丁永杰+劉愷+和宛琳

作者簡(jiǎn)介:丁永杰（1963），男，河南禹州人，高級(jí)工程師，主要從事工程水文、規(guī)劃方面研究工作。Email:312759358@qq.comDOI：10.13476/j.cnki.nsbdqk.2014.04.015

摘要：為保證漯河市西城區(qū)防洪安全，減小澧河城區(qū)段防洪壓力，規(guī)劃在沙河和澧河彎道相距最近的大樓魏村附近新開挖一條導(dǎo)洪河道，將澧河洪水提前分流入沙河。選取9種洪水流量組合，分別建立數(shù)學(xué)模型和物理模型，對(duì)改道前后的沙河、澧河的水力特性進(jìn)行研究，確定工程對(duì)兩河河勢(shì)的影響程度和范圍，為工程設(shè)計(jì)提供依據(jù)。模擬結(jié)果表明：各組合流量情況下，研究范圍內(nèi)沙河水位、流速等均無明顯變化；澧河改道段上游河道流速略有增大、水位因流量組合工況不同而產(chǎn)生壅高和降低?？梢?，改道工程的實(shí)施主要對(duì)改道段出口沙河彎道段有一定影響，該段河道需承受上游沙、澧河雙向水流，流態(tài)紊亂，兩側(cè)岸坡均迎流頂沖，應(yīng)做好岸坡防護(hù)工程。

關(guān)鍵詞：沙河；澧河；河勢(shì)；數(shù)值模擬；定床模型試驗(yàn)；動(dòng)床模型試驗(yàn)

中圖分類號(hào)：TV68文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A文章編號(hào)：16721683（2014）04006804

Effects of the Lihe River Reconstruction Project on the Flow Regime

of the Shahe and Lihe Rivers in Luohe City

DING Yongjie,LIU Kai,HE Wanlin

(Henan Water&Power Engineering Consulting Co.,LTD,zhengzhou 450016,China)

Abstract:In order to ensure the flood control safety in the Xicheng district of Luohe City and reduce the flood control pressure at the urban section of the Lihe River,a new river channel was planned to be excavated in the Dalouwei village where the Shahe River and Lihe River are the closest,and thus the flood in the Lihe River can be diverted into the Shahe River.In this paper,nine scenarios of flood discharge were selected to develop the threedimensional numerical models and physical models.In order to provide the basis for project design,hydraulic characteristics in the Lihe River and Shahe River before and after the reconstruction project were investigated,and the effects of the reconstruction project on the river regime were analyzed.The results showed that the water level and flow velocity in the Shahe River have insignificant changes under different scenarios of flood discharge,and the flow velocity in the upstream of the Lihe River reconstruction section increases slightly and the water level in the upstream of the Lihe River reconstruction section can increase or decrease under different scenarios of flood discharge.Therefore,the implementation of the Lihe River reconstruction project has impacts on the river bend section of the Shahe River at the outlet of reconstruction section.The section needs to bear the twoway river flow in the upstream of Shahe River and Lihe River,which can have turbid flow field,and thus the slope protection engineering is needed.

Key words:Shahe River;Lihe River;river regime;numerical simulation;fixed bed model test;movable bed model test

1澧河改道工程概況

1.1工程背景

隨著漯河市經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展和市區(qū)面積的不斷擴(kuò)大，漯河城市防洪問題日趨嚴(yán)重，特別是規(guī)劃的西城區(qū)位于沙河、澧河夾襠地帶，面積126 km2，人口約22萬人，區(qū)內(nèi)有高鐵站、學(xué)校、醫(yī)院等重要設(shè)施，東、南、北三面均承受洪水威脅。為此，2012年漯河市政府提出“澧河改道提前入沙河”規(guī)劃，即在西城區(qū)的西邊緣沙、澧河相距最近的大樓魏村附近新開挖一條導(dǎo)洪河道，將澧河洪水提前分流入沙河［1］見圖1。

新開挖河道位于沙、澧河兩彎道距離最短處，沙河在該處呈“∪”型彎道，樁號(hào)S10+900，河寬約180 m，河底高程5020~5150 m；河床及岸坡為粉質(zhì)壤土，中值粒徑00317 mm。澧河在該處呈“∩”型彎道，樁號(hào)L12+550，河寬約110 m，河底高程約4980~5020 m；河床及岸坡為粉質(zhì)壤土，中值粒徑00142 mm。

圖1漯河市澧河新開挖河道位置

Fig.1Location of newly excavated channel

in Lihe River of Luohe City

1.2流域概況

沙河是淮河最大的支流，發(fā)源于豫西伏牛山區(qū)，流經(jīng)豫、皖兩省，在安徽省正陽關(guān)入淮河；漯河以上流域面積12 580 km2，主要支流有澧河和北汝河。2007年-2009年漯河陳灣~安徽沫河口段進(jìn)行了治理，防洪標(biāo)準(zhǔn)達(dá)到20 a一遇，其中漯河境內(nèi)治理河道長(zhǎng)度約24 km，河道安全泄量3 000 m3/s。

澧河是沙河右岸的一條重要支流，發(fā)源于南陽市方城縣四里店以北的柳樹溝，流經(jīng)葉縣、舞陽縣、郾城區(qū)、源匯區(qū)，在漯河市城區(qū)匯入沙河，總流域面積2 787 km2，干流河長(zhǎng)68 km。2007年在澧河支流修建了燕山水庫(kù)，與干流的孤石灘水庫(kù)聯(lián)合控制了澧河上游山區(qū)的大部分洪水，使澧河目前的防洪標(biāo)準(zhǔn)提高到20 a一遇。

endprint

1.3工程布置

在漯河市大樓魏村西澧河和沙河兩彎道間開挖一條導(dǎo)洪河道，長(zhǎng)16 km。根據(jù)沙、澧河洪水調(diào)度方案，新開挖河道按1 900 m3/s設(shè)計(jì)、2 400 m3/s校核，擬定河道斷面在通過上述洪水時(shí)，以不惡化澧河上游段河道水流條件為原則。按照上述原則，改道段設(shè)計(jì)斷面采用復(fù)式斷面，設(shè)計(jì)河底寬60 m、邊坡1:3、灘地寬40 m，河底比降1/5000，設(shè)計(jì)河底高程5250~5218 m。改道段新建堤防按直線布置，兩端與澧河和沙河堤防平順連接，堤距按220 m控制，設(shè)計(jì)堤頂寬80 m，臨、背河邊坡均為1∶3，堤防超高取2 m，為防止雨水沖刷，堤防邊坡均采用草皮護(hù)坡。

為抬高上游澧河水位，保證下游老澧河引水，同時(shí)避免沙河河水倒灌污染澧河水質(zhì)，在新開挖河道上修建節(jié)制閘1座。由于新開挖河道截?cái)嗔嗽械暮f排水溝、S241省道和規(guī)劃的長(zhǎng)江路，需要新建排澇涵閘1座，公路橋2座。老澧河上下游分別設(shè)進(jìn)水閘和退水閘1座，平時(shí)閘門開啟，以保持水體流動(dòng)，汛期關(guān)閘，防止洪水倒灌［1］。

2研究方法

為了確定澧河改道工程對(duì)沙河、澧河河勢(shì)的影響，包括水位、流態(tài)、流速分布和沖刷情況等，本次研究采用三維數(shù)學(xué)模型和物理模型試驗(yàn)相結(jié)合的方法，對(duì)改道前后沙、澧河進(jìn)行大范圍的數(shù)值模擬，并對(duì)重點(diǎn)河段進(jìn)行了定床和動(dòng)床試驗(yàn)研究［2］。

2.1計(jì)算工況的選擇

根據(jù)沙、澧河洪水調(diào)度方案［3］和1982年、2000年實(shí)際發(fā)生大洪水情況，選取9種有代表性的工況進(jìn)行研究。沙澧河流量組合典型計(jì)算工況見表1。表1沙、澧河典型流量組合工況

Table 1Typical flow discharges in Shahe River and Lihe River under different working conditions

控制斷面各工況河道流量/m3·s1123456789澧河1505001 0001 3001 5001 9002 4001 6001 900兩河匯合口沙河上段2 8502 5002 0001 7001 5001 1006001 5001 700兩河匯合口沙河下段3 0003 0003 0003 0003 0003 0003003 1003 600備注調(diào)度工況2000年典型洪水工況1982年典型洪水工況2.2數(shù)值模擬研究

2.2.1模型的建立

根據(jù)實(shí)測(cè)的沙、澧河帶狀地形圖和河道斷面，建立三維數(shù)學(xué)模型，模擬范圍包括沙河干流和澧河干流見圖2，即：自老澧河口下游約2 km，至沙河自新開挖河道終點(diǎn)起算的上游約5 km、至澧河自新開挖河道起點(diǎn)起算的上游約8 km。具體為：模型下游邊界為沙河S0+000斷面（京廣鐵路橋），上游邊界為沙河S16+000斷面，澧河為L(zhǎng)20+000斷面。

沙、澧河河道

采用曲線正交網(wǎng)格劃分，最大網(wǎng)格約為50×200 m，最小網(wǎng)格約為10×50 m，網(wǎng)格數(shù)2 920個(gè)。上游邊界設(shè)為定流量邊界，下游邊界設(shè)為定水位邊界。

對(duì)于新開挖河道處，工程前為現(xiàn)狀地面，工程后根據(jù)新開挖河道斷面參數(shù)，對(duì)原數(shù)學(xué)模型進(jìn)行修正。

2.2.2模型驗(yàn)證

為定量判斷沙河、澧河水面線的數(shù)值模擬值與推求水面線之間的吻合程度，選用均方根誤差作為判別準(zhǔn)則［5］：

圖2沙河、澧河數(shù)值模擬模型范圍

Fig.2Umerical simulation model domain

of the Shahe River and Lihe River

RMSE=1N∑Nj=1［ζm(ti)-ζd(ti)］212（1）

式中：ζm(t)為數(shù)值模擬值；ζd(t)為實(shí)測(cè)值；N為數(shù)據(jù)點(diǎn)的數(shù)目。RMSE值通常與實(shí)測(cè)值比較（這里與推求值比較），若兩者比值在5%以內(nèi)，表明兩者吻合度極高；若比值在5%~10%之間，表明兩者吻合度較高。

根據(jù)已有數(shù)據(jù)資料，對(duì)沙河和澧河模型進(jìn)行檢驗(yàn)，結(jié)果表明，沙河和澧河的水面線數(shù)值模擬結(jié)果與推求水面線吻合度高，水位均方根誤差分別為013 m(占推求值495%)和015 m(占推求值496%)。因此所建立的數(shù)學(xué)模型能較好地對(duì)沙河和澧河進(jìn)行模擬。

2.2.3數(shù)值模擬結(jié)果分析

在各流量組合工況下，工程后與工程前相比：

（1）沙河。斷面S16+000~S10+900（新開挖河道末端與沙河相接處），流速減小約01～10 m/s；自斷面S10+900下游，流速變化不大。模型范圍內(nèi)沙河河道水位變化不大，上游斷面S16+000水位下降0~04 m；下游斷面S0+000水位不變。

（2）澧河。斷面L20+000~L17+000流速變化不大，各流量組合工況下流速變化規(guī)律同改道前一致；斷面L17+000～L12+500流速增大，增值不超過13 m/s。澧河改道段的水位會(huì)因流量組合工況不同而產(chǎn)生壅高和降低，變化范圍049～-219 m；澧河斷面L14+100至澧河上游斷面L20+000，改道前后流速變化不大；新澧河口至澧河斷面L14+100范圍內(nèi)，流速增加較明顯，個(gè)別斷面流速增幅達(dá)值136 m/s，可能引起河道沖刷。

（3）新開挖河道。新澧河口至新開挖河道，流速相對(duì)較大，但不超過17 m/s；新開挖河道至沙河處，流速相對(duì)較??；新開挖河道段，水流順直，無不良水流現(xiàn)象。表2改道前后部分流量組合時(shí)典型斷面水位、流速

Table 2Water level and flow velocity at the typical sections before and after the reconstruction project

河道

名稱典型斷面項(xiàng)目澧河500/(m3·s1)

沙河2 500/(m3·s1)澧河1 300/(m3·s1)

沙河1 700/(m3·s1)澧河1 900/(m3·s1)

沙河1 100/(m3·s1)澧河1 900/(m3·s1)

沙河1 700/(m3·s1)沙河澧河新開挖

河道上游S16+000水位/m63.3563.1763.0964.43/64.22彎道S9+300水位/m62.762.7162.763.74/63.81最大流速/(m·s1)2.042.042.042.15/2.14下游S2+000水位/m61.5661.5661.5662.30/62.31最大流速/(m·s1)1.681.631.632.44/1.84上游L20+000水位/m64.42/64.4165.29/65.1366.53/66.1766.62/66.37L13+300水位/m62.77/63.2163.93/63.4964.99/63.8864.54/64.80最大流速/(m·s1)1.031.922.672.53改道處L12+550水位/m62.66/63.1563.82/63.2364.92/63.4165.31/64.37G0+500水位/m63.1263.0763.0764.17最大流速/(m·s1)0.390.891.341.18備注：表中加“/”數(shù)據(jù)，左邊為工程前，右邊為工程后。

2.3物理模型試驗(yàn)

2.3.1定床模型

建立物理模型，進(jìn)行定床模型試驗(yàn)，量測(cè)新澧河口上游段、新開挖河道、沙河彎道段的水位、流速等，觀測(cè)流態(tài)。

（1）模型設(shè)計(jì)。

endprint

所研究的重點(diǎn)河段有兩個(gè)彎道，為了保證水流相似，采用正態(tài)模型。根據(jù)試驗(yàn)研究?jī)?nèi)容、試驗(yàn)場(chǎng)地等，選定模型幾何比尺αl=100，按重力相似準(zhǔn)則設(shè)計(jì)模型，同時(shí)保障阻力相似準(zhǔn)則。相應(yīng)物理量的比尺見表3。

表3模型比尺

Table 3Model scale

比尺名稱幾何比尺流速比尺糙率比尺流量比尺時(shí)間比尺比尺關(guān)系式αlαv=α1/2lαn=α1/6lαQ=α5/2lαt=α1/2l比尺數(shù)值100102.154100 00010河道按實(shí)際地形模擬，根據(jù)現(xiàn)狀河槽及邊灘糙率，模型采用斷面板法用水泥沙漿粉面加適當(dāng)打毛制成。

模型范圍包括澧河左岸灣趙村東北（L12+550）上游20 km至澧河上游控制閘、新開挖河道16 km、沙河右岸尹莊村東（S10+900）上游27km至其下游36 km（S13+600～S7+350）。模型河道長(zhǎng)度10 km。模型長(zhǎng)70 m，寬40 m，高04 m。定床模型平面布置見圖3。

圖3定床模型平面布置

Fig.3Layout of fixed bed model test

（2）試驗(yàn)過程。

模型上游控制斷面，按各工況的流量控制；模型下游控制斷面沙河S7+350，按流量對(duì)應(yīng)的水位控制，水位值由數(shù)值模擬成果提供。

首先，進(jìn)行模型試驗(yàn)水面線驗(yàn)證。由于缺少實(shí)際工程實(shí)測(cè)水面線資料，因此將試驗(yàn)量測(cè)水面線與數(shù)值模擬水面線進(jìn)行比較驗(yàn)證：通過調(diào)整模型河道糙率，使試驗(yàn)水面線與數(shù)值模擬水面線一致。

然后，進(jìn)行正式試驗(yàn)。針對(duì)不同流量組合工況，量測(cè)河道水面線、斷面流速，觀測(cè)重點(diǎn)區(qū)域的流態(tài)等。

（3）定床模型試驗(yàn)成果。

定床模型試驗(yàn)表明：模型試驗(yàn)所得的水面線沿程變化、澧河改道處水位變化、典型斷面流速分布等規(guī)律與數(shù)值模擬結(jié)果一致（澧河改道處L12+550水位的試驗(yàn)與數(shù)值模擬對(duì)比見表4）。在各組合流量工況下，新開挖河道與沙河交匯處，水流平順，流態(tài)較好。

表4澧河改道處L12+550水位試驗(yàn)與數(shù)值模擬值對(duì)比

Table 4Comparison of measured and simulated water levels

at location of L12+550 in Lihe River

m試驗(yàn)方法流量組合工況/(m3·s1)澧河500

沙河2500澧河1300

沙河1700澧河1900

沙河1100澧河1900

沙河1700數(shù)值模擬63.1563.2363.4164.37定床試驗(yàn)63.1463.2163.3564.3差值0.010.020.060.072.3.2動(dòng)床模型

在定床模型試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，對(duì)兩河匯流后的沙河段、新澧河口上游澧河段的河岸沖刷進(jìn)行了試驗(yàn)，提出相應(yīng)的防護(hù)工程建議。

（1）河床泥沙設(shè)計(jì)。

對(duì)沙河和澧河河床及岸坡進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)取樣，沙澧河河床及岸坡均為粉質(zhì)壤土，根據(jù)泥沙粒徑級(jí)配，選用聚氯乙烯作為模型沙［6］，其密度ρsm=135×103 kg/m3，容重比尺：

λγs=λspλsm=ρspρsm=2.651.35=1.963（2）

λγs-γ=2.65-11.35-1=4.714（3）

起動(dòng)流速比尺應(yīng)滿足λVk=λV；對(duì)于原型沙，選用竇國(guó)仁起動(dòng)流速公式［7］：

Vk=m(ln11HΔ)γs-γγgD+0.19εk+gHδD（4）

式中：H為水深；D為粒徑；εk為黏結(jié)力參數(shù)，取εk=2.56 cm3/s2；δ為薄膜水厚度，取δ=021×10-4cm；Δ為床面糙率；D為粒徑，不均勻沙采用D50。計(jì)算起動(dòng)流速比尺λVk=λV對(duì)應(yīng)的模型沙粒徑，經(jīng)過反復(fù)調(diào)整模型沙的D50，試算求得沙河模型沙D50=014 mm，粒徑比尺為λD=00317/014=00227；澧河模型沙D50=0065 mm，粒徑比尺為λD=0014/0065=0218。

（2）試驗(yàn)方法。

在進(jìn)行每一流量組合工況前，先按照測(cè)量地形鋪沙，并針對(duì)該流量組合工況，觀測(cè)沿程河道的沖刷情況，同時(shí)，進(jìn)行錄像和照相；然后重新鋪沙，進(jìn)行下一個(gè)流量組合的實(shí)驗(yàn)。

（3）動(dòng)床模型試驗(yàn)結(jié)果分析。

沙河：新澧河與沙河匯流后，在組合流量較大時(shí)，沙河河底基本上沒有沖刷；下游右岸直段、左岸彎道凹岸發(fā)生沖刷；右岸彎道凸岸發(fā)生淤積；左右岸均為岸坡上部沖刷嚴(yán)重，岸坡下部沖刷輕微，沖刷后岸坡趨于平緩。例如，澧河流量1 900 m3/s、沙河流量1 700 m3/s（組合流量3 600 m3/s）時(shí)，沙河左岸S11+050~S10+950、S10+500~S9+400邊坡發(fā)生沖刷、岸坡內(nèi)切1~3 m，S8+800~S8+000平均內(nèi)切8~10 m，其中S8+450~S8+400沖刷嚴(yán)重；右岸S10+600~S9+300邊坡發(fā)生沖刷，岸坡上部平均內(nèi)切4~9 m，岸坡底部淤厚3~6 m，其中S10+400、S10+000附近沖刷嚴(yán)重；S9+000~S8+300平均內(nèi)切2~5 m，其中S8+900~S8+800附近沖刷嚴(yán)重。

因此，樁號(hào)S11+050~S10+950、S10+500~S9+400、S8+800~S8+000的左岸邊坡可能發(fā)生沖刷；樁號(hào)S10+600~ S9+300、S9+000~S8+300右岸邊坡可能發(fā)生沖刷，建議適當(dāng)防護(hù)。

澧河：動(dòng)床模型試驗(yàn)表明，澧河河底基本上沒有沖刷，靠近節(jié)制閘處有少量淤積；左右岸均岸坡上部沖刷嚴(yán)重，岸坡下部沖刷輕微，沖刷后岸坡趨于平緩。例如，澧河流量1 900 m3/s、沙河流量1 100 m3/s（組合流量3 000 m3/s）時(shí)，澧河左岸L13+300~L13+100范圍邊坡發(fā)生沖刷，岸坡內(nèi)切1~3 m；右岸樁號(hào)L13+100~L12+900范圍邊坡發(fā)生沖刷，岸坡內(nèi)切1~2 m；澧河河底基本上沒有沖刷，但樁號(hào)L12+800~L12+550范圍河底有少量淤積，厚度達(dá)05 m；澧河節(jié)制閘前有少量淤積。

由于物理模型動(dòng)床試驗(yàn)鋪沙范圍的限制，新澧河口上游澧河段鋪沙范圍僅為L(zhǎng)12+550～L13+300，因此動(dòng)床試驗(yàn)得出的沖刷范圍未能反映上游段的情況。對(duì)比該澧河段流速分布數(shù)值模擬結(jié)果，當(dāng)澧河流量2 400 m3/s時(shí)，L14+100~新澧河口范圍流速增幅較大，可能引起岸坡沖刷。因此，建議對(duì)左岸L14+100~L12+900進(jìn)行適當(dāng)防護(hù)；右岸可采用動(dòng)床試驗(yàn)結(jié)果，建議對(duì)右岸L13+100~L12+550進(jìn)行適當(dāng)防護(hù)。

3結(jié)論與建議

通過建立三維數(shù)學(xué)模型和物理模型，對(duì)改道前和改道后的澧河、沙河的水力特性進(jìn)行研究，得出如下結(jié)論：

（1）與改道前對(duì)應(yīng)總組合流量相比，改道后各組合流量工況的沙河水位和流速，均無明顯改變。下游右岸直段18 km、右岸彎道凸岸06 km、左岸彎道凹岸370 km發(fā)生沖刷，建議防護(hù)。

（2）與改道前對(duì)應(yīng)流量相比，澧河改道段的水位會(huì)因流量組合工況不同而產(chǎn)生壅高和降低。該河段水位雖雍高，但低于堤頂高程不出槽。改道段上游河道流速略有增大，其余河段流速工程前后基本一致。新澧河口上游07 km左右岸，可能引起岸坡沖刷，建議適當(dāng)防護(hù)。

從模型試驗(yàn)成果來看，本工程主要對(duì)改道段出口沙河彎道段有一定影響，該段河道需承受上游沙、澧河雙向水流，流態(tài)紊亂，兩側(cè)岸坡均迎流頂沖，因此建議應(yīng)切實(shí)做好岸坡防護(hù)工程。

澧河改道工程的實(shí)施，可解除澧河下游125 km河道的防洪任務(wù)，有效緩解漯河市城區(qū)防洪壓力，同時(shí)新開挖的河道在漯河市區(qū)上游溝通了沙、澧河，形成連通水系，下游老澧河成為漯河市內(nèi)河，通過水閘控制保持較為穩(wěn)定的水位，可有效改善當(dāng)?shù)刈匀?、生態(tài)和居民生活環(huán)境。因此本工程技術(shù)、經(jīng)濟(jì)可行，環(huán)境和社會(huì)效益明顯，建議付諸實(shí)施。

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參考文獻(xiàn)（References）：

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