河道采砂对分汊河段河势影响分析研究

2016-12-24吕敬军范陆娥余之光陈历鹏湖南省水利水电勘测设计研究总院长沙市410007

湖南水利水电 2016年4期

吕敬军范陆娥余之光陈历鹏王俊（湖南省水利水电勘测设计研究总院长沙市 410007）

河道采砂对分汊河段河势影响分析研究

吕敬军范陆娥余之光陈历鹏王俊
（湖南省水利水电勘测设计研究总院长沙市 410007）

分汊河段水流条件复杂，河势演变难以控制，在分汊河段进行采砂一直是一个备受关注的问题，尤其是对其分流比的影响是目前研究的热点之一。文章在定性分析本河段河势演变趋势基础上，建立采砂区一维水流数学模型，对沅水尾闾新兴咀以下分汊河段采砂前后分流比变化进行分析和预测，其计算成果可为本河段的采砂的可行性及河势演变评价提供科学依据。

河道采砂水流条件沅水尾闾数学模型

1 概况

沅水尾闾常德至牛鼻滩河段自新兴咀以下分为三汊，北汊经牛鼻滩进入安彭港，汊道长13 km，是历史上的通航汊道；南汊长约16 km，蜿蜒后在牛鼻滩镇对面汇入北汊；中汊叫金石河，为1970年人工裁弯取直河道，经大凡洲、小凡洲出安彭港，长约7 km，河宽（80～100）m；新兴咀以上洪水河宽1 100 m，枯水河宽约450 m，新兴咀以下为河湖两相型，枯水成河，宽约（300～900）m；洪水成湖，大凡洲、小凡洲淹没时，水面宽达6.5 km。采砂河段（大凡洲采区）位置详见图1。

2 该河段河势演变分析

该河段属于典型的鹅头形分汊河段，其共同的演变规律表现为平面的移动、洲头洲尾的冲淤以及各汊分流比。该河段北汊为主流，其左侧凹岸为沅澧大垸一线堤防，经过洞庭湖一期和二期治理，北汊凹岸通过护岸和堤脚抛石，堤线较为稳固，河道向凹岸一侧蠕动的可能性较小；至于洲头的冲淤变化主要取决于分流区河岸的展宽，该分汊河段分流点位于新兴咀，从20世纪60～70年代的分流点与目前分流点比较，洲头位置比较固定，归结其原因大抵是江心洲分流点处耐冲刷性较好，受节点控制，滩情稳定；至于洲尾的冲淤主要决定于主汊、支汊主流相汇时交角的大小，该河段洲尾主汊和支汊交角约为72°，交角较大，易受冲刷，洲尾有向上游发展的趋势，但受护岸工程保护，预计洲尾向上游退缩将受到一定程度的抑制。

图1 采砂河段示意图

随着上游沅水干流五强溪、凌津滩电站的建成，下游中枯水流量将会加大，同时上游来沙大多被拦截在库区内，对河段的冲刷有利。但就河道整体情况而言，受两岸堤防的约束，加上众多的天然节点以及抗冲能力较强的河床、洲滩地质条件，在经历1993年五强溪水库拦沙后清水下泄多年冲刷以及1995年、1996年大洪水的作用后，南汊其平面形态与过去相比并没有大的调整，滩情比较稳定，河道没有蠕动现象，中汊虽是水利部门开挖的直道引河，但由于河床质较密实坚硬，40多年来仅略微冲刷，基本稳定。北汊处于逐年冲刷状态，南汊处于逐渐淤积状态。

3 一维恒定流数学模型

目前国内外关于采砂对河道演变及河势影响已展开广泛研究，其研究手段主要有经验公式法、水沙数学模型、物理模型及原型观测调查等[1～3]。主要基于水动力学方法，建立采砂区一维水动力数学模型，并采用其上游主要控制水文站（桃源站）1951～2005年的多年平均流量2 053 m3/s作为数学模型计算的特征流量，模拟了采砂前后各汊分流比的变化，计算成果可为该河段的采砂的可行性及河势演变定性评价提供科学依据。

3.1 一维恒定流数学模型建立

鉴于本河段属于复杂的分汊河段，不同流量级下，各汊分流比各异，建立该河段一维恒定流数学模型，对该河段采砂前后分流比特征进行分析研究。

其中：Z1、Z2为上下游地面高程；Y1、Y2为上下游水深；V1、V2为上下游流速；

he为能量损失，按照进行计算，其中流程长按照计算，C为局部阻力系数，Sf为比阻。见图2。

图2 工程河段计算简图

3.2 计算工况及计算参数选择

根据本河段上下游有桃源、常德、牛鼻滩和周文庙水文站资料，可以计算低水分汊情况下，各个河道的水面坡降，采用以上模型可以计算分汊流量情况。结合本河段河道治理的目标，本次计算工况采用其上游主要控制水文站（桃源站）1951～2005年的多年平均流量2 053 m3/s作为数学模型计算的特征流量。综合考虑本河段实际情况，河槽糙率选择为0.025，两岸滩地糙率选取为0.04。

3.3 模型计算结果

按照采砂规模完成采砂以后，工程所在北汊河段深水河槽得到大幅度扩大，金石河（中汊）和南汊没有变化。由于工程河段上下游52 km范围，水面落差仅0.66 m，流速更为接近湖泊特征，且受下游牛鼻滩和周文庙的控制，采砂不直接影响下游河道的水位，主要工程河段的水位影响在“湖泊内部”，以流速进一步降低为主。采砂对各汊分流比影响见表1。

表1 采砂前分汊流量计算成功表

3.4 模型合理性验证

根据表1的分流比计算结果，采取数学模型与经验公式法对比分析来验证数学模型的合理性。本次以简化为二汊为例，其主汊的分流比为：

式中 A——过水断面；

H——平均水深；

L——分流点至汇流点的长度；

N——糙率。

经典型断面计算分析，多年平均流量2 053 m3/s条件下，主汊的分流比约为0.615，相应北汊流量为1 163 m3/s，南汊和中汊流量合计890 m3/s，与数学模型计算结构误差小于5%，因此可认为本次数学模型计算成果合理可靠。3.5 采砂前后分流比变化分析

本河段采砂完成后，随着河段水动力学条件的改变，分流比的变化主要在采砂扩大过水面积的北汊，北汊分流比由采砂前的52%，增加至54.8%；而中汊金石河分流比由采砂前的5.2%，减小至4.8%；南汊分流比由采砂前的42.8%，减少至40.4%，详见表2和表3。

表2 采砂前后河段分流比变化分析表

表3 采砂前后河段Q支/Q总变化表

本文基于水动力方法，建立了本分汊河段的一维恒定流数学模型，对本河段采砂前后分流比特征进行分析研究，其计算结果表明：本河段采砂完成后，随着河段水动力学条件的改变，分流比的变化主要在采砂扩大过水面积的北汊，北汊分流比由采砂前的52%，增加至54.8%；而中汊金石河分流比由采砂前的5.2%，减小至4.8%；南汊分流比由采砂前的42.8%，减少至40.4%。鉴于本河道在多年平均流量下，主流以北汊为主，采砂仅扩大了主汊（北汊）的分流比，分流比变幅较小，加之北汊左岸已进行护岸工程保护，且受上下游分汊起止节点控制，本河段采砂对河势演变影响较小，且可控。

4 结论

河道采砂属于人为强制干预自然的一种方式，作为河道管理人员需要在经济利益和河道保护之间进行权衡，在保证河势稳定、防洪安全、通航安全和满足生态与环境保护要求的前提下，实现河道砂石资源的可持续性利用[4]。本文在定性分析本河段演变趋势的基础上，建立了本河段一维水流数学模型，研究探讨了沅水尾闾新兴咀以下分汊河段采砂前后各汊分流比的变化，其主要结论如下：

（1）采砂后由于输水断面的扩大，将对河道水面线产生一定的影响，导致上下游水位及比降发生变化，一般情况下，将加大采砂河段所在分汊的分流比。

（2）分汊河段进行采砂作业将引起分流比及分汊流速等的变化，严重时可能会引起分汊河段主次汊道的改变，因此需要采取一定的措施，因势利导，使得河道演变朝着有利的方向进行。

值得注意的是，在现有水力学环境下，本河段适度的控制性开采对于本河段的河势演变影响不大，但随着河段上下游水力条件的改变，河势演变还很难预测。为此，工程段的开采需要综合考虑各部门的采挖控制要求，尽可能减少采砂对河势演变的影响，为将来适应上下游水力条件的变化留有一定余地。

[1]李健.河道采砂影响的数值模拟研究[D].武汉：长江科学院，2008.

[2]曾慧俊，谈广鸣，吕平.采砂河道数值模拟研究进展[J].南水北调与水利科技，2008，6(2):80-83.

[3]岳红艳，朱勇辉，王越，等.武汉长江杨泗叽采砂对局部河道的影响分析[J].人民长江，2011，42(13)：76-78.

[4]余之光，宋雅静，罗纯军.河道采砂可持续发展基本框架探讨[J].中国水利，2015，(18):27-30.

2016-05-06）