楊武 肖政 陳杰 劉易莊

摘 要：根據(jù)黃河青海段積石峽水庫變動(dòng)回水區(qū)托壩村至市政大橋下游2km河段水文地形資料?；谟邢摅w積方法，建立平面二維水流數(shù)學(xué)模型，應(yīng)用經(jīng)過驗(yàn)證的航道整治二維數(shù)學(xué)模型，對(duì)積石峽庫區(qū)變動(dòng)回水區(qū)重點(diǎn)淺灘整治措施進(jìn)行了模擬分析。通過模型計(jì)算得出：實(shí)施整治工程后，整治河段水流條件得到明顯改善，變動(dòng)回水區(qū)中拖壩村、加入村及市政大橋三處礙航灘段水流條件得到明顯改善，能夠滿足Ⅵ級(jí)航道通航標(biāo)準(zhǔn)。

關(guān)鍵詞：變動(dòng)回水區(qū)；二維數(shù)學(xué)模型；航道整治；積石峽

積石峽庫區(qū)位于黃河上游河段，干流流經(jīng)循化縣，處于黃河階梯水電樞紐黃豐水電站和積石峽水電電站之間。黃豐電站下游2km循化托壩村至清水灣10km為積石峽水庫庫區(qū)變動(dòng)回水區(qū)河段，河道平面圖見圖1。該河段地形復(fù)雜，淺灘交錯(cuò)分布，泥沙運(yùn)動(dòng)及河床演變均十分復(fù)雜，航道彎窄，平均比降1.54‰，最小水深處僅0.8m并伴有不良流態(tài)，船舶通行困難，嚴(yán)重制約著黃河積石峽河段航運(yùn)發(fā)展。在以往的研究中多采用平面二維數(shù)學(xué)模型和物理模型對(duì)峽谷灘段航道整治技術(shù)進(jìn)行研究。如張明進(jìn)[1]等采用平面二維有限單元水流數(shù)學(xué)模型對(duì)融江螺灘河段進(jìn)行航道整治方案研究；陸永軍[2]等采用平面二維數(shù)學(xué)模型對(duì)松花江三姓淺灘航道整治工程進(jìn)行了模擬；孫冬梅[3]等建立二維水沙數(shù)學(xué)模型對(duì)長江中游枯牛水道航道整治工程進(jìn)行了研究；徐成偉[4]利用已建立的二維數(shù)學(xué)模型[5]對(duì)黃河李家峽變動(dòng)回水區(qū)散亂淺灘整治工程進(jìn)行研究；由此可見二維數(shù)學(xué)模型已經(jīng)廣泛的應(yīng)用于航道整治工程的研究中。文章基于有限體積法，建立平面二維水流數(shù)學(xué)模型，對(duì)黃河積石峽水庫變動(dòng)回水區(qū)航道整治工程進(jìn)行論證分析。文獻(xiàn)[6]對(duì)模型控制方程及離散方法有詳細(xì)介紹，文章不再贅述。

圖1 河道平面圖

1 數(shù)學(xué)模型建立與驗(yàn)證

1.1 計(jì)算范圍及網(wǎng)格劃分

本次模擬中模型上邊界選定在托壩村，下邊界選定在P18號(hào)水尺處，地形采用2010年實(shí)測(cè)1：2000地形圖，計(jì)算河段全長6.8km。

計(jì)算網(wǎng)格由三角形六節(jié)點(diǎn)單元的非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，保證對(duì)流速計(jì)算具有二階精度。模擬河段沿水流方向的網(wǎng)格單元尺寸最大為60m，局部丁壩工程區(qū)網(wǎng)格加密，加密處網(wǎng)格尺寸為3～4m。網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)總數(shù)為21818個(gè)，網(wǎng)格單元總數(shù)為42157個(gè)。模型上有開邊界選取托壩村流量邊界，下游開邊界選取水位邊界控制。

1.2 數(shù)學(xué)模型的驗(yàn)證

采用2010年10月實(shí)測(cè)積石峽庫區(qū)上游變動(dòng)回水區(qū)河段枯水期和中水期瞬時(shí)水位資料和斷面流速資料，分別對(duì)水面線、斷面流速分布進(jìn)行驗(yàn)證。

圖2和圖3分別給出水面和流速驗(yàn)證圖，采用實(shí)測(cè)水位和流速數(shù)據(jù)進(jìn)行模型驗(yàn)證，從圖中可以看出水位誤差在±10.0cm之內(nèi)，流速最大誤差小于5%，滿足《內(nèi)河航道與港口水流泥沙模擬技術(shù)規(guī)程》（JTJ/T232-2001）的要求。2 整治方案計(jì)算及結(jié)果分析

2.1 整治思路及參數(shù)

積石峽庫區(qū)河段屬于原始河床，淺灘類型為沙質(zhì)和卵石淺灘，上游來水來沙情況對(duì)于河段淺灘發(fā)展有重要影響。對(duì)于變動(dòng)回水區(qū)淺灘，整治原則應(yīng)順應(yīng)河勢(shì)，因勢(shì)利導(dǎo)，調(diào)整中枯水動(dòng)力軸線和水流結(jié)構(gòu)，穩(wěn)定主流，束水攻沙，控制和調(diào)整泥沙運(yùn)動(dòng)；工程布置應(yīng)以控制河床，筑壩與護(hù)岸為主，平順岸線，淺區(qū)結(jié)合疏浚措施保證航槽水深，改善沙質(zhì)和卵石淺灘航道條件[7]。按照上述整治原則，采用第二造床流量法計(jì)算得出整治流量為575m3/s，相應(yīng)水位即為整治水位；積石峽庫區(qū)河段擬按內(nèi)河Ⅵ級(jí)航道進(jìn)行整治，通航50～100t級(jí)船舶，設(shè)計(jì)航道尺度為1.2m×30m×180m?？紤]模型計(jì)算研究內(nèi)容及要求，模型選取洪、中、枯水共5級(jí)流量，作為整治方案的計(jì)算流量。計(jì)算流量及相應(yīng)水位見表1。

表1 模型計(jì)算流量及其對(duì)應(yīng)水位

圖4為整治流量Q=575m3/s下工程前后變動(dòng)回水區(qū)沿程水深變化圖。從圖中可以看出，整治河段航槽水深局部變化明顯，江心洲尾部以上河段水深較淺，以下河段水深條件較深。整治工程實(shí)施前，托壩村灘段上游右汊入口及江心洲尾部位置水深較淺，最小航深大約為0.5m左右。而右汊右岸擬建設(shè)托壩村碼頭，水深條件遠(yuǎn)不能滿足Ⅵ級(jí)航道的通航要求。針對(duì)航槽水深不足，整治方案通過對(duì)江心洲入口處進(jìn)行疏浚挖槽，同時(shí)對(duì)右岸進(jìn)行切咀來解決水深不足的問題。整治工程實(shí)施后，整治流量下1.2m航槽上下基本貫通，水深條件得到有效改善。

2.2 整治前后水面及比降變化

計(jì)算結(jié)果表明：各級(jí)流量下托壩村灘段及以上河段水位差和水面比降變化較大，加入村及市政大橋及以下河段水面比降比降變化較小，基本趨于平緩。最低通航流量323m3/s時(shí)，托壩村灘段水位變幅在0.16m～1.24m之間，比降變幅在0.43‰～3.04‰之間，相比工程前水面比降得到了有效減緩，其中江心洲下游沙梗處最大比降減少了0.72‰。整治流量575m3/s，水庫水位為汛期防洪限制水位1854m時(shí)，托壩村灘段水位變幅在0.15m～0.99m之間，比降在0.54‰～2.62‰之間，市政大橋上游河段水位壅高0.27m，水庫水位為正常蓄水位1856m時(shí)，托壩村灘段水位變幅在0.14m～0.87m之間，比降在0.54‰～2.52‰之間；一年一遇洪水1000m3/s時(shí)，托壩村灘段水位變幅在0.24m～0.83m之間，比降在0.92‰～2.48‰之間；相比工程前平均比降減小0.05‰，市政大橋上游河段水位壅高0.26m。設(shè)計(jì)最高通航流量1770m3/s時(shí)，托壩村灘段水位在1858.66～1862.97m之間，水位差在0.22m～0.74m之間，比降在0.32‰～2.47‰之間；相比工程前平均比降減小0.11‰，市政大橋上游河段壅高0.34m。

2.3 整治前后航槽流速變化

整治流量Q=575m3/s航槽流速變化對(duì)航槽影響較大，當(dāng)比降減小、流速變緩，水流挾沙能力也隨之減弱，泥沙落淤造成河床抬高，淤積成灘。庫區(qū)尾部回水區(qū)流速減緩較大，水流挾沙能力減弱，造成“翹尾巴”現(xiàn)象。圖5為整治流量下整治工程實(shí)施前后河段航槽流速變化圖。從圖中可以看出整治流量Q=575m3/s，水庫水位處于防汛限制水位1854m時(shí)，托壩灘段流速流態(tài)較整治前有一定改善，急流區(qū)流速減小，減小幅度為0m/s～2.2m/s，最大流速約為3.5m/s；加入村灘段流速相比整治前略有增加，市政大橋?yàn)┒瘟魉僮畲笤龇鶠?.17m/s，有助于提高水流沖沙能力；市政大橋以下河段流速變化不大。水庫正常蓄水到1856m時(shí)，托壩村灘段流速減小幅度為0m/s ～2.23m/s，最大流速約為3.0m/s；市政大橋?yàn)┒斡捎诨厮绊懀^防汛水位時(shí)流速增幅減小，最大增幅為0.29m/s。

3 結(jié)束語

文章建立平面二維水流數(shù)學(xué)模型，對(duì)黃河積石峽變動(dòng)回水區(qū)航道整治進(jìn)行數(shù)值模擬研究。模型計(jì)算了整治河段在各級(jí)流量下整治工程實(shí)施前后的通航水流特性，對(duì)整治流量下的航道水深、水位、比降變化及航槽流速變化進(jìn)行了分析，計(jì)算結(jié)果表明：

（1）應(yīng)用建立的平面二維水流數(shù)學(xué)模型進(jìn)行了水面線及流速分布驗(yàn)證，計(jì)算值與實(shí)測(cè)值吻合較好，為航道整治方案計(jì)算奠定了良好基礎(chǔ)。

（2）實(shí)施整治工程后，整治河段通航條件得到明顯改善，設(shè)計(jì)流量下的沿程水深都在設(shè)計(jì)水深1.2m以上，水位比降得到較好的調(diào)整。

（3）整治流量下，水庫水位處于防汛限制水位1854時(shí)，托壩灘段流速明顯減小，減小幅度為0m/s～2.2m/s，加入村灘段流速相比整治前略有增加，市政大橋?yàn)┒瘟魉僮畲笤龇鶠?.17m/s，市政大橋以下河段流速變化不大。水庫正常蓄水到1856m時(shí)，托壩村灘段流速減小幅度為0m/s ～2.23m/s，市政大橋?yàn)┒斡捎诨厮绊?，較防汛水位時(shí)流速增幅減小，最大增幅為0.29m/s。

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作者簡介：楊武（1990-），男，江西九江人，碩士，主要從事海岸動(dòng)力過程及其模擬技術(shù)研究。