挖槽參數對河道型水庫清淤效果的影響

陳澤標

(廣東大禹水利建設有限公司，廣東 汕頭 515000)

水庫是重要的水利基礎設施，在優化水資源配置，促進國民經濟和社會發展方面具有重要作用。水庫建設和運行也會導致一系列負面問題的產生，特別是破壞天然河流的平衡狀態，導致水位雍高、水深增大、水流的輸沙能力大幅減弱，致使大量泥沙在庫區淤積，對于高含沙河流而言尤其如此[1]。嚴重的水庫淤積不僅會影響運行安全，還會影響其功能和作用的發揮，降低水庫使用年限[2]。對淤積嚴重的水庫進行工程清淤就顯得尤為必要，而選擇合理的清淤方案則可以有效降低工程量，提升清淤效果[3]。

某水庫是一座以防洪、灌溉和城市供水為主，兼有發電、養殖等功能的大型水利樞紐工程。水庫流經地區主要為半干旱丘陵山區，植被條件差，水土流失較為嚴重，因此河流的含沙量較高、輸沙量大。因此水庫建成以來一直面臨較為嚴重的泥沙淤積問題。根據監測數據，水庫目前的淤積總量已經達到設計庫容的9.3%，嚴重影響水庫的正常使用。因此，采取有效措施，解決水庫的淤積問題就顯得尤為重要。

一般情況下，針對不同來水來沙條件，天然河流可以作出相應的調整，力求上游的水沙通過河段向下游宣泄，使河道形態基本保持穩定[4]。當來水來沙條件變化十分劇烈時，河道的上述平衡狀態就將被打破，就需要通過改道等大規模的變動實現新的平衡[5]。河道的疏浚挖槽屬于前者，可以通過自我調節恢復平衡狀態。河道型水庫的修建給河道形態和上游水沙條件造成巨大變化，難以通過河流自身的適應性變化進行調整并導致較為嚴重的淤積，而通過清淤塑槽可以有效解決其淤積問題[6]。清淤槽的參數是其工程效果的直接影響因素，此次研究利用數值模擬的方式展開挖槽清淤參數優化設計，以便為工程應用提供支持和借鑒。

1 計算模型的構建

1.1 建模思路

MIKE SHE是具有先進預處理系統的分布式水文模型[7]。該模型涵蓋了明渠流、非均勻流、地表徑流以及蒸散發等水文過程中的各個主要環節，可以為水文研究提供比較簡便和靈活的求解方法。MIKE11是用于水庫、河網以及水工建筑物綜合設置的一維水動力模型[7]。本文利用上述兩個模型的耦合，建立楊樹溝小流域的水文-水動力耦合模型。

1.2 建模過程

在構建MIKE SHE水文模型時，將模型的范圍定義為白石水庫庫區，并利用四邊形網格進行模型單元劃分，并利用曼寧公式和擴散波逼近法進行模型求解，以盡量體現流域的空間變化特征[9]。鑒于模型主要用于水沙過程的模擬，因此選擇了比較精密的網格，這也有助于MIKE11水動力模型中河道連接的準確。綜合上述考量，將模型網格單元的尺寸設定為邊長為30m的正方形網格[10]。

研究中利用地理空間數據云獲取研究區的DEM圖，利用ArcGIS10軟件將獲得的分辨率為30m的DEM圖進行鑲嵌、裁剪和投影等一系列圖形的轉化操作，將其轉化為shp.格式的地形數據。

利用ArcGIS10軟件進行研究區河網矢量文件提取，并使用軟件進行河網文件生成，利用軟件中自帶的3D Analyst工具進行DEM的切割，并結合實際調查數據對提取的斷面參數進行修正。鑒于研究區屬于開放性流域，因此將上游邊界設置為流量邊界條件，下游為固定水位邊界。在MIKE SHE和MIKE 11模型構建完成后，在MIKE SHE中的Rivers and Lakes模塊下打開MIKE 11文件，并在每一個計算步長進行水量交換，實現兩個模型的全動態耦合。

1.3 計算方案

河道開挖疏浚過程中對沖淤影響的因素較多，其中影響比較顯著的有挖槽的長度、寬度、深度等3個幾何尺寸因素以及挖槽比降。研究中選擇上述4個因素作為變量進行計算分析，獲得上述4個參數不同取值對水庫清淤效果的影響。結合相關研究成果和工程經驗以及背景工程的實際情況，確定挖槽參數的取值水平。其中，在河道進行開挖之后，其上游河道在一定范圍內會產生水位下降，特別是首端水位下降比較顯著。相關研究顯示，開挖長度越大，其首端的水位下降越多，但是長度超過10km后的水位下降率會大幅減小。開挖長度建議不超過10km。結合背景水庫的實際情況，設計4、5、6、7、8、9和10km等7種不同的開挖長度；結合白石水庫的庫區特點，設計50、100、150、200、250、300、350m等7種不同的挖槽寬度；設計2、2.5、3、3.5、4、4.5、5m等7種不同的挖槽深度；鑒于水庫挖槽段未開挖前的原始比降為0.21‰，為了研究比降對清淤效果的影響，設置0.18‰、0.19‰、0.20‰、0.21‰、0.22‰、0.23‰和0.24‰等7種不同的開挖比降。為了減小研究過程中的計算量，計算中保持3個參數的取值不變，對第4個參數的影響效果進行計算評價，通過對計算結果的分析獲得最佳挖槽清淤方案，以便為背景工程提供有益的支持和借鑒。

2 計算結果與分析

2.1 挖槽長度

研究中保持挖槽深度3m、挖槽寬度200m、挖槽比降0.21‰不變，對不同挖槽長度方案進行模擬計算，獲得挖槽段的沖刷比和回淤比，結果見表1。根根據計算結果，繪制出沖刷比和回淤比隨挖槽長度的變化曲線，結果分別如圖1—2所示。從計算結果可以看出，隨著挖槽長度的增加，挖槽段的沖刷比和回淤比均呈現出不斷減小的變化趨勢，但是變幅特征有所不同。具體來看，隨著挖槽長度的增加，沖刷比呈現出先小幅下降后迅速下降的變化特點，回淤比則呈現出迅速下降后逐步趨于穩定的變化特點。結合計算結果，同時考慮水庫的整體清淤效果和工程量，建議采取6km的挖槽長度。

圖1 沖刷比隨挖槽長度變化曲線

圖2 回淤比隨挖槽長度變化曲線

表1 不同挖槽長度沖刷比和回淤比計算結果

2.2 挖槽寬度

研究中選擇6km的挖槽長度，保持挖槽深度3m和挖槽比降0.21‰不變，對不同挖槽寬度方案進行數值模擬計算，獲得挖槽段沖刷比和回淤，見表2。沖刷比和回淤比隨挖槽寬度的變化曲線分別如圖3—4所示。從計算結果可以看出，隨著挖槽寬度的增加，沖刷比呈現出迅速增大，然后趨于穩定的變化特點，當挖槽寬度小于250m時沖刷比的增大比較迅速，當挖槽寬度大于250m時沖刷比的增大幅度較為有限。從回淤比的計算結果來看，隨著挖槽寬度的增加，回淤比呈現出先減小后增大的變化特點，當挖槽寬度為250m時的回淤比最小。由此可見，增加挖槽寬度雖然可以提高沖刷比，但是大幅增加挖槽寬度時的效果較為有限，同時還會導致回淤比的增加。從具體計算結果來看，挖槽寬度為250m時的整體清淤效果最佳。

圖3 沖刷比隨挖槽寬度變化曲線

圖4 回淤比隨挖槽寬度變化曲線

表2 不同挖槽寬度沖刷比和回淤比計算結果

2.3 挖槽深度

研究中選擇6km的挖槽長度和250的挖槽寬度，保持挖槽比降0.21‰不變，對不同挖槽深度方案進行模擬計算，獲得挖槽段的沖刷比和回淤比，見表3。沖刷比和回淤比隨挖槽深度的變化曲線分別如圖5—6所示。從計算結果可以看出，挖槽深度的影響和挖槽寬度類似，隨著挖槽深度的增加，沖刷比呈現出迅速增大并趨于穩定的變化特點，當挖槽深度小于3.5m時沖刷比的增大比較迅速，當挖槽深度大于3.5m時沖刷比的增大幅度較為有限。從回淤比的計算結果來看，隨著挖槽深度的增加，回淤比呈現出先減小后增大的變化特點，當挖槽寬度為3.5m時的回淤比最小。由此可見，增加挖槽深度雖然可以提高沖刷比，但是大幅增加挖槽深度時的效果較為有限，同時還會導致回淤比的增加。因此，挖槽深度為3.5m時的整體清淤效果最佳。

圖5 沖刷比隨挖槽深度變化曲線

圖6 回淤比隨挖槽深度變化曲線

表3 不同挖槽深度沖刷比和回淤比計算結果

2.4 挖槽比降

研究中選擇6km的挖槽長度、250m的挖槽寬度和3.5m的挖槽深度，對不同挖槽比降方案進行模擬計算，獲得挖槽段的沖刷比和回淤比，見表4。沖刷比和回淤比隨挖槽比降的變化曲線分別如圖7—8所示。從計算結果可以看出，隨著挖槽比降的增大，挖槽段的沖刷比呈現出先增大后減小的變化趨勢，當挖槽比降為0.21‰時的沖刷比最高；挖槽段的回淤比則呈現出先減小后增大的變化趨勢，當挖槽比降為0.21‰時的回刷比最低。由此可見，河道型水庫挖槽清淤中的變幅與挖槽比降之間存在一定的關系，且與原河道比降保持一致時的工程效果最佳。因此可見，在河道型水庫開挖清淤過程中，應該盡量和原河道保持相對一致的比降。

圖7 沖刷比隨挖槽比降變化曲線

圖8 回淤比隨挖槽比降變化曲線

表4 不同挖槽比降沖刷比和回淤比計算結果

3 結語

水庫經過多年運行之后，一般會產生淤積問題。對淤積水庫進行清淤處理是恢復和改善其運行狀態和功能發揮的重要手段。此次研究利用數值模擬的方式探討了挖槽參數對河道型水庫清淤效果的影響，并提出最優參數組合方案，可以為工程清淤的設計施工提供必要的支持，也可以為相關的理論研究和類似工程設計提供有益的借鑒。當然，挖槽清淤工程效果的影響因素較多，挖槽的斷面形態以及上游的來水來沙條件也會對清淤效果產生直接或間接影響。因此，在今后的研究中需要考慮更多的參數進行研究和分析。