鉴江干流部分河段疏浚工程影响分析

区锦堂,魏俊彪,林浩伟

（1.广东省水利水电科学研究院,广东 广州 510610；2.广东省水动力学应用研究重点实验室,广东 广州 510610；3.河口水利技术国家地方联合工程实验室,广东 广州 510610；4.广东省水安全科技协同创新中心,广东 广州510610）

1 引言

为解决河道淤塞影响行洪突出问题,提升河道过流能力,确保河道行洪通畅,广东省茂名市根据有关要求,结合鉴江干流实际情况,开展河道清淤疏浚工作[1]。

鉴江干流部分河段疏浚工程位于茂名市高州市境内,两岸堤围未完全闭合,局部堤围安全超高不够,部分河段甚至处于不设防状态,对防洪减灾造成了很大的压力；同时,流域内水土流失较为严重,河床较缓、弯道较多,滩涂明显,河道淤积严重,河道泄洪能力下降,两岸区域存在较大的洪涝灾害隐患。

本文通过建立水文数学模型等手段,对清淤疏浚影响进行分析,研究疏浚工程前后河道水动力条件的变化,科学地评价工程对所处水道行洪、河势稳定及水生态环境的影响。

2 研究区域与工程概况

鉴江南临南海,北至信宜里五与黄华江分界,东至鸡笼山、鹅凰嶂与漠阳江、儒垌河相邻,西连桥头、谢仙嶂而与九洲江流域接壤。干流全长232 km（其中茂名市186 km、湛江市46 km）,总落差220 m,平均坡降0.374‰。流域总面积9464 km2（茂名市境内7949 km2、湛江市境内770 km2、广西境内745 km2）,主要支流包括袂花江、罗江、小东江、曹江、大井河、塘缀河等[2]。

疏浚工程清淤范围长21.10 km,实际河道疏浚总长13 km,疏浚总量150.1万m3；同时拆除大坡山水闸（桩号JJ16+597）与旺罗水闸（桩号JJ21+097）两座水毁水闸。

桩号JJ0+000～JJ8+200河段现状宽度多为110 m～190 m,河底高程介于36.89 m～43.66 m；桩号JJ8+200～JJ12+865.8河段现状宽度多为139 m～190 m,河底高程介于35.11 m～39.08 m；桩号JJ12+865.8～JJ21+097.3河段现状宽度多为200 m～320 m,现状河底高程介于31.3 m～37.2 m。

河道疏浚采用梯形断面,河道疏浚深度0.5 m～4.6 m,河底疏浚宽度23 m～114 m,从现状河滩地边以1∶5边坡开挖至设计疏浚河底,河道疏浚顶宽35 m～180 m。各段横断面设计参数见表1。

表1 各段横断面设计表

3 研究方法

为研究疏浚工程对河段水动力条件的影响,本文建立一维网河数学模型,定量分析工程前后河段水位、流速的变化。

3.1 控制方程

一维网河数学模型的基本方程采用圣维南方程组求解,其控制方程为：

式中：Q为流量；Z为水位；R为水力半径；Q为流速；ql为旁侧入流；n为糙率系数,可用谢才公式计算；BT为包括主河道泄流宽度和仅起调蓄作用的附加宽度；B为过流河宽；A为过水面积；g为重力加速度；x、t为空间和时间坐标。

流量连接条件即进出每一节点的流量与该节点内的实际水量的增减率相平衡：

式中：Q为节点过流量；i为汇集于同一节点的各河道断面的编号；w为节点蓄量。

若节点为无蓄量的几何点,则w=0。因此：

动力连接条件取为：

式中：k为节点分支；Z为各分支断面处的水位。

式（1）～式（4）构成一维河网数值计算的数学模型。

3.2 计算方法

方程离散采用四点加权Preissmann固定网格隐式差分格式。具体方法为：以S代表流量Q和水位Z,则S在Δx河段、Δt时段内的加权平均量及相应偏导数可分别表示为：

式中：θ为加权系数,一般取0.5～1.0。

按照上面的离散格式,潮流从i断面流向i+1断面有：

则潮流连续方程离散为：

式中：a1、b1、c1、d1、e1为差分方程的已知系数。

按上述同样方法,潮流动量方程可离散为：

式中：a2、b2、c2、d2、e2为差分方程的已知系数。

式（6）和式（7）求解采用目前应用广泛的一维河网三级联解算法。河网三级联解算法基本原理为：首先将河段内相邻两断面之间的每一微段上的圣维南方程组离散为断面水位和流量的线性方程组（直接求解称为一级算法）；通过河段内相邻断面水位与流量的线性关系和线性方程组的自消元,形成河段首末断面以水位和流量为状态变量的河段方程（其求解称为二级算法）；再利用汊点相容方程和边界方程,消去河段首、末断面的某一个状态变量,形成节点水位（或流量）的节点方程组。最后对简化后的方程组采用追赶法求解[3]。

3.3 模型范围

模型范围从北界河汇入口至南塘河汇入口,实际疏浚范围起点（断面桩号JJ0+000）距模型上边界约1.4 km,实际疏浚范围终点（断面桩号JJ19+797.3）和旺罗水闸（断面桩号JJ21+097.3）距模型下边界分别为6.1 km和4.8 km。模型范围全长约27.3 km。

3.4 建模地形资料

疏浚工程前河道断面地形于2021年测得。工程后设计断面采用实际施工方案中的成果。

3.5 模型主要参数设置

根据鉴江流域各水文站的糙率资料以及疏浚河段河床特性,疏浚工程所在河段的糙率范围为0.035～0.045。

3.6 计算水文组次

根据疏浚河段防洪标准,本次计算采用20年一遇洪水条件作为计算工况。根据河段有关水文站资料以及鉴江干流治理工程有关成果,模型采用的具体边界条件见表2。

表2 边界条件

4 结果与讨论

4.1 模型结果验证

鉴江干流治理工程所采用的水面线设计成果（2022年）是依据有关水文站的数据资料,选取近10年来较大的两场洪水进行率定和验证,分别为2013年8月、2019年5月,同时经过与历史水面线成果的对比分析,并综合考虑了河道地形变化等影响,最终得出科学合理的水面线成果,且验证结果良好。将本文水面线计算成果与鉴江干流治理工程设计水面线成果进行对比验证,结果见表3,可以看出,两者之间的差值均在10cm以内,模型结果验证良好。

表3 模型验证结果（1985国家高程基准）

4.2 水面线和行洪能力分析计算

根据疏浚方案,通过系统治理,疏浚后河底高程降低,深泓高程最大降低幅度为-1.86 m,平均降低幅度-0.30 m,河道过流面积显著增大,水位降低,有利于提升河道行洪能力。在20年一遇洪水条件下,疏浚工程实施后河道水位明显降低,疏浚范围内平均降低幅度为-0.51 m,最大降低幅度为-0.67 m,其中桩号JJ0+000～JJ16+497.3断面降低幅度均在-0.45 m～0.67 m之间,桩号JJ16+497.3断面至疏浚范围终点（桩号JJ19+797.3断面）,降低幅度逐渐减小,平均降低幅度为-0.23 m。

河道疏浚后河道平均高程及深泓高程均有所下降,河道行洪断面得到恢复,因此疏浚后河道的设计水位有所下降,行洪能力相应提高。根据计算结果可以认为,经过疏浚工程后,河段可以满足20年一遇防洪标准。

图1 疏浚范围内疏浚前后河段深泓线对比图

图2 疏浚前后水面线成果

图3 疏浚前后水位差

4.3 水动力影响分析

根据计算结果,在20年一遇洪水条件下,疏浚前河段平均流速为2.26 m/s,疏浚后平均流速略降至2.25 m/s,流速最大降低幅度为-0.323 m/s,最大增大幅度为0.294 m/s,在断面形态变化较大的区域,即桩号JJ17+797.3～JJ19+797.3断面区域,疏浚宽度及疏浚深度较大,因此流速下降幅度较大。在桩号JJ14+397.3断面下游,由于受到大井河汇入等影响,流速有所增大。整体而言疏浚完成后河道流态整体变化不大,且随着河道行洪断面得到恢复,有利于保持河势的稳定[3]。

图4 疏浚前后流速对比图

图5 疏浚前后流速差

4.4 水生态环境影响分析

工程区河段内的生态环境是河床经长年累月演变的结果,鱼类等水生生物对洲滩的栖息环境也是经历了漫长的适应过程。多年来,鉴江干流河滩环境已与水生生物构成了相对稳定的水生生态系统,因此任何对河床的破坏都可能对水生生物的栖息、繁殖、洄游活动带来一定的不利影响。根据疏浚河段现场情况的调查,疏浚段一般在河道主流附近,多为主河道凸岸以及洲滩。河道疏浚后,地形地貌发生一定改变,造成疏浚河床附近水流和河床底质发生变化,这些变化将会对水生生物栖息地产生一定的负面影响,不利于水生生物的生存和繁衍[4]。

疏浚工程施工期间对河道水流搅动较大,挖掘过程中,河床沉积物及沉积物吸附的污染物会发生再悬浮,重新进入流动水体,对河道水质的影响较大。同时,频繁的水流扰动以及施工器械的干扰均会对河道内水生生物的栖息环境造成破坏,影响河道生态系统的稳定性。施工期及工程完工后应严格做好水质保护措施,减少环境污染,保护河道水生态环境安全[5]。

5 结论

综合上述分析可得出,鉴江干流部分河段疏浚工程对河段的影响主要有以下几点：

（1）河道疏浚后河道平均高程及深泓高程均有所下降,河道行洪断面得到恢复。疏浚后河道的设计水位有所下降,20年一遇洪水条件下水位平均降低幅度为-0.51m,行洪能力相应提高。

（2）疏浚完成后河道流态整体变化不大,且随着河道行洪断面得到恢复,有利于保持河势的稳定。

（3）河道疏浚后,地形地貌发生一定改变,造成疏浚河床附近水流和河床底质发生变化,不利于水生生物的生存和繁衍。施工期间对河道水流搅动较大,河床沉积的污染物会发生再悬浮,重新进入流动水体,影响河道水质,破坏水生生物的栖息环境,进而影响河道水生态环境稳定。