基于数值模拟的山区河道治理方案应用研究

徐 奔

(深圳市广汇源环境水务有限公司，广东 深圳 518000)

1 概 述

我国幅员辽阔，河流众多，河流数量达到45 203条。多年来，因降雨导致的洪涝灾害，给当地百姓造成了巨大的经济损失。而且，我国山地众多，山洪的发生也会造成无法挽回的经济损失。因此，针对山区河道治理方案的应用研究，对我国山区河道治理具有十分重要的意义。

程磊[1]基于数值模拟，对施工过程全程监控，从而使河道治理更科学、规范。逄雅萍等[2]结合工程实际，从质量、条件等方面出发，对钢筋混凝土挡墙等护岸方案进行分析对比，从而选出最优护岸结构。高超[3]通过结合实际工况，重点阐述山区河道生态治理水平应该如何提升，为后续工程提供参考。许光虎[4]结合近期山区河道治理的发展，分析格宾网的合理运用，使山区河道具有安全性，可以有效带动周边区域发展。张坚[5]为合理设计河道治理情况，结合工程实际，提出小型河道在暴雨洪水情况下的计算方法。史督[6]总结前人在河道治理方面的应用与现状，分析了相关技术的作用性。孙新[7]基于工程实例，对山区河道治理工程进行分析和研究，探讨其具备的优势和发展侧重点。

本文基于数值模拟对山区河道治理方案进行研究，具体分析在去生产堤方案和双防线方案下，对黄河流域艾山河道的治理情况；分析在10年一遇和百年一遇型洪水下，艾山河道的泥沙去留和防护情况，为山区河道治理研究提供参考。

2 工程概况

黄河对我国的发展有着举足轻重的作用，其在历史上多次改道，导致在其下游滩地被其他施工工程分成百来块滩区。因此，对于黄河流域的治理需全面推进。本文根据设计单位布局设置，在黄河流域第一道防线预留分洪和退水口，且主槽相邻滩地为内滩，防线滩地为外滩，具体情况见图1。

图1 初步方案平面简化示意图

黄河下游花园口到艾山，河段全长361 000 m，覆盖面积2 853 000 000 m2。本文研究区域针对艾山河道治理情况进行研究，其河道洪峰流量为4 331 m3/s、含沙量为60 kg/m3。由于数值模拟是河道治理方案研究的有效工具，可以有效应对黄河下游河道情况多变且复杂的特点，因此设计控导工程附近网格尺寸为10 m，主槽网格尺寸在80 m之内，滩区网格尺寸在200 m之内，且计算区域剖分为94 299个计算单元。其中，艾山防护堤按照11 700 m3/s流量设防。

3 计算方案

由于钢筋混凝土预制桩和预制板结构施工快、稳定性强且价格便宜，因此艾山防护采用钢筋混凝土预制桩和预制板进行防护。数值模拟模型对于过流部位概化为溢流堰，其公式为：

(1)

式中：Q为过流量，m3/s；σs、ε分别为淹没系数和侧收缩系数；H0为水头差，m；B为堰顶宽，m。

为反映不同条件下艾山滩区滞洪沉沙能力及洪水演进情况，以两场洪水作为入流条件，分别为洪水10年一遇型和洪水百年一遇型，两场设计洪水特征值见表1。

由表1可以发现，10年一遇型洪水的洪峰流量未超过标准，而百年一遇型洪水的洪峰流量超过标准且将向外滩分洪或溢流。但相较于百年一遇型洪水，10年一遇型洪水的含沙量较高，会对护堤产生冲淤影响。

表1 两场设计洪水特征值

4 结果分析

4.1 洪水传播

对于洪水传播情况，百年一遇型洪水和10年一遇型洪水在去生产堤方案和双防线方案两种情况下的演进过程见图2和图3。

图2 10年一遇型洪水计算演进过程

图3 百年一遇型洪水计算演进过程

由图2和图3可知，10年一遇型洪水流量整体小于百年一遇型洪水。其中，10年一遇型洪水的两种方案都随时间呈先增大后减小的变化趋势；百年一遇型洪水的去生产堤方案的洪峰流量稳定在6 000～9 000 m3/s之间，而双防线方案的洪峰流量随时间呈先减小后增大之后趋于稳定的变化趋势。10年一遇型洪水由于来流小于防护标准，有效阻止河道过流断面，从而使双防线方案的洪水波演进比去生产堤方案更快，且双防线方案的洪峰流量也高于去生产堤方案。而对于百年一遇型洪水，来流大于防护标准，由于双防线方案分洪至外滩，导致部分洪量在外滩之上，从而减缓洪水的传播速度，导致下游断面流量出现减缓。当洪量在外滩达到一定值后，会形成洪峰滞后现象，外滩的洪量将会通过退洪口门回到主槽。

综上所述，对于防护标准洪水情况，双防线方案能够有效保护滩区，同时可起到滩区蓄滞洪水作用，降低防洪压力。

4.2 冲淤分布

对于河段冲淤分布，治理方案中的冲淤部位和冲淤量是主要方面。本文对艾山河段洪水横向分区间冲淤量与滩地平均淤积厚度进行统计分析，见表2。

表2 两种类型洪水横向分区间冲淤量与滩地平均淤积厚度

由表2可知，同一方案下，不同级别洪水主槽冲刷量与入口流量大小呈正比。对于10年一遇型洪水时，双防线方案的冲淤量明显要低于去生产堤方案；而对于百年一遇型洪水时，双防线方案的冲淤量与去生产堤方案相差不大，且双防线方案的内滩冲淤量明显要高于去生产堤方案，从而提升防洪效果。

4.3 泥沙输移性质

对于泥沙输移性质的研究，通过对比不同方案和不同洪水类别比较艾山的输沙量过程，见图4和图5。

图4 10年一遇型洪水出口输沙过程

由图4和图5可知，无论那种洪水类型下，双防线方案出口泥沙量都大于去生产堤方案的出口泥沙量，且双防线方案可以有效提升河段输沙能力。因此，双防线方案可以有效提升河道治理的防洪效果。

4.4 双防线方案的分洪与退水过程

当面对大规模漫滩洪水时，去生产堤方案滩区在极短时间内大范围淹没周边环境，但双防线方案则对河道具有滞洪作用。由于10年一遇型洪水来流小于防护标准，因此选用百年一遇型洪水进行研究。其中，双防线方案下艾山分洪与退洪过程见图6。

图5 百年一遇型洪水出口输沙过程

图6 分洪与退洪过程曲线

由图6可知，分洪过程与退洪过程相关，可分为未分洪阶段、初始分洪阶段、分洪与退洪平衡阶段以及退水阶段。其中，未分洪阶段外滩可以得到有效保护；初始分洪阶段滩区需要集中分洪；分洪与退洪平衡阶段的分洪与退洪过流量大致相当；退水阶段口门过流量逐渐往下回落，直至结束。去生产堤方案和双防线方案下艾山平均淹没水深变化过程见图7。

图7 平均淹没水深变化过程曲线

由图7可知，双防线方案的平均淹没水深随时间变化快速增大，之后趋于稳定，但总体小于去生产堤方案平均淹没水深。

5 结 论

本文基于数值模拟对山区河道治理方案进行研究，通过去生产堤方案和双防线方案下艾山的治理情况，分析在10年一遇型洪水和百年一遇型洪水下，艾山河道在两种方案下的洪水传播、冲淤分布、泥沙输移性质和双防线方案的分洪与退水过程。结论如下：

1) 10年一遇型洪水来流小于防护标准；百年一遇型洪水来流大于防护标准。10年一遇型洪水流量整体小于百年一遇型洪水，且随时间呈先增大后减小的变化趋势；百年一遇型洪水的去生产堤方案的洪峰流量稳定在6 000～9 000 m3/s之间，但双防线方案的洪峰流量随时间呈先减小后增大之后趋于稳定的变化趋势。

2) 同方案下，不同级别洪水主槽冲刷量与入口流量大小呈正比。10年一遇型洪水时，双防线方案的冲淤量较好；百年一遇型洪水时，双防线方案和去生产堤方案的冲淤量相对一致，但双防线方案可以提升防洪效果。

3) 双防线方案出口泥沙量大于去生产堤方案的出口泥沙量，且可有效提升河段输沙能力。

4) 分洪过程与退洪过程相关，可分为未分洪阶段、初始分洪阶段、分洪与退洪平衡阶段以及退水阶段。双防线方案的平均淹没水深总体小于去生产堤方案平均淹没水深。