面向河道保護的沖淤演變規律分析

祝天新

(德州市丁東水庫運行維護中心，山東 德州 253500)

黃河冰凌災害問題在歷史上以孕災環境復雜、突發性強、難以防治而成為我國冬春季節江河中極為突出的自然災害，給兩岸人民帶來了巨大的經濟損失[1]。隨著河流上修建水庫后，上游河道的水位升高，過水面積加大，流速減緩，使挾沙能力降低，黃河來水來沙量的大小直接關系到黃河口門附近海域的沖淤演變，致使黃河河段出現了新的沖淤演變規律[2]。所以，對河道沖淤情況進行分析，研究一種河道淤積預測方法來分析沖淤演變規律對防洪的影響十分重要。傳統的河床沖刷和淤積演化研究主要采用泥沙平衡法、實測斷面法、河相關系法、河工模型法和數值模擬法等流量條件下的水位變化方法；一些學者基于最小熵生成和最小能耗率原理、Mann-Kendall檢驗法、采用線性趨勢法、水體指數法等提取凌汛致災因子蘊含的持續性、突變性規律，對河床的沖刷和淤積演化進行了分析[3-4]；但是，基本上沒有學者通過建立水動力模型來研究河道沖淤演變規律變化。基于此，此次研究將采用經驗公式法、沙量平衡法以回歸模型方法對河道沖淤量進行計算，分析沖淤變化規律；通過檢驗計算方法、回歸模型方法和實測斷面方法計算年均沖淤量，來對河道的淤積和沖刷狀態進行預測；最后，通過HEC-RAS軟件建立黃河山東河壩下河道一維水動力模型，對典型洪水、設計洪水等進行數值模擬，研究河道沖淤變化規律對黃河山東段河道洪水的影響。

1 河道沖淤演變規律即沖淤預測方法研究

1.1 河道總體沖淤情況和變化趨勢研究

河床沖淤演變是一個比較復雜的過程，變化很大程度上與河流的來水來沙條件以及河流的邊界有關[5]。研究將以山東黃河菏澤至東營河段為對象，通過沙量平衡法和斷面法對河段沖淤量進行計算，分析河道的沖淤演變規律，并以演變規律為基礎，采用不同的方法來進行河道沖淤厚度的預測。研究河道山東黃河菏澤至東營河段的基本特性見表1。

表1 研究河段的河道基礎信息

由表1可知，菏澤～濟寧、泰安～東營河段的河槽較窄，彎曲率較高，代表河槽受兩岸高地約束，主干較為穩固、淤沙堆積少，無需進行沖淤分析。濟寧～聊城河段，心灘發育，支流多，河床治理工程進展緩慢，河床崩塌嚴重，為不穩定的分汊型河床。濱州～槐蔭區河段是一條沖積平緩、沙質、抗沖性能差、心灘稀少、邊灘發育、險情頻發的河流，是一條彎道型河流。槐蔭區～泰安河段具有寬、窄、寬、淺、流態紊亂、沙質河床抗沖刷能力弱、沖淤起伏大、主流搖擺、險情頻發等特點，是一條游蕩型河流[6]。

在河床沖淤變化計算中，河道大斷面實測法和輸沙平衡法[7]是最常用的2種方法。輸沙平衡法又被稱為輸沙率法，指某一時段內水體泥沙數量的動態相對保持平衡。即在一定時段內輸入與輸出水體沙量之差等于水體內沙量的變化率。輸沙平衡方程如公式(1)所示[7-8]。

ΔWs=Wsj+Wsz+Wsp+Wsf-Wsc-Wsy

(1)

式中，ΔWs—河道沖淤量，kg；Wsj—河段的進口沙量，kg；Wsz—支流沙量，kg；Wsp—排水溝排沙量，kg；Wsf—黃風積沙沙量，kg；Wsc—河段的出口沙量，kg；Wsy—河段引沙量，kg。

輸沙平衡法的優勢在于，該方法具有時間和空間上良好的連續性和完整性。但由于受引退水數據的限制和測量誤差的影響，導致該段泥沙平衡方法的計算結果不能像斷面方法那樣精確、可靠[9]。利用斷面法進行斷面間沖淤量計算的公式為：

(2)

式中，ΔV—相鄰的2個斷面間的沖淤量，kg；ΔL—相鄰的2個斷面間距，m；Su和Sd—相鄰的上、下2個斷面間的沖淤面積，m2。

斷面法的優勢為：①因為測試斷面布置的間隔很小，而且沖淤量的計算值只與起始狀態相關，而與中間過程無關，不存在累計性誤差，所以可以得到精確可靠的河道沖淤量的計算結果。②能反映河床沖淤變化規律[10]。

1.2 河道沖淤預測方法及洪水一維河道模型設計

此次研究還將根據計算分析得到的沖淤規律和實測資料，通過河段來沙系數和單位沖淤量建立多元回歸模型方法和利用1.1節的斷面法計算多年的平均沖淤量，進行河道沖淤預測。研究以《黃河流域綜合規劃》中選定的代表性系列為參考，以1985—1995年11a的實測水沙資料為數據，進行黃河山東段2023—2033年的沖刷和淤積預測[11]。研究將依據2010—2020年黃河山東段水沙觀測數據，構建泰安站泥沙輸移速率與下游河床含沙量之間的多變量回歸模型，并利用該模型對下游河床進行驗證，回歸關系式為：

(3)

河道來沙系數是指河流含沙量與流量的比值，主要反映河道輸沙能力與水沙變化關系，來沙系數越小，表明在相同的流量或水流輸沙能力條件下，相應的沙量就越小，從而使河道出現沖刷情況，相反，則會造成河道淤積情況[12]。

同時，研究將以實測大斷面和研究的河道沖淤變化規律為基礎，基于HEC-RAS(Hydrologic Engineering Center-River Analysis System)軟件建立黃河山東段河道一維水動力模型，對典型洪水、設計洪水等進行數值模擬，研究河道沖淤變化規律對黃河山東段河道洪水的影響[13]。HEC-RAS是一種可用于恒定和非恒定一維水利計算的河道系統分析軟件。HEC-RAS的主要功能有：恒定流水面線的計算，非恒定流水流的模擬，動邊界下的泥沙輸移以及水質分析。該系統還能自動生成斷面形態圖、水流和水位變化曲線、復合河道的立體剖面圖等多種分析性圖形，采用數值模擬計算方法進行水動力過程研究的基本流程包括數據預處理、數值模型嵌套以及結果數據后處理。研究設計的一維河道水動力模型的計算流程如圖1所示。

圖1 一維水動力模型計算流程

由圖1可知，首先，研究通過實測斷面資料提取出河道的地形情況，通過相關控制站水位和流量達到邊界和初始條件，并根據邊界、斷面及河網文件構建水動力模型；其次，設計模型參數，并通過實測水位對比分析進行參數的調整；最終計算得出河道的最高水位線，得到一維水動力模型。此次研究將根據濟寧～泰安2010年的實測控制站水位、流量數據和實測大斷面資料數據為模型構建資料，設計相關參數，河道糙率濟寧～濟南為0.019～0.037，濟南～泰安為0.016～0.039，模型的初始水位設計為：在進行模型計算時，河道最下游一個斷面的實測水位，模型設定計算時間步長為30s，輸出結果的時間步長為1h。

2 河道沖淤演變規律即沖淤預測結果分析

2.1 河道沖淤情況和變化規律結果分析

研究以1979—2021年黃河山東河段的來沙數據資料為基礎，根據濟寧至泰安河段的入沙和引沙數據，通過輸沙平衡法對3個時間階段的沖淤情況進行計算和分析，3個時間階段為跋山水庫、青峰嶺水庫投運時期(1979—1995年)，跋山水庫、青峰嶺水庫和老嵐水庫共同投運時期(1996—2015年)和近期(2016—2022年)[14-15]，輸沙平衡法計算年均沖淤量結果見表2。

表2 輸沙平衡法計算年均沖淤量結果 單位：1011kg

由表2可知，在1979—1995年時段內，濟寧～濟南和濟南～泰安河段均處于淤積狀態，即黃河山東河段均處于淤積狀態，年均淤積0.345×1011kg；1996—2015年時段內，濟寧～濟南河段年平均沖淤量為-0.123×1011kg，處于微沖狀態，濟南～泰安河段年平均沖淤量為0.135×1011kg，處于微淤狀態，全河段整體年均沖淤量為0.012×1011kg，處于微淤狀態；近期2016—2021年時段，全河段處于沖刷狀態，年均沖淤量為-0.109×1011kg，濟寧～濟南河段處于微淤狀態，濟南～泰安河段處于沖刷狀態。同時，提高輸沙平衡法計算得到的1979—1995年時段的年均沖淤厚度：濟寧～濟南河段為0.061m，濟南～泰安河段為0.0182；1996—2015年時段，濟寧～濟南河段年均沖淤厚度0.2829m，濟南～泰安河段為-0.145m；2016—2022年時段，濟寧～濟南河段年均沖淤厚度0.0158m，濟南～泰安河段為-0.0251m。為了更加直觀地分析黃河山東河段沖淤量的變化規律，研究將對1979—2022年的年均沖淤量和累計值進行分析，河段的歷年年均沖淤量累計變化如圖2所示。

圖2 黃河山東河段年均沖淤量累計變化圖

由圖2可知，年均沖淤量有明顯波動，波動范圍均在-2～2之間，在1996年時年均沖淤量達到最低，為-0.103×1011kg，表明河段呈沖刷狀態；在1993年時，年均沖淤量達到最高，為1.345×1011kg，為淤積狀態；整體年均沖淤累計值有明顯的波動，在1991年時，年均沖淤累計值最小，為0.796×1011kg；在1985—1991年時段內，累計值呈下降趨勢，表明該時段河段主要成淤積狀態；在2000年時，年均沖淤量達到最大值，為5.763×1011kg；自2002年以來，年均沖淤量較穩定，主要以沖刷為主。

2.2 河道沖淤預測及河道沖淤對防洪的影響分析

研究將以年均沖淤變化規律為基礎，以1985—1995年的實測水沙資料為數據，進行黃河山東段2023—2033年的沖刷和淤積情況預測，通過回歸模型方法、經驗公式方法和實測斷面法對河段沖淤預測結果進行計算，計算結果見表3。

表3 黃河山東段沖淤預測結果

由表3可知，回歸模型計算的年均沖淤量預測值為0.106×1011kg，經驗公式方法計算的預測值為0.062×1011kg，通過實測斷面法計算的年均沖淤量預測值相差不大，其中2000—2003年時段預測的沖淤量最高為0.106×1011kg，2000—2022年時段預測的沖淤量最低為0.078×1011kg。經驗公式計算值較小，不符合實際情況，將不選用該值進行沖淤預測。回歸模型與實測斷面法2000—2020年間的年均沖淤預測值相等，所以研究將選擇2000—2020年的實測斷面法計算的年均沖淤量0.106×1011kg，為黃河山東河段年均沖淤量的預測值。研究將以年均沖淤量預測值為基礎，對黃河山東濟寧～泰安各個河段的年均沖淤量和年均沖淤厚度進行預測，預測結果見表4。

表4 黃河山東河段年均沖淤厚度預測結果

由表4可知，濟寧～聊城河段年均淤積量為52.63×107kg，年均沖淤厚度為0.007m；聊城～濟南河段年均淤積量和年均淤積厚度值均最小，分別為8.28×107kg和0.003m；濟南～濱州河段的年均淤積量為100.73×107kg，年均沖淤厚度為0.008m；濱州～槐蔭區河段的年均淤積量為387.92m3，年均沖淤厚度為0.011m；槐蔭區～泰安大橋河段均淤積量和年均淤積厚度值均最大，分別為485.47×107kg和0.012m；全河段的年均淤積量為550.12×107kg，年均沖淤厚度為0.011m。由于2010年黃河山東河段發生了洪水事件，此次研究將以2010年洪水過程為基礎，通過研究設計的一維水動力模型設計洪水，并將設計的洪水水位線與實測的2010年洪水水位線進行對比分析，水位線對比結果圖如圖3所示。

圖3 黃河山東河段洪水水位線對比

由圖3可知，圖中深泓線為沿河流方向最大水深處的連線，深泓線波動較大，且波動不影響水位線的高度；模型設計水位線與實測最高水位線走向較為平緩，且水位線高度相差不大，模型水位線低于實測最高水位線，最大相差為1.6m。通過表2的年均沖淤量計算結果可知，1996—2015年時段內，黃河山東河段處于淤積狀態，淤積量為0.012×1011kg，淤積厚度約為0.23m。黃河山東河段因河床部分泥沙淤積而形成的小流量洪峰，使河道的斷面具有比實際情況更高的水位，水位上升進一步導致洪水的發生，容易造成洪水沖刷河岸，增加洪水災害對人民財產安全的危害。

3 結論

傳統的河床沖淤演變分析方法只通過計算沖淤量來分析河道斷面形態，沒有考慮到河道沖淤變化對防洪的影響，研究將通過檢驗計算、回歸模型和實測斷面方法對河道的淤積和沖刷狀態進行預測，并通過HEC-RAS軟件構建河道一維水動力模型來計算分析河道的沖淤演變規律。結果顯示，黃河山東河段年均沖淤量的預測值為0.081×1011kg；研究設計的模型水位線低于實測最高水位線，最大相差為1.6m，即淤積情況下河道斷面具有比實際情況更高的水位，易加重洪水對河岸進行沖刷的可能性。同時，此次模型沒有考慮閘、壩、橋梁等人工節點的作用，今后的研究可以加上人工節點的設置。