基于泥沙动力学分析水利工程调度对改善河道淤积的影响

庄 杨， 杨 超， 张 兴， 李一如

(1.常州市城市防洪工程管理处， 江苏 常州 213165； 2.江苏常州经济开发区农业水利服务中心， 江苏 常州 213165)

根据《水污染防治行动计划》要求，地级及以上城市于2020年底前完成黑臭水体治理目标。为改善市区河道水质，常州市开展“畅流活水”系列工作，以加速水体更新为主要工作任务。“畅流活水”科学引用长江优质水源，“引清入城”的模式提高了城区河道水环境更新效率，水体有望在有序流动中恢复自净能力。

河道淤积是导致黑臭水体发生的原因之一，淤泥会对河道水质构成持久的污染，且直接影响河道灌溉、排水功能的正常发挥以及河网生态效应，清淤是河道综合治理的先行条件。目前，常见的河道淤积处理主要集中于工程措施，这一治理手段耗时长、投入高。“引清入城”的调水模式，加大了调水区域内河网水流量，加速了水流流速。调水期间，沿线河网水位有不同程度的抬高，主城区河道流速明显提高，达到平均10～20 cm/s。基于传统泥沙动力学理论，主城区在换水过程中，增大了水流的动能，水流挟沙能力也随之加强。由此推断，通过优化水利工程调度，增加城区河道水动力条件，使其在提升地区水质过程中发挥前期效用，在改善水质的同时，降低地区淤积风险，为从源头治理水体污染的总目标争取时间。

为科学评估常州市主城区调水工作产生的减淤效果，目前分析冲淤效果的常见方法包括河道断面勘测，检测输水断面的悬移质含量，分析水流形态变化对冲淤能力的影响。这些方法虽然检测结果较为准确，但是过程繁琐，试验要求和成本较高，检测周期长。本文利用传统泥沙动力学模型，分析调水前、后水体冲淤和挟沙能力的变化，对调水产生的冲淤效果进行初步评价，为探寻在调水中逐步达成地区冲淤平衡的状态提供理论支撑。

1 工程设施

2017年7月，常州市审议通过《常州市运北片主城区“畅流活水”总体方案》，方案决定：活水工程引调长江水，采用双源(德胜河、澡港河)供水，修建4座(盘龙苑、恐龙园、新市桥、洋桥)活动堰，增强了内部调控能力，提高小河道流动性，打造两进三出的水流路径(“两进”指德胜河和澡港河，“三出”指肖龙港、老桃花港和新沟河)，配合水利工程的整体调度。工程建成以后，从澡港河引流(20～40 m3/s)的水资源全部流经主城区，按每天调运6 h，每年保证运行250 d估算，全程河网平均引水量约为10 m3/s。调水工作增大了市区河道流量，利用水流势能与动能的转换加速水流流动，加快了水循环，为通过非工程措施进行冲淤营造了契机。

2 水情变化

现有研究结果显示，常州城区适宜引水规模可达50 m3/s。在这一引水量下，“畅流活水”方案目前可以实现人为重构水位差20 cm以上。但由于南运河、串新河等南排泵站的启用，通常换水区全河段较引水前抬高约7～11 cm，城南排水河道出水侧水位抬高不明显，以2020年12月的畅流活水调度运行水位数据为例，详见表1。

表1 主城区平均水位变化

同时，引水期间，连通的河道基本形成由北往南、由西向东的有序流动(平均流速由1～7 cm/s提升至9～25 cm/s)。古城区内河道12～36 cm/s，其余畅通河道流速基本在10 cm/s以上，西北部区域总体流速7～20 cm/s。

3 水流冲淤和挟沙能力变化

挟沙水流的运动是一种相当复杂的现象，影响因素主要有：浑水性质、水流缓急程度、过流断面宽深比、过流边界糙率、水力半径以及水沙综合因素等。对于悬浮质泥沙，紊流理论认为悬浮在水体中的泥沙，受地心引力的影响有下沉趋势，却因受紊动扩散作用而上升，在运动过程中，水流和泥沙相互发生作用。一方面水流通过消耗其紊动能量挟带和输送泥沙，另一方面泥沙的存在又反过来改变水流的物理性质和水流结构，从而影响水流的能量、流速和含沙浓度。现有实测资料显示：长江水1982—1985年，含沙量范围为0.20～3.76 kg/m3，2003—2004年，含沙量范围为0.12～0.20 kg/m3。含沙量随着沿岸绿化工程的推进还呈现逐年降低的态势，按照现有的含沙量划分标准[1]，可将长江水系划分为低含沙量河流，本文假设调水区域内泥沙为均匀沙。

3.1 冲淤能力提升

水中泥沙常见的3种形态为悬移质、推移质、河床质，河流中泥沙以悬移质为主。对于水流挟沙能力的探讨，多基于悬浮功的概念，判断标准是水流对悬移质泥沙的运输能力，在水流动能加大时会引发河床质泥沙转化成悬移质、推移质，随水流运动，3种形态没有严格的界线，可以随水流条件的变化而相互转化。

悬移质泥沙随水流移动主要依靠水流的能量转换，要使得河床保持冲淤平衡状态，单位体积挟沙水流总耗能需等于悬浮泥沙消耗的能量与其他途径消耗能量之和。

河道断面平均流速：

(1)

泥沙启动流速：

(2)

泥沙扬动流速：

(3)

式中：ρ为水体密度，kg/m3；ρs为粒子密度，kg/m3；d为粒子直径，m；h为水深,m；ω为泥沙颗粒沉速，m/s，可根据冈恰洛夫公式确定其取值；z为悬浮指标，泥沙粒径对其影响较大,将泥沙视为均匀沙时，可以根据罗斯公式确定z值。

想通过调度实现冲淤效果，要加大U值。根据实测资料，长江水中悬移质泥沙最大粒径常出现在夏汛期，悬移质粒径范围为0.0071～0.0276 mm，冬季则处于最小值状态,悬移质粒径范围为0.0064～0.0150 mm[2]，当d为8.5×10-7m时，z取0.7，ω取值0.0008 m/s。在12月份的调水过程中，水流平均流速由0.01～0.07 m/s提升至0.09～0.25 m/s，古城区内河道部分流段高达0.36 m/s，满足U>Us>Uc。

3.2 水流挟沙能力变化

借鉴三峡工程库区淤积测算和长江深水航道整治工程估算泥沙回淤等案例经验，选取适用的挟沙能力计算公式[3]。张瑞瑾由能量守恒原理得出的流速、泥沙沉速、区域水深函数关系的一般表达式对低含沙量水流计算准确性较高，适用于研究常州地区调水期间的挟沙量变化规律，计算式为

(4)

式中：Sv为按体积比浓度计算的水流挟沙能力；k、m为系数；v为水流的垂线平均流速，m/s；g为重力加速度，m/s2。其中，k影响因素复杂，变化幅度较大，m的取值可以定位在0～3之间。

参考孔俊等[4]针对长江水流律定的挟沙能力公式系数的最佳结果，本文将张瑞瑾公式中k取值定为0.317，m值定为0.44。用张瑞瑾公式分析调水过程中水流挟沙能力变化，在k、m、ω取值均确定的情况下，影响水中悬移质数量的主要因素是流速和水深，就同一河段而言，调水过程中水流的挟沙能力远超调水前。

分析可知，Sv值受流速的影响大于水深，对于水位差最大和最小的流段，调水前和调水时S值走向基本一致。调水开始后，随着流量的增加，S值可以达到[0.0658，0.2577)，与调水前S值所处的[0.0037，0.0482)相比，水流挟沙能力增加效应明显。

4 结 论

综上所述，引流量较大的河道，水流加速明显，挟沙能力也成倍速增加。“畅流活水”工作在改善市区水质的同时，能有效加大水流冲淤和挟沙能力，在水流冲刷下悬移质粒径会随之变大，过去因流速缓慢，从河水分离出来导致河道淤积的部分泥沙可以转换为悬移质，并被过境水流带走。

枯水期开展“畅流活水”在一定程度上增强了水流冲淤效果，适当利用可以改善淤积，从而降低工程措施清淤频率，带来一定的经济价值。后期可以进一步通过长期的断面输沙量和检测试验，监测水流挟沙量变化值和易淤流段的淤积改善情况，为实现非工程清淤提供数据支撑。也可以尝试研究不同调水量、调水模式下，水流状态与挟沙能力的变化，从而实现模型到实际应用的转化，对“畅流活水”方案进一步提出优化建议。