采砂工程对双沟电站下游河道行洪能力影响初步分析

张永胜，麻长信

(中水东北勘测设计研究有限责任公司，长春 130021)

1 概 述

随着我国社会经济的快速发展，各项基础设施建设规模不断扩大，以基建原材料为主要产品的河道采砂业发展迅速，采砂方式不断更新变换，随之而产生的新问题不断出现。双沟电站坝址下游至厂房之间为蜿蜒型河道，坝下3 km左右河道右岸有宽约100 m的滩地，滩地沙质良好。近年来，采砂、挖砂现象严重，滩地上分布有较多大面积的砂堆、砂坑，并沿主河道与滩地间修建了卵石挡水围堰。由于采砂工程的影响，改变了河道天然状况，使河道断面过水面积发生了一定变化，导致河道行洪能力受到影响。

本文采用一维非恒定流数学模型，对双沟坝下双沟水文站至双沟电站厂房出口之间长3 712 m河段的不同来水条件天然河道、现状河道情况下的水力进行分析计算，对现状河道行洪区内的采砂工程对河道行洪的影响作出初步的分析评价。

2 数学模型

2.1 基本方程

采用以Q(流量)、Z(水位)为变量的圣维南方程组描述河道中的非恒定流运动。基本方程如下：

水流连续方程：

(1)

水流运动方程：

(2)

式中：x为流程，m；Q为流量，m3/s；H为水力半径，m；Z为水位，m；B为河宽，m；t为时间，s；A为过水断面面积，m2；a为动力修正系数；g为重力加速度。

2.2 基本方程的离散

对水流连续方程和水流运动方程采用Priessimann四点偏心隐格式离散为线性代数方程组，格式的型式为：

(3)

式中权重因子的取值范围为θ≥0.5，φ≤1.0。将式(3)代入式(1)、式(2)并进行整理，结果如下：

水流连续方程：

A1ΔZi+B1ΔQi+C1ΔZi+1+D1ΔQi+1=E1

(4)

式中：A1=(1-φ)Bi

C1=φBi+1

E1=-Δt(Qi+1-Qi)/Δxi

水流运动方程：

A2ΔZi+B2ΔQi+C2ΔZi+1+D2ΔQi+1=E2

(5)

式中：

式中系数A1，B1，C1，D1，E1，A2，B2，C2，D2，E2等仅仅依赖于n△t时间层上节点的水位、流量，因此是一个线性代数方程组，上述方程通过矩阵追赶的办法逐次叠代求解。

2.3 定解条件

2.3.1 初始条件

即在计算开始时刻t0给定各个断面的水位Z和流量Q:

Z(x，t)|t=0=Z(x，0)

Q(x，t)|t=0=Q(x，0)

2.3.2 边界条件

上游条件：给定流量过程。

下游条件：给定水位过程或水位流量关系曲线。

3 模型参数率定与验证

模型中，水流糙率系数利用分析河段1986汛后调查的水位资料(对应双沟流量975 m3/s)进行率定，率定结果表明河段糙率变化范围在0.028～0.052之间。

模型验证由于资料的限制，仅对计算河段内的水位情况进行验证。验证依据分析河段上游小山电站两台机组发电时(对应双沟流量210 m3/s)的沿程水位及河段内双沟水文站和双沟电站出口断面1985年7月3-11日水位过程进行验证。模型计算的水位与实测资料吻合较好，水位计算误差在±0.05 m以内，表明模型参数合理、可靠，所建模型的计算成果能够反映分析河段内的水流运动特性。河段水面线和水位过程模型计算结果与实测值的比较结果见图1-图3。

图1 计算河段水面线成果比较图

图2 双沟水文站断面水位过程

图3 双沟电站出口断面水位过程

4 行洪影响初步分析

4.1 计算方案拟定

为分析不同来水条件下采砂工程对河道行洪的影响，本次拟定分3个计算方案，分别按1983年的地形资料(采砂前天然情况)和2007年的地形资料(采砂后现状情况)进行河段水力分析计算。3个计算方案分别为：

1) 小山电站一台机组发电，双沟水文站相应流量100 m3/s。

2) 小山电站两台机组发电，双沟水文站相应流量210 m3/s。

3) 1960年洪水，双沟水文站洪峰流量为3 222 m3/s。

4.2 计算边界条件处理

根据分析河段地理位置及上下游水文资料条件，确定计算区间为双沟水文站至双沟电站厂房出口，计算区间河长3 712 m，共布设20条控制断面。上游边界条件采用双沟水文站流量过程线，计算时段长度取0.5 h；下游边界条件采用双沟电站厂房出口水位流量关系曲线。

4.3 计算成果及分析

由于分析河段行洪河道内的挡水围堰及右岸滩地采砂后留有大体积的砂堆存在缩窄了过水河宽，减少了同一水位高程下的过水面积，导致河道行洪能力受到影响。根据拟定的3个计算方案，分别按采砂前天然情况和采砂后现状情况采用数学模型进行河段水力参数模拟计算。计算结果表明，分析河段现状情况下由于河道断面条件的变化，不同洪水量级下均产生了壅水现象，壅水段集中在H1断面-H9断面之间。壅水高度以小山一台机组发电时最小， 1960年洪水时最大。上游小山电站一台机组发电情况下，分析河段最大壅水高度为0.17 m，平均壅水高度为0.09 m；小山电站两台机组发电情况下，分析河段最大壅水高度为0.28 m，平均壅水高度为0.20 m； 1960年洪水分析河段最大壅水高度为0.49 m，平均壅水高度为0.24 m。不同方案天然与现状情况水面线比较成果见图4-图6。

图4 方案1计算水面线成果

图5 方案2计算水面线成果

图6 方案3计算水面线成果

5 结 语

1) 依据双沟电站下游河段实测水文资料，对建立的一维非恒定流数学模型进行率定和验证，计算的水位过程与实测资料吻合较好，说明所建模型用于分析河段内的水流运动是合理、可靠的。

2) 利用采砂前和采砂后河道地形，针对3个不同来水方案运用数学模型分析计算。计算结果表明，由于采砂活动在行洪河道内的留存砂堆及修建的临时挡水围堰缩窄了过水河宽，减少了同一水位高程下的过水面积，使上游不同来水条件下局部河段产生了壅水现象，壅水高度随上游洪峰流量的增加而增加；河段壅水高度以小山一台机组发电时最小，最大壅水高度为0.17 m，以1960年洪水时最大，最大壅水高度为0.49 m。

3) 通过本次分析可知，无规律、不规范的采砂活动对河道行洪及河床稳定有诸多不利影响，今后须加强人工采砂管理，有规律、有计划、有选择地进行采砂，及时进行采砂弃渣的处理。