倪 晉，虞 邦 義，張 輝，王 久 晟

(安徽省·水利部淮河水利委員會水利科學(xué)研究院 水利水資源安徽省重點實驗室，安徽 蚌埠 233000)

1 研究背景

淮河干流王臨河段全長110.98 km，上起豫皖分界王家壩，下訖中游最大的戰(zhàn)略性控制樞紐臨淮崗，南北兩側(cè)有洪汝河、白鷺河、史灌河等大型支流匯入，沿程還設(shè)有濛河分洪道及濛洼、城西湖等多處蓄滯洪區(qū)，形成了集眾多河流與水利工程為一體的復(fù)雜河網(wǎng)體系，見圖1。

圖1 淮河干流王家壩至臨淮崗段河勢及治理方案Fig.1 River regime and modification scheme of Huaihe River from Wangjiaba to Linhuaigang

作為淮河防洪重點河段，在王臨河段已經(jīng)整治出寬1.5～2.0 km的行洪通道，但由于主槽彎曲、窄小，河道整體排洪能力仍達不到設(shè)計值。整治思路是以擴挖主槽為手段，合理調(diào)整行蓄洪區(qū)，即開展淮河干流王家壩至臨淮崗河段行洪區(qū)調(diào)整及河道整治工程[1]，以下簡稱“王臨河段工程”。

王臨河段工程是國務(wù)院確立的172項重大水利工程和進一步治淮的38項任務(wù)之一。工程主要內(nèi)容包括：① 采用單式梯形斷面拓浚濛河分洪道，設(shè)計斷面底高程為21.0～18.6 m，底寬為100 m；② 對淮河干流南照集至汪集段進行疏浚挖槽，疏浚后斷面高程為16.5～15.8 m，底寬為230～240 m。兩段合計疏浚線路總長77.45 km，開挖土方總量為2 912萬m3。

王臨河段工程能有效提高河道的灘槽泄流能力，打開銜接淮河上中游的束水瓶頸。但同時，疏浚工程對主槽規(guī)模進行了較大幅度的調(diào)整，也可能對河勢穩(wěn)定產(chǎn)生一些負(fù)面影響。淮河王家壩至南照集段為分汊河型，南汊淮河干流為主汊，北汊濛河分洪道為支汊，選擇對線路較短的支汊進行疏浚。需要對拓浚后河道淤積、水位及兩汊分流比變化趨勢和特點進行分析研究。

重大水利工程的建設(shè)和運行一般均需進行河床演變分析。針對長江[2-3]、黃河[4]、漢江[5]水庫建設(shè)、航道疏浚引起的泥沙輸移、灘槽演變及水位變化進行了長期、持續(xù)的研究，為工程論證提供了有力支撐，深化了工程對水流泥沙特性及演變影響規(guī)律的認(rèn)識。相對而言，淮河在這方面的研究比較滯后，規(guī)劃設(shè)計人員普遍采用定床模型對工程效果進行評估[6-9]。涉及到河床演變的部分，多通過實測資料進行定性分析[10]，很難量化整治工程影響下河道長時間的非平衡演變過程。這是由于淮河來沙較少，導(dǎo)致與沖淤相關(guān)的研究基礎(chǔ)比較薄弱，特別是泥沙級配資料十分匱乏。隨著淮河中游河床演變研究工作的開展[11-12]，且河道整治重點逐漸轉(zhuǎn)向主槽[13]，通過構(gòu)建水沙數(shù)學(xué)模型，客觀、定量地分析工程河段的沖淤變化及河床演變過程，已成為目前淮河治理中不可或缺的技術(shù)手段[14-15]。

本文基于長系列水沙資料，利用動床模型預(yù)測了未來30 a淮河干流王臨河段河道的沖淤演變趨勢，及工程對河道過流能力、兩汊分流比的影響，以期為相關(guān)部門的決策提供依據(jù)。

2 河段基本情況

2.1 水沙特性

淮河王臨河段的水沙條件主要由王家壩(合并)站控制。該站流量觀測始于20世紀(jì)50年代，而在1954～1959年開始泥沙施測后，留下了20多年的空白期，于1984年才恢復(fù)觀測。受泥沙停測的影響，該站連續(xù)完整的水沙資料僅30多年。

根據(jù)1985～2014年實測資料統(tǒng)計(表1)，該站多年平均年徑流量為83.1億m3，輸沙量為258.4萬t。從年內(nèi)分配來看，六成以上的水沙均集中在汛期(6～9月)輸送，且輸沙量的集中程度更高。

表1 王家壩(合并)站年徑流量及輸沙量統(tǒng)計Tab.1 Statistical analysis of annual runoff and sediment load at Wangjiaba station

進一步分析水沙變化趨勢可知，該站歷年徑流量呈不規(guī)則的周期性變化，高值區(qū)和低值區(qū)交替出現(xiàn)，而輸沙量則隨著時間推移呈現(xiàn)出明顯遞減趨勢。由表1可知，在2005～2014年間，王家壩(合并)站年輸沙量在200萬t左右，僅為1985～1994年統(tǒng)計值的62%。

2.2 河床演變特征

王家壩是淮河上中游的分界節(jié)點，該河段恰好處于上游山區(qū)向中游平原的過渡地帶。由于河床比降驟然減緩，加之河道分汊、水流分散等因素的影響，該河段歷來是淮河泥沙沉積主要場所之一。根據(jù)分析[12]，無論采用輸沙量差法還是斷面法，王臨河段均表現(xiàn)為淤積。近年來，隨著上游來沙減少，該河段主槽基本處于沖淤平衡狀態(tài)，而灘地的淤積程度也有所減輕。

3 水沙數(shù)學(xué)模型

3.1 模型建立

王臨河段工程覆蓋空間范圍大，河網(wǎng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，模型涉及對眾多支流、行蓄洪區(qū)和分匯汊點的處理，采用一維模型能準(zhǔn)確快速地模擬河道內(nèi)的水沙運動過程，及時為工程規(guī)劃服務(wù)。同時，該河段水情變化迅速、河道槽蓄能力較大，建模時須運用非恒定流手段，以保證洪水模擬和水沙聯(lián)算精度?；诖?，本文采用一維非恒定流河網(wǎng)水沙數(shù)學(xué)模型，其主要控制方程如下：

連續(xù)方程：

(1)

動量方程：

(2)

不平衡輸沙方程：

(3)

河床變形方程：

(4)

挾沙能力方程：

(5)

汊點輸沙平衡方程：

(6)

針對王臨河段含沙量較低、河床變形緩和特點，模型采用非耦合解法，即先完成水流計算，求出相關(guān)水力要素后，再解泥沙方程，并推求河床沖淤變化。模型的水流方程通過數(shù)值穩(wěn)定性高的四點隱式差分格式離散，配合以水位為隱函數(shù)的三級算法求解。不平衡輸沙方程基于守恒性好的有限體積法離散，再根據(jù)水流的方向，自上而下通過追趕法求解。各方程的離散求解過程以及床沙級配與橫斷面的修正方式詳見文獻[16-19]。

3.2 率定和驗證

模型驗證的范圍為淮河干流洪河口至魯臺子河段，并考慮區(qū)間支流入?yún)R及行蓄洪區(qū)的水沙調(diào)蓄作用，實現(xiàn)了對王臨河段工程區(qū)的全覆蓋。根據(jù)實際情況分析，上邊界洪河口給定王家壩及釤崗兩站的合成流量及王家壩站的實測含沙量過程，下邊界魯臺子采用相應(yīng)時段的控制水位過程，區(qū)間支流作為集中入流注入河網(wǎng)，行蓄洪區(qū)按實際進退洪過程概化為源匯項進行處理。

在收集到的淮河干流地形資料中，以1999年航測圖最為系統(tǒng)和完整，因此將其作為起算地形，并配合1999～2008年的水沙資料對模型進行率定和驗證。該模型中的大部分參數(shù)都具有比較穩(wěn)定的取值，如挾沙能力指數(shù)m圍繞0.92微小波動；對于恢復(fù)飽和系數(shù)as，一般沖刷取0.25，淤積取1.0。對這類參數(shù)，本文直接采用上述經(jīng)驗值[20]，以減少模型不確定性。經(jīng)過處理后，需要通過實測資料校正的敏感參數(shù)只剩下了糙率n及挾沙能力系數(shù)ks。經(jīng)反復(fù)試算分析，河道主槽及灘地糙率n可分別取0.0215和0.034；挾沙能力系數(shù)ks的取值與河道的沖淤狀態(tài)有關(guān)，在平衡時取0.025，當(dāng)發(fā)生明顯淤積或沖刷時可參考式(7)進行修正：

(7)

計算范圍內(nèi)的人工采砂現(xiàn)象比較普遍，直接采用實測地形資料對模型沖淤量進行校驗難度較大。因此，本文僅對沿程主要控制站的水沙過程及總量進行對比。表2為魯臺子站實測年輸沙量與計算值對比。由表2可知，無論是率定期還是驗證期，該站年輸沙量計算與實測的誤差一般小于15%，相對而言，枯水年型2001年的誤差較大，但也沒超過20%。圖2給出了部分主要站點計算流量與含沙量過程與實測值的比較(限于篇幅，文中只列出了2005年計算成果)，由圖2可知，各站水沙計算過程與實測值基本吻合，表現(xiàn)出較好的峰谷對應(yīng)關(guān)系，洪峰誤差在10%之內(nèi)，沙峰誤差在20%以下，模型精度基本達到了方案分析要求。

表2 魯臺子站年輸沙量對比Tab.2 Comparison of annual sediment load between calculation and observation at Lutaizi station

圖2 2005年主要控制站流量與含沙量驗證Fig.2 Verification of flow discharge and sand concentration process at main stations in 2005

4 沖淤模擬及成果分析

4.1 計算條件

(1) 水沙系列。根據(jù)淮河蚌埠以下河道的治理經(jīng)驗[21]，要全面模擬河床縱剖面變化、水位升降及分流比調(diào)整，一般需要進行20～30 a的動床模擬。為了最大程度地利用現(xiàn)有資料，方案計算選擇1985～2014年連續(xù)30 a實際發(fā)生的水沙系列作為未來30 a的水沙條件，該系列多年平均年徑流量及輸沙量分別為100.3億m3及298.5萬t，不僅樣本數(shù)量多，水沙總量的代表性好，而且包括了各種類型的水沙年型，能全面反映不同水沙組合對河床沖淤的影響。

(2) 初始地形。河道地形條件分為現(xiàn)狀和規(guī)劃兩種。其中，現(xiàn)狀地形基于最新斷面資料進行構(gòu)建，即干流王家壩至汪集河段及濛河分洪道采用2018年斷面，汪集至臨淮崗河段采用2011年斷面；規(guī)劃地形則以王臨河段工程完成后的竣工斷面作為初始河床邊界。

(3) 出口邊界。方案計算以臨淮崗樞紐為下邊界，采用實測水位流量關(guān)系控制其閘上水位過程。需要說明的是，臨淮崗樞紐對下游河段采用防洪補償?shù)恼{(diào)度方式，攔蓄洪水的流量起點很高。在現(xiàn)行的調(diào)度方案中[22]，該樞紐正常運用的洪水標(biāo)準(zhǔn)為100 a一遇，即只有當(dāng)淮河發(fā)生特大洪水時才可以啟用，平時保持河道自然泄流的狀態(tài)。因此，方案計算的來水條件均不需要運用臨淮崗工程進行攔洪、滯洪。

4.2 成果分析

4.2.1沖淤總量及分布

根據(jù)模型計算，未來30 a現(xiàn)狀及規(guī)劃條件下的累計沖淤量如表3所示。

由表3可知，兩方案下該段整體均呈持續(xù)性的淤積狀態(tài)，但淤積總量及速度均不大。計算至30 a末，現(xiàn)狀方案的淤積量為946.8萬m3，年均淤積31萬m3；規(guī)劃方案的淤積量為1 048.1萬m3，年均淤積35萬m3。后者淤積的強度略大于前者。從淤積發(fā)展的進程來看，兩方案前10 a的淤積量均占30 a總量的60%左右，即前期淤積量的貢獻率較高，隨著時間的推移，淤積速率有下降趨勢。在連續(xù)30 a的水沙作用下，兩種方案都沒有實現(xiàn)均衡輸沙，大部分河段的淤積仍在緩慢地發(fā)展中。

表3 治理前后沖淤量變化Tab.3 Distribution of deposition-erosion amount along the river channel before and after regulation scheme 萬m3

與現(xiàn)狀方案相比，工程后沖淤縱向分布的差異表現(xiàn)為：汪集以下淤積量減少，汪集以上淤積量增加，并存在兩個明顯的增淤區(qū)。

(1) 第一個明顯的增淤區(qū)為王家壩至南照集河段，即南汊老淮河。該汊在現(xiàn)狀條件下表現(xiàn)為上沖下淤，沖淤分界大致在三河尖附近。濛河拓浚后，減少了進入該汊的流量，河道整體的輸沙能力有所下降，尤其是上段沖刷能力明顯減弱，與進口水沙條件的改變不無關(guān)系。至計算30 a末，河道累計淤積量為119萬m3，較現(xiàn)狀增淤85.4萬m3。該汊出現(xiàn)明顯增淤符合分流必淤的河床演變規(guī)律，此時河道的沿程水位低于現(xiàn)狀值。

(2) 第二個明顯的增淤區(qū)為潤河集至汪集河段?，F(xiàn)狀方案下該河段總體呈沖淤平衡狀態(tài)，年際間也沒有大的變化。疏浚工程實施后，河道過水?dāng)嗝婷黠@增大，流速也隨之放緩，從而產(chǎn)生了淤積。至計算30 a末，該段淤積總量114.7萬m3，較現(xiàn)狀增淤96.7萬m3。

汪集至臨淮崗河段出現(xiàn)減淤，主要是因為該河段沒有安排治理工程，現(xiàn)狀及規(guī)劃方案具有相同的初始地形。當(dāng)?shù)匦螚l件一致時，沙多則利于淤積，沙少則不利于淤積。與規(guī)劃方案相比，現(xiàn)狀汪集以上河道斷面較窄，水流集中，在洪水期能夠?qū)⒏嗄嗌齿斠浦料掠?，故而淤積量略大。

4.2.2水位效果及維持性

采用設(shè)計洪水條件，對王臨河段工程竣工起始及運行30 a后的沿程水面線進行計算，成果見表4。

表4 規(guī)劃方案下王臨河段主要控制點水位變化Tab.4 Water level variation along the reach after regulation scheme m

分析表4可知，起始狀態(tài)下，王家壩節(jié)點計算水位為29.19 m，低于設(shè)計值0.01 m，這說明整治后王臨河段的整體排洪能力滿足規(guī)劃要求，疏浚工程的范圍及規(guī)模是合適的。經(jīng)過30 a的沖淤演變，河道的沿程水面線進行了重新調(diào)整，其中三河尖以下各節(jié)點的水位略有升高，相應(yīng)三河尖以上河段的水位略有降低，如主要控制點王家壩的計算水位降低了0.03 m。

水位調(diào)整反映了沖淤對河道過流能力影響。淮河干流三河尖以下的淤積縮減了過流斷面的尺寸，進而抬高了水位。然而，三河尖以上河段并未表現(xiàn)為明顯沖刷，王家壩水位卻出現(xiàn)了下降。這是因為大水時水流能量集中，能夠增加洪水的造床和輸沙作用，還能對原有凹凸不平河床進行重新塑造和整理。具體到王家壩-三河尖段，受采砂等人類活動的影響，該段23.5～24.0 m以下主槽面積差異較大，極大值與極小值的比例達3.8。經(jīng)過30 a的沖淤調(diào)整，特別是2003、2005、2007大水年型的造床作用，眾多交錯分布的采砂坑在水流的作用下相互貫通，河段斷面趨于均勻化。統(tǒng)計分析起始及30 a末的主槽面積可知，前者離差系數(shù)為0.32，后者為0.23。河道斷面更加均勻化，在一定程度上減少了突擴與收縮帶來的局部水阻，從而降低了河道水位。

綜上分析可知，王臨河段雖然整體表現(xiàn)為淤積，但是河道的過流能力并沒有衰減，工程的治理效果能夠長時間維持。

4.2.3分流比變化

自20世紀(jì)50年代淮河濛洼蓄洪工程建成以來，王家壩至南照集河段即形成了雙汊并行的格局，并一直維系著相對穩(wěn)定的河道形態(tài)及分流特性。通過對不同流量級和豐中枯來水年型的計算，可得工程前后濛河分流比及分洪水量比例(以下簡稱“分洪比”)的變化情況，見圖3及表5。

圖3 工程前后分流比的變化Fig.3 Flow diversion radio variation before and after regulation scheme

表5 工程前后分洪比的變化Tab.5 Flood diversion radio variation before and after regulation scheme

(1) 現(xiàn)狀分流比。在中枯流量級(Q<2 000 m3/s)，南汊淮干是主要的過流通道，濛河分流比一般不會超過25%。隨著上游來流逐漸增大，在灘地參與行洪后，濛河河線較短的優(yōu)勢開始凸顯，分流比不斷攀升，并在Q=6 000 m3/s時達到峰值，約為54.5%，略大于淮干流量。之后，濛河分流比隨著流量進一步增加開始下降，但也能維持約50%，基本與淮干平分上游來流。

(2) 現(xiàn)狀分洪比。王臨河段洪水多由暴雨形成，陡漲陡落，峰型尖瘦，大流量持續(xù)時間較短。受此影響，濛河的分洪比相對偏低。一般情況下，豐水年型的分洪比可以達到約25%，枯水年型的分洪比不超過2%。從多年平均來看，濛河一汊的分洪比在10%以下，在兩汊并行的輸水格局中處于支汊地位。

(3) 工程后的分流比。與現(xiàn)狀相比，規(guī)劃起始條件下濛河分流比的增幅一般在4.5%～16.3%，兩者最大的差異出現(xiàn)在Q=2 000 m3/s附近。低于這個流量級濛河中泓過水不充分，主槽疏浚效益沒有得到充分的發(fā)揮。反之，高于這個流量級，漫灘程度的增加又會降低主槽行洪所占的比例。因此，工程前后分流比的差異呈現(xiàn)出先增加后減少的特點。

(4) 工程后的分洪比。規(guī)劃工程可以在一定程度上增加濛河的分洪比。從提升的幅度看，中水年型的分洪比增幅最大(約10%)，豐水年型次之，枯水年型的變化最小。雖然過洪比例有所增加，但多年平均下來，南汊淮干的過水量仍將占到80%以上，主汊的地位還是比較穩(wěn)固的。

經(jīng)沖淤調(diào)整30 a后，濛河分流比、分洪比與規(guī)劃起始狀態(tài)相比均略有降低，其中，分流比的降幅在3%以下，分洪比的降幅不到1%。計算表明，濛河分流比及分洪比仍將長期維持在工程剛竣工的起始狀態(tài)，并沒有進一步擴大。

5 結(jié)論與建議

(1) 無論是現(xiàn)狀還是規(guī)劃，王臨河段均呈持續(xù)性的淤積狀態(tài)，但由于淮河來沙較少，兩方案下河道淤積量及回淤速度均不大。其中規(guī)劃方案30 a累計淤積總量為1 048.1萬m3，較現(xiàn)狀增淤101.3萬m3。增加的淤積量主要分布在汪集以上河段，尤其是南汊老淮河及潤河集至汪集段。

(2) 王臨河段工程的范圍和規(guī)模能夠滿足設(shè)計行洪能力的要求，且經(jīng)過30 a的沖淤調(diào)整，王家壩節(jié)點水位還能較剛竣工時降低0.03 m，工程效果基本能夠長期維持。

(3) 濛河分洪道拓浚后，各流量級的分流比、豐中枯年型下的分洪比都呈增加趨勢。其中，分流比的增幅一般在4.5%～16.3%，以Q=2 000 m3/s附近的增幅最大；分洪比的增幅一般在0～10%，以中水年型的變化最為突出。在30 a水沙作用下，濛河的分流比、分洪比較起始狀態(tài)略有降低，并不會出現(xiàn)主流持續(xù)轉(zhuǎn)向濛河，主支汊易位的風(fēng)險。

(4) 工程建成后，建議加強對河道水沙和沖淤的原型觀測，以便及時發(fā)現(xiàn)問題并采用相應(yīng)措施。