基于环境模拟数据模型的河流水沙特征与降雨影响分析研究

刘 睿，武佩佩，袁鹏博，万 帆

(中国电建西北勘测设计研究院有限公司，西安 710000)

1 概 述

河流泥沙悬浮沉降会对水工建筑的过流、通航及输水带来负面影响[1-2]，控制河流水沙淤积的前提是对淤积年限内水沙演变特征有较为清晰的认知，因而探讨河流水沙特征对水工建设具有重要意义。陈聪聪[3]、杨元平等[4]、房晨[5]认为水工模型试验结果精度较高，参照性较强，依据水工设计在室内完成原型水工建筑的搭建，安装测试完相关传感器，分析不同工况及试验方案下水沙演变特征，为工程设计、运营提供基础依据。范海东[6]、王国霞[7]、吕科等[8]利用渗流场计算平台如Fluent等计算了不同模型的水力特征参数，分析水利设施上流速、压强等受泥沙淤积影响，进而选择最优设计方案。理论模型与实测值吻合度较高，且理论模型与环境数据贴合更为可靠，因而利用SWAT模型等可研究水质状态及水动力学特征[9-11]，为水沙演变提供研究基础。本文根据大理河流域内环境数据特征，建立水文分析模型，探讨河流内水沙演变特征及降雨强度对泥沙悬浮沉降影响特性，为河流治沙设计提供依据。

2 环境数据模拟下的水沙演变

2.1 工程概况

大理河流经陕北高原地区，全长为170 km，全流域面积超过3 900 km2，是陕北地区重要地面河，集中着较多地表水资源，为沿线地区年输水量超过300×104m3，其流域分布平面见图1，本文河流水沙特征研究区重点针对李家河至曹坪区段。该河流所流经地区地质条件较差，岩土层颗粒粒径以4.2 mm为主，松散性较大，易发生较大滑移，故流域内含沙量较高。大理河流域沿线建设输水灌渠超过100 km，共有多座中小型水闸枢纽、调压塔及抽水泵站等水工建筑，这对排沙降淤带来一定影响。特别是丁家沟泄洪闸是区域内重要泄洪设施，最大泄流量可达252 m3/s，闸室底板厚度为1.2 m，闸顶高程为1 632 m，位于河流上游西部地区。借助大理河较大集水量，设计沿线输水渠道最大流量为25 m3/s，各管道内径流活动均以支线、节点线枢纽为渗流组，确保管线内渗流活动满足安全要求。为降低泥沙沉降对水工建筑影响，在岔巴沟与大理河汇入点建设有一个泵闸排沙枢纽，设计运营下可降低泥沙含量45%，且消能率可达42%。但由于研究区段内累积泥沙含量较大，常造成水位降低严重，限制下游输水渠首流量仅为0.2～0.45 m3/s，因而无法正常运营。另一方面，与上游河道相连渠首区域布设有排沙闸等水工设施，但由于输水渠道对流量控制、闸门开度等要求较高，无法有效限制泥沙悬浮质进入管线，一定程度上造成了管线内部分区域泥沙淤积较为严重。监测表明，管线内最大含沙量可达5.5 kg/m3，这也限制了输水管线最大设计标准的输水能力，导致输水耗散率增大。对大理河曹萍站至绥德站监测表明，该区段内年输沙量可达1×104t，河道两侧土体松散程度较高，受降雨等地表径流影响，导致林草护坡面受损。输水管线与河道内泥沙时空监测表明，其水沙特征不仅与上游流量有关，与降雨分布亦有关，在输水管线调压塔附近，常在降雨天气出现泥沙沉降，而调压塔作为泵闸与下游用水厂的中间提压载体，其泥沙悬浮沉降较显著，表明水沙演变已波及重要输水管线控流枢纽。为有效降低泥沙淤积对下游输水管线、水闸泄洪及河床水位影响，对重点淤积区段开展环境模拟数据下的水沙演变分析。

图1 研究区流域分布图

2.2 环境模拟数据建模

基于研究区段内流域环境数据调查，获得流域内既往年份各月径流、输沙量及降雨特征[12-13]，见图2。从图2中可知，月输沙量最多为8月份，达0.72×104t。同时，该月份降雨量最大，可达140.6 mm，径流亦较活跃，本文以该月份输沙量及降雨量作为模型模拟计算的外参数。利用SWAT模型构件研究区段内河流水文模型，控制河段内各断面的水沙演变特征，该模型中可控制降雨量、泥沙模块与径流模块，内在具有子模块与全模块联系性。

图2 各月径流、输沙量及降雨特征

以土壤数据栅格图作为流域内土层分布状态模拟，图3为研究区段内土壤分布类型。由于不同土壤类型会影响地表径流、泥沙悬浮质的迁移等，故各个土壤类型参数均按照实验室测定输入至环境数据模型中，并设定模型中土壤地表渗流厚度影响范围为1.5 m。另外，针对流域内泥沙敏感性参数，本文以试调法进行设定，逐步找到最适配流域径流及泥沙悬浮沉降的参数，其他如河床坡度、沟道长度及饱和系数等均按照实际流域监测取值。

图3 土壤分布类型

依据上述环境数据模型及SWAT水文模型计算，本文以历史年份水文数据与模型计算数据相对应，获得1997-2006年内各年最大月输沙量，并与本文模型计算值对应，见图4。从图4中可知，计算模型与监测值最大误差为2003年，输沙量差为3.92×104t，而对应1997-1999年，模型计算值与监测值基本吻合，差异较小。该模型在1997-1999年率定期最大输沙上限系数为0.83，满足精度要求。综合来看，本文环境数据模拟耦合SWAT水文模型可较好反映研究区段内水沙状态。

图4 最大月输沙量实测与模拟值对比

3 河流水沙特征分析

3.1 水位特征

基于环境模拟数据模型计算出研究区段内各断面上水位特征，见图5。从图5中断面上水位变化可知，随淤积年份增长，各断面上水深特征线均减小，但水深减少主要集中在断面2 000～4 000 m处，现状年在该区间断面内平均水位为4.71 m，而模拟5年后、15年后、20年后该断面区间内平均水深较前者分别降低5.5%、25.3%和39.9%；从整体淤积变化态势来看，河道淤积年限增长5年，在断面2 000与4 000 m间平均水深减少11.8%。分析表明，泥沙淤积对河床高程影响主要集中在中部断面，该断面上淤积影响较为严重，特别是年限增长至后期，水深降幅愈显著，淤积年限10年与现状年间平均水深降幅为14%，而在淤积20年与10年间平均水深降幅可达31.2%。笔者认为，河床水位受泥沙悬浮质迁移影响，而水沙的沉降关系是一种“慢性”作用，愈往后期其影响效应更具显著[14-15]。

图5 研究区段内各断面上水位特征

分析河床水深特征线可知，除现状年外，其他模拟计算年限水深线均呈U形特征，两侧水深线逐步往中间断面靠拢，即上下游断面上淤积影响弱于河床中部断面。以淤积年限10年为例，其在上下游断面500、5 000 m上的水深分别为5.32、5.06 m，而在中部断面3 000 m上水深较前两者分别降低27.6%、23.9%；在淤积年限5年时，相邻断面间水位变幅最大为断面2 000～2 500 m，达8.6%；淤积年限增长至15年、20年后，相应的水深最大变幅均超过前者，分别达20.4%、29.2%。综合分析可知，在淤积5年时期水深分布在4.3～5.36 m，而淤积10年、20年后各断面水深较前者差幅分别为0.8%～10.7%、2.1%～42.8%，所出现的水深差异主要体现在中部断面2 500～3 000 m，而在上下游断面上受来水流量冲击作用与水力势能影响，其淤泥效果较弱，故水深降幅较小。

3.2 流速特征

根据对水沙特征研究，可获得不同淤积年限下断面上流速特征，见图6。从图6中可看出，5个淤积年限中平均流速以现状年最高，其断面平均流速可达1.46 m/s，而淤积5年、15年、20年后的平均流速较前者降低10.3%、45.9%和61%，断面平均流速随淤积增长5年，平均降幅可达20.6%；从断面上流速变化特征来看，现状年流速最大为1.93 m/s，位于上游500 m断面，而淤积5年、15年，甚至20年，其最大流速所处断面均未发生较大改变，均位于500 m断面前后，表明流速最大值随淤积年限变化过程中，其泥沙沉降、阻流等效应均未出现较大变化，这也印证了环境数据模拟模型的计算准确度。从淤积年限与流速特征关系可知，由于泥沙悬浮沉降作用，裹挟有大量泥沙容重，导致阻流、摩擦效应较显著，进而影响河道内流速特征。从断面流速变化趋势来看，均以断面3 000～4 000 m间流速值为最低，淤积5年时该区间断面流速集中在1.12 m/s，而在泥沙淤积过程中，其流速受泥沙悬浮等多方面影响，导致局部断面流速水平较低。

图6 断面上各距离的流速特征

4 降雨对水沙特征影响

4.1 含沙量特征

降雨强度会影响地表径流活动，研究降雨因素对水沙特征影响很有必要。本文以淤积年限10年为模拟计算对象，降雨外参数设定有24 h降雨量强度分别为20、60、100、140 mm，计算不同降雨强度下研究区段内断面含沙量特征。

图7为降雨因素影响下各断面含沙量变化特征。从图7中可知，降雨强度与含沙量增长水平具有正相关。以断面1 500 m为例，其在降雨强度20 mm时含沙量为2.77 kg/m3，而降雨强度增长至100、140 mm后，同断面处含沙量增长74%、124.4%。从整体含沙量变化来看，降雨强度20 mm时各断面上的平均含沙量为3.15 kg/m3，而随降雨强度每增长40 mm，断面平均含沙量增幅可达31.6%，且含沙量增长能力具有逐渐增大的态势，从降雨强度20 mm至60 mm增幅为26%，而降雨强度在60与100 mm、100与140 mm间相应的增幅分别为30.3%、38.4%。笔者认为，降雨强度增大，加剧了两侧河坡地表渗流活动，造成泥沙易随径流活动侵入河流中，但泥沙的裹挟、迁移是一个逐步加剧的过程，先是易滑移的砂土体，后是较难迁移的土层，因而其含沙量变化是一个逐步增强的过程[16]。另一方面，各降雨强度下含沙量最大区间均位于3 000～4 000 m断面处，与前述水沙活动活跃断面相吻合，表明降雨强度并不影响水沙活动区域，只会增大该区域泥沙悬浮沉降作用。

图7 各断面含沙量变化特征

4.2 流速特征

通过分析不同降雨强度下流速特征，得到各断面上流速变化与降雨强度关系，见图8。

图8 断面上流速与降雨强度关系

由图8中流速变化可知，各降雨强度下流速变化具有一致性，呈扁U形特征，降雨强度愈大，其断面上流速波动幅度愈显著，降雨强度100、140 mm下各断面上流速最大差幅分别为21.3%、39.1%，而在低降雨强度20、60 mm下断面上流速差幅较小，分别为11.4%、15.6%。另一方面，流速与降雨强度具有负相关关系，降雨强度20 mm时断面平均流速为1.17 m/s，而降雨强度为60、140 mm时的平均流速相比前者降低19.7%、66.7%，此与泥沙裹挟水流，造成了渗流阻碍效应，进而抑制流速，无法对泥沙沉降产生冲淤效果[17]。从研究区段内排沙降淤角度考虑，应尽量在区段中部上游断面处设置排沙闸等设施，控制进入该重点区段内泥沙含量。

5 结 论

1) 随淤积年限增长，各断面上水深线均减小，且降雨在淤积年限后愈显著，特别集中在断面2 000～4 000 m上，该断面上淤积年限增大5年，平均水深减少11.8%；上下游断面上淤积影响弱于河床中部断面。

2) 平均流速以现状年最高，随淤积增长5年，平均降幅可达20.6%，不论淤积年限增长，断面3 000～4 000 m间流速值均为最低，泥沙沉降对该断面影响效应不受淤积年限限制。

3) 降雨强度与含沙量增长水平具有正相关，且增长能力逐步提高，随降雨强度每增长40 mm，断面平均含沙量增幅可达31.6%；降雨强度不影响断面上泥沙沉降活跃区间；降雨强度愈大，流速波动幅度愈显著；流速与降雨强度为负相关，降雨增大了泥沙阻流、淤积效应。