固设计等提供重要参考。

2 工程概况

某河流控制流域面积超过45 000 km2，防洪区将河流分为上下2个断面，控制流域面积近乎一致，在下断面中建设有一座中型水库，负责拦截洪水，河流并无其他较大的支流水源补充，利用矩估计法确定多年平均径流量为12.5亿m3。图1（a）为10 a以来水文观测站监测到的年均水量，各年份之间水量基本呈交替变化，最大水量出现在1989年，超过20亿m3，最小水量出现在1992年，仅有最大水量年份的32.6%，高水量表明了在该年份输送泥沙量更大，最大泥沙量达到39 200.5万t。图1（b）为常年各月份平均水量与沙量之间的关系。水量与沙量最大值出现在降雨季节7—9月，月份中最大平均水量与最大输沙量分别为3.02亿m3、5 150.3 万t。依据水沙特性分析可知，该河流流经防洪区上游含沙量超过50 kg/m3的天数有48.5 d，总输沙量达到13 555.2 万t，占比超过95%；河流防洪区总输沙量包括悬浮质与滑移质年输沙量，但其中主要以悬浮质输沙量占比最大，颗粒粒径分布在0.005～2 mm，中位数粒径为0.025 mm。

图1 河道水文观测资料

3 理论模型的率定与验证

3.1 理论模型参数的率定

该河流防洪区天然水位流量曲线，如图2 所示，此与下游出口水位息息相关。根据测试资料，获得泥沙粒径分组数据，详见表1。由于泥沙冲淤量不仅仅与泥沙粒径相关，同样与冲积物的物理参数相关，如干、饱和容重以及糙率[10，11]。

图2 天然水位流量曲线

表1 泥沙粒径分组

设定流经水流为各向同性的均匀状态，由已知流量获得糙率值，根据历史水文经验资料[12]，带入拟合公式，获得相对应的糙率，如图3所示。

图3 糙率曲线

3.2 理论模型验证分析

不同时间段内河道内冲淤变化曲线以及各年份冲淤量随时间变化曲线，如图4所示。从图4可以看出，随着年度冲淤量积累，河床高程均会相比原始河床高出一定程度，在距坝里程为10 km段处时，8、10 a的累计冲淤量相比原始河床分别高了3.3%、3.5%。从累计冲淤量随时间变化关系来看，冲淤量5 a左右是一个轮回，总会通过自身调控回到平衡状态，在1991 年冲淤量达到最高峰，但随后逐年下降，趋于计算初始年份状态，而这也与不同时间段内河道内冲淤变化相一致，不同积累年限下的河床高程在最终靠近，表明该理论模型参数率定是合理与科学的。

图4 理论模型验证曲线

4 河道防洪区泥沙冲淤分析计算

4.1 上游闸坝口泥沙冲淤计算

（1）基本参数。由于泥沙数学模型涉及参数较多，因而笔者选择该河道防洪区内22个断面开展研究，其中河道长度为11.8 km，水力坡降为0.1%，选择前文分析所选用的糙率3.2%，以1 d为单位计算时间长度，获得整个10 a内各个时段内泥沙冲淤量。

（2）现状河道纵剖面变化。图5为河道不同年限内纵剖面变化曲线。从图5可以看出，所有年份纵剖面发生较大差异主要出现在河道里程为0～7.0 km，该区段内，河道高程几乎随着年份增长而逐渐抬高，以初始年份和第10 年为典型，在河道里程为3.763 km处，第10年河道高程相比初始年份提升了1.8%。类似的第2、第4、第6、第8 年河道高程在纵剖面上走向近乎一致，联系初始年份与尾年份河道高程抬高比，可知现状河道在纵剖面上近乎无显著变化，高程长期稳定在365.0～380 m。

图5 不同年限内纵剖面变化曲线（上游闸坝口）

（3）泥沙冲淤量及防洪区内库容变化。图6 为不同年限内河道内累计泥沙冲淤量及防洪区内库容变化曲线。从图6（a）可以看出，在10 a 周期内，上游闸坝口除第1 年泥沙冲淤量大幅度上升外，其他年份泥沙冲淤量处于波动变化。第1年至第10年泥沙累计冲淤量为257.12 万m3，根据每年平均排沙比亦可知，年均排沙比均在99%以上，各年份泥沙淤积累计量正值最大为44.33 万m3，表明上游闸坝口对泥沙沉积量调控较为正常，总体泥沙冲淤量稳定。从图6（b）可以看出，在不同运行年限内，随着运行时间愈长，上游闸坝库容降低愈显著，其中第10 年剩余库容仅有初始年份的56.8%，笔者分析此主要是由于随着年限积累，泥沙冲淤消耗了水库库容，造成水库库容逐年下降，直至第10年库容减小至625万m3。

（4）洪水线与泥沙冲淤量计算结果。图7 为上游闸坝按照不同洪水频率计算得出的10 a年限内水面线。从图7 可以看出，在100 a 一遇洪水条件下，坝体建设完成后水面线最大抬升了1.59 m，位于5.39 km里程处；而50 a 一遇洪水条件下，水面线抬升了1.53 m，位于4.6 km 处；同样，5 a 一遇洪水条件下，水面线抬升了1.27 m，位于3.393 km 处。经统计，在危险洪水频率下，洪水水位上涨最高，但3种不同洪水频率下的水面涨幅仍然较低，涨幅均低于0.1%；另一方面，10 a 运行年限后的上游闸坝过水面积为0.6 km2，相比初始年份减少了61%。

图6 泥沙冲淤量及防洪区内库容变化结果

图7 不同频率洪水条件下水面线与深泓线（上游闸坝口）

4.2 下游闸坝口泥沙冲淤计算

下游闸坝口剖面高程趋势与上游闸坝口类似，如图8 所示。经不同运行年限后，泥沙淤积导致河道各断面里程上的高程均有一定程度上升，由于泥沙淤积影响在时间线上受汛期与里程影响，各断面高程均具有一定波动性，第2 年至第10 年各断面高程集中在362.37～368.77 m，相比上游闸坝口有所下降。

图8 不同年限内纵剖面变化曲线（下游闸坝口）

（1）泥沙冲淤量及库容变化。下游闸坝口泥沙冲淤量及库容变化曲线，如图9所示。从图9可以看出，10 a 年限内累计淤积量为76.28 万m3，从第1 年至第10年泥沙冲淤量总体是呈下降趋势，正淤积量值最大为15.8 万m3，年排沙比均值为99.2%。从运行年限库容变化来看，第10年下游闸坝口库容损失了35%，降到149.2 万m3，相比上游闸坝口，损伤比减少了，表明库容量受泥沙冲淤量影响减弱。

图9 下游闸坝口泥沙冲淤量及库容变化曲线

（2）洪水线及冲淤量结果。洪水线与泥沙冲淤量息息相关，通过分析不同洪水频率洪水线可反映河道内泥沙淤积量，如图10所示。从图10可以看出，下游闸坝口10 a年限内洪水位与初始年份洪水位几乎一致，相比上游闸坝口，下游闸坝口受泥沙冲淤量影响较弱，不论是100 a一遇洪水还是5 a一遇洪水，水面线与初始年份一致。原始深泓线与10 a年限运行周期内仅在里程1.819 km处一致，其他区域里程深泓高程相比均有一定程度升高，表明泥沙冲淤量影响了深泓线走向，原始深泓线主要为前后两“V”形，10 a年限后的深泓线呈线性上升。利用泥沙理论模型计算，获得了下游闸坝口断面上10 a年限后的过水面积为0.7 km2，相比初始年份0.72 km2，并无显著变化。

图10 不同频率洪水条件下水面线与深泓线（下游闸坝口）

5 结论

本文主要结论如下。

（1）获得了上游闸坝口河道断面内高程长期稳定在365.0～380 m，下游闸坝口断面高程集中在362.37～368.77 m，上下游闸坝口现状河道在纵剖面上近乎无显著变化。

（2）获得了上、下游闸坝口河道断面内累计冲淤量稳定，年均排沙比均在99%以上，上游闸坝口泥沙淤积累计量正值最大为44.33 万m3，下游闸坝口相比泥沙淤积累计量有所减少，最大值仅有15.8万m3；上、下游闸坝口库容分别减少了56.8%、35%，10 a年限后库容分别为625万、149.2万m3。

（3）分析了不同频率洪水位对河道内泥沙淤积影响：在危险洪水频率下，上游闸坝口洪水水位上涨最高1.59 m，但涨幅较低，均低于0.1%；下游闸坝口10 a 年限内洪水水位线与初始年份一致，泥沙淤积量主要影响深泓线走向，由前后两“V”形的原始深泓线演变成10 a年限后的线性上升。