孫騰飛,楊桂根,王久晟

(1.安徽省港航建設(shè)投資集團(tuán)有限公司，安徽 合肥 230000；2.安徽省·水利部淮河水利委員會(huì)水利科學(xué)研究院，安徽 蚌埠233000)

隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的持續(xù)、快速、協(xié)調(diào)發(fā)展，水運(yùn)交通在國(guó)民經(jīng)濟(jì)中發(fā)揮著越來(lái)越重要的作用[1]。隨著引江濟(jì)淮工程的快速推進(jìn)，淮河干流及其支流安徽段在全國(guó)內(nèi)河水運(yùn)主通道和安徽骨干航道網(wǎng)中的作用更加突出，航道水深不夠、航道彎曲半徑不足的短板愈加凸顯。其中位于淮干臨淮崗閘下約22 km處的劉臺(tái)子彎道，河槽彎曲半徑僅為200 m[2-3]，不滿足該段航道整治工程天然和渠化河流Ⅱ級(jí)航道標(biāo)準(zhǔn)建設(shè)要求，擬采用裁彎措施進(jìn)行整治。航道演變預(yù)測(cè)是了解和評(píng)價(jià)整治工程效果的重要手段，但是由于航道整治工程實(shí)施后改變了天然河道的水流條件[4]，對(duì)水流結(jié)構(gòu)和河床演變的影響非常復(fù)雜[5]，所以現(xiàn)有的理論分析很難預(yù)測(cè)工程整治后的效果。為了選擇最優(yōu)整治方案，筆者利用二維泥沙數(shù)學(xué)模型研究分析不同整治方案裁彎對(duì)上下游河道水沙運(yùn)動(dòng)及沖淤的影響、通航水流條件及新老河段未來(lái)沖淤情況，推薦航道整治方案?？陀^、定量地預(yù)測(cè)整治河段的沖淤變化及河床演變過(guò)程，不僅對(duì)于本段水運(yùn)工程規(guī)劃、設(shè)計(jì)、管理和整治工程可行性研究具有重要的參考價(jià)值，也可為淮河干流及其支流后續(xù)航道整治和建設(shè)提供借鑒。

1 數(shù)學(xué)模型的構(gòu)建與驗(yàn)證

將研究河段邊界自劉臺(tái)子彎道進(jìn)、出口分別向上、下游延伸，取淮河干流臨淮崗閘下—魯臺(tái)子河段為重點(diǎn)研究河段。采用SIMHYD-2D平臺(tái)構(gòu)建淮河干流臨淮崗閘下—魯臺(tái)子河段(簡(jiǎn)稱“臨魯段”)二維泥沙數(shù)學(xué)模型，基本方程、數(shù)值解法、邊界條件及動(dòng)邊界技術(shù)等詳見(jiàn)文獻(xiàn)[6-9]。利用臨淮崗閘下—魯臺(tái)子段水文與地形實(shí)測(cè)資料，對(duì)數(shù)學(xué)模型進(jìn)行水位、流速分布及河床沖淤變形的驗(yàn)證。

1.1 計(jì)算河段及網(wǎng)格布置

計(jì)算范圍包括淮河干流臨淮崗閘—魯臺(tái)子之間長(zhǎng)約43 km的河段，中間考慮支流淠河與沙潁河入?yún)R。因計(jì)算區(qū)域內(nèi)地形比較復(fù)雜，為了合理布置計(jì)算網(wǎng)格，采用Delaunay三角化法對(duì)計(jì)算區(qū)域進(jìn)行網(wǎng)格劃分。在計(jì)算區(qū)域內(nèi)共布置了81 528個(gè)網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)和162 083個(gè)計(jì)算單元，網(wǎng)格間距最大為100 m，最小為10 m。

1.2 模型驗(yàn)證

臨魯段分別在2008年及2016年進(jìn)行過(guò)2次完整的地形測(cè)量，本文利用前述二維泥沙數(shù)學(xué)模型對(duì)2測(cè)次之間共計(jì)7 a的水沙運(yùn)動(dòng)及沖淤分布進(jìn)行驗(yàn)證計(jì)算。模型的進(jìn)口邊界為臨淮崗閘下，上游為潤(rùn)河集站，采用潤(rùn)河集站實(shí)測(cè)流量過(guò)程，來(lái)沙量依據(jù)阜陽(yáng)站、魯臺(tái)子站實(shí)測(cè)泥沙過(guò)程，參照2008—2016年淮河干流臨魯段實(shí)際河床累計(jì)沖淤量，反算淮干進(jìn)口處的來(lái)沙量，懸沙級(jí)配參照魯臺(tái)子站實(shí)測(cè)懸沙級(jí)配；沙潁河進(jìn)口采用阜陽(yáng)站同期實(shí)測(cè)流量過(guò)程和日平均含沙量；淠河進(jìn)口采用橫排頭站同期流量過(guò)程，由于淠河來(lái)沙較少，忽略淠河的來(lái)沙貢獻(xiàn)。淮河干流出口為魯臺(tái)子站，故下邊界直接采用該站同期實(shí)測(cè)水位過(guò)程。

1.2.1水流運(yùn)動(dòng)驗(yàn)證

為了監(jiān)測(cè)提取計(jì)算過(guò)程內(nèi)的水位過(guò)程，在臨淮崗閘下和正陽(yáng)關(guān)附近布置斷面LD01和斷面LD02(圖1)。圖2為臨淮崗閘下(LD01斷面)和正陽(yáng)關(guān)(LD02斷面)計(jì)算水位過(guò)程與實(shí)測(cè)水位過(guò)程的對(duì)比情況。從圖2可知，無(wú)論是汛期還是非汛期，兩者吻合都較好，盡管幅值略有差異，但相差甚微。精度評(píng)定的結(jié)果顯示，兩斷面的Nash效率系數(shù)和相關(guān)系數(shù)R2均超過(guò)了0.97。

圖1 臨淮崗閘—魯臺(tái)子河段控制斷面布置

圖2 計(jì)算水位與實(shí)測(cè)水位的對(duì)比

1.2.2河床沖淤驗(yàn)證

采用2009年1月1日—2015年12月31日實(shí)測(cè)日平均水沙過(guò)程進(jìn)行驗(yàn)證計(jì)算。驗(yàn)證過(guò)程中沿程布置1#～11#共11個(gè)典型斷面(圖1)。

從2個(gè)測(cè)次實(shí)測(cè)地形對(duì)比可知，驗(yàn)證時(shí)期內(nèi)計(jì)算河段的河床總體處于沖刷的狀態(tài)，其中主槽沖刷為主，灘地以淤積為主?；春痈闪髋R淮崗—魯臺(tái)子河段，在2008—2016年間累計(jì)沖刷1 309.9萬(wàn)m3。驗(yàn)證計(jì)算的各分段沖淤量見(jiàn)表1，典型斷面變化見(jiàn)圖3。

表1 計(jì)算河段沖淤量驗(yàn)證

圖3 典型斷面沖淤變形驗(yàn)證計(jì)算成果

驗(yàn)證結(jié)果表明：在計(jì)算時(shí)段內(nèi)，各河段均表現(xiàn)為主槽的沖刷，灘地的淤積，計(jì)算河段整體表現(xiàn)為沖刷狀態(tài)，其中臨淮崗閘下—李郢孜沖刷306.4萬(wàn)m3，比實(shí)測(cè)值小12.3%；李郢孜—正陽(yáng)關(guān)段沖刷63.3萬(wàn)m3，比實(shí)測(cè)值小8.5%；正陽(yáng)關(guān)—沙潁河口沖刷151.6萬(wàn)m3，比實(shí)測(cè)值大9.2%；沙潁河口—魯臺(tái)子沖刷842.0萬(wàn)m3，比實(shí)測(cè)值大11.9%。分析實(shí)測(cè)值與計(jì)算值之間的誤差可知，計(jì)算值與實(shí)測(cè)值吻合較好，計(jì)算精度滿足泥沙數(shù)模驗(yàn)證計(jì)算要求。

可見(jiàn)，所建模型能夠很好地模擬河道的水力因子，也能合理地模擬自然條件下的沖淤分布，可以用于開(kāi)展工程河段的沖淤演變預(yù)測(cè)的分析。

1.3 整治方案

劉臺(tái)子裁彎有2種設(shè)計(jì)方案，即按照裁彎半徑R=480 m和R=550 m進(jìn)行設(shè)計(jì)，為此本研究的計(jì)算方案如表2所示。

表2 劉臺(tái)子裁彎工程計(jì)算方案

注：計(jì)算河段起始地形采用2016年實(shí)測(cè)地形，采用2006—2015年實(shí)測(cè)水沙系列，進(jìn)出口邊界條件由實(shí)測(cè)水文數(shù)據(jù)提供。

2 成果與分析

2.1 計(jì)算河段影響

2.1.1沖淤總量

模型計(jì)算未來(lái)10 a各河段累計(jì)沖淤量分布,如表3所示。由表3可知，2種航道整治工程方案實(shí)施后，臨魯段整體仍呈現(xiàn)沖刷形態(tài)，累計(jì)沖刷量分別為1 106.2萬(wàn)m3(方案1)和1 101.1萬(wàn)m3(方案2)，比現(xiàn)狀方案分別減小約3.4%和3.9%，沖刷速度有所減緩；2種方案實(shí)施后的沖淤情況除工程所在的局部河段有所差異，其他河段幾乎一致。

表3 計(jì)算河段沖淤變化

2.1.2沖淤厚度及其分布

圖4為航道整治工程實(shí)施前后10 a末計(jì)算河段的沖淤分布情況。從圖4可知，臨魯段在航道工程實(shí)施后(方案1、2)，工程上下游附近河段河床沖淤趨勢(shì)未受明顯影響，主槽仍以沖刷為主，灘地仍以淤積為主。臨淮崗閘下—正陽(yáng)關(guān)河段主槽沖刷程度小于正陽(yáng)關(guān)—魯臺(tái)子段，主槽沖刷深度一般小于3 m，后者沖刷深度可達(dá)3 m以上；但臨淮崗—正陽(yáng)關(guān)河段灘地淤積程度大于后者，可能是正陽(yáng)關(guān)以上河段灘地較寬、主槽面積相對(duì)較小、水流漫灘幾率稍大所致。

圖4 工程后10 a末河床沖淤分布

2.2 工程局部綜合影響

2.2.1水動(dòng)力

1)分流比。劉臺(tái)子裁彎工程實(shí)施后，劉臺(tái)子彎道新、老河槽并存，同時(shí)過(guò)流，整理提取計(jì)算結(jié)果，研究過(guò)流情況的變化。為了使分析更有針對(duì)性和實(shí)際意義，選取該河段平灘流量(Q淮干=2 520 m3s)和平灘以下流量洪水(Q淮干=1 200 m3s)，給出工程實(shí)施開(kāi)始(2016年)工程實(shí)施10 a末時(shí)新、老河槽的分流比，見(jiàn)表4。

表4 劉臺(tái)子彎道新、老河槽分流情況變化

從表4可知，2種工程方案在平灘流量和平灘以下流量洪水2種來(lái)流情況下，彎道中部主流都更偏向新河槽，方案2偏移較多，更加有利于通航；經(jīng)過(guò)10 a沖淤調(diào)整后，2種方案都表現(xiàn)為新河槽的分流有所增大、老河槽有所減少的趨勢(shì)。

2)水位。表5給出工程實(shí)施之初和10 a末時(shí)工程河段進(jìn)、出口段新老河橫斷面水位變化。由表5可知，方案2相較于方案1相同來(lái)流情況下，工程河段進(jìn)、出口橫斷面水位都有所降低；工程之初和10 a末水位變化情況為：經(jīng)過(guò)沖淤調(diào)整10 a后，方案1在平灘流量(1 200 m3s)以下，進(jìn)出口水位都降低，但平灘流量(2 520 m3s)時(shí)，進(jìn)、出口水位都升高；方案2表現(xiàn)為2種來(lái)流情況下，進(jìn)出口水位都降低，表明隨著河床刷深，工程段過(guò)流能力呈增加趨勢(shì)。

表5 劉臺(tái)子彎道新、老河槽水位變化

2.2.2河床沖淤情況

為了對(duì)新、老河槽的演變特性進(jìn)行較為系統(tǒng)的分析，在劉臺(tái)子彎道新、老河槽上布設(shè)監(jiān)測(cè)斷面，通過(guò)套繪不同時(shí)間段的斷面形態(tài)，分析河床的形態(tài)變化(圖5)。表6給出10 a末工程局部河段新、老河槽的沖淤量。由表6可知：經(jīng)過(guò)沖淤調(diào)整10 a后，方案2相較于方案1，老河槽淤積量和新河槽的沖刷量都減少，表明方案2相對(duì)于方案1在工程河段整治效果更能長(zhǎng)久地維持。

表6 劉臺(tái)子彎道新河老河沖淤化

3 結(jié)論

1)計(jì)算河段采用2種整治方案，經(jīng)過(guò)沖淤調(diào)整10 a后，臨魯段河道主槽均仍以沖刷為主，沖刷速度有所減緩，灘地仍以淤積為主，整體河道表現(xiàn)為沖刷，方案2沖刷量略小于方案1沖刷量。

2)劉臺(tái)子彎道局部河段經(jīng)過(guò)10 a沖淤調(diào)整后，2種方案都表現(xiàn)為新河槽的分流有所增大，老河槽有所減少的趨勢(shì)；方案2表現(xiàn)為2種來(lái)流情況下，進(jìn)出口水位都降低，表明隨著河床刷深，工程段過(guò)流能力呈增加趨勢(shì)；方案2相較于方案1，老河槽淤積量和新河槽的沖刷量都減少，表明方案2相對(duì)于方案1在工程河段整治效果更能長(zhǎng)久維持。

3)通過(guò)對(duì)比分析2種整治方案裁彎對(duì)上下游河道水沙運(yùn)動(dòng)及沖淤的影響、通航水流條件及新老河段未來(lái)沖淤情況，推薦整治方案2。