挖槽参数对河道型水库清淤效果的影响

陈泽标

(广东大禹水利建设有限公司，广东 汕头 515000)

水库是重要的水利基础设施，在优化水资源配置，促进国民经济和社会发展方面具有重要作用。水库建设和运行也会导致一系列负面问题的产生，特别是破坏天然河流的平衡状态，导致水位雍高、水深增大、水流的输沙能力大幅减弱，致使大量泥沙在库区淤积，对于高含沙河流而言尤其如此[1]。严重的水库淤积不仅会影响运行安全，还会影响其功能和作用的发挥，降低水库使用年限[2]。对淤积严重的水库进行工程清淤就显得尤为必要，而选择合理的清淤方案则可以有效降低工程量，提升清淤效果[3]。

某水库是一座以防洪、灌溉和城市供水为主，兼有发电、养殖等功能的大型水利枢纽工程。水库流经地区主要为半干旱丘陵山区，植被条件差，水土流失较为严重，因此河流的含沙量较高、输沙量大。因此水库建成以来一直面临较为严重的泥沙淤积问题。根据监测数据，水库目前的淤积总量已经达到设计库容的9.3%，严重影响水库的正常使用。因此，采取有效措施，解决水库的淤积问题就显得尤为重要。

一般情况下，针对不同来水来沙条件，天然河流可以作出相应的调整，力求上游的水沙通过河段向下游宣泄，使河道形态基本保持稳定[4]。当来水来沙条件变化十分剧烈时，河道的上述平衡状态就将被打破，就需要通过改道等大规模的变动实现新的平衡[5]。河道的疏浚挖槽属于前者，可以通过自我调节恢复平衡状态。河道型水库的修建给河道形态和上游水沙条件造成巨大变化，难以通过河流自身的适应性变化进行调整并导致较为严重的淤积，而通过清淤塑槽可以有效解决其淤积问题[6]。清淤槽的参数是其工程效果的直接影响因素，此次研究利用数值模拟的方式展开挖槽清淤参数优化设计，以便为工程应用提供支持和借鉴。

1 计算模型的构建

1.1 建模思路

MIKE SHE是具有先进预处理系统的分布式水文模型[7]。该模型涵盖了明渠流、非均匀流、地表径流以及蒸散发等水文过程中的各个主要环节，可以为水文研究提供比较简便和灵活的求解方法。MIKE11是用于水库、河网以及水工建筑物综合设置的一维水动力模型[7]。本文利用上述两个模型的耦合，建立杨树沟小流域的水文-水动力耦合模型。

1.2 建模过程

在构建MIKE SHE水文模型时，将模型的范围定义为白石水库库区，并利用四边形网格进行模型单元划分，并利用曼宁公式和扩散波逼近法进行模型求解，以尽量体现流域的空间变化特征[9]。鉴于模型主要用于水沙过程的模拟，因此选择了比较精密的网格，这也有助于MIKE11水动力模型中河道连接的准确。综合上述考量，将模型网格单元的尺寸设定为边长为30m的正方形网格[10]。

研究中利用地理空间数据云获取研究区的DEM图，利用ArcGIS10软件将获得的分辨率为30m的DEM图进行镶嵌、裁剪和投影等一系列图形的转化操作，将其转化为shp.格式的地形数据。

利用ArcGIS10软件进行研究区河网矢量文件提取，并使用软件进行河网文件生成，利用软件中自带的3D Analyst工具进行DEM的切割，并结合实际调查数据对提取的断面参数进行修正。鉴于研究区属于开放性流域，因此将上游边界设置为流量边界条件，下游为固定水位边界。在MIKE SHE和MIKE 11模型构建完成后，在MIKE SHE中的Rivers and Lakes模块下打开MIKE 11文件，并在每一个计算步长进行水量交换，实现两个模型的全动态耦合。

1.3 计算方案

河道开挖疏浚过程中对冲淤影响的因素较多，其中影响比较显著的有挖槽的长度、宽度、深度等3个几何尺寸因素以及挖槽比降。研究中选择上述4个因素作为变量进行计算分析，获得上述4个参数不同取值对水库清淤效果的影响。结合相关研究成果和工程经验以及背景工程的实际情况，确定挖槽参数的取值水平。其中，在河道进行开挖之后，其上游河道在一定范围内会产生水位下降，特别是首端水位下降比较显著。相关研究显示，开挖长度越大，其首端的水位下降越多，但是长度超过10km后的水位下降率会大幅减小。开挖长度建议不超过10km。结合背景水库的实际情况，设计4、5、6、7、8、9和10km等7种不同的开挖长度；结合白石水库的库区特点，设计50、100、150、200、250、300、350m等7种不同的挖槽宽度；设计2、2.5、3、3.5、4、4.5、5m等7种不同的挖槽深度；鉴于水库挖槽段未开挖前的原始比降为0.21‰，为了研究比降对清淤效果的影响，设置0.18‰、0.19‰、0.20‰、0.21‰、0.22‰、0.23‰和0.24‰等7种不同的开挖比降。为了减小研究过程中的计算量，计算中保持3个参数的取值不变，对第4个参数的影响效果进行计算评价，通过对计算结果的分析获得最佳挖槽清淤方案，以便为背景工程提供有益的支持和借鉴。

2 计算结果与分析

2.1 挖槽长度

研究中保持挖槽深度3m、挖槽宽度200m、挖槽比降0.21‰不变，对不同挖槽长度方案进行模拟计算，获得挖槽段的冲刷比和回淤比，结果见表1。根根据计算结果，绘制出冲刷比和回淤比随挖槽长度的变化曲线，结果分别如图1—2所示。从计算结果可以看出，随着挖槽长度的增加，挖槽段的冲刷比和回淤比均呈现出不断减小的变化趋势，但是变幅特征有所不同。具体来看，随着挖槽长度的增加，冲刷比呈现出先小幅下降后迅速下降的变化特点，回淤比则呈现出迅速下降后逐步趋于稳定的变化特点。结合计算结果，同时考虑水库的整体清淤效果和工程量，建议采取6km的挖槽长度。

图1 冲刷比随挖槽长度变化曲线

图2 回淤比随挖槽长度变化曲线

表1 不同挖槽长度冲刷比和回淤比计算结果

2.2 挖槽宽度

研究中选择6km的挖槽长度，保持挖槽深度3m和挖槽比降0.21‰不变，对不同挖槽宽度方案进行数值模拟计算，获得挖槽段冲刷比和回淤，见表2。冲刷比和回淤比随挖槽宽度的变化曲线分别如图3—4所示。从计算结果可以看出，随着挖槽宽度的增加，冲刷比呈现出迅速增大，然后趋于稳定的变化特点，当挖槽宽度小于250m时冲刷比的增大比较迅速，当挖槽宽度大于250m时冲刷比的增大幅度较为有限。从回淤比的计算结果来看，随着挖槽宽度的增加，回淤比呈现出先减小后增大的变化特点，当挖槽宽度为250m时的回淤比最小。由此可见，增加挖槽宽度虽然可以提高冲刷比，但是大幅增加挖槽宽度时的效果较为有限，同时还会导致回淤比的增加。从具体计算结果来看，挖槽宽度为250m时的整体清淤效果最佳。

图3 冲刷比随挖槽宽度变化曲线

图4 回淤比随挖槽宽度变化曲线

表2 不同挖槽宽度冲刷比和回淤比计算结果

2.3 挖槽深度

研究中选择6km的挖槽长度和250的挖槽宽度，保持挖槽比降0.21‰不变，对不同挖槽深度方案进行模拟计算，获得挖槽段的冲刷比和回淤比，见表3。冲刷比和回淤比随挖槽深度的变化曲线分别如图5—6所示。从计算结果可以看出，挖槽深度的影响和挖槽宽度类似，随着挖槽深度的增加，冲刷比呈现出迅速增大并趋于稳定的变化特点，当挖槽深度小于3.5m时冲刷比的增大比较迅速，当挖槽深度大于3.5m时冲刷比的增大幅度较为有限。从回淤比的计算结果来看，随着挖槽深度的增加，回淤比呈现出先减小后增大的变化特点，当挖槽宽度为3.5m时的回淤比最小。由此可见，增加挖槽深度虽然可以提高冲刷比，但是大幅增加挖槽深度时的效果较为有限，同时还会导致回淤比的增加。因此，挖槽深度为3.5m时的整体清淤效果最佳。

图5 冲刷比随挖槽深度变化曲线

图6 回淤比随挖槽深度变化曲线

表3 不同挖槽深度冲刷比和回淤比计算结果

2.4 挖槽比降

研究中选择6km的挖槽长度、250m的挖槽宽度和3.5m的挖槽深度，对不同挖槽比降方案进行模拟计算，获得挖槽段的冲刷比和回淤比，见表4。冲刷比和回淤比随挖槽比降的变化曲线分别如图7—8所示。从计算结果可以看出，随着挖槽比降的增大，挖槽段的冲刷比呈现出先增大后减小的变化趋势，当挖槽比降为0.21‰时的冲刷比最高；挖槽段的回淤比则呈现出先减小后增大的变化趋势，当挖槽比降为0.21‰时的回刷比最低。由此可见，河道型水库挖槽清淤中的变幅与挖槽比降之间存在一定的关系，且与原河道比降保持一致时的工程效果最佳。因此可见，在河道型水库开挖清淤过程中，应该尽量和原河道保持相对一致的比降。

图7 冲刷比随挖槽比降变化曲线

图8 回淤比随挖槽比降变化曲线

表4 不同挖槽比降冲刷比和回淤比计算结果

3 结语

水库经过多年运行之后，一般会产生淤积问题。对淤积水库进行清淤处理是恢复和改善其运行状态和功能发挥的重要手段。此次研究利用数值模拟的方式探讨了挖槽参数对河道型水库清淤效果的影响，并提出最优参数组合方案，可以为工程清淤的设计施工提供必要的支持，也可以为相关的理论研究和类似工程设计提供有益的借鉴。当然，挖槽清淤工程效果的影响因素较多，挖槽的断面形态以及上游的来水来沙条件也会对清淤效果产生直接或间接影响。因此，在今后的研究中需要考虑更多的参数进行研究和分析。