王寧

摘 要：通過(guò)比較潁河河抱灣圩段河道原河道退堤方案與裁彎取直方案，分別建立MIKE21模型進(jìn)行模擬計(jì)算，分析2種方案的河水流速、流態(tài)分布、工程占地和搬遷人口。結(jié)果表明，裁彎取直方案在較大程度上改變了潁河河勢(shì)，改善了河道蜿蜒現(xiàn)狀，使水流下泄更為暢通，較小的河道彎曲系數(shù)有效地減小了迎流頂沖對(duì)河岸的沖刷，而新開(kāi)辟的兩段河道的主槽流速均較大，沖刷作用較強(qiáng);相比原河道退堤方案，裁彎取直方案會(huì)使三灣圩、河抱灣圩四面環(huán)水，極大地改變了圩區(qū)群眾的生產(chǎn)生活方式，產(chǎn)生了較大的社會(huì)影響。

關(guān)鍵詞：裁彎取直;MIKE模型;河道河勢(shì);流速流態(tài)

中圖分類(lèi)號(hào) TV85文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A文章編號(hào) 1007-7731（2021）13-0161-04

Abstract： In this paper， the original river channel embankment retreat scheme and the cut-bending straight scheme are compared for the Hebaowan polder reach of Ying River. The MIKE21 model is established for simulation. The river water flow velocity， flow pattern distribution， engineering occupation and relocation population of the two schemes are analyzed and compared. The cut-bending straight scheme greatly changes the Ying River regime， improves the meandering status of the river， and makes the flow discharge more smooth. The smaller river bend coefficient effectively reduces the scouring of the river bank by the headward scouring， while the main channel velocity of the new excavated two reaches of the river is large and the scouring effect is strong. Compared with the original river channel embankment retreat scheme， the cut-bending straight scheme will make the Sanwan polder and Hebaowan polder surrounded by water， which will greatly change the production and life style of the polder people and bring great social impact.

Key words： Cut-bending straight; MIKE model; River regime; Velocity and flow pattern

1 概況

沙潁河是淮河最大的支流，發(fā)源于河南省西部伏牛山脈，在安徽省沫河口入淮。潁河較為蜿蜒，河流彎曲系數(shù)為1.48，特別是阜陽(yáng)閘以下彎曲系數(shù)達(dá)1.61，拐彎河段多，彎道近20處。一般蜿蜒型河道的治理措施主要有裁彎取直、撇彎、切灘等[1-3]。本研究以沙潁河為對(duì)象，分析了潁河河抱灣圩段河道在原河道退堤與裁彎取直2種方案下的治理效果[4]。

2 研究區(qū)域與方法

2.1 研究區(qū)域 河抱灣圩河段位于潁河阜陽(yáng)閘至潁上閘段河道中部，長(zhǎng)約13km，河道彎曲，彎曲系數(shù)達(dá)2.2，集中分布有5處生產(chǎn)圩，其中王周圩、顧廟圩位于右岸灘地，三灣圩、河抱灣圩、新廟圩位于左岸灘地[5]，治理范圍見(jiàn)圖1?？紤]到河段彎曲系數(shù)大，潁河左、右堤堤距寬，最寬處可達(dá)2.8km，本次擬定了原河道退堤和裁彎取直2種治理方案，2種方案工程布置詳見(jiàn)圖2、3。

2.1.1 原河道退堤方案 沿原河道疏浚，采用底寬100m，邊坡1∶4，疏浚長(zhǎng)度13km;三灣圩、顧廟圩、河抱灣圩規(guī)劃為限制類(lèi)?ài)卓?，?0年一遇防洪標(biāo)準(zhǔn)退建、加固堤防，王周圩、新廟灣圩規(guī)劃為還河類(lèi)?ài)卓冢瑥U圩還河、圩堤鏟除;三灣圩內(nèi)新建三灣站，顧廟圩內(nèi)新建顧廟站、顧廟涵，河抱灣圩內(nèi)新建河抱灣站、河抱灣涵，詳見(jiàn)圖2。

2.1.2 裁彎取直方案 于三灣圩、河抱灣圩潁左堤側(cè)圩內(nèi)新開(kāi)挖2段河道，總長(zhǎng)3.1km，根據(jù)相關(guān)公式計(jì)算[6]擬定新開(kāi)挖河道底寬80m，邊坡1∶4，其余河段按原河道疏浚，疏浚長(zhǎng)度3.4km，底寬100m，邊坡1∶4，裁彎處底寬漸變銜接，老河道實(shí)施封堵;王周圩、三灣圩、顧廟圩、河抱灣圩圩堤采用20年一遇防洪標(biāo)準(zhǔn)，其中王周圩、顧廟圩局部堤防退建，三灣圩、河抱灣圩并入潁河右岸，新廟灣圩廢棄;王周圩、顧廟圩、河抱灣圩內(nèi)各新建1座泵站，并在老河道下游出口處新建排澇站1座，詳見(jiàn)圖3。

2.2 研究方法 采用MIKE21模型的FM水動(dòng)力模塊，其基于二維不可壓縮流體雷諾平均應(yīng)力方程，包括連續(xù)、動(dòng)量、溫度、鹽度和密度方程，可以模擬多種作用力下的水流變化以及忽略分層的二維自由表面流。平面二維水流連續(xù)方程、動(dòng)量方程見(jiàn)式（1）、式（2）[7-8]。模型中采用有限體積法進(jìn)行數(shù)值的空間離散，并采用顯式進(jìn)行時(shí)間積分求解[9-11]。

式中：[u]、[v]為基于水深平均的流速;t為時(shí)間;x、y和z為笛卡爾坐標(biāo);η為河底高程;d為靜水深;h=η+d為總水頭;u、v為x、y方向的速度分量;g為重力加速度;ρ為水的密度;sxx、sxy、syz、syy為輻射應(yīng)力的分量;Pa為大氣壓強(qiáng);ρ0為水的相對(duì)密度;S為點(diǎn)源流量大小;us、vs為源匯項(xiàng)水流的流速。

3 結(jié)果與分析

3.1 模型構(gòu)建 利用潁河流域DEM數(shù)據(jù)構(gòu)建規(guī)劃河道二維模型，考慮干流河道地形變化較大以及干流河道與兩岸生產(chǎn)圩的交互影響，計(jì)算范圍選擇王周圩至河抱灣圩段，干流河道共計(jì)15km。網(wǎng)格劃分基于DEM數(shù)據(jù)，考慮地形起伏變化，將干流河道、生產(chǎn)圩及兩者連接區(qū)域建立不同精度的不規(guī)則三角形網(wǎng)格。原河道退堤方案模型共剖分7182個(gè)網(wǎng)格、3725個(gè)節(jié)點(diǎn);裁彎取直方案模型共剖分4180個(gè)網(wǎng)格、2224個(gè)節(jié)點(diǎn)。糙率系數(shù)在二維模型演進(jìn)計(jì)算中具有關(guān)鍵作用。虞邦義等[12]構(gòu)建了淮河中游河道王家壩-魯臺(tái)子河段一維、二維耦合水動(dòng)力數(shù)學(xué)模型得出沙潁河河道主槽糙率為0.025～0.035，灘地糙率為0.038～0.045。陳煉鋼等[13]搭建了淮河中游水文-水動(dòng)力-水質(zhì)耦合模型，優(yōu)選最佳水量水質(zhì)聯(lián)合應(yīng)急調(diào)度方案，參數(shù)率定中沙潁河糙率采用0.020～0.030。本次河道經(jīng)過(guò)糙率驗(yàn)證[14]，采用主槽0.0225，灘地0.0375。邊界條件中，下邊界采用20年一遇設(shè)計(jì)水位，上邊界采用20年一遇設(shè)計(jì)流量。

3.2 成果分析 從流速分布、河勢(shì)影響、工程量、占地、社會(huì)影響等方面對(duì)2個(gè)方案進(jìn)行綜合分析比較。原河道退堤方案通過(guò)河道疏浚及沿線生產(chǎn)圩退建、廢棄，擴(kuò)大泄洪通道，但河道彎曲系數(shù)達(dá)1.752，仍較大。從河道流速來(lái)看，河道由上游王周圩經(jīng)過(guò)三灣圩、顧廟圩2處較大彎道，主槽流速有所增大，三灣圩、顧廟圩主槽流速分別在0.870～2.083m/s、0.827～2.083m/s，到河抱灣圩上部主槽流速在0.754～1.373m/s，略有減小，水流平緩行進(jìn)，而到河抱灣圩下部，主槽流速逐漸增大，在0.780～1.699m/s。灘地流速主要集中在0.4～0.6m/s，表現(xiàn)為河抱灣圩以上灘地流速較小，經(jīng)過(guò)河抱灣圩后，灘地流速逐漸變大，詳見(jiàn)表1。從河水流態(tài)來(lái)看，河抱灣圩以上段河水過(guò)流基本在主槽中，灘地過(guò)流較少，河水對(duì)主槽的沖刷較大，河抱灣圩以下段水流分布則較為均衡，詳見(jiàn)圖4;原河道方案中河道疏浚、生產(chǎn)圩退建加固等工程量較小，無(wú)影響處理工程，涉及永久占地308.53hm2，臨時(shí)占地94.8hm2，河道疏浚棄土量、臨時(shí)占地面積均較少;方案中王周圩、新廟灣圩規(guī)劃廢棄，三灣圩、顧廟圩、河抱灣圩規(guī)劃為限制類(lèi)?ài)卓冢丝谌客膺w入潁左、潁右保護(hù)區(qū)內(nèi)安置，拆遷房屋17.80萬(wàn)m2，搬遷人口6304人，治理后生產(chǎn)圩內(nèi)無(wú)人居住，保障了群眾防洪安全，減輕了防汛壓力，而方案涉及拆遷房屋面積較大，搬遷人口較多。

裁彎取直方案對(duì)原河道形態(tài)、河勢(shì)穩(wěn)定具有較大改變，河道彎曲系數(shù)減少至1.048。從河道流速來(lái)看，新開(kāi)辟的兩段河道的主槽流速均較大，三灣圩處主槽流速在1.229～2.231m/s，灘地流速在0.038～1.447m/s，河抱灣圩處主槽流速在1.294～1.770m/s，灘地流速在0.002～0.895m/s，2處裁彎段比較，流路較小的三灣圩段沖刷更為嚴(yán)重。原河道所在的王周圩段、顧廟圩段、新廟灣圩段主槽流速分別在1.074～1.617m/s、0.906～1.570m/s、0.880～1.409m/s，灘地流速分別在0.046～0.927m/s、0.110～0.912m/s、0.043～0.544m/s，相對(duì)新開(kāi)河段的主槽、灘地，水流分布更為均勻，沖刷較弱。流速對(duì)比詳見(jiàn)表1，流態(tài)對(duì)比詳見(jiàn)圖4、5;裁彎取直方案中新開(kāi)挖河道3.1km、生產(chǎn)圩退建加固等工程涉及永久占地294.4hm2，臨時(shí)占地278.33hm2，棄土量、臨時(shí)占地面積較大;同時(shí)，河道裁彎后影響該段潁右堤保護(hù)區(qū)的排澇，需進(jìn)行影響處理;裁彎方案涉及拆遷房屋10.73萬(wàn)m2，搬遷人口3961人，三灣圩、河抱灣圩由潁河左岸并入右岸，西側(cè)為潁河老河道，東側(cè)為新開(kāi)河道，四面環(huán)水，給群眾生活、生產(chǎn)、出行等均造成了不便，社會(huì)影響較大。

4 結(jié)論

本次聚焦?jié)}河較為蜿蜒的河抱灣圩河段，從河道流速、流態(tài)分布、工程占地、搬遷人口等方面比較了原河道退堤方案與裁彎取直方案互相的優(yōu)勢(shì)與不足，裁彎取直方案較大程度地改變了河道形態(tài)，大大減弱了水流對(duì)河道兩岸的沖刷，水流下泄更為順暢，但是對(duì)新開(kāi)挖河段的主槽具有一定的沖刷，同時(shí)帶來(lái)了較多的臨時(shí)占地和影響處理工程量。雖然涉及的房屋拆遷、搬遷人口相對(duì)原河道方案較少，但裁彎后原三灣圩、河抱灣圩變成四面臨水的孤島，給圩內(nèi)群眾生產(chǎn)生活帶來(lái)了極大的不便;原河道生產(chǎn)圩退堤方案，對(duì)河勢(shì)的影響較小，而經(jīng)過(guò)治理河道彎曲系數(shù)仍較大，水流下泄不及裁彎方案順暢，但帶來(lái)的社會(huì)影響較小。

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（責(zé)編：張宏民）