基于NETSTARS运用定床水理原理在河道疏浚中的应用

赵玲 ZHAO Ling；姜书锋 JIANG Shu-feng

（郑州市水利建筑勘测设计院，郑州450000）

0 引言

在河道治理中为顾及河床泥砂平衡部份河段的河床可能利用疏浚方式，对较严重淤积河段进行疏浚减淤作业，以维持河道自然平衡，同时增加通水断面降低洪水位。天然河道泥砂演变特性复杂，疏浚后虽能局部改善通水有效断面积与水流挟砂能力，但上游输送至下游的泥砂待水流挟砂能力回复正常后，泥砂亦可能逐渐落淤更下游段。故疏浚后的河道演变及疏浚作业对防洪安全及自然环境有一定程度的影响。在不同的河道水流运动中通常均有悬移载和推移载泥砂的运动，而依丰枯水期的变化及河道的动力特性，各河道皆拥有独特的泥砂输送特性及其独自特有的水、砂平衡问题。因此，在河道中进行疏浚工程，以人为方法介入自然演变，必将使得原有河道的水、砂平衡状态受到影响。在人为改变水流与底床形态后，必须将河道新的水、砂平衡状态问题纳入考虑，同时亦得考虑疏浚后上、下游河道所发生新的变化。这些泥砂输送的问题及因为疏浚后所导致的河道冲刷及淤积变动的问题是值得研究与探讨的。

为达到探讨疏浚后河道冲刷、淤积及水理变动的目的，本研究利用NETSTARS拟似二维水理输砂模式，在假设条件下进行模拟后讨论因疏濬而产生河道的水理变化、河床高程变化等相关问题。研究范围主要针对模拟涧河上游河道进行水理输砂演算，探讨在重复发生的洪水条件下河道的水理变化及泥砂的冲淤。透过本研究的进行，可以了解天然河道疏浚后的水理变化、影响范围、冲淤潜势及冲淤潜势的变化等多项可能的特性，探讨河道疏浚后的水理与输砂演变趋势等相关课题。

1 NETSTARS模式简介

NETSTARS（Network of Stream Tube Model for Alluvial River Simulation）模式为可用于模拟辫状河系及水库冲淤变化的拟似二维水理输砂模式，基本上以GSTARS模式为主架构融入BRALLUVIAL及CHARIMA两模式并加以扩展，因此兼具三个模式的优点，功能亦较为完备。适用的范围如主支流、复杂河系、陡坡、缓坡、水跃、定量流及变量流的水理与相对应底床冲淤特性皆可模拟，同时藉由GSTARS模式的流管概念执行输砂演算，反应河床横断面的变化。通常河道输砂模式多数均采用总输砂量公式演算输砂量，若遇到输砂不平衡的状态时则误差会较大，而NETSTARS模式则可采用推移载及悬浮载分开演算的方式以反应不平衡状况下的输砂及底床变化的趋势。

2 工程概况

新安县境内分布于涧河南北及畛河北岸的广大地区以丘陵为主，其山区地形群山绵亘，峰峦重叠，岭坡连绵，沟壑纵横，岩石裸露，地垫起伏，沟谷幽深，切割严重，多为石质中、低山区，一般海拔在700～1000m。而其境内的主要河流自北向南有黄河、青河、畛河、金水河、涧河等，其沿岸均有河谷川地分布。这里地垫平坦，河渠纵横，为农作物的主要产区。除涧河岸川平地较为宽阔外，其余河谷均比较狭窄，一般海拔在200～300m。该河道的高程在进口处为245m，出口处为243m，其河道宽度有360m。

3 定床水理模拟

3.1 模拟条件 ①上游边界条件。上游边界流量分别依10、20、50、100 年重现期输入 5,431cm/s、6,238cm/s、7,189cm/s及7,842cm/s，此流量系以比流量法，根据新发大桥的各重现期流量求得。②起始水位资料。利用线性内插给予各断面一初始水位，然后在定床条件下以起始流量计算至稳定，即可作为各断面的起始水位。③下游水位资料。下游水位系采用断面的洪水位，分别依10、20、50、100年重现期给予238.87m、239.38m、240.01m及240.45m的洪水位。

3.2 定床水理模拟成果 涧河为中央管河道，计划洪水流量为100年重现期距的洪水。因此，应以100年重现期洪水流量进行定床水理模拟，且为了解不同重现期距的水理变化情形，另模拟10年、20年、50年重现期距的水理。所得成果如表1所示，由表检视其中模拟结果，以100年重现期为例针对福禄数大于1的断面计有52、56-2、64-1、64-2、64-6、64-7、65-2、65-3、65-4、66-4、67、67-1、67-2、68、72、73、77、78、81、82 及 83 共计 21 个断面，将其整理列如表1并推述如下：

表1 福禄数变化较大的断面汇整

综合上述可知涧河上游河段坡度陡峭，全河段的坡度为0.0083，而局部河段的坡度则更甚的，如断面50至断面52其坡度达0.045，亦因位于山区受到地形的限制平均断面宽度多较为窄小，导致流速皆较为大。本河段各重现期的洪水位差异不大，推断应为此区域位处上游，且本段河床坡度较陡的缘故可快速排洪，其水流湍急为一典型的急流河道。

4 总结

①疏浚模拟结果淤积总量的变异性很大，而上游的趋势则较为稳定，淤积的发生仍主要集中于上游。疏浚对于疏浚段的上游淤积量的影响较小，而对下游影响则较大。②研究河段原来多处福禄数大于1的断面，经由疏浚后部份断面福禄数值降低为小于1，福禄数与流速及水位有关，福禄数的降低可代表疏浚对于洪水位、流速的降低是有效的措施。③疏浚段上游水理受疏浚的影响不大，疏浚段水位下降与疏浚深度成正比，疏浚段下游水位则与疏浚深度成反比。④疏浚段上游受疏浚影响的范围较短，而疏浚段下游影响范围则较为长远，疏浚所造成疏浚段上下游间的影响差距颇大。

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