區(qū)錦堂,魏俊彪,林浩偉

（1.廣東省水利水電科學(xué)研究院,廣東 廣州 510610；2.廣東省水動力學(xué)應(yīng)用研究重點實驗室,廣東 廣州 510610；3.河口水利技術(shù)國家地方聯(lián)合工程實驗室,廣東 廣州 510610；4.廣東省水安全科技協(xié)同創(chuàng)新中心,廣東 廣州510610）

1 引言

為解決河道淤塞影響行洪突出問題,提升河道過流能力,確保河道行洪通暢,廣東省茂名市根據(jù)有關(guān)要求,結(jié)合鑒江干流實際情況,開展河道清淤疏浚工作[1]。

鑒江干流部分河段疏浚工程位于茂名市高州市境內(nèi),兩岸堤圍未完全閉合,局部堤圍安全超高不夠,部分河段甚至處于不設(shè)防狀態(tài),對防洪減災(zāi)造成了很大的壓力；同時,流域內(nèi)水土流失較為嚴(yán)重,河床較緩、彎道較多,灘涂明顯,河道淤積嚴(yán)重,河道泄洪能力下降,兩岸區(qū)域存在較大的洪澇災(zāi)害隱患。

本文通過建立水文數(shù)學(xué)模型等手段,對清淤疏浚影響進(jìn)行分析,研究疏浚工程前后河道水動力條件的變化,科學(xué)地評價工程對所處水道行洪、河勢穩(wěn)定及水生態(tài)環(huán)境的影響。

2 研究區(qū)域與工程概況

鑒江南臨南海,北至信宜里五與黃華江分界,東至雞籠山、鵝凰嶂與漠陽江、儒垌河相鄰,西連橋頭、謝仙嶂而與九洲江流域接壤。干流全長232 km（其中茂名市186 km、湛江市46 km）,總落差220 m,平均坡降0.374‰。流域總面積9464 km2（茂名市境內(nèi)7949 km2、湛江市境內(nèi)770 km2、廣西境內(nèi)745 km2）,主要支流包括袂花江、羅江、小東江、曹江、大井河、塘綴河等[2]。

疏浚工程清淤范圍長21.10 km,實際河道疏?？傞L13 km,疏浚總量150.1萬m3；同時拆除大坡山水閘（樁號JJ16+597）與旺羅水閘（樁號JJ21+097）兩座水毀水閘。

樁號JJ0+000～JJ8+200河段現(xiàn)狀寬度多為110 m～190 m,河底高程介于36.89 m～43.66 m；樁號JJ8+200～JJ12+865.8河段現(xiàn)狀寬度多為139 m～190 m,河底高程介于35.11 m～39.08 m；樁號JJ12+865.8～JJ21+097.3河段現(xiàn)狀寬度多為200 m～320 m,現(xiàn)狀河底高程介于31.3 m～37.2 m。

河道疏浚采用梯形斷面,河道疏浚深度0.5 m～4.6 m,河底疏浚寬度23 m～114 m,從現(xiàn)狀河灘地邊以1∶5邊坡開挖至設(shè)計疏浚河底,河道疏浚頂寬35 m～180 m。各段橫斷面設(shè)計參數(shù)見表1。

表1 各段橫斷面設(shè)計表

3 研究方法

為研究疏浚工程對河段水動力條件的影響,本文建立一維網(wǎng)河數(shù)學(xué)模型,定量分析工程前后河段水位、流速的變化。

3.1 控制方程

一維網(wǎng)河數(shù)學(xué)模型的基本方程采用圣維南方程組求解,其控制方程為：

式中：Q為流量；Z為水位；R為水力半徑；Q為流速；ql為旁側(cè)入流；n為糙率系數(shù),可用謝才公式計算；BT為包括主河道泄流寬度和僅起調(diào)蓄作用的附加寬度；B為過流河寬；A為過水面積；g為重力加速度；x、t為空間和時間坐標(biāo)。

流量連接條件即進(jìn)出每一節(jié)點的流量與該節(jié)點內(nèi)的實際水量的增減率相平衡：

式中：Q為節(jié)點過流量；i為匯集于同一節(jié)點的各河道斷面的編號；w為節(jié)點蓄量。

若節(jié)點為無蓄量的幾何點,則w=0。因此：

動力連接條件取為：

式中：k為節(jié)點分支；Z為各分支斷面處的水位。

式（1）～式（4）構(gòu)成一維河網(wǎng)數(shù)值計算的數(shù)學(xué)模型。

3.2 計算方法

方程離散采用四點加權(quán)Preissmann固定網(wǎng)格隱式差分格式。具體方法為：以S代表流量Q和水位Z,則S在Δx河段、Δt時段內(nèi)的加權(quán)平均量及相應(yīng)偏導(dǎo)數(shù)可分別表示為：

式中：θ為加權(quán)系數(shù),一般取0.5～1.0。

按照上面的離散格式,潮流從i斷面流向i+1斷面有：

則潮流連續(xù)方程離散為：

式中：a1、b1、c1、d1、e1為差分方程的已知系數(shù)。

按上述同樣方法,潮流動量方程可離散為：

式中：a2、b2、c2、d2、e2為差分方程的已知系數(shù)。

式（6）和式（7）求解采用目前應(yīng)用廣泛的一維河網(wǎng)三級聯(lián)解算法。河網(wǎng)三級聯(lián)解算法基本原理為：首先將河段內(nèi)相鄰兩斷面之間的每一微段上的圣維南方程組離散為斷面水位和流量的線性方程組（直接求解稱為一級算法）；通過河段內(nèi)相鄰斷面水位與流量的線性關(guān)系和線性方程組的自消元,形成河段首末斷面以水位和流量為狀態(tài)變量的河段方程（其求解稱為二級算法）；再利用汊點相容方程和邊界方程,消去河段首、末斷面的某一個狀態(tài)變量,形成節(jié)點水位（或流量）的節(jié)點方程組。最后對簡化后的方程組采用追趕法求解[3]。

3.3 模型范圍

模型范圍從北界河匯入口至南塘河匯入口,實際疏浚范圍起點（斷面樁號JJ0+000）距模型上邊界約1.4 km,實際疏浚范圍終點（斷面樁號JJ19+797.3）和旺羅水閘（斷面樁號JJ21+097.3）距模型下邊界分別為6.1 km和4.8 km。模型范圍全長約27.3 km。

3.4 建模地形資料

疏浚工程前河道斷面地形于2021年測得。工程后設(shè)計斷面采用實際施工方案中的成果。

3.5 模型主要參數(shù)設(shè)置

根據(jù)鑒江流域各水文站的糙率資料以及疏浚河段河床特性,疏浚工程所在河段的糙率范圍為0.035～0.045。

3.6 計算水文組次

根據(jù)疏浚河段防洪標(biāo)準(zhǔn),本次計算采用20年一遇洪水條件作為計算工況。根據(jù)河段有關(guān)水文站資料以及鑒江干流治理工程有關(guān)成果,模型采用的具體邊界條件見表2。

表2 邊界條件

4 結(jié)果與討論

4.1 模型結(jié)果驗證

鑒江干流治理工程所采用的水面線設(shè)計成果（2022年）是依據(jù)有關(guān)水文站的數(shù)據(jù)資料,選取近10年來較大的兩場洪水進(jìn)行率定和驗證,分別為2013年8月、2019年5月,同時經(jīng)過與歷史水面線成果的對比分析,并綜合考慮了河道地形變化等影響,最終得出科學(xué)合理的水面線成果,且驗證結(jié)果良好。將本文水面線計算成果與鑒江干流治理工程設(shè)計水面線成果進(jìn)行對比驗證,結(jié)果見表3,可以看出,兩者之間的差值均在10cm以內(nèi),模型結(jié)果驗證良好。

表3 模型驗證結(jié)果（1985國家高程基準(zhǔn)）

4.2 水面線和行洪能力分析計算

根據(jù)疏浚方案,通過系統(tǒng)治理,疏浚后河底高程降低,深泓高程最大降低幅度為-1.86 m,平均降低幅度-0.30 m,河道過流面積顯著增大,水位降低,有利于提升河道行洪能力。在20年一遇洪水條件下,疏浚工程實施后河道水位明顯降低,疏浚范圍內(nèi)平均降低幅度為-0.51 m,最大降低幅度為-0.67 m,其中樁號JJ0+000～JJ16+497.3斷面降低幅度均在-0.45 m～0.67 m之間,樁號JJ16+497.3斷面至疏浚范圍終點（樁號JJ19+797.3斷面）,降低幅度逐漸減小,平均降低幅度為-0.23 m。

河道疏浚后河道平均高程及深泓高程均有所下降,河道行洪斷面得到恢復(fù),因此疏浚后河道的設(shè)計水位有所下降,行洪能力相應(yīng)提高。根據(jù)計算結(jié)果可以認(rèn)為,經(jīng)過疏浚工程后,河段可以滿足20年一遇防洪標(biāo)準(zhǔn)。

圖1 疏浚范圍內(nèi)疏浚前后河段深泓線對比圖

圖2 疏浚前后水面線成果

圖3 疏浚前后水位差

4.3 水動力影響分析

根據(jù)計算結(jié)果,在20年一遇洪水條件下,疏浚前河段平均流速為2.26 m/s,疏浚后平均流速略降至2.25 m/s,流速最大降低幅度為-0.323 m/s,最大增大幅度為0.294 m/s,在斷面形態(tài)變化較大的區(qū)域,即樁號JJ17+797.3～JJ19+797.3斷面區(qū)域,疏浚寬度及疏浚深度較大,因此流速下降幅度較大。在樁號JJ14+397.3斷面下游,由于受到大井河匯入等影響,流速有所增大。整體而言疏浚完成后河道流態(tài)整體變化不大,且隨著河道行洪斷面得到恢復(fù),有利于保持河勢的穩(wěn)定[3]。

圖4 疏浚前后流速對比圖

圖5 疏浚前后流速差

4.4 水生態(tài)環(huán)境影響分析

工程區(qū)河段內(nèi)的生態(tài)環(huán)境是河床經(jīng)長年累月演變的結(jié)果,魚類等水生生物對洲灘的棲息環(huán)境也是經(jīng)歷了漫長的適應(yīng)過程。多年來,鑒江干流河灘環(huán)境已與水生生物構(gòu)成了相對穩(wěn)定的水生生態(tài)系統(tǒng),因此任何對河床的破壞都可能對水生生物的棲息、繁殖、洄游活動帶來一定的不利影響。根據(jù)疏浚河段現(xiàn)場情況的調(diào)查,疏浚段一般在河道主流附近,多為主河道凸岸以及洲灘。河道疏浚后,地形地貌發(fā)生一定改變,造成疏浚河床附近水流和河床底質(zhì)發(fā)生變化,這些變化將會對水生生物棲息地產(chǎn)生一定的負(fù)面影響,不利于水生生物的生存和繁衍[4]。

疏浚工程施工期間對河道水流攪動較大,挖掘過程中,河床沉積物及沉積物吸附的污染物會發(fā)生再懸浮,重新進(jìn)入流動水體,對河道水質(zhì)的影響較大。同時,頻繁的水流擾動以及施工器械的干擾均會對河道內(nèi)水生生物的棲息環(huán)境造成破壞,影響河道生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。施工期及工程完工后應(yīng)嚴(yán)格做好水質(zhì)保護(hù)措施,減少環(huán)境污染,保護(hù)河道水生態(tài)環(huán)境安全[5]。

5 結(jié)論

綜合上述分析可得出,鑒江干流部分河段疏浚工程對河段的影響主要有以下幾點：

（1）河道疏浚后河道平均高程及深泓高程均有所下降,河道行洪斷面得到恢復(fù)。疏浚后河道的設(shè)計水位有所下降,20年一遇洪水條件下水位平均降低幅度為-0.51m,行洪能力相應(yīng)提高。

（2）疏浚完成后河道流態(tài)整體變化不大,且隨著河道行洪斷面得到恢復(fù),有利于保持河勢的穩(wěn)定。

（3）河道疏浚后,地形地貌發(fā)生一定改變,造成疏浚河床附近水流和河床底質(zhì)發(fā)生變化,不利于水生生物的生存和繁衍。施工期間對河道水流攪動較大,河床沉積的污染物會發(fā)生再懸浮,重新進(jìn)入流動水體,影響河道水質(zhì),破壞水生生物的棲息環(huán)境,進(jìn)而影響河道水生態(tài)環(huán)境穩(wěn)定。