基于環境模擬數據模型的河流水沙特征與降雨影響分析研究

劉 睿，武佩佩，袁鵬博，萬 帆

(中國電建西北勘測設計研究院有限公司，西安 710000)

1 概 述

河流泥沙懸浮沉降會對水工建筑的過流、通航及輸水帶來負面影響[1-2]，控制河流水沙淤積的前提是對淤積年限內水沙演變特征有較為清晰的認知，因而探討河流水沙特征對水工建設具有重要意義。陳聰聰[3]、楊元平等[4]、房晨[5]認為水工模型試驗結果精度較高，參照性較強，依據水工設計在室內完成原型水工建筑的搭建，安裝測試完相關傳感器，分析不同工況及試驗方案下水沙演變特征，為工程設計、運營提供基礎依據。范海東[6]、王國霞[7]、呂科等[8]利用滲流場計算平臺如Fluent等計算了不同模型的水力特征參數，分析水利設施上流速、壓強等受泥沙淤積影響，進而選擇最優設計方案。理論模型與實測值吻合度較高，且理論模型與環境數據貼合更為可靠，因而利用SWAT模型等可研究水質狀態及水動力學特征[9-11]，為水沙演變提供研究基礎。本文根據大理河流域內環境數據特征，建立水文分析模型，探討河流內水沙演變特征及降雨強度對泥沙懸浮沉降影響特性，為河流治沙設計提供依據。

2 環境數據模擬下的水沙演變

2.1 工程概況

大理河流經陜北高原地區，全長為170 km，全流域面積超過3 900 km2，是陜北地區重要地面河，集中著較多地表水資源，為沿線地區年輸水量超過300×104m3，其流域分布平面見圖1，本文河流水沙特征研究區重點針對李家河至曹坪區段。該河流所流經地區地質條件較差，巖土層顆粒粒徑以4.2 mm為主，松散性較大，易發生較大滑移，故流域內含沙量較高。大理河流域沿線建設輸水灌渠超過100 km，共有多座中小型水閘樞紐、調壓塔及抽水泵站等水工建筑，這對排沙降淤帶來一定影響。特別是丁家溝泄洪閘是區域內重要泄洪設施，最大泄流量可達252 m3/s，閘室底板厚度為1.2 m，閘頂高程為1 632 m，位于河流上游西部地區。借助大理河較大集水量，設計沿線輸水渠道最大流量為25 m3/s，各管道內徑流活動均以支線、節點線樞紐為滲流組，確保管線內滲流活動滿足安全要求。為降低泥沙沉降對水工建筑影響，在岔巴溝與大理河匯入點建設有一個泵閘排沙樞紐，設計運營下可降低泥沙含量45%，且消能率可達42%。但由于研究區段內累積泥沙含量較大，常造成水位降低嚴重，限制下游輸水渠首流量僅為0.2～0.45 m3/s，因而無法正常運營。另一方面，與上游河道相連渠首區域布設有排沙閘等水工設施，但由于輸水渠道對流量控制、閘門開度等要求較高，無法有效限制泥沙懸浮質進入管線，一定程度上造成了管線內部分區域泥沙淤積較為嚴重。監測表明，管線內最大含沙量可達5.5 kg/m3，這也限制了輸水管線最大設計標準的輸水能力，導致輸水耗散率增大。對大理河曹萍站至綏德站監測表明，該區段內年輸沙量可達1×104t，河道兩側土體松散程度較高，受降雨等地表徑流影響，導致林草護坡面受損。輸水管線與河道內泥沙時空監測表明，其水沙特征不僅與上游流量有關，與降雨分布亦有關，在輸水管線調壓塔附近，常在降雨天氣出現泥沙沉降，而調壓塔作為泵閘與下游用水廠的中間提壓載體，其泥沙懸浮沉降較顯著，表明水沙演變已波及重要輸水管線控流樞紐。為有效降低泥沙淤積對下游輸水管線、水閘泄洪及河床水位影響，對重點淤積區段開展環境模擬數據下的水沙演變分析。

圖1 研究區流域分布圖

2.2 環境模擬數據建模

基于研究區段內流域環境數據調查，獲得流域內既往年份各月徑流、輸沙量及降雨特征[12-13]，見圖2。從圖2中可知，月輸沙量最多為8月份，達0.72×104t。同時，該月份降雨量最大，可達140.6 mm，徑流亦較活躍，本文以該月份輸沙量及降雨量作為模型模擬計算的外參數。利用SWAT模型構件研究區段內河流水文模型，控制河段內各斷面的水沙演變特征，該模型中可控制降雨量、泥沙模塊與徑流模塊，內在具有子模塊與全模塊聯系性。

圖2 各月徑流、輸沙量及降雨特征

以土壤數據柵格圖作為流域內土層分布狀態模擬，圖3為研究區段內土壤分布類型。由于不同土壤類型會影響地表徑流、泥沙懸浮質的遷移等，故各個土壤類型參數均按照實驗室測定輸入至環境數據模型中，并設定模型中土壤地表滲流厚度影響范圍為1.5 m。另外，針對流域內泥沙敏感性參數，本文以試調法進行設定，逐步找到最適配流域徑流及泥沙懸浮沉降的參數，其他如河床坡度、溝道長度及飽和系數等均按照實際流域監測取值。

圖3 土壤分布類型

依據上述環境數據模型及SWAT水文模型計算，本文以歷史年份水文數據與模型計算數據相對應，獲得1997-2006年內各年最大月輸沙量，并與本文模型計算值對應，見圖4。從圖4中可知，計算模型與監測值最大誤差為2003年，輸沙量差為3.92×104t，而對應1997-1999年，模型計算值與監測值基本吻合，差異較小。該模型在1997-1999年率定期最大輸沙上限系數為0.83，滿足精度要求。綜合來看，本文環境數據模擬耦合SWAT水文模型可較好反映研究區段內水沙狀態。

圖4 最大月輸沙量實測與模擬值對比

3 河流水沙特征分析

3.1 水位特征

基于環境模擬數據模型計算出研究區段內各斷面上水位特征，見圖5。從圖5中斷面上水位變化可知，隨淤積年份增長，各斷面上水深特征線均減小，但水深減少主要集中在斷面2 000～4 000 m處，現狀年在該區間斷面內平均水位為4.71 m，而模擬5年后、15年后、20年后該斷面區間內平均水深較前者分別降低5.5%、25.3%和39.9%；從整體淤積變化態勢來看，河道淤積年限增長5年，在斷面2 000與4 000 m間平均水深減少11.8%。分析表明，泥沙淤積對河床高程影響主要集中在中部斷面，該斷面上淤積影響較為嚴重，特別是年限增長至后期，水深降幅愈顯著，淤積年限10年與現狀年間平均水深降幅為14%，而在淤積20年與10年間平均水深降幅可達31.2%。筆者認為，河床水位受泥沙懸浮質遷移影響，而水沙的沉降關系是一種“慢性”作用，愈往后期其影響效應更具顯著[14-15]。

圖5 研究區段內各斷面上水位特征

分析河床水深特征線可知，除現狀年外，其他模擬計算年限水深線均呈U形特征，兩側水深線逐步往中間斷面靠攏，即上下游斷面上淤積影響弱于河床中部斷面。以淤積年限10年為例，其在上下游斷面500、5 000 m上的水深分別為5.32、5.06 m，而在中部斷面3 000 m上水深較前兩者分別降低27.6%、23.9%；在淤積年限5年時，相鄰斷面間水位變幅最大為斷面2 000～2 500 m，達8.6%；淤積年限增長至15年、20年后，相應的水深最大變幅均超過前者，分別達20.4%、29.2%。綜合分析可知，在淤積5年時期水深分布在4.3～5.36 m，而淤積10年、20年后各斷面水深較前者差幅分別為0.8%～10.7%、2.1%～42.8%，所出現的水深差異主要體現在中部斷面2 500～3 000 m，而在上下游斷面上受來水流量沖擊作用與水力勢能影響，其淤泥效果較弱，故水深降幅較小。

3.2 流速特征

根據對水沙特征研究，可獲得不同淤積年限下斷面上流速特征，見圖6。從圖6中可看出，5個淤積年限中平均流速以現狀年最高，其斷面平均流速可達1.46 m/s，而淤積5年、15年、20年后的平均流速較前者降低10.3%、45.9%和61%，斷面平均流速隨淤積增長5年，平均降幅可達20.6%；從斷面上流速變化特征來看，現狀年流速最大為1.93 m/s，位于上游500 m斷面，而淤積5年、15年，甚至20年，其最大流速所處斷面均未發生較大改變，均位于500 m斷面前后，表明流速最大值隨淤積年限變化過程中，其泥沙沉降、阻流等效應均未出現較大變化，這也印證了環境數據模擬模型的計算準確度。從淤積年限與流速特征關系可知，由于泥沙懸浮沉降作用，裹挾有大量泥沙容重，導致阻流、摩擦效應較顯著，進而影響河道內流速特征。從斷面流速變化趨勢來看，均以斷面3 000～4 000 m間流速值為最低，淤積5年時該區間斷面流速集中在1.12 m/s，而在泥沙淤積過程中，其流速受泥沙懸浮等多方面影響，導致局部斷面流速水平較低。

圖6 斷面上各距離的流速特征

4 降雨對水沙特征影響

4.1 含沙量特征

降雨強度會影響地表徑流活動，研究降雨因素對水沙特征影響很有必要。本文以淤積年限10年為模擬計算對象，降雨外參數設定有24 h降雨量強度分別為20、60、100、140 mm，計算不同降雨強度下研究區段內斷面含沙量特征。

圖7為降雨因素影響下各斷面含沙量變化特征。從圖7中可知，降雨強度與含沙量增長水平具有正相關。以斷面1 500 m為例，其在降雨強度20 mm時含沙量為2.77 kg/m3，而降雨強度增長至100、140 mm后，同斷面處含沙量增長74%、124.4%。從整體含沙量變化來看，降雨強度20 mm時各斷面上的平均含沙量為3.15 kg/m3，而隨降雨強度每增長40 mm，斷面平均含沙量增幅可達31.6%，且含沙量增長能力具有逐漸增大的態勢，從降雨強度20 mm至60 mm增幅為26%，而降雨強度在60與100 mm、100與140 mm間相應的增幅分別為30.3%、38.4%。筆者認為，降雨強度增大，加劇了兩側河坡地表滲流活動，造成泥沙易隨徑流活動侵入河流中，但泥沙的裹挾、遷移是一個逐步加劇的過程，先是易滑移的砂土體，后是較難遷移的土層，因而其含沙量變化是一個逐步增強的過程[16]。另一方面，各降雨強度下含沙量最大區間均位于3 000～4 000 m斷面處，與前述水沙活動活躍斷面相吻合，表明降雨強度并不影響水沙活動區域，只會增大該區域泥沙懸浮沉降作用。

圖7 各斷面含沙量變化特征

4.2 流速特征

通過分析不同降雨強度下流速特征，得到各斷面上流速變化與降雨強度關系，見圖8。

圖8 斷面上流速與降雨強度關系

由圖8中流速變化可知，各降雨強度下流速變化具有一致性，呈扁U形特征，降雨強度愈大，其斷面上流速波動幅度愈顯著，降雨強度100、140 mm下各斷面上流速最大差幅分別為21.3%、39.1%，而在低降雨強度20、60 mm下斷面上流速差幅較小，分別為11.4%、15.6%。另一方面，流速與降雨強度具有負相關關系，降雨強度20 mm時斷面平均流速為1.17 m/s，而降雨強度為60、140 mm時的平均流速相比前者降低19.7%、66.7%，此與泥沙裹挾水流，造成了滲流阻礙效應，進而抑制流速，無法對泥沙沉降產生沖淤效果[17]。從研究區段內排沙降淤角度考慮，應盡量在區段中部上游斷面處設置排沙閘等設施，控制進入該重點區段內泥沙含量。

5 結 論

1) 隨淤積年限增長，各斷面上水深線均減小，且降雨在淤積年限后愈顯著，特別集中在斷面2 000～4 000 m上，該斷面上淤積年限增大5年，平均水深減少11.8%；上下游斷面上淤積影響弱于河床中部斷面。

2) 平均流速以現狀年最高，隨淤積增長5年，平均降幅可達20.6%，不論淤積年限增長，斷面3 000～4 000 m間流速值均為最低，泥沙沉降對該斷面影響效應不受淤積年限限制。

3) 降雨強度與含沙量增長水平具有正相關，且增長能力逐步提高，隨降雨強度每增長40 mm，斷面平均含沙量增幅可達31.6%；降雨強度不影響斷面上泥沙沉降活躍區間；降雨強度愈大，流速波動幅度愈顯著；流速與降雨強度為負相關，降雨增大了泥沙阻流、淤積效應。