平陆运河旧州江支流口泥沙淤积模拟研究

何俊辉

摘要：平陆运河沿线支流众多，支流泥沙进入运河淤积后会对运河通航造成不利影响。为准确反映平陆运河旧州江支流汇入口泥沙淤积情况，文章通过建立旧州江支流口内不同坡比消能措施的二维水流泥沙数学模型进行模拟研究，得到了丰水年、平水年、枯水年旧州江支流年平均淤积比，以及淤积在旧州江支流和进入运河的沙量，并分析了支流口内不同坡比消能措施对积淤量、积淤趋势及积淤分布的影响，研究成果对旧州江支流口治理具有重要工程价值。

关键词：平陆运河；旧州江；泥沙淤积；数值模拟

中图分类号：U617.6 A 01 001 2

0 引言

干支流交汇区的水沙运动过程受汇流比、入汇角等因素的影响。当挟带大量泥沙的水流通过交汇区时，其流速变小、挟沙能力降低，使大量泥沙淤积，主河道水位抬高，增加洪水漫堤可能性。因此，研究支流泥沙淤积对运河正常通航具有重要意义［1-2］。 目前相关学者已对支流入汇区域的泥沙淤积进行了大量研究，如：彭万兵等［3］对重庆市主城区嘉陵江入汇长江河段的走沙过程及该河段冲淤规律进行了分析；詹磊等［4］针对干支流直角交汇区水流泥沙运动，提出了新的包含水深比及回流长度的局部水头损失系数计算公式。本文通过对水流、泥沙运动进行数值模拟，为航道的清淤工作及安全运行提供重要帮助。

1 工程概况

平陆运河以发展航运为主，兼顾供水、灌溉、防洪、改善水生态环境等功能。其干流航道是由原西津水库沙坪河、旧州江、钦江以及分水岭开挖形成的人工运河。整个干流航道长约135 km，其中内河航道部分长约100.5 km，由马道、企石和青年枢纽3个梯级库区构成。平陆运河与沙坪河交汇河段上距马道枢纽约8.7 km，下距平塘江口（沙坪河郁江交汇口）约21 km。旧州江作为平陆运河支流在旧州镇文坳子村汇入运河，入汇角度约45°。旧州江枯水期本河段平均河宽约15 m，水深约0.8 m，河床比降约0.8。旧州江汇入口河势图见图1。

本文选取了运河干流段长约1.6 km、旧州江长约0.71 km的部分进行建模研究。模型采用控制体积法对水沙控制方程进行离散，采用三角形网格进行剖分。模型网格尺度采用10～15 m，局部加密至5～8 m，总体网格数量约8 846个。对旧州江河段建立的网格见图2。

本文建立的平面二维水流泥沙数学模型已得到相关验证［5］。验证结果与实测资料吻合较好，符合相关规定要求，说明所建的二维数学模型能够较好模拟研究河段的水沙运动规律，可用于开展河段的泥沙淤积研究。

2 数值模拟研究

2.1 模拟工况

根据平陆运河干流与支流入汇关系分析，从不利角度出发，模拟选取的水文情况见下页表1。旧州江汇合点上游运河流量过程、旧州江流量过程和含沙量过程见下页图2～4。

2.2 方案布置

为减小运河修建后旧州江对运河通航水流和泥沙条件的影响，对支流汇入运河口段进行了衔接布置。现状情况下，由旧州江汇入运河河口段的河床底高程约16.0 m，在河口段进行放坡衔接，设置三级消力池，即由原泥面38.5 m放坡至消力池26.2 m后接运河河底27.7 m高程。旧州江支流口内消能措施有两个方案，方案一为1∶15放坡，方案二为1∶4放坡。方案平面布置见图5。

2.3 计算相关参数

模型计算范围内运河干流段共长约1.6 km，旧州江长约0.71 km。模拟范围内的地形插值到网格后的地形云图见图6。

2.4 模拟计算成果

丰水年、平水年、枯水年淤积分布见后页图7。与初始地形相比，丰水年主要淤积部位为支流、支流河口至运河的过渡段以及运河内，丰水年总输沙量为0.70×104 t，丰水年末研究河段总淤积量约为0.43×104 t。最大淤积厚度位于支流沉砂池附近，最厚约为0.41 m，运河外侧最大淤积厚度为0.12 m。支流淤积比（支流淤积量/总淤积量）为61%。

与初始地形相比，平水年主要淤积部位为支流、支流河口至运河的过渡段以及运河内，平水年总输沙量为0.56×104 t，平水年末研究河段总淤积量约为0.36×104 t。最大淤积厚度位于支流，最厚约为0.48 m，运河过渡段和运河左侧最大淤积厚度为0.1 m。支流淤积比（支流淤积量/总淤积量）为65%。

与初始地形相比，枯水年主要淤积部位为支流以及支流河口至运河的过渡段，枯水年总输沙量为0.18×104 t，枯水年末研究河段总淤积量约为0.16×104 t。最大淤积厚度位于支流，最厚约为0.1 m，运河过渡段和运河左侧最大淤积厚度为0.02 m。支流淤积比（支流淤积量/总淤积量）为91%。

方案一和方案二的淤积趋势基本相同，淤积分布不同的是方案一主要淤积在1∶15的坡上，方案二主要淤积在1∶4放坡后的沉砂池内。方案一的淤积部位较方案二更加趋近于运河河道边缘。

2.5 模拟计算成果分析

（1）从泥沙计算结果来看，支流淤积比（支流淤积量/总淤积量）在丰水年、平水年、枯水年分别约为61%、65%、91%，淤积在支流的沙量分别为0.43×104 t、0.36×104 t、0.16×104 t，进入运河的沙量分别为0.7×104 t、0.56×104 t、0.18×104 t；通过数据分析可知，雨量越充沛的年份，淤积在支流的沙量及进入运河的沙量越多，但支流淤积比会随着雨量的增加而变小。

（2）在旧州江放坡方案对比中1∶15和1∶4两个方案总的淤积量变化不大，1∶15方案和1∶4方案的淤積趋势也基本相同，淤积分布不同的是方案一主要淤积在1∶15的坡上，方案二主要淤积在1∶4的沉砂池内。方案一的淤积部位较方案二更加趋近于运河河道边缘。这说明坡度越缓，因水流势能的降低，淤积物更趋于分布在坡道以及运河河道边缘。

3 结语

从模拟计算结果来看，较缓的放坡如遇到特殊水文年导致大量泥沙淤积在坡上，这不利于船舶进行疏浚作业，因此在设计阶段不宜采用较缓的支流口放坡坡度；同时，丰水期支流淤积砂量以及进入运河的砂量相比于枯水期均有较大增加，因此在运河后期养护阶段在丰水期应加强支流口的疏浚工作，以保障运河的正常通航能力。

参考文献

［1］田鹏伟，张思佳，王志国，等.外洪含沙量对干渠泥沙淤积影响研究［J］.人民黄河，2022，44（7）：112-114.

［2］朱玲玲，许全喜，鄢丽丽.三峡水库不同类型支流河口泥沙淤积成因及趋势［J］.地理学报，2019，74（1）：131-145.

［3］彭万兵，刘德春，刘同宦，等.重庆市主城区河段冲淤特性分析［J］.泥沙研究，2005（6）：46-52.

［4］詹 磊，董耀华，刘同宦.干支流直角交汇区水流泥沙运动特性初步研究［J］.长江科学院院报，2010，27（8）：6-11，15.

［5］李 红，王平义，王高山.弯曲分汊河道江心洲对横向环流分布的影响研究［J］.中国农村水利水电，2011（4）：62-64，68.

收稿日期：2023-10-08