原國智 班文輝 陸家琨

摘要：為準(zhǔn)確反映平陸運(yùn)河沙埠江河段真實的泥沙淤積情況，文章建立平面二維水流泥沙數(shù)學(xué)模型進(jìn)行模擬分析。結(jié)果表明：沙埠江支流淤積比在豐水年、平水年、枯水年平均分別約84%、79%、83%；豐水年、平水年、枯水年淤積在舊州江支流的沙量為6.69×104 t、2.69×104 t、2.13×104 t；豐、平、枯水年進(jìn)入運(yùn)河的沙量為1.28×104 t、0.72×104 t、0.44×104 t。研究成果對類似工程有參考價值。

關(guān)鍵詞：平陸運(yùn)河；沙埠江；泥沙淤積；數(shù)值模擬

中圖分類號：U617.6 A 15 044 3

0 引言

受匯流比、入?yún)R角等因素影響，干支流交匯區(qū)的水沙運(yùn)動過程復(fù)雜。當(dāng)攜帶大量泥沙的水流通過交匯區(qū)時，其流速變小和挾沙能力降低，使大量泥沙淤積，形成支流口淺灘，影響航運(yùn)。因此，研究支流泥沙淤積對運(yùn)河正常通航具有重要意義［1-2］。目前相關(guān)學(xué)者已對支流入?yún)R區(qū)域的泥沙淤積進(jìn)行了大量研究，如陳懇［3］借助地形處理技術(shù)Arcgis和水工數(shù)理模擬計算技術(shù)MIKE21HM，揭示庫區(qū)入流泥沙運(yùn)動規(guī)律和不同粒度懸沙的庫區(qū)分布狀態(tài)。胡春宏［4］提升了水庫和壩下游河道泥沙數(shù)學(xué)模型技術(shù)，建立了三峽入庫泥沙預(yù)測模式，提出了三峽入庫新水沙系列。已有的二維泥沙數(shù)學(xué)模型大都著重于研究單一河道，對于支流交匯口的復(fù)雜邊界條件所引起的水流運(yùn)動及河床變形研究不夠。二維泥沙數(shù)學(xué)模型可解決大范圍的工程泥沙問題，比三維泥沙模擬更加簡明快捷方便。本文通過對平陸運(yùn)河沙埠江支流口交匯處的水流、泥沙運(yùn)動進(jìn)行二維泥沙數(shù)值模擬，為航道的清淤工作及安全運(yùn)行提供參考。

1 工程概況

平陸運(yùn)河以發(fā)展航運(yùn)為主，兼顧供水、灌溉、防洪、改善水生態(tài)環(huán)境等。整個干流航道長約135 km，其中，內(nèi)河航道部分長約100.5 km，由馬道、企石和青年樞紐3個梯級庫區(qū)構(gòu)成。平陸運(yùn)河與沙坪河交匯河段上距馬道樞紐約8.7 km，下距平塘江口（沙坪河郁江交匯口）約21 km，沙埠江支流原本是欽江左岸的一條支流，平陸運(yùn)河修建后，原沙埠江支流先匯入欽江，再由欽江匯入到運(yùn)河。因此本研究區(qū)域內(nèi)包括廣平河、楊屋河、欽江及運(yùn)河水流的相互運(yùn)動，入?yún)R關(guān)系比較復(fù)雜。見圖1。

現(xiàn)場踏勘分析認(rèn)為，該支流流域?qū)儆谇鹆甑蜕絽^(qū)域，地貌總體較為平坦，植被較為茂密，多為當(dāng)?shù)胤N植的甘蔗、蔬菜及農(nóng)作物。初步估算，沙埠江支流口河段枯水期河寬大致在3～4 m，流量約2.0～3.0 m3/s；一般時期洪水河寬約可達(dá)5～10 m。

本文建立平面二維水流泥沙數(shù)學(xué)模型并進(jìn)行相關(guān)驗證。驗證計算結(jié)果與實測資料吻合較好，符合相關(guān)規(guī)定要求，說明所建的二維數(shù)學(xué)模型能夠較好模擬研究河段的水沙運(yùn)動規(guī)律，可用于開展河段的泥沙淤積研究。

2 數(shù)值模擬研究

2.1 模擬工況

根據(jù)平陸運(yùn)河干流與支流入?yún)R關(guān)系分析，從不利角度出發(fā)，模擬選取的水文情況見表1。沙埠江匯合點上游運(yùn)河流量過程、沙埠江流量過程和含沙量過程見圖2～4。

2.2 推薦方案布置

從目前沙埠江與欽江關(guān)系分析，原沙埠江匯入欽江故道后有可能從右汊過流，右汊處于主汊位置，水流自右汊流入欽江后，從欽江匯入運(yùn)河的角度更大，對運(yùn)河的頂沖作用更為突出，可能會引起水流條件的惡化。因此，方案布置時將右汊進(jìn)行堵塞，從最不利情況出發(fā)，使沙埠江從左汊匯入欽江后一并進(jìn)行消能處理。

推薦方案平面布置為：從原放坡點至支流河口266.8 m，原泥面12.0 m放坡至運(yùn)河的底高程-0.8 m，坡度為1∶4，長度約51.2 m，寬度30 m。其后，開挖消力池進(jìn)行消能，開挖深度2.5 m，開挖高程至-0.8 m，長度80.0 m，再按照坡度1∶4至運(yùn)河底高程1.7 m，長度約10 m。經(jīng)消力池后與運(yùn)河相接，保持1.7 m河底高程銜接至支流匯入口，長度約368.8 m。沙埠江支流口推薦方案平面布置圖見圖5，縱剖面情況見圖6。

2.3 計算相關(guān)參數(shù)

模型計算范圍內(nèi)運(yùn)河干流段長約2.4 km，沙埠江長約0.9 km，陳屋河長約0.6 km。為保證計算精度，模型網(wǎng)格尺度為10.0～15.0 m，局部加密5～8 m，總體網(wǎng)格數(shù)量約3 727個。建立的網(wǎng)格情況和模擬范圍內(nèi)的地形插值到網(wǎng)格后的地形云圖見圖7。

2.4 模擬計算成果

豐水年、平水年、枯水年淤積分布見下頁圖8。

與初始地形相比，豐水年主要淤積部位為支流以及支流河口至運(yùn)河的過渡段以及運(yùn)河內(nèi)，豐水年總輸沙量10.92×104 t，豐水年末研究河段支流淤積量為6.69×104 t。支流內(nèi)最大淤積厚度約5.5 m，支流河口附近淤積厚度約0.35 m。支流淤積比（支流淤積量/總淤積量）為84%。

與初始地形相比，平水年主要淤積部位為支流以及支流河口至運(yùn)河的過渡段，平水年總輸沙量4.79×104 t，平水年末研究河段支流淤積量為2.69×104 t。支流內(nèi)最大淤積厚度約5.2 m，支流河口附近最大淤積厚度約0.48 m。支流淤積比（支流淤積量/總淤積量）為79%。

與初始地形相比，枯水年主要淤積部位為支流以及支流河口至運(yùn)河的過渡段，枯水年總輸沙量4.01×104 t，枯水年末研究河段支流淤積量為2.13×104 t。支流內(nèi)最大淤積厚度約4.8 m，支流河口附近淤積最大厚度約0.65 m。支流淤積比（支流淤積量/總淤積量）為83%。

3 結(jié)語

（1）本文建立了二維水流泥沙數(shù)學(xué)模型，可克服模擬河道及方案邊界形狀復(fù)雜的困難，可以利用本文數(shù)學(xué)模型進(jìn)行實際工程的計算及模擬研究。

（2）從泥沙計算結(jié)果來看，支流淤積比（支流淤積量/總淤積量）在豐水年、平水年、枯水年分別約84%、79%、83%；豐水年、平水年、枯水年淤積在支流的沙量為6.69×104 t、2.69×104 t、2.13×104 t；豐水年、平水年、枯水年進(jìn)入運(yùn)河的沙量為1.28×104 t、0.72×104 t、0.44×104 t，泥沙主要淤積在支流口內(nèi)。

參考文獻(xiàn)

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［2］李文杰，馬浩平，楊勝發(fā)，等.三峽庫區(qū)細(xì)顆粒泥沙淤積及一維數(shù)值模擬研究［J］.應(yīng)用基礎(chǔ)與工程科學(xué)學(xué)報，2021，29（2）：251-260.

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收稿日期：2023-10-08