黃河積石峽水庫變動回水區航道整治研究

楊武 肖政 陳杰 劉易莊

摘 要：根據黃河青海段積石峽水庫變動回水區托壩村至市政大橋下游2km河段水文地形資料。基于有限體積方法，建立平面二維水流數學模型，應用經過驗證的航道整治二維數學模型，對積石峽庫區變動回水區重點淺灘整治措施進行了模擬分析。通過模型計算得出：實施整治工程后，整治河段水流條件得到明顯改善，變動回水區中拖壩村、加入村及市政大橋三處礙航灘段水流條件得到明顯改善，能夠滿足Ⅵ級航道通航標準。

關鍵詞：變動回水區；二維數學模型；航道整治；積石峽

積石峽庫區位于黃河上游河段，干流流經循化縣，處于黃河階梯水電樞紐黃豐水電站和積石峽水電電站之間。黃豐電站下游2km循化托壩村至清水灣10km為積石峽水庫庫區變動回水區河段，河道平面圖見圖1。該河段地形復雜，淺灘交錯分布，泥沙運動及河床演變均十分復雜，航道彎窄，平均比降1.54‰，最小水深處僅0.8m并伴有不良流態，船舶通行困難，嚴重制約著黃河積石峽河段航運發展。在以往的研究中多采用平面二維數學模型和物理模型對峽谷灘段航道整治技術進行研究。如張明進[1]等采用平面二維有限單元水流數學模型對融江螺灘河段進行航道整治方案研究；陸永軍[2]等采用平面二維數學模型對松花江三姓淺灘航道整治工程進行了模擬；孫冬梅[3]等建立二維水沙數學模型對長江中游枯牛水道航道整治工程進行了研究；徐成偉[4]利用已建立的二維數學模型[5]對黃河李家峽變動回水區散亂淺灘整治工程進行研究；由此可見二維數學模型已經廣泛的應用于航道整治工程的研究中。文章基于有限體積法，建立平面二維水流數學模型，對黃河積石峽水庫變動回水區航道整治工程進行論證分析。文獻[6]對模型控制方程及離散方法有詳細介紹，文章不再贅述。

圖1 河道平面圖

1 數學模型建立與驗證

1.1 計算范圍及網格劃分

本次模擬中模型上邊界選定在托壩村，下邊界選定在P18號水尺處，地形采用2010年實測1：2000地形圖，計算河段全長6.8km。

計算網格由三角形六節點單元的非結構化網格，保證對流速計算具有二階精度。模擬河段沿水流方向的網格單元尺寸最大為60m，局部丁壩工程區網格加密，加密處網格尺寸為3～4m。網格節點總數為21818個，網格單元總數為42157個。模型上有開邊界選取托壩村流量邊界，下游開邊界選取水位邊界控制。

1.2 數學模型的驗證

采用2010年10月實測積石峽庫區上游變動回水區河段枯水期和中水期瞬時水位資料和斷面流速資料，分別對水面線、斷面流速分布進行驗證。

圖2和圖3分別給出水面和流速驗證圖，采用實測水位和流速數據進行模型驗證，從圖中可以看出水位誤差在±10.0cm之內，流速最大誤差小于5%，滿足《內河航道與港口水流泥沙模擬技術規程》（JTJ/T232-2001）的要求。2 整治方案計算及結果分析

2.1 整治思路及參數

積石峽庫區河段屬于原始河床，淺灘類型為沙質和卵石淺灘，上游來水來沙情況對于河段淺灘發展有重要影響。對于變動回水區淺灘，整治原則應順應河勢，因勢利導，調整中枯水動力軸線和水流結構，穩定主流，束水攻沙，控制和調整泥沙運動；工程布置應以控制河床，筑壩與護岸為主，平順岸線，淺區結合疏浚措施保證航槽水深，改善沙質和卵石淺灘航道條件[7]。按照上述整治原則，采用第二造床流量法計算得出整治流量為575m3/s，相應水位即為整治水位；積石峽庫區河段擬按內河Ⅵ級航道進行整治，通航50～100t級船舶，設計航道尺度為1.2m×30m×180m。考慮模型計算研究內容及要求，模型選取洪、中、枯水共5級流量，作為整治方案的計算流量。計算流量及相應水位見表1。

表1 模型計算流量及其對應水位

圖4為整治流量Q=575m3/s下工程前后變動回水區沿程水深變化圖。從圖中可以看出，整治河段航槽水深局部變化明顯，江心洲尾部以上河段水深較淺，以下河段水深條件較深。整治工程實施前，托壩村灘段上游右汊入口及江心洲尾部位置水深較淺，最小航深大約為0.5m左右。而右汊右岸擬建設托壩村碼頭，水深條件遠不能滿足Ⅵ級航道的通航要求。針對航槽水深不足，整治方案通過對江心洲入口處進行疏浚挖槽，同時對右岸進行切咀來解決水深不足的問題。整治工程實施后，整治流量下1.2m航槽上下基本貫通，水深條件得到有效改善。

2.2 整治前后水面及比降變化

計算結果表明：各級流量下托壩村灘段及以上河段水位差和水面比降變化較大，加入村及市政大橋及以下河段水面比降比降變化較小，基本趨于平緩。最低通航流量323m3/s時，托壩村灘段水位變幅在0.16m～1.24m之間，比降變幅在0.43‰～3.04‰之間，相比工程前水面比降得到了有效減緩，其中江心洲下游沙梗處最大比降減少了0.72‰。整治流量575m3/s，水庫水位為汛期防洪限制水位1854m時，托壩村灘段水位變幅在0.15m～0.99m之間，比降在0.54‰～2.62‰之間，市政大橋上游河段水位壅高0.27m，水庫水位為正常蓄水位1856m時，托壩村灘段水位變幅在0.14m～0.87m之間，比降在0.54‰～2.52‰之間；一年一遇洪水1000m3/s時，托壩村灘段水位變幅在0.24m～0.83m之間，比降在0.92‰～2.48‰之間；相比工程前平均比降減小0.05‰，市政大橋上游河段水位壅高0.26m。設計最高通航流量1770m3/s時，托壩村灘段水位在1858.66～1862.97m之間，水位差在0.22m～0.74m之間，比降在0.32‰～2.47‰之間；相比工程前平均比降減小0.11‰，市政大橋上游河段壅高0.34m。

2.3 整治前后航槽流速變化

整治流量Q=575m3/s航槽流速變化對航槽影響較大，當比降減小、流速變緩，水流挾沙能力也隨之減弱，泥沙落淤造成河床抬高，淤積成灘。庫區尾部回水區流速減緩較大，水流挾沙能力減弱，造成“翹尾巴”現象。圖5為整治流量下整治工程實施前后河段航槽流速變化圖。從圖中可以看出整治流量Q=575m3/s，水庫水位處于防汛限制水位1854m時，托壩灘段流速流態較整治前有一定改善，急流區流速減小，減小幅度為0m/s～2.2m/s，最大流速約為3.5m/s；加入村灘段流速相比整治前略有增加，市政大橋灘段流速最大增幅為1.17m/s，有助于提高水流沖沙能力；市政大橋以下河段流速變化不大。水庫正常蓄水到1856m時，托壩村灘段流速減小幅度為0m/s ～2.23m/s，最大流速約為3.0m/s；市政大橋灘段由于回水影響，較防汛水位時流速增幅減小，最大增幅為0.29m/s。

3 結束語

文章建立平面二維水流數學模型，對黃河積石峽變動回水區航道整治進行數值模擬研究。模型計算了整治河段在各級流量下整治工程實施前后的通航水流特性，對整治流量下的航道水深、水位、比降變化及航槽流速變化進行了分析，計算結果表明：

（1）應用建立的平面二維水流數學模型進行了水面線及流速分布驗證，計算值與實測值吻合較好，為航道整治方案計算奠定了良好基礎。

（2）實施整治工程后，整治河段通航條件得到明顯改善，設計流量下的沿程水深都在設計水深1.2m以上，水位比降得到較好的調整。

（3）整治流量下，水庫水位處于防汛限制水位1854時，托壩灘段流速明顯減小，減小幅度為0m/s～2.2m/s，加入村灘段流速相比整治前略有增加，市政大橋灘段流速最大增幅為1.17m/s，市政大橋以下河段流速變化不大。水庫正常蓄水到1856m時，托壩村灘段流速減小幅度為0m/s ～2.23m/s，市政大橋灘段由于回水影響，較防汛水位時流速增幅減小，最大增幅為0.29m/s。

參考文獻

[1]張明進，張華慶.融江螺灘河段航道整治數學模型研究[J].水道港口，2006，27（4）：211-216.

[2]陸永軍.松花江三姓淺灘航道整治的二維數值模擬研究[J].泥沙研究，1998，（2）：26-34.

[3]孫冬梅，張明進，馮平等.數學模型在長江中游牯牛沙水道航道整治工程中的應用[J].水利水電技術，2009，40（7）：125-129.

[4]徐成偉.李家峽水庫變動回水區散亂淺灘整治研究[J].水道港口，2010，31（6）

[5]陸永軍.陳國祥.航道工程泥沙數學模型的研究（Ⅰ）-模型的建立[J].河海大學學報，1997，25（6）

[6]楊明遠，楊武，郁達等.北江千噸級航道整治研究：Ⅱ二維數學模型與整治河段通航水流條件分析.交通科學與工程，2013，29（4）：66-72.

[7]曹明雄.山區河流急流灘險航道整治技術研究[D].南京，南京水利科學研究院.

作者簡介：楊武（1990-），男，江西九江人，碩士，主要從事海岸動力過程及其模擬技術研究。