水沙数学模型在航道整治中的应用

陈跃宏

摘 要：目前在关于航道整治方面的研究惯用的方法主要是野外实地探测、河工模型以及具有光明的发展前途的数学模型。其中，水沙数学模型属于河流模拟。该模型非常好用，不仅便利而且所需成本不高，再加上它可以用于不同边界条件下的河流变化等优点，是如今研究水沙运动和河床变化的常见方法。本文以我国某航道工程为例，分析水沙模型在我国航道治理以及其他河流相关问题中的实际应用情况。关于本文中的某航道工程的某干流所在河段类型的相关研究甚少，这与它本身的价值是非常不匹配的，希望本文的研究可以略微丰富该河段类型的研究。

关键词：航道治理;水沙运动;数学模型

中图分类号：U617           文献标识码：A            文章编号：1006—7973（2021）06-0111-03

1引言

如今，关于水沙模型的具体计算方式包括有限差分或者体积算法以及特征线等计算方法。大约从20世纪中期开始，一些国家逐渐增加对一些比较重要的工程的投入，在这样的背景下，不同公司研究出了不同的水沙模型，这些模型应用到了当时的工程建设中并取得了不错的成绩。就我国来说，从上个世纪末期开始，我国的水利建设不断发展完善，水利建设的需要也推动了我国关于水沙模型的研究，并取得了良好的成就，在我国水利工程的建设中起到了重要作用。随着相关研究的进步，一些水力问题如今只能由相关数学模型来解决。河流数学模型的应用范围越来越广，具有光明的应用前景。结合文中河段的水流特点，参考前人的经验和现有的该河段的有关研究资料，建立一维水沙数学模型，对该河段的泥沙问题进行模拟计算验证数学模型，并以此为基础分析水沙模型对航道治理的影响。

2 一维非恒定流模拟的数值方法

水流的演算主要分两大板块：水文学和水动力学。后一种演算方法按照对水流过程的处理方式的不一样而划为恒定和非恒定两种。通常情况下，河流的水流都是非恒定的。水动力学经过几十年的不断研究与进步，已经发展成为目前应用较多的模拟方法。这种演算方法已经产生了好几种数值计算方法，综合考虑到了会影响到计算结果的各种因素。水动力学模型的适用范围比较广泛，精确度也比较高。前文提及的水沙模型的几种计算方式都属于水动力学，它的基本思想见图1。

3 某河段的水流变化分析及整治参数的确定

3.1河流概况

该河段属于珠江水系，源头位于云南曲靖，河流总长度大约为2216千米，是南方地区的第一大河流，其中该河段的长度大约为851千米。该河段的航运线路经过粤、桂地区，地理位置也十分优越，联系着粤、桂、黔、港澳五大地区的水上交通，也是其所属水系的重要航运道路，流经17个城市，最终汇入南海。该干流水量丰富，而且一年到头都不结冰，然而其界首到都城这一河段的水沙条件比较恶劣，长度大约为37千米。虽然后来进行了专门治理，取得了一定效果，但又因为上游地区水电站的出现，影响了该河段的水沙情况，给航运造成了一定阻碍。

3.2水沙条件

该干流所在流域的自然条件是非常优越的，从1月份开始，水量呈增加趋势，涨幅也越来越大，直到7月份到达峰值。每年夏季的降雨最多，水量也最为丰富，之后每月水量逐渐下降，水量的最低峰值一般集中于12月或者1月。一年内的水量季节之间的差距是比较大的，分配不均匀。详情见表1。

某干流的含沙量相对而言是比较低，但是总的含沙量则比较高，这是由于它的水量比较大，这样就导致水沙比较低，但是总体的含沙量却比较大的情况出现，而且每个月份的水沙情况不一样，比较不稳定，差距较大。该干流的输沙情况就总的来说是以悬移质为主，详情见表2。

4 全沙数学模型的实际应用研究

4.1某河段模型冲淤模拟验证

根据现有的资料，我们选择以该河段2004年一整年的水沙情况为基础，来进行相关的模拟计算和验证。设定该河段所在起始点为长洲，末端为肇庆，长度为167千米。这一河段一共分布101个断面，选取广东某公司1：5000的水下地形测绘图。我们以2004年的测绘地图为准，经过计算，我们将该河段的冲淤情况和下一年的测绘图进行对比之后得出，最终模拟结果与实际情况基本吻合，因此可以借助进行冲淤测算。

4.2某枢纽对下游地区航道治理的影响

4.2.1下游河道冲刷

某枢纽下游河段的河床变化情况一般是：因为库区堆积了一些泥沙，导致向下游地区输送的泥沙降低，而且泥沙的颗粒也较小，但是下游地区对于泥沙有一定数量的要求，所以河床需要进行从上倒下的冲刷。在这一过程中，悬移质泥沙会逐渐变得细小。等到水库装满淤泥开始向下游泄出浑水，这时也会产生从上到下的淤泥的堆积。这一过程触及的范围一般在几十到几百公里左右。通常情况下冲刷的长度与时间是正相关，并且会水流量的影响。一般来说，水量较大，冲刷的程度就越高，同时距离也会随之增加。如果水量较小，则情况完全相反，冲刷的程度和距离都会减弱。总之，导致下游河道产生变化的因素有很多，情况也比较复杂，其中水沙和河段的水文地质是最关键的因素，

4.2.2 下泄后水沙条情况的变化

某枢纽在水量最充沛的季节时泄洪方式为敞洪，无法进行调整。在水量最低的时期能够进行日调节，但能够调整的幅度是非常小的。枢纽产生之后，下游地区的水流情况跟自然条件下的情况差别无几。根据水库运行期间拦截的泥沙等信息发现，该枢纽的拦截的泥沙能力随着泥沙的逐渐堆积起到的作用越来越小。十年之后，下泄的水沙情况与原本自然状态下基本没有差别。

综上所述，该枢纽在建立初期，下游的含沙量有所降低，但实际作用有限。经过多年的运作，下泄的泥沙慢慢回转到原始状态，下游地区可能会出现些微回淤问题，之后河道冲淤逐渐恢复平衡。

4.2.3 计算成果分析

为了研究某枢纽以及航道治理对该河段的水沙情况起到的作用，我们利用一位泥沙模型进行了一系列的计算。我们以1998到2006年期间的水文信息为依据展开分析和计算。从图2和图3展示的信息我们能够得出该河段的水量和泥沙数量的变化方向大致相同，呈正相关。

表3展示的为该河段一年内的泥沙冲淤的演变辩护量，表4则显示的是一年内累积平均冲淤的厚度。从这两个表中我们不难看出，某枢纽建立之后，冲刷下游的泥沙大部分都堆积在了同样的位置，这种情况是不利于对于该位置河道的维护，所以在治理时需要格外注意这一问题。

4.2.4冲刷计算与结果分析

以对应的河流上段水流情况和下段水位情况，对其进行冲刷计算。河口位置由于某枢纽的原因，取含沙量为0;出口位置为某站对应状态下的含沙量过程，入口含沙量应当是对应某河段的含沙量过程。模拟分析结果：模拟一年的冲刷，共选取6个断面展开相应的分析，断面位置见图4，各个断面在冲刷前后的河床变化对比见图5。

从图中我们可以看出，断面冲刷大部分是深泓线乱冲，导致水下浅滩泥沙堆积，河道的形状也变得窄深，这样在水量较低的情况下水的深度也会有一定提升，有助于水上交通。

5 结论

本文中的研究对象某河段上游區域的航道等级是比较低的，已经不能满足该区域及其流经地区的经济和水上交通的需要，所以对该河段进行相应的治理是非常有必要的，并且要尽早采取相应的措施，而泥沙模型可以为这一工程提供科学技术支持。在利用泥沙模型进行航道整治时一定要结合河流的水文和地质情况，搜集准确丰富的资料，但仍有问题需要继续深入了解。

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