濛河拓浚工程对淮河王临河段河势影响研究

倪 晋，虞 邦 义，张 辉，王 久 晟

(安徽省·水利部淮河水利委员会水利科学研究院 水利水资源安徽省重点实验室，安徽 蚌埠 233000)

1 研究背景

淮河干流王临河段全长110.98 km，上起豫皖分界王家坝，下讫中游最大的战略性控制枢纽临淮岗，南北两侧有洪汝河、白鹭河、史灌河等大型支流汇入，沿程还设有濛河分洪道及濛洼、城西湖等多处蓄滞洪区，形成了集众多河流与水利工程为一体的复杂河网体系，见图1。

图1 淮河干流王家坝至临淮岗段河势及治理方案Fig.1 River regime and modification scheme of Huaihe River from Wangjiaba to Linhuaigang

作为淮河防洪重点河段，在王临河段已经整治出宽1.5～2.0 km的行洪通道，但由于主槽弯曲、窄小，河道整体排洪能力仍达不到设计值。整治思路是以扩挖主槽为手段，合理调整行蓄洪区，即开展淮河干流王家坝至临淮岗河段行洪区调整及河道整治工程[1]，以下简称“王临河段工程”。

王临河段工程是国务院确立的172项重大水利工程和进一步治淮的38项任务之一。工程主要内容包括：① 采用单式梯形断面拓浚濛河分洪道，设计断面底高程为21.0～18.6 m，底宽为100 m；② 对淮河干流南照集至汪集段进行疏浚挖槽，疏浚后断面高程为16.5～15.8 m，底宽为230～240 m。两段合计疏浚线路总长77.45 km，开挖土方总量为2 912万m3。

王临河段工程能有效提高河道的滩槽泄流能力，打开衔接淮河上中游的束水瓶颈。但同时，疏浚工程对主槽规模进行了较大幅度的调整，也可能对河势稳定产生一些负面影响。淮河王家坝至南照集段为分汊河型，南汊淮河干流为主汊，北汊濛河分洪道为支汊，选择对线路较短的支汊进行疏浚。需要对拓浚后河道淤积、水位及两汊分流比变化趋势和特点进行分析研究。

重大水利工程的建设和运行一般均需进行河床演变分析。针对长江[2-3]、黄河[4]、汉江[5]水库建设、航道疏浚引起的泥沙输移、滩槽演变及水位变化进行了长期、持续的研究，为工程论证提供了有力支撑，深化了工程对水流泥沙特性及演变影响规律的认识。相对而言，淮河在这方面的研究比较滞后，规划设计人员普遍采用定床模型对工程效果进行评估[6-9]。涉及到河床演变的部分，多通过实测资料进行定性分析[10]，很难量化整治工程影响下河道长时间的非平衡演变过程。这是由于淮河来沙较少，导致与冲淤相关的研究基础比较薄弱，特别是泥沙级配资料十分匮乏。随着淮河中游河床演变研究工作的开展[11-12]，且河道整治重点逐渐转向主槽[13]，通过构建水沙数学模型，客观、定量地分析工程河段的冲淤变化及河床演变过程，已成为目前淮河治理中不可或缺的技术手段[14-15]。

本文基于长系列水沙资料，利用动床模型预测了未来30 a淮河干流王临河段河道的冲淤演变趋势，及工程对河道过流能力、两汊分流比的影响，以期为相关部门的决策提供依据。

2 河段基本情况

2.1 水沙特性

淮河王临河段的水沙条件主要由王家坝(合并)站控制。该站流量观测始于20世纪50年代，而在1954～1959年开始泥沙施测后，留下了20多年的空白期，于1984年才恢复观测。受泥沙停测的影响，该站连续完整的水沙资料仅30多年。

根据1985～2014年实测资料统计(表1)，该站多年平均年径流量为83.1亿m3，输沙量为258.4万t。从年内分配来看，六成以上的水沙均集中在汛期(6～9月)输送，且输沙量的集中程度更高。

表1 王家坝(合并)站年径流量及输沙量统计Tab.1 Statistical analysis of annual runoff and sediment load at Wangjiaba station

进一步分析水沙变化趋势可知，该站历年径流量呈不规则的周期性变化，高值区和低值区交替出现，而输沙量则随着时间推移呈现出明显递减趋势。由表1可知，在2005～2014年间，王家坝(合并)站年输沙量在200万t左右，仅为1985～1994年统计值的62%。

2.2 河床演变特征

王家坝是淮河上中游的分界节点，该河段恰好处于上游山区向中游平原的过渡地带。由于河床比降骤然减缓，加之河道分汊、水流分散等因素的影响，该河段历来是淮河泥沙沉积主要场所之一。根据分析[12]，无论采用输沙量差法还是断面法，王临河段均表现为淤积。近年来，随着上游来沙减少，该河段主槽基本处于冲淤平衡状态，而滩地的淤积程度也有所减轻。

3 水沙数学模型

3.1 模型建立

王临河段工程覆盖空间范围大，河网结构复杂，模型涉及对众多支流、行蓄洪区和分汇汊点的处理，采用一维模型能准确快速地模拟河道内的水沙运动过程，及时为工程规划服务。同时，该河段水情变化迅速、河道槽蓄能力较大，建模时须运用非恒定流手段，以保证洪水模拟和水沙联算精度。基于此，本文采用一维非恒定流河网水沙数学模型，其主要控制方程如下：

连续方程：

(1)

动量方程：

(2)

不平衡输沙方程：

(3)

河床变形方程：

(4)

挟沙能力方程：

(5)

汊点输沙平衡方程：

(6)

针对王临河段含沙量较低、河床变形缓和特点，模型采用非耦合解法，即先完成水流计算，求出相关水力要素后，再解泥沙方程，并推求河床冲淤变化。模型的水流方程通过数值稳定性高的四点隐式差分格式离散，配合以水位为隐函数的三级算法求解。不平衡输沙方程基于守恒性好的有限体积法离散，再根据水流的方向，自上而下通过追赶法求解。各方程的离散求解过程以及床沙级配与横断面的修正方式详见文献[16-19]。

3.2 率定和验证

模型验证的范围为淮河干流洪河口至鲁台子河段，并考虑区间支流入汇及行蓄洪区的水沙调蓄作用，实现了对王临河段工程区的全覆盖。根据实际情况分析，上边界洪河口给定王家坝及钐岗两站的合成流量及王家坝站的实测含沙量过程，下边界鲁台子采用相应时段的控制水位过程，区间支流作为集中入流注入河网，行蓄洪区按实际进退洪过程概化为源汇项进行处理。

在收集到的淮河干流地形资料中，以1999年航测图最为系统和完整，因此将其作为起算地形，并配合1999～2008年的水沙资料对模型进行率定和验证。该模型中的大部分参数都具有比较稳定的取值，如挟沙能力指数m围绕0.92微小波动；对于恢复饱和系数as，一般冲刷取0.25，淤积取1.0。对这类参数，本文直接采用上述经验值[20]，以减少模型不确定性。经过处理后，需要通过实测资料校正的敏感参数只剩下了糙率n及挟沙能力系数ks。经反复试算分析，河道主槽及滩地糙率n可分别取0.0215和0.034；挟沙能力系数ks的取值与河道的冲淤状态有关，在平衡时取0.025，当发生明显淤积或冲刷时可参考式(7)进行修正：

(7)

计算范围内的人工采砂现象比较普遍，直接采用实测地形资料对模型冲淤量进行校验难度较大。因此，本文仅对沿程主要控制站的水沙过程及总量进行对比。表2为鲁台子站实测年输沙量与计算值对比。由表2可知，无论是率定期还是验证期，该站年输沙量计算与实测的误差一般小于15%，相对而言，枯水年型2001年的误差较大，但也没超过20%。图2给出了部分主要站点计算流量与含沙量过程与实测值的比较(限于篇幅，文中只列出了2005年计算成果)，由图2可知，各站水沙计算过程与实测值基本吻合，表现出较好的峰谷对应关系，洪峰误差在10%之内，沙峰误差在20%以下，模型精度基本达到了方案分析要求。

表2 鲁台子站年输沙量对比Tab.2 Comparison of annual sediment load between calculation and observation at Lutaizi station

图2 2005年主要控制站流量与含沙量验证Fig.2 Verification of flow discharge and sand concentration process at main stations in 2005

4 冲淤模拟及成果分析

4.1 计算条件

(1) 水沙系列。根据淮河蚌埠以下河道的治理经验[21]，要全面模拟河床纵剖面变化、水位升降及分流比调整，一般需要进行20～30 a的动床模拟。为了最大程度地利用现有资料，方案计算选择1985～2014年连续30 a实际发生的水沙系列作为未来30 a的水沙条件，该系列多年平均年径流量及输沙量分别为100.3亿m3及298.5万t，不仅样本数量多，水沙总量的代表性好，而且包括了各种类型的水沙年型，能全面反映不同水沙组合对河床冲淤的影响。

(2) 初始地形。河道地形条件分为现状和规划两种。其中，现状地形基于最新断面资料进行构建，即干流王家坝至汪集河段及濛河分洪道采用2018年断面，汪集至临淮岗河段采用2011年断面；规划地形则以王临河段工程完成后的竣工断面作为初始河床边界。

(3) 出口边界。方案计算以临淮岗枢纽为下边界，采用实测水位流量关系控制其闸上水位过程。需要说明的是，临淮岗枢纽对下游河段采用防洪补偿的调度方式，拦蓄洪水的流量起点很高。在现行的调度方案中[22]，该枢纽正常运用的洪水标准为100 a一遇，即只有当淮河发生特大洪水时才可以启用，平时保持河道自然泄流的状态。因此，方案计算的来水条件均不需要运用临淮岗工程进行拦洪、滞洪。

4.2 成果分析

4.2.1冲淤总量及分布

根据模型计算，未来30 a现状及规划条件下的累计冲淤量如表3所示。

由表3可知，两方案下该段整体均呈持续性的淤积状态，但淤积总量及速度均不大。计算至30 a末，现状方案的淤积量为946.8万m3，年均淤积31万m3；规划方案的淤积量为1 048.1万m3，年均淤积35万m3。后者淤积的强度略大于前者。从淤积发展的进程来看，两方案前10 a的淤积量均占30 a总量的60%左右，即前期淤积量的贡献率较高，随着时间的推移，淤积速率有下降趋势。在连续30 a的水沙作用下，两种方案都没有实现均衡输沙，大部分河段的淤积仍在缓慢地发展中。

表3 治理前后冲淤量变化Tab.3 Distribution of deposition-erosion amount along the river channel before and after regulation scheme 万m3

与现状方案相比，工程后冲淤纵向分布的差异表现为：汪集以下淤积量减少，汪集以上淤积量增加，并存在两个明显的增淤区。

(1) 第一个明显的增淤区为王家坝至南照集河段，即南汊老淮河。该汊在现状条件下表现为上冲下淤，冲淤分界大致在三河尖附近。濛河拓浚后，减少了进入该汊的流量，河道整体的输沙能力有所下降，尤其是上段冲刷能力明显减弱，与进口水沙条件的改变不无关系。至计算30 a末，河道累计淤积量为119万m3，较现状增淤85.4万m3。该汊出现明显增淤符合分流必淤的河床演变规律，此时河道的沿程水位低于现状值。

(2) 第二个明显的增淤区为润河集至汪集河段。现状方案下该河段总体呈冲淤平衡状态，年际间也没有大的变化。疏浚工程实施后，河道过水断面明显增大，流速也随之放缓，从而产生了淤积。至计算30 a末，该段淤积总量114.7万m3，较现状增淤96.7万m3。

汪集至临淮岗河段出现减淤，主要是因为该河段没有安排治理工程，现状及规划方案具有相同的初始地形。当地形条件一致时，沙多则利于淤积，沙少则不利于淤积。与规划方案相比，现状汪集以上河道断面较窄，水流集中，在洪水期能够将更多泥沙输移至下游，故而淤积量略大。

4.2.2水位效果及维持性

采用设计洪水条件，对王临河段工程竣工起始及运行30 a后的沿程水面线进行计算，成果见表4。

表4 规划方案下王临河段主要控制点水位变化Tab.4 Water level variation along the reach after regulation scheme m

分析表4可知，起始状态下，王家坝节点计算水位为29.19 m，低于设计值0.01 m，这说明整治后王临河段的整体排洪能力满足规划要求，疏浚工程的范围及规模是合适的。经过30 a的冲淤演变，河道的沿程水面线进行了重新调整，其中三河尖以下各节点的水位略有升高，相应三河尖以上河段的水位略有降低，如主要控制点王家坝的计算水位降低了0.03 m。

水位调整反映了冲淤对河道过流能力影响。淮河干流三河尖以下的淤积缩减了过流断面的尺寸，进而抬高了水位。然而，三河尖以上河段并未表现为明显冲刷，王家坝水位却出现了下降。这是因为大水时水流能量集中，能够增加洪水的造床和输沙作用，还能对原有凹凸不平河床进行重新塑造和整理。具体到王家坝-三河尖段，受采砂等人类活动的影响，该段23.5～24.0 m以下主槽面积差异较大，极大值与极小值的比例达3.8。经过30 a的冲淤调整，特别是2003、2005、2007大水年型的造床作用，众多交错分布的采砂坑在水流的作用下相互贯通，河段断面趋于均匀化。统计分析起始及30 a末的主槽面积可知，前者离差系数为0.32，后者为0.23。河道断面更加均匀化，在一定程度上减少了突扩与收缩带来的局部水阻，从而降低了河道水位。

综上分析可知，王临河段虽然整体表现为淤积，但是河道的过流能力并没有衰减，工程的治理效果能够长时间维持。

4.2.3分流比变化

自20世纪50年代淮河濛洼蓄洪工程建成以来，王家坝至南照集河段即形成了双汊并行的格局，并一直维系着相对稳定的河道形态及分流特性。通过对不同流量级和丰中枯来水年型的计算，可得工程前后濛河分流比及分洪水量比例(以下简称“分洪比”)的变化情况，见图3及表5。

图3 工程前后分流比的变化Fig.3 Flow diversion radio variation before and after regulation scheme

表5 工程前后分洪比的变化Tab.5 Flood diversion radio variation before and after regulation scheme

(1) 现状分流比。在中枯流量级(Q<2 000 m3/s)，南汊淮干是主要的过流通道，濛河分流比一般不会超过25%。随着上游来流逐渐增大，在滩地参与行洪后，濛河河线较短的优势开始凸显，分流比不断攀升，并在Q=6 000 m3/s时达到峰值，约为54.5%，略大于淮干流量。之后，濛河分流比随着流量进一步增加开始下降，但也能维持约50%，基本与淮干平分上游来流。

(2) 现状分洪比。王临河段洪水多由暴雨形成，陡涨陡落，峰型尖瘦，大流量持续时间较短。受此影响，濛河的分洪比相对偏低。一般情况下，丰水年型的分洪比可以达到约25%，枯水年型的分洪比不超过2%。从多年平均来看，濛河一汊的分洪比在10%以下，在两汊并行的输水格局中处于支汊地位。

(3) 工程后的分流比。与现状相比，规划起始条件下濛河分流比的增幅一般在4.5%～16.3%，两者最大的差异出现在Q=2 000 m3/s附近。低于这个流量级濛河中泓过水不充分，主槽疏浚效益没有得到充分的发挥。反之，高于这个流量级，漫滩程度的增加又会降低主槽行洪所占的比例。因此，工程前后分流比的差异呈现出先增加后减少的特点。

(4) 工程后的分洪比。规划工程可以在一定程度上增加濛河的分洪比。从提升的幅度看，中水年型的分洪比增幅最大(约10%)，丰水年型次之，枯水年型的变化最小。虽然过洪比例有所增加，但多年平均下来，南汊淮干的过水量仍将占到80%以上，主汊的地位还是比较稳固的。

经冲淤调整30 a后，濛河分流比、分洪比与规划起始状态相比均略有降低，其中，分流比的降幅在3%以下，分洪比的降幅不到1%。计算表明，濛河分流比及分洪比仍将长期维持在工程刚竣工的起始状态，并没有进一步扩大。

5 结论与建议

(1) 无论是现状还是规划，王临河段均呈持续性的淤积状态，但由于淮河来沙较少，两方案下河道淤积量及回淤速度均不大。其中规划方案30 a累计淤积总量为1 048.1万m3，较现状增淤101.3万m3。增加的淤积量主要分布在汪集以上河段，尤其是南汊老淮河及润河集至汪集段。

(2) 王临河段工程的范围和规模能够满足设计行洪能力的要求，且经过30 a的冲淤调整，王家坝节点水位还能较刚竣工时降低0.03 m，工程效果基本能够长期维持。

(3) 濛河分洪道拓浚后，各流量级的分流比、丰中枯年型下的分洪比都呈增加趋势。其中，分流比的增幅一般在4.5%～16.3%，以Q=2 000 m3/s附近的增幅最大；分洪比的增幅一般在0～10%，以中水年型的变化最为突出。在30 a水沙作用下，濛河的分流比、分洪比较起始状态略有降低，并不会出现主流持续转向濛河，主支汊易位的风险。

(4) 工程建成后，建议加强对河道水沙和冲淤的原型观测，以便及时发现问题并采用相应措施。