平陸運河沙埠江支流口泥沙淤積數值模擬分析

原國智 班文輝 陸家琨

摘要：為準確反映平陸運河沙埠江河段真實的泥沙淤積情況，文章建立平面二維水流泥沙數學模型進行模擬分析。結果表明：沙埠江支流淤積比在豐水年、平水年、枯水年平均分別約84%、79%、83%；豐水年、平水年、枯水年淤積在舊州江支流的沙量為6.69×104 t、2.69×104 t、2.13×104 t；豐、平、枯水年進入運河的沙量為1.28×104 t、0.72×104 t、0.44×104 t。研究成果對類似工程有參考價值。

關鍵詞：平陸運河；沙埠江；泥沙淤積；數值模擬

中圖分類號：U617.6 A 15 044 3

0 引言

受匯流比、入匯角等因素影響，干支流交匯區的水沙運動過程復雜。當攜帶大量泥沙的水流通過交匯區時，其流速變小和挾沙能力降低，使大量泥沙淤積，形成支流口淺灘，影響航運。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匯區域的泥沙淤積進行了大量研究，如陳懇［3］借助地形處理技術Arcgis和水工數理模擬計算技術MIKE21HM，揭示庫區入流泥沙運動規律和不同粒度懸沙的庫區分布狀態。胡春宏［4］提升了水庫和壩下游河道泥沙數學模型技術，建立了三峽入庫泥沙預測模式，提出了三峽入庫新水沙系列。已有的二維泥沙數學模型大都著重于研究單一河道，對于支流交匯口的復雜邊界條件所引起的水流運動及河床變形研究不夠。二維泥沙數學模型可解決大范圍的工程泥沙問題，比三維泥沙模擬更加簡明快捷方便。本文通過對平陸運河沙埠江支流口交匯處的水流、泥沙運動進行二維泥沙數值模擬，為航道的清淤工作及安全運行提供參考。

1 工程概況

平陸運河以發展航運為主，兼顧供水、灌溉、防洪、改善水生態環境等。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，沙埠江支流原本是欽江左岸的一條支流，平陸運河修建后，原沙埠江支流先匯入欽江，再由欽江匯入到運河。因此本研究區域內包括廣平河、楊屋河、欽江及運河水流的相互運動，入匯關系比較復雜。見圖1。

現場踏勘分析認為，該支流流域屬于丘陵低山區域，地貌總體較為平坦，植被較為茂密，多為當地種植的甘蔗、蔬菜及農作物。初步估算，沙埠江支流口河段枯水期河寬大致在3～4 m，流量約2.0～3.0 m3/s；一般時期洪水河寬約可達5～10 m。

本文建立平面二維水流泥沙數學模型并進行相關驗證。驗證計算結果與實測資料吻合較好，符合相關規定要求，說明所建的二維數學模型能夠較好模擬研究河段的水沙運動規律，可用于開展河段的泥沙淤積研究。

2 數值模擬研究

2.1 模擬工況

根據平陸運河干流與支流入匯關系分析，從不利角度出發，模擬選取的水文情況見表1。沙埠江匯合點上游運河流量過程、沙埠江流量過程和含沙量過程見圖2～4。

2.2 推薦方案布置

從目前沙埠江與欽江關系分析，原沙埠江匯入欽江故道后有可能從右汊過流，右汊處于主汊位置，水流自右汊流入欽江后，從欽江匯入運河的角度更大，對運河的頂沖作用更為突出，可能會引起水流條件的惡化。因此，方案布置時將右汊進行堵塞，從最不利情況出發，使沙埠江從左汊匯入欽江后一并進行消能處理。

推薦方案平面布置為：從原放坡點至支流河口266.8 m，原泥面12.0 m放坡至運河的底高程-0.8 m，坡度為1∶4，長度約51.2 m，寬度30 m。其后，開挖消力池進行消能，開挖深度2.5 m，開挖高程至-0.8 m，長度80.0 m，再按照坡度1∶4至運河底高程1.7 m，長度約10 m。經消力池后與運河相接，保持1.7 m河底高程銜接至支流匯入口，長度約368.8 m。沙埠江支流口推薦方案平面布置圖見圖5，縱剖面情況見圖6。

2.3 計算相關參數

模型計算范圍內運河干流段長約2.4 km，沙埠江長約0.9 km，陳屋河長約0.6 km。為保證計算精度，模型網格尺度為10.0～15.0 m，局部加密5～8 m，總體網格數量約3 727個。建立的網格情況和模擬范圍內的地形插值到網格后的地形云圖見圖7。

2.4 模擬計算成果

豐水年、平水年、枯水年淤積分布見下頁圖8。

與初始地形相比，豐水年主要淤積部位為支流以及支流河口至運河的過渡段以及運河內，豐水年總輸沙量10.92×104 t，豐水年末研究河段支流淤積量為6.69×104 t。支流內最大淤積厚度約5.5 m，支流河口附近淤積厚度約0.35 m。支流淤積比（支流淤積量/總淤積量）為84%。

與初始地形相比，平水年主要淤積部位為支流以及支流河口至運河的過渡段，平水年總輸沙量4.79×104 t，平水年末研究河段支流淤積量為2.69×104 t。支流內最大淤積厚度約5.2 m，支流河口附近最大淤積厚度約0.48 m。支流淤積比（支流淤積量/總淤積量）為79%。

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4.01×104 t，枯水年末研究河段支流淤積量為2.13×104 t。支流內最大淤積厚度約4.8 m，支流河口附近淤積最大厚度約0.65 m。支流淤積比（支流淤積量/總淤積量）為83%。

3 結語

（1）本文建立了二維水流泥沙數學模型，可克服模擬河道及方案邊界形狀復雜的困難，可以利用本文數學模型進行實際工程的計算及模擬研究。

（2）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84%、79%、83%；豐水年、平水年、枯水年淤積在支流的沙量為6.69×104 t、2.69×104 t、2.13×104 t；豐水年、平水年、枯水年進入運河的沙量為1.28×104 t、0.72×104 t、0.44×104 t，泥沙主要淤積在支流口內。

參考文獻

［1］羅 倫，沈思敏.三峽水庫近壩區泥沙輸移數值模擬分析［J］.中國水運，2022（8）：119-122.

［2］李文杰，馬浩平，楊勝發，等.三峽庫區細顆粒泥沙淤積及一維數值模擬研究［J］.應用基礎與工程科學學報，2021，29（2）：251-260.

［3］陳 懇.水庫泥沙淤積的二維數值模擬計算分析探究［J］.水利科技與經濟，2020，26（9）：56-60，79.

［4］胡春宏.三峽水庫和下游河道泥沙模擬與調控技術研究［J］.水利水電技術，2018，49（1）：1-6.

收稿日期：2023-10-08