河道清淤工程对防洪的累积影响研究

孙光宝，刘红奎，李宗骏

（1.长江水利委员会水文局荆江水文水资源勘测局，湖北 荆州 434099；2.湖北省襄阳市水文水资源勘测局，湖北 襄阳 441003）

本文研究河段上起沙市盐卡港（荆46 断面）下迄新厂（荆82 断面），长度约66 km，整体位于上荆江下段沙市至藕池口，流经荆州市沙市区，公安县和江陵县，为微弯分汊型河道。拟实施清淤项目位于长江柳林洲-新厂河段左岸，河段为沙质河床，具有二元结构特征，主流线摆动幅度较大，河岸主要由厚层黏土组成，且受到两岸护岸工程保护，多年来工程河段岸线较为稳定[1]。

自三峡工程建成以后，荆江水沙条件发生了较大的变化[2]，加之长江航道部门实施筑坝拦洪，主泓南移工程后，北岸泥沙淤塞严重等因素影响，导致研究区内颜家台泵站、耀兴电灌、普济中心水厂取水口无法正常取水。因辖区内种养殖结构发生变化及《荆州市四湖总干渠污染防治三年行动计划（2018—2020 年）》的要求，为确保四湖总干渠流域内河水水质达到Ⅲ类标准，同时兼顾农业种植结构调整后农业常态化用水需求，需对灌区内水系常年进行生态补水。因此，需对颜家台泵站、耀兴电灌、普济中心水厂取水口开展清淤。

1 水动力模型构建与验证

在水动力模型构建中，首先要考虑平面尺度与垂直尺度的相对关系，本文所选取的长江柳林州—新厂河段为典型的大江大河天然河道，平面尺度远大于垂直尺度，故可构建水动力二维模型进行相关计算求解[3]。为准确评估取水口清淤对河道演变的实际影响，基于研究区域河床演变趋势初步判断结果，以实例进行验证，通过对比计算结果和实测成果，验证模型的适应性，用于计算和分析工程实施后对河道水位、流速的实际影响。本文基于Mike21 构建二维水动力模型，分析工程河段的流速变化情况。本次选用Mike21 模型中的Hydrodynamic（HD）水动力模块，利用Saint-Venant 方程组描述二维非恒定流运动规律，由质量守恒的连续性方程和能量守恒的动量方程组成，可模拟湖泊，河道的水流运动规律，利用ADI 法求解。

河道地形大部采用2018 年10 月1∶10 000地形图，研究区域局部地形采用2019 年7 月1∶2 000 地形图。其中耀兴电灌站段1∶2 000 地形图2.3 km2，颜家台闸段1∶2 000 地形图3.2 km2，普济中心水厂取水口段1∶2 000 地形图3.8 km2。选取郝穴站基本水尺断面和新厂水位站基本水尺断面为水位观测断面；选取荆53、荆58 左汊、荆58 右汊为流量测验断面。分别选取2019 年7 月24 日（26 600 m3/s）和7 月21 日的（21 000 m3/s）的资料进行率定和验证。经试算率定并参照经验值得本河段主槽的糙率取值范围为0.017~0.020，滩地的糙率取值范围为0.020~0.025。

表1 为各断面水位计算值与2019 年7 月24 日实测值的差值统计表。结果表明两者基本吻合，最大误差在0.01 m 以内。结果表明：所建模型可很好地描述各断面情况。

表1 各断面水位计算值与实测值对比统计表 m

以图1 为例，计算河段率定流场图及断面流速分布率定及验证结果。可见二维数学模型计算所得流场变化平顺，滩、槽水流运动区分明显；断面流速计算值和实测值吻合较好，流速偏差在±0.1 m/s 以内。

图1 26 000 m3/s 流量下流速率定结果（荆53）

2019 年7 月24 日实测长江干流流量26 600 m3/s，突起洲左汊分流量7 300 m3/s，突起洲右汊分流量18 700 m3/s，差值600 m3/s，占干流流量的2.3%，在测验误差允许范围内。实测和计算的汊道分流比结果见表2。

表2 汊道分流比实测值与计算值对比统计表

由表2 可知：干流与汊道流量测验时段内郝穴水位站水位变幅0.01 m，水位过程与上游沙市站、下游新厂站相应，水位变幅基本一致，符合恒定流模型要求。

综合对比和分析结果，经率定后平面二维数学模型可以较准确地模拟本河段的水流运动特性，计算结果和实测成果误差较小，吻合较好，可用于计算和分析取水口清淤工程实施后对研究区域水位和流速的影响。

2 清淤方案对实际工程的影响

2.1 方案的选取

为了反映清淤疏浚对防洪、通航等的影响，基于3 个水文站（沙市水文站、郝穴水位站、新厂水文站）的资料选取了1998 年洪水、多年平均、枯水期、设计流量共四级流量进行工程影响分析计算（见表3）。考虑到1998 年洪水沙市站最高水位达45.22 m（冻结），故选取1998 年洪水期实测最高水位和最大流量作防洪设计水位和流量。计算河段下边界在新厂站基本水尺断面下游约3.4 km，下边界控制水位用新厂站实测水位、河段比降推算。

表3 工程影响计算水流条件表

表3 中下边界设计水位27.30 m 按郝穴、新厂两站枯季比降推出。颜家台闸站原设计水位为27.57 m，原设计流量5 500 m3/s，在设计初期是正确的。但河道经几十年的演变，特别是三峡水库蓄水后河道冲刷下切，枯季水库调蓄运用下泄水量加大，枯水期同水位条件下河道流量加大较多，再用5 500 m3/s 作为设计流量不符合实际。因此，根据2018 年枯季郝穴站水位与沙市站流量关系推求出颜家台闸设计流量为9 400 m3/s，枯季流量为2003—2018 年沙市站年最小流量平均值取整，下边界水位为新厂站同期年最低水位平均值。

2.2 清淤工程概化

当建筑物尺寸相对网格尺寸较小时，假定河底高程增加值所阻挡的流量与工程阻挡的流量相同，通过增加工程所在网格节点的河底高程来反映工程的阻水影响；当建筑物尺寸大于或与网格尺寸相当时，可直接根据建筑物高度来修改相应网格节点的河底高程[4-5]。

假定垂线流速沿水深呈指数分布，则垂线上某点流速u 可表示为[6-7]：

式中：y为该点离床面距离，m；u0为y=h处水流表面流速，m/s；h为水深，m；指数m可取1/6。

令a为工程阻水增加的河底高程，b1、b2分别为工程阻水宽度和网格宽度，则工程阻挡的流量Q1和河底高程增加阻挡的流量Q2分别为：

由Q1=Q2可解出河底高程增加值。

2.3 不同方案下的模拟计算

2.3.1 原始清淤方案下模拟计算

利用构建的水动力平面二维模型计算了1998 年洪水、多年平均、枯水期、设计流量共四级流量工况下，3 个水利工程取水口清淤引起的水位和流速变化，清淤引起突起洲分流比变化，以及对岸坡稳定影响的变化。

1）水位变化分析。在设计流量和多年平均流量工况下，3 个取水口清淤疏浚前后的水位变化见表4。由表4 可知，中洪水流量下清淤疏浚后，清淤区上游水位略有降低，清淤区下游局部水位略升高；枯水设计流量下疏浚区水位变化规律基本一致，但因工程前不过水，清淤疏浚后过水，受计算方法影响，清淤区显示为水位降低。

表4 不同工况下清淤区域水位最大影响值

由模型计算结果可知，耀兴电灌站清淤疏浚后该区域水位变化较小，水位变化在0.2 cm，影响范围主要位于工程区域上游约1 km 范围内；其中在枯水期文村夹左汊基本不过流，此时耀兴电灌处无流量，因此无水位、流速变化。

颜家台闸清淤疏浚后，在设计流量条件下清淤疏浚区尾端水位壅高，最大壅高值约为5.27 cm；清淤疏浚区上游局部水位下降，最大水位下降约3.86 cm。普济中心水厂清淤疏浚后，水位最大壅高值约为6.85 cm，最大水位下降约4.91 cm。两者在设计流量下水位变化影响区域较小，水位变化在0.2 cm 的影响范围局限在清淤疏浚区上游600 m 至下游400 m 内。两者各自多年平均流量、设计流量和枯水期流量下的水位变化规律与设计流量条件下的变化规律基本一致。

2）流速变化分析。工程前后采样点流速变化等值线及流速变化值见表5。

表5 不同计算方案下取水区域水位流速最大影响值

根据模型计算结果可知，耀兴电灌由于上下游筑有潜丁坝等航道整治建筑物，施工后该区域水位流速变化较小，流速变化在0.01 m/s 影响范围主要位于工程区域上游约1 km 范围内。颜家台闸清淤疏浚后，在设计流量条件下，清淤疏浚区上游和下游局部流速增大，流速最大增加值约为0.13 m/s，流速最大减小值0.16 m/s。普济中心水厂流速最大增加值约为0.12 m/s，流速最大减小值0.16 m/s。这两者多年平均流量下的流速变化规律与其各自设计洪流量条件下的变化规律基本一致，但流速变化值略有所变化。枯水期流量下都因施工前河床不过水、工程后河床过水，导致施工后清淤疏浚区域及附近区域流速变化较大。

3）突起洲分流比变化。各级流量下工程前后突起洲左右汊分流流量及分流比变化情况如表6所示。各级流量下，工程前后突起洲左右汊分流情况无明显变化。入口流量为6 000 m3/s 时，突起洲左汊保持不过流状态，主要从右汊过流。随着入口流量增加，左汊分流比逐渐增加，右汊的分流比逐渐减小，工程过后，突起洲左右汊流量分流比变化较小，其中12 100 m3/s 时，工程对分流比影响最大，但此时分流量的变化只有个位数、分流比变化幅度仍较小。

表6 不同计算方案下突起洲分流比变化

4）清淤对岸坡稳定影响分析。三大取水口距离上下游护岸工程至少有100 m 以上的距离，因此三大取水口清淤作业对护岸工程、取水工程和航道工程安全无不利影响，且清淤区底部处在近期床沙活动层上部，清淤不会对岸坡稳定产生不利影响。

2.3.2 河流模拟计算

由前述的模拟结果可知，相距较远的3 个取水口清淤所引起的研究河段水文特征值的变化基本不会相互影响。为进一步研究距离较近的取水口清淤对所在河段水文特征值所造成的累积影响效应，假定颜家台泵站沿长江河道下移3 km，下移后颜家台泵站与普济水厂取水口两个清淤区之间相距不足1 km。在此假设背景下，选取多年平均流量工况重新对颜家台泵站清淤后的河流进行模拟计算，为进一步探讨两个距离较近的取水口清淤所造成的叠加效应提供对比方案。

1）水位变化分析。多年平均流量下清淤的水位变化见表7。由表7 可知：多年平均流量下，清淤疏浚工程实施后，清淤区上游水位略有降低，清淤区下游局部水位略升高。

表7 清淤区域水位最大影响值

由模型计算结果可知，颜家台闸下移3 km实施清淤疏浚后，在多年平均流量条件下，本次拟清淤疏浚区尾端水位壅高，最大壅高值约为3.87 cm；清淤疏浚区上游侧局部水位下降，最大水位下降约2.54 cm。

2）流速变化分析。工程前后采样点流速变化值见表8。

表8 不同计算方案下取水区域水位流速最大影响值

根据数学模型计算结果可知，颜家台泵站下移3 km 后实施清淤疏浚，在多年平均流量下，工程河段流速变化增加值最大为0.16 m/s，流速减小值最大0.22 m/s，流速变化0.1 m/s 范围局限在清淤疏浚区上游800 m 至下游400 m，流速变化最大影响范围均在清淤疏浚范围附近。

2．3．3 颜家台泵站下移后产生的叠加效应

为了进一步研究距离较近的水利工程取水口清淤对所在河段水文特征值所造成的叠加影响效应，在上节假定的基础下，仍选取多年平均流量的工况对颜家台泵站清淤后的河流模拟计算，不同的是本节以下移的颜家台泵站和普济水厂取水口同时清淤所产生的相互影响，来研究两个距离较近的取水口清淤所造成的叠加效应。

1）水位影响叠加效应。上述两处水利工程取水口实施清淤后引起的水位变化见表9。由表9可知：多年平均流量下，清淤疏浚工程实施后，清淤区上游水位略有降低，清淤区下游局部水位略升高。

表9 颜家台泵站（下移）和普济水厂同时清淤水位最大影响值

由模型计算结果可知，在多年平均流量条件下，上述两个取水口同步清淤，造成水位最大壅高值4.15 cm，大于任一取水口单独清淤造成的水位壅高值（3.87 cm；2.56 cm），小于两个取水口清淤造成的水位壅高值之和（4.15＜3.87+2.56）。与此同时，两个取水口同步清淤，造成淤疏浚区上游侧局部水位下降，最大水位下降约2.68 cm，大于任一取水口单独清淤造成的水位壅高值（2.54 cm；2.51 cm），小于两个取水口清淤造成的水位下降值之和（2.68＜2.54+2.51）。由上述河流模拟计算分析可以看出，颜家台泵站（下移）和普济水厂清淤对清淤区在上下游引起的水位壅高和降低产生了叠加效应。

2）流速变化分析。上述两处取水口清淤后的引起的流速变化见表10。由表10 可知：清淤疏浚工程实施后，工程河段流速变化增加值最大为0.19 cm/s，流速减小值最大0.28 cm/s。

表10 不同计算方案下取水区域流速最大影响值

由模型计算结果可知，在多年平均流量条件下，清淤疏浚区上游和下游局部流速增大，颜家台泵站（下移）和普济水厂取水口同步实施清淤后造成上游和下游局部流速最大增加值为0.19 m/s，大于任一取水口单独清淤造成的流速最大增加值（0.16 m/s；0.17 m/s），小于两个取水口清淤造成的流速增加值之和（0.19＜0.16+0.17）。上述两个取水口同步清淤，造成清淤疏浚前沿区域流速减小，最大流速减小值为0.28 m/s，减小值大于任一取水口单独清淤造成的水位壅高值（0.22 m/s；0.24 m/s），小于两个取水口清淤造成的水位下降值之和（0.28＜0.22+0.24）。由上述河流模拟计算分析可以看出，颜家台泵站（下移）和普济水厂清淤对清淤区上游和下游局部地区以及清淤疏浚前沿区域引起的流速增大或减小产生了叠加效应。

3 结 论

1）清淤工程实施后，局部过水断面面积扩大，无阻洪建筑物构建，对局部行洪有利。清淤疏浚作业后，工程区域上下游附近水域的水位与流速变化幅度较小，且影响范围局限在疏浚区及其上下游局部河段范围。清淤施工不涉及堤身护护岸，对堤防不产生直接影响，不会引起崩岸或切滩等剧烈的河势变化，对河势稳定没有很大的影响，开挖区至护岸脚为近期堆积的中细沙，清淤对岸坡稳定也不产生不利影响。

2）构建了二维水动力数学模型，利用2019年7 月24 日（26 600 m3/s）和2019 年7 月21 日（21 000 m3/s）流速和水位资料进行模型率定和验证，得出的结果表明断面流速计算值和实测值吻合较好，流速偏差在±0.1 m/s 以内。

3）利用构建的二维水动力模型，得出结果表明，相邻取水口同步清淤对河道水位和流速的影响大于其中任一取水口单独清淤所产生的影响，但小于两个取水口单独清淤所产生影响的线性之和。