董文津

(凌河保護(hù)區(qū)管理局，遼寧 朝陽(yáng) 122629)

1 研究區(qū)概況

大凌河發(fā)源于遼寧與河北兩省的接壤地區(qū)，全長(zhǎng)約447 km，大小支系縱橫交錯(cuò)，其主脈橫貫遼西，向東南匯入渤海[1-2]。大凌河是遼寧省西部最大的河流，流域面積約2.33萬(wàn)km2，流域內(nèi)年降雨量400～600 mm，年均徑流量17.91億m3。流域內(nèi)的山地占73%，丘陵占22%，平原占5%，上游地區(qū)處于降水偏少的遼西，水少、沙少；下游地區(qū)位于雨量較為充沛的平原地區(qū)，水多、沙多。大凌河的干流河床上游主要是粗砂和中砂，下游河床主要是中砂和細(xì)砂[3-4]。

研究區(qū)的大凌河采砂段全長(zhǎng)約4.5 km，地處大凌河的下游，河道曲折蜿蜒，彎曲系數(shù)約1.8，洪水時(shí)河寬約1800 m，枯水時(shí)河寬約200 m，河中分布有多個(gè)沙洲。該河段的多年演變結(jié)果顯示，其平面與斷面形態(tài)變化不大，灘情比較穩(wěn)定，沒(méi)有明顯的蠕動(dòng)現(xiàn)象。

2 計(jì)算模型與方案

2.1 模型選擇

擬建的采砂場(chǎng)位于京哈高速公路橋下游22 km處，河道中沙洲較多，屬于典型的寬淺型河道。同時(shí)，項(xiàng)目區(qū)的上游和下游存在較多的彎道，為了進(jìn)行河道水流的有效控導(dǎo)，在河道的彎道和險(xiǎn)工部位修建了多處丁壩和堤岸防護(hù)工程，因此，河道的流態(tài)比較復(fù)雜。為了準(zhǔn)確模擬采砂場(chǎng)開采后對(duì)河道水位和流態(tài)等特征的影響，此次研究通過(guò)垂向平均處理的平面二維水流物理過(guò)程模型MIKE21進(jìn)行計(jì)算模型的構(gòu)建。該模型是丹麥水力學(xué)研究所設(shè)計(jì)開發(fā)的數(shù)學(xué)模擬程序，目前已經(jīng)廣泛應(yīng)用于水動(dòng)力模擬研究，屬于水動(dòng)力研究領(lǐng)域比較優(yōu)越的模型[5]。

2.2 模型的建立

綜合考慮采砂場(chǎng)所在的大凌河河段的河勢(shì)以及工程影響等因素，選擇項(xiàng)目區(qū)上游2.5 km至下游3.0 km之間的河道作為模擬區(qū)域，全長(zhǎng)20 km，模擬區(qū)域的平均寬度1.5 km，模擬總面積為15.68 km2。采用三角形網(wǎng)格對(duì)模擬河段進(jìn)行網(wǎng)格剖分，對(duì)于高程變化相對(duì)較小，河道的岸線比較平順的位置可以適當(dāng)加大網(wǎng)格，以減小模型的計(jì)算量[6]；在河岸附近以及高程變化相對(duì)劇烈的部位，需要對(duì)網(wǎng)格進(jìn)行適當(dāng)?shù)募用芴幚?，以提高模型?jì)算的精度。研究中最大網(wǎng)格的面積為1574 m2，最小網(wǎng)格的面積為8.3 m2。最終，整個(gè)計(jì)算模型劃分為49 424個(gè)計(jì)算網(wǎng)格，24 263個(gè)計(jì)算單元。模型的網(wǎng)格剖分示意圖如圖1所示。

圖1 計(jì)算模型網(wǎng)格剖分示意圖

2.3 計(jì)算參數(shù)與邊界條件

為了降低中小型洪水對(duì)大凌河兩岸行洪灘地的農(nóng)田和建筑物的影響，在該河段的河道兩側(cè)均修建了防洪小埝，采用5000 m3/s設(shè)計(jì)，采用7000 m3/s校核。根據(jù)擬建采砂場(chǎng)的位置，對(duì)河道的行洪能力進(jìn)行復(fù)核，結(jié)果顯示該河段防洪小埝的現(xiàn)狀行洪能力為5000 m3/s，相當(dāng)于5年一遇。在模型計(jì)算過(guò)程中，將模型的上邊界設(shè)定為設(shè)計(jì)流量邊界，5年一遇流量為5000 m3/s，模型的下邊界為給定起推水位。研究河段的糙率主要根據(jù)2006年8月大凌河洪水的實(shí)測(cè)洪痕，按照當(dāng)時(shí)4280 m3/s的最大流量進(jìn)行率定。其中，河道主槽的糙率為0.025～0.055，灘地的糙率為0.040～0.100。由于大凌河下游河段近年來(lái)并沒(méi)有經(jīng)過(guò)大水的侵襲，植被與林地侵占河道的現(xiàn)象比較嚴(yán)重，河道的糙率明顯偏大[7]。因此，在本次模擬中要以上述成果為基礎(chǔ)，經(jīng)過(guò)進(jìn)一步率定確定河槽的糙率為0.030，灘地的糙率為0.045，樹木的糙率為0.057，農(nóng)田的糙率為0.053。

模擬的時(shí)長(zhǎng)確定為24 h，其中,主時(shí)間步長(zhǎng)為15 s，共5760步，時(shí)間的積分和空間的離散方式均采用高階。

2.4 計(jì)算方案

在此次研究中，采砂方案的總體設(shè)計(jì)目標(biāo)是在保證河勢(shì)不發(fā)生重大變化并保證防洪安全的情況下，滿足砂石開采的實(shí)際需求[8]?；诖?，考慮采砂區(qū)的上下游邊界是否打開以及是否具有施工的可行性，初步確定了兩種采砂方案，具體的設(shè)計(jì)思路如下：

方案1為全封閉采砂方案，大凌河在此處分為東西兩汊，采砂區(qū)主要分布于兩汊之間的河心沙洲部位，且全部位于防洪小埝的內(nèi)部。采區(qū)上游與左岸和右岸灘地的距離大于370 m，下游采區(qū)與出口左岸預(yù)留200 m的采砂通道，采區(qū)與防洪大堤外側(cè)河堤腳線的距離均大于1000 m。

方案2為半封閉方案，采砂區(qū)主要分布于兩汊之間的河心沙洲部位，且全部位于防洪小埝的內(nèi)部。采區(qū)上游與左岸和右岸灘地的距離大于370 m，下游采區(qū)的邊線和大凌河的南汊相連接形成連通狀態(tài)，采區(qū)與防洪大堤外側(cè)河堤腳線的距離均大于1000 m。

在計(jì)算對(duì)比分析過(guò)程中，統(tǒng)一確定控采高程為-2.0 m，也就是開采之后采區(qū)的底部高程為134.5 m。在研究中，為了獲取不同流量工況下兩種開采方案對(duì)河道水文特征的影響，設(shè)置了如表1所示的計(jì)算工況。

表1 計(jì)算工況設(shè)計(jì)

3 計(jì)算結(jié)果與分析

3.1 水位變化計(jì)算結(jié)果與分析

利用上節(jié)構(gòu)建的二維水沙模型，對(duì)兩種不同開采方案各工況下的水位高度進(jìn)行計(jì)算，獲得如表2所示研究河段4個(gè)典型觀測(cè)點(diǎn)的水位值。由計(jì)算結(jié)果可知，在采砂之后，研究段在各斷面、各工況下的水位高度均呈現(xiàn)出不同程度的下降，對(duì)提升研究河段的行洪能力有利。從兩種不同的采砂方案的對(duì)比來(lái)看，方案2的水位變化較方案1更為明顯。因此,方案2在采砂之后對(duì)研究河段沿程水位的影響相對(duì)較大。

表2 四個(gè)典型斷面水位高度計(jì)算結(jié)果 m

3.2 險(xiǎn)工段近岸流速計(jì)算結(jié)果分析

為了研究大凌河分汊河段防洪安全受采砂的影響，需要分析東西汊傳統(tǒng)險(xiǎn)工險(xiǎn)段的局部流場(chǎng)變化。利用上節(jié)構(gòu)建的模型，對(duì)不同計(jì)算工況下研究河段的兩處險(xiǎn)工險(xiǎn)段的近岸流速進(jìn)行計(jì)算，其最大值如表3所示。由表中的計(jì)算結(jié)果可知，在采砂之后，各工況下的兩處險(xiǎn)工險(xiǎn)段的近岸流速均有不同程度的下降，同時(shí)方案2對(duì)西汊險(xiǎn)工險(xiǎn)段近岸流速的影響更為明顯。

表3 險(xiǎn)工險(xiǎn)段的近岸最大流速計(jì)算結(jié)果

3.3 分匯流處流速計(jì)算結(jié)果分析

為了進(jìn)一步研究采砂對(duì)河道走勢(shì)變化的影響，汊道分流和匯流部位的水流結(jié)構(gòu)形態(tài)的穩(wěn)定性十分重要。基于此，研究中利用上節(jié)構(gòu)建的模型，對(duì)研究河段的汊道分流和匯流部位的流速進(jìn)行計(jì)算，其最大值如表4所示。由表中的計(jì)算結(jié)果可知，在不同的計(jì)算工況下，采砂活動(dòng)會(huì)對(duì)河道局部流速的分布造成一定的影響，對(duì)上游分流部位的影響最為顯著。從兩種采砂方案的對(duì)比來(lái)看，對(duì)分、匯流部位的流速的影響基本一致，但是方案2的影響相對(duì)更大。

表4 分、匯流部位最大流速計(jì)算結(jié)果

4 結(jié) 論

此次研究采用數(shù)值模擬的方法，對(duì)大凌河干流某采砂場(chǎng)的設(shè)計(jì)方案進(jìn)行對(duì)比分析，得出如下主要結(jié)論：

(1)在采砂之后，研究段在各斷面、各工況下的水位高度均呈現(xiàn)出不同程度的下降，對(duì)提升研究河段的行洪能力有利，且半封閉方案的水位變化較全封閉方案更為明顯。

(2)在采砂之后，各工況下的兩處險(xiǎn)工險(xiǎn)段的近岸流速均有不同程度的下降，同時(shí)半封閉方案對(duì)西汊險(xiǎn)工險(xiǎn)段近岸流速的影響更為明顯。

(3)采砂活動(dòng)會(huì)對(duì)分、匯流部位的流速的分布造成一定的影響，對(duì)上游分流部位的影響最為顯著。從兩種采砂方案的對(duì)比來(lái)看，半封閉方案的影響相對(duì)更大。

(4)綜合研究結(jié)果，推薦全封閉采砂方案為某采砂場(chǎng)的設(shè)計(jì)方案。