平陸運河舊州江支流口泥沙淤積模擬研究

何俊輝

摘要：平陸運河沿線支流眾多，支流泥沙進入運河淤積后會對運河通航造成不利影響。為準確反映平陸運河舊州江支流匯入口泥沙淤積情況，文章通過建立舊州江支流口內不同坡比消能措施的二維水流泥沙數(shù)學模型進行模擬研究，得到了豐水年、平水年、枯水年舊州江支流年平均淤積比，以及淤積在舊州江支流和進入運河的沙量，并分析了支流口內不同坡比消能措施對積淤量、積淤趨勢及積淤分布的影響，研究成果對舊州江支流口治理具有重要工程價值。

關鍵詞：平陸運河；舊州江；泥沙淤積；數(shù)值模擬

中圖分類號：U617.6 A 01 001 2

0 引言

干支流交匯區(qū)的水沙運動過程受匯流比、入?yún)R角等因素的影響。當挾帶大量泥沙的水流通過交匯區(qū)時，其流速變小、挾沙能力降低，使大量泥沙淤積，主河道水位抬高，增加洪水漫堤可能性。因此，研究支流泥沙淤積對運河正常通航具有重要意義［1-2］。 目前相關學者已對支流入?yún)R區(qū)域的泥沙淤積進行了大量研究，如：彭萬兵等［3］對重慶市主城區(qū)嘉陵江入?yún)R長江河段的走沙過程及該河段沖淤規(guī)律進行了分析；詹磊等［4］針對干支流直角交匯區(qū)水流泥沙運動，提出了新的包含水深比及回流長度的局部水頭損失系數(shù)計算公式。本文通過對水流、泥沙運動進行數(shù)值模擬，為航道的清淤工作及安全運行提供重要幫助。

1 工程概況

平陸運河以發(fā)展航運為主，兼顧供水、灌溉、防洪、改善水生態(tài)環(huán)境等功能。其干流航道是由原西津水庫沙坪河、舊州江、欽江以及分水嶺開挖形成的人工運河。整個干流航道長約135 km，其中內河航道部分長約100.5 km，由馬道、企石和青年樞紐3個梯級庫區(qū)構成。平陸運河與沙坪河交匯河段上距馬道樞紐約8.7 km，下距平塘江口（沙坪河郁江交匯口）約21 km。舊州江作為平陸運河支流在舊州鎮(zhèn)文坳子村匯入運河，入?yún)R角度約45°。舊州江枯水期本河段平均河寬約15 m，水深約0.8 m，河床比降約0.8。舊州江匯入口河勢圖見圖1。

本文選取了運河干流段長約1.6 km、舊州江長約0.71 km的部分進行建模研究。模型采用控制體積法對水沙控制方程進行離散，采用三角形網(wǎng)格進行剖分。模型網(wǎng)格尺度采用10～15 m，局部加密至5～8 m，總體網(wǎng)格數(shù)量約8 846個。對舊州江河段建立的網(wǎng)格見圖2。

本文建立的平面二維水流泥沙數(shù)學模型已得到相關驗證［5］。驗證結果與實測資料吻合較好，符合相關規(guī)定要求，說明所建的二維數(shù)學模型能夠較好模擬研究河段的水沙運動規(guī)律，可用于開展河段的泥沙淤積研究。

2 數(shù)值模擬研究

2.1 模擬工況

根據(jù)平陸運河干流與支流入?yún)R關系分析，從不利角度出發(fā)，模擬選取的水文情況見下頁表1。舊州江匯合點上游運河流量過程、舊州江流量過程和含沙量過程見下頁圖2～4。

2.2 方案布置

為減小運河修建后舊州江對運河通航水流和泥沙條件的影響，對支流匯入運河口段進行了銜接布置。現(xiàn)狀情況下，由舊州江匯入運河河口段的河床底高程約16.0 m，在河口段進行放坡銜接，設置三級消力池，即由原泥面38.5 m放坡至消力池26.2 m后接運河河底27.7 m高程。舊州江支流口內消能措施有兩個方案，方案一為1∶15放坡，方案二為1∶4放坡。方案平面布置見圖5。

2.3 計算相關參數(shù)

模型計算范圍內運河干流段共長約1.6 km，舊州江長約0.71 km。模擬范圍內的地形插值到網(wǎng)格后的地形云圖見圖6。

2.4 模擬計算成果

豐水年、平水年、枯水年淤積分布見后頁圖7。與初始地形相比，豐水年主要淤積部位為支流、支流河口至運河的過渡段以及運河內，豐水年總輸沙量為0.70×104 t，豐水年末研究河段總淤積量約為0.43×104 t。最大淤積厚度位于支流沉砂池附近，最厚約為0.41 m，運河外側最大淤積厚度為0.12 m。支流淤積比（支流淤積量/總淤積量）為61%。

與初始地形相比，平水年主要淤積部位為支流、支流河口至運河的過渡段以及運河內，平水年總輸沙量為0.56×104 t，平水年末研究河段總淤積量約為0.36×104 t。最大淤積厚度位于支流，最厚約為0.48 m，運河過渡段和運河左側最大淤積厚度為0.1 m。支流淤積比（支流淤積量/總淤積量）為65%。

與初始地形相比，枯水年主要淤積部位為支流以及支流河口至運河的過渡段，枯水年總輸沙量為0.18×104 t，枯水年末研究河段總淤積量約為0.16×104 t。最大淤積厚度位于支流，最厚約為0.1 m，運河過渡段和運河左側最大淤積厚度為0.02 m。支流淤積比（支流淤積量/總淤積量）為91%。

方案一和方案二的淤積趨勢基本相同，淤積分布不同的是方案一主要淤積在1∶15的坡上，方案二主要淤積在1∶4放坡后的沉砂池內。方案一的淤積部位較方案二更加趨近于運河河道邊緣。

2.5 模擬計算成果分析

（1）從泥沙計算結果來看，支流淤積比（支流淤積量/總淤積量）在豐水年、平水年、枯水年分別約為61%、65%、91%，淤積在支流的沙量分別為0.43×104 t、0.36×104 t、0.16×104 t，進入運河的沙量分別為0.7×104 t、0.56×104 t、0.18×104 t；通過數(shù)據(jù)分析可知，雨量越充沛的年份，淤積在支流的沙量及進入運河的沙量越多，但支流淤積比會隨著雨量的增加而變小。

（2）在舊州江放坡方案對比中1∶15和1∶4兩個方案總的淤積量變化不大，1∶15方案和1∶4方案的淤積趨勢也基本相同，淤積分布不同的是方案一主要淤積在1∶15的坡上，方案二主要淤積在1∶4的沉砂池內。方案一的淤積部位較方案二更加趨近于運河河道邊緣。這說明坡度越緩，因水流勢能的降低，淤積物更趨于分布在坡道以及運河河道邊緣。

3 結語

從模擬計算結果來看，較緩的放坡如遇到特殊水文年導致大量泥沙淤積在坡上，這不利于船舶進行疏浚作業(yè)，因此在設計階段不宜采用較緩的支流口放坡坡度；同時，豐水期支流淤積砂量以及進入運河的砂量相比于枯水期均有較大增加，因此在運河后期養(yǎng)護階段在豐水期應加強支流口的疏浚工作，以保障運河的正常通航能力。

參考文獻

［1］田鵬偉，張思佳，王志國，等.外洪含沙量對干渠泥沙淤積影響研究［J］.人民黃河，2022，44（7）：112-114.

［2］朱玲玲，許全喜，鄢麗麗.三峽水庫不同類型支流河口泥沙淤積成因及趨勢［J］.地理學報，2019，74（1）：131-145.

［3］彭萬兵，劉德春，劉同宦，等.重慶市主城區(qū)河段沖淤特性分析［J］.泥沙研究，2005（6）：46-52.

［4］詹 磊，董耀華，劉同宦.干支流直角交匯區(qū)水流泥沙運動特性初步研究［J］.長江科學院院報，2010，27（8）：6-11，15.

［5］李 紅，王平義，王高山.彎曲分汊河道江心洲對橫向環(huán)流分布的影響研究［J］.中國農(nóng)村水利水電，2011（4）：62-64，68.

收稿日期：2023-10-08