劉 睿，武佩佩，袁鵬博，萬 帆

(中國電建西北勘測設(shè)計研究院有限公司，西安 710000)

1 概 述

河流泥沙懸浮沉降會對水工建筑的過流、通航及輸水帶來負(fù)面影響[1-2]，控制河流水沙淤積的前提是對淤積年限內(nèi)水沙演變特征有較為清晰的認(rèn)知，因而探討河流水沙特征對水工建設(shè)具有重要意義。陳聰聰[3]、楊元平等[4]、房晨[5]認(rèn)為水工模型試驗結(jié)果精度較高，參照性較強，依據(jù)水工設(shè)計在室內(nèi)完成原型水工建筑的搭建，安裝測試完相關(guān)傳感器，分析不同工況及試驗方案下水沙演變特征，為工程設(shè)計、運營提供基礎(chǔ)依據(jù)。范海東[6]、王國霞[7]、呂科等[8]利用滲流場計算平臺如Fluent等計算了不同模型的水力特征參數(shù)，分析水利設(shè)施上流速、壓強等受泥沙淤積影響，進(jìn)而選擇最優(yōu)設(shè)計方案。理論模型與實測值吻合度較高，且理論模型與環(huán)境數(shù)據(jù)貼合更為可靠，因而利用SWAT模型等可研究水質(zhì)狀態(tài)及水動力學(xué)特征[9-11]，為水沙演變提供研究基礎(chǔ)。本文根據(jù)大理河流域內(nèi)環(huán)境數(shù)據(jù)特征，建立水文分析模型，探討河流內(nèi)水沙演變特征及降雨強度對泥沙懸浮沉降影響特性，為河流治沙設(shè)計提供依據(jù)。

2 環(huán)境數(shù)據(jù)模擬下的水沙演變

2.1 工程概況

大理河流經(jīng)陜北高原地區(qū)，全長為170 km，全流域面積超過3 900 km2，是陜北地區(qū)重要地面河，集中著較多地表水資源，為沿線地區(qū)年輸水量超過300×104m3，其流域分布平面見圖1，本文河流水沙特征研究區(qū)重點針對李家河至曹坪區(qū)段。該河流所流經(jīng)地區(qū)地質(zhì)條件較差，巖土層顆粒粒徑以4.2 mm為主，松散性較大，易發(fā)生較大滑移，故流域內(nèi)含沙量較高。大理河流域沿線建設(shè)輸水灌渠超過100 km，共有多座中小型水閘樞紐、調(diào)壓塔及抽水泵站等水工建筑，這對排沙降淤帶來一定影響。特別是丁家溝泄洪閘是區(qū)域內(nèi)重要泄洪設(shè)施，最大泄流量可達(dá)252 m3/s，閘室底板厚度為1.2 m，閘頂高程為1 632 m，位于河流上游西部地區(qū)。借助大理河較大集水量，設(shè)計沿線輸水渠道最大流量為25 m3/s，各管道內(nèi)徑流活動均以支線、節(jié)點線樞紐為滲流組，確保管線內(nèi)滲流活動滿足安全要求。為降低泥沙沉降對水工建筑影響，在岔巴溝與大理河匯入點建設(shè)有一個泵閘排沙樞紐，設(shè)計運營下可降低泥沙含量45%，且消能率可達(dá)42%。但由于研究區(qū)段內(nèi)累積泥沙含量較大，常造成水位降低嚴(yán)重，限制下游輸水渠首流量僅為0.2～0.45 m3/s，因而無法正常運營。另一方面，與上游河道相連渠首區(qū)域布設(shè)有排沙閘等水工設(shè)施，但由于輸水渠道對流量控制、閘門開度等要求較高，無法有效限制泥沙懸浮質(zhì)進(jìn)入管線，一定程度上造成了管線內(nèi)部分區(qū)域泥沙淤積較為嚴(yán)重。監(jiān)測表明，管線內(nèi)最大含沙量可達(dá)5.5 kg/m3，這也限制了輸水管線最大設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)的輸水能力，導(dǎo)致輸水耗散率增大。對大理河曹萍站至綏德站監(jiān)測表明，該區(qū)段內(nèi)年輸沙量可達(dá)1×104t，河道兩側(cè)土體松散程度較高，受降雨等地表徑流影響，導(dǎo)致林草護坡面受損。輸水管線與河道內(nèi)泥沙時空監(jiān)測表明，其水沙特征不僅與上游流量有關(guān)，與降雨分布亦有關(guān)，在輸水管線調(diào)壓塔附近，常在降雨天氣出現(xiàn)泥沙沉降，而調(diào)壓塔作為泵閘與下游用水廠的中間提壓載體，其泥沙懸浮沉降較顯著，表明水沙演變已波及重要輸水管線控流樞紐。為有效降低泥沙淤積對下游輸水管線、水閘泄洪及河床水位影響，對重點淤積區(qū)段開展環(huán)境模擬數(shù)據(jù)下的水沙演變分析。

圖1 研究區(qū)流域分布圖

2.2 環(huán)境模擬數(shù)據(jù)建模

基于研究區(qū)段內(nèi)流域環(huán)境數(shù)據(jù)調(diào)查，獲得流域內(nèi)既往年份各月徑流、輸沙量及降雨特征[12-13]，見圖2。從圖2中可知，月輸沙量最多為8月份，達(dá)0.72×104t。同時，該月份降雨量最大，可達(dá)140.6 mm，徑流亦較活躍，本文以該月份輸沙量及降雨量作為模型模擬計算的外參數(shù)。利用SWAT模型構(gòu)件研究區(qū)段內(nèi)河流水文模型，控制河段內(nèi)各斷面的水沙演變特征，該模型中可控制降雨量、泥沙模塊與徑流模塊，內(nèi)在具有子模塊與全模塊聯(lián)系性。

圖2 各月徑流、輸沙量及降雨特征

以土壤數(shù)據(jù)柵格圖作為流域內(nèi)土層分布狀態(tài)模擬，圖3為研究區(qū)段內(nèi)土壤分布類型。由于不同土壤類型會影響地表徑流、泥沙懸浮質(zhì)的遷移等，故各個土壤類型參數(shù)均按照實驗室測定輸入至環(huán)境數(shù)據(jù)模型中，并設(shè)定模型中土壤地表滲流厚度影響范圍為1.5 m。另外，針對流域內(nèi)泥沙敏感性參數(shù)，本文以試調(diào)法進(jìn)行設(shè)定，逐步找到最適配流域徑流及泥沙懸浮沉降的參數(shù)，其他如河床坡度、溝道長度及飽和系數(shù)等均按照實際流域監(jiān)測取值。

圖3 土壤分布類型

依據(jù)上述環(huán)境數(shù)據(jù)模型及SWAT水文模型計算，本文以歷史年份水文數(shù)據(jù)與模型計算數(shù)據(jù)相對應(yīng)，獲得1997-2006年內(nèi)各年最大月輸沙量，并與本文模型計算值對應(yīng)，見圖4。從圖4中可知，計算模型與監(jiān)測值最大誤差為2003年，輸沙量差為3.92×104t，而對應(yīng)1997-1999年，模型計算值與監(jiān)測值基本吻合，差異較小。該模型在1997-1999年率定期最大輸沙上限系數(shù)為0.83，滿足精度要求。綜合來看，本文環(huán)境數(shù)據(jù)模擬耦合SWAT水文模型可較好反映研究區(qū)段內(nèi)水沙狀態(tài)。

圖4 最大月輸沙量實測與模擬值對比

3 河流水沙特征分析

3.1 水位特征

基于環(huán)境模擬數(shù)據(jù)模型計算出研究區(qū)段內(nèi)各斷面上水位特征，見圖5。從圖5中斷面上水位變化可知，隨淤積年份增長，各斷面上水深特征線均減小，但水深減少主要集中在斷面2 000～4 000 m處，現(xiàn)狀年在該區(qū)間斷面內(nèi)平均水位為4.71 m，而模擬5年后、15年后、20年后該斷面區(qū)間內(nèi)平均水深較前者分別降低5.5%、25.3%和39.9%；從整體淤積變化態(tài)勢來看，河道淤積年限增長5年，在斷面2 000與4 000 m間平均水深減少11.8%。分析表明，泥沙淤積對河床高程影響主要集中在中部斷面，該斷面上淤積影響較為嚴(yán)重，特別是年限增長至后期，水深降幅愈顯著，淤積年限10年與現(xiàn)狀年間平均水深降幅為14%，而在淤積20年與10年間平均水深降幅可達(dá)31.2%。筆者認(rèn)為，河床水位受泥沙懸浮質(zhì)遷移影響，而水沙的沉降關(guān)系是一種“慢性”作用，愈往后期其影響效應(yīng)更具顯著[14-15]。

圖5 研究區(qū)段內(nèi)各斷面上水位特征

分析河床水深特征線可知，除現(xiàn)狀年外，其他模擬計算年限水深線均呈U形特征，兩側(cè)水深線逐步往中間斷面靠攏，即上下游斷面上淤積影響弱于河床中部斷面。以淤積年限10年為例，其在上下游斷面500、5 000 m上的水深分別為5.32、5.06 m，而在中部斷面3 000 m上水深較前兩者分別降低27.6%、23.9%；在淤積年限5年時，相鄰斷面間水位變幅最大為斷面2 000～2 500 m，達(dá)8.6%；淤積年限增長至15年、20年后，相應(yīng)的水深最大變幅均超過前者，分別達(dá)20.4%、29.2%。綜合分析可知，在淤積5年時期水深分布在4.3～5.36 m，而淤積10年、20年后各斷面水深較前者差幅分別為0.8%～10.7%、2.1%～42.8%，所出現(xiàn)的水深差異主要體現(xiàn)在中部斷面2 500～3 000 m，而在上下游斷面上受來水流量沖擊作用與水力勢能影響，其淤泥效果較弱，故水深降幅較小。

3.2 流速特征

根據(jù)對水沙特征研究，可獲得不同淤積年限下斷面上流速特征，見圖6。從圖6中可看出，5個淤積年限中平均流速以現(xiàn)狀年最高，其斷面平均流速可達(dá)1.46 m/s，而淤積5年、15年、20年后的平均流速較前者降低10.3%、45.9%和61%，斷面平均流速隨淤積增長5年，平均降幅可達(dá)20.6%；從斷面上流速變化特征來看，現(xiàn)狀年流速最大為1.93 m/s，位于上游500 m斷面，而淤積5年、15年，甚至20年，其最大流速所處斷面均未發(fā)生較大改變，均位于500 m斷面前后，表明流速最大值隨淤積年限變化過程中，其泥沙沉降、阻流等效應(yīng)均未出現(xiàn)較大變化，這也印證了環(huán)境數(shù)據(jù)模擬模型的計算準(zhǔn)確度。從淤積年限與流速特征關(guān)系可知，由于泥沙懸浮沉降作用，裹挾有大量泥沙容重，導(dǎo)致阻流、摩擦效應(yīng)較顯著，進(jìn)而影響河道內(nèi)流速特征。從斷面流速變化趨勢來看，均以斷面3 000～4 000 m間流速值為最低，淤積5年時該區(qū)間斷面流速集中在1.12 m/s，而在泥沙淤積過程中，其流速受泥沙懸浮等多方面影響，導(dǎo)致局部斷面流速水平較低。

圖6 斷面上各距離的流速特征

4 降雨對水沙特征影響

4.1 含沙量特征

降雨強度會影響地表徑流活動，研究降雨因素對水沙特征影響很有必要。本文以淤積年限10年為模擬計算對象，降雨外參數(shù)設(shè)定有24 h降雨量強度分別為20、60、100、140 mm，計算不同降雨強度下研究區(qū)段內(nèi)斷面含沙量特征。

圖7為降雨因素影響下各斷面含沙量變化特征。從圖7中可知，降雨強度與含沙量增長水平具有正相關(guān)。以斷面1 500 m為例，其在降雨強度20 mm時含沙量為2.77 kg/m3，而降雨強度增長至100、140 mm后，同斷面處含沙量增長74%、124.4%。從整體含沙量變化來看，降雨強度20 mm時各斷面上的平均含沙量為3.15 kg/m3，而隨降雨強度每增長40 mm，斷面平均含沙量增幅可達(dá)31.6%，且含沙量增長能力具有逐漸增大的態(tài)勢，從降雨強度20 mm至60 mm增幅為26%，而降雨強度在60與100 mm、100與140 mm間相應(yīng)的增幅分別為30.3%、38.4%。筆者認(rèn)為，降雨強度增大，加劇了兩側(cè)河坡地表滲流活動，造成泥沙易隨徑流活動侵入河流中，但泥沙的裹挾、遷移是一個逐步加劇的過程，先是易滑移的砂土體，后是較難遷移的土層，因而其含沙量變化是一個逐步增強的過程[16]。另一方面，各降雨強度下含沙量最大區(qū)間均位于3 000～4 000 m斷面處，與前述水沙活動活躍斷面相吻合，表明降雨強度并不影響水沙活動區(qū)域，只會增大該區(qū)域泥沙懸浮沉降作用。

圖7 各斷面含沙量變化特征

4.2 流速特征

通過分析不同降雨強度下流速特征，得到各斷面上流速變化與降雨強度關(guān)系，見圖8。

圖8 斷面上流速與降雨強度關(guān)系

由圖8中流速變化可知，各降雨強度下流速變化具有一致性，呈扁U形特征，降雨強度愈大，其斷面上流速波動幅度愈顯著，降雨強度100、140 mm下各斷面上流速最大差幅分別為21.3%、39.1%，而在低降雨強度20、60 mm下斷面上流速差幅較小，分別為11.4%、15.6%。另一方面，流速與降雨強度具有負(fù)相關(guān)關(guān)系，降雨強度20 mm時斷面平均流速為1.17 m/s，而降雨強度為60、140 mm時的平均流速相比前者降低19.7%、66.7%，此與泥沙裹挾水流，造成了滲流阻礙效應(yīng)，進(jìn)而抑制流速，無法對泥沙沉降產(chǎn)生沖淤效果[17]。從研究區(qū)段內(nèi)排沙降淤角度考慮，應(yīng)盡量在區(qū)段中部上游斷面處設(shè)置排沙閘等設(shè)施，控制進(jìn)入該重點區(qū)段內(nèi)泥沙含量。

5 結(jié) 論

1) 隨淤積年限增長，各斷面上水深線均減小，且降雨在淤積年限后愈顯著，特別集中在斷面2 000～4 000 m上，該斷面上淤積年限增大5年，平均水深減少11.8%；上下游斷面上淤積影響弱于河床中部斷面。

2) 平均流速以現(xiàn)狀年最高，隨淤積增長5年，平均降幅可達(dá)20.6%，不論淤積年限增長，斷面3 000～4 000 m間流速值均為最低，泥沙沉降對該斷面影響效應(yīng)不受淤積年限限制。

3) 降雨強度與含沙量增長水平具有正相關(guān)，且增長能力逐步提高，隨降雨強度每增長40 mm，斷面平均含沙量增幅可達(dá)31.6%；降雨強度不影響斷面上泥沙沉降活躍區(qū)間；降雨強度愈大，流速波動幅度愈顯著；流速與降雨強度為負(fù)相關(guān)，降雨增大了泥沙阻流、淤積效應(yīng)。