基于防洪安全影响的河道采沙场设置方案比选研究

董文津

(凌河保护区管理局，辽宁 朝阳 122629)

1 研究区概况

大凌河发源于辽宁与河北两省的接壤地区，全长约447 km，大小支系纵横交错，其主脉横贯辽西，向东南汇入渤海[1-2]。大凌河是辽宁省西部最大的河流，流域面积约2.33万km2，流域内年降雨量400～600 mm，年均径流量17.91亿m3。流域内的山地占73%，丘陵占22%，平原占5%，上游地区处于降水偏少的辽西，水少、沙少；下游地区位于雨量较为充沛的平原地区，水多、沙多。大凌河的干流河床上游主要是粗砂和中砂，下游河床主要是中砂和细砂[3-4]。

研究区的大凌河采砂段全长约4.5 km，地处大凌河的下游，河道曲折蜿蜒，弯曲系数约1.8，洪水时河宽约1800 m，枯水时河宽约200 m，河中分布有多个沙洲。该河段的多年演变结果显示，其平面与断面形态变化不大，滩情比较稳定，没有明显的蠕动现象。

2 计算模型与方案

2.1 模型选择

拟建的采砂场位于京哈高速公路桥下游22 km处，河道中沙洲较多，属于典型的宽浅型河道。同时，项目区的上游和下游存在较多的弯道，为了进行河道水流的有效控导，在河道的弯道和险工部位修建了多处丁坝和堤岸防护工程，因此，河道的流态比较复杂。为了准确模拟采砂场开采后对河道水位和流态等特征的影响，此次研究通过垂向平均处理的平面二维水流物理过程模型MIKE21进行计算模型的构建。该模型是丹麦水力学研究所设计开发的数学模拟程序，目前已经广泛应用于水动力模拟研究，属于水动力研究领域比较优越的模型[5]。

2.2 模型的建立

综合考虑采砂场所在的大凌河河段的河势以及工程影响等因素，选择项目区上游2.5 km至下游3.0 km之间的河道作为模拟区域，全长20 km，模拟区域的平均宽度1.5 km，模拟总面积为15.68 km2。采用三角形网格对模拟河段进行网格剖分，对于高程变化相对较小，河道的岸线比较平顺的位置可以适当加大网格，以减小模型的计算量[6]；在河岸附近以及高程变化相对剧烈的部位，需要对网格进行适当的加密处理，以提高模型计算的精度。研究中最大网格的面积为1574 m2，最小网格的面积为8.3 m2。最终，整个计算模型划分为49 424个计算网格，24 263个计算单元。模型的网格剖分示意图如图1所示。

图1 计算模型网格剖分示意图

2.3 计算参数与边界条件

为了降低中小型洪水对大凌河两岸行洪滩地的农田和建筑物的影响，在该河段的河道两侧均修建了防洪小埝，采用5000 m3/s设计，采用7000 m3/s校核。根据拟建采砂场的位置，对河道的行洪能力进行复核，结果显示该河段防洪小埝的现状行洪能力为5000 m3/s，相当于5年一遇。在模型计算过程中，将模型的上边界设定为设计流量边界，5年一遇流量为5000 m3/s，模型的下边界为给定起推水位。研究河段的糙率主要根据2006年8月大凌河洪水的实测洪痕，按照当时4280 m3/s的最大流量进行率定。其中，河道主槽的糙率为0.025～0.055，滩地的糙率为0.040～0.100。由于大凌河下游河段近年来并没有经过大水的侵袭，植被与林地侵占河道的现象比较严重，河道的糙率明显偏大[7]。因此，在本次模拟中要以上述成果为基础，经过进一步率定确定河槽的糙率为0.030，滩地的糙率为0.045，树木的糙率为0.057，农田的糙率为0.053。

模拟的时长确定为24 h，其中,主时间步长为15 s，共5760步，时间的积分和空间的离散方式均采用高阶。

2.4 计算方案

在此次研究中，采砂方案的总体设计目标是在保证河势不发生重大变化并保证防洪安全的情况下，满足砂石开采的实际需求[8]。基于此，考虑采砂区的上下游边界是否打开以及是否具有施工的可行性，初步确定了两种采砂方案，具体的设计思路如下：

方案1为全封闭采砂方案，大凌河在此处分为东西两汊，采砂区主要分布于两汊之间的河心沙洲部位，且全部位于防洪小埝的内部。采区上游与左岸和右岸滩地的距离大于370 m，下游采区与出口左岸预留200 m的采砂通道，采区与防洪大堤外侧河堤脚线的距离均大于1000 m。

方案2为半封闭方案，采砂区主要分布于两汊之间的河心沙洲部位，且全部位于防洪小埝的内部。采区上游与左岸和右岸滩地的距离大于370 m，下游采区的边线和大凌河的南汊相连接形成连通状态，采区与防洪大堤外侧河堤脚线的距离均大于1000 m。

在计算对比分析过程中，统一确定控采高程为-2.0 m，也就是开采之后采区的底部高程为134.5 m。在研究中，为了获取不同流量工况下两种开采方案对河道水文特征的影响，设置了如表1所示的计算工况。

表1 计算工况设计

3 计算结果与分析

3.1 水位变化计算结果与分析

利用上节构建的二维水沙模型，对两种不同开采方案各工况下的水位高度进行计算，获得如表2所示研究河段4个典型观测点的水位值。由计算结果可知，在采砂之后，研究段在各断面、各工况下的水位高度均呈现出不同程度的下降，对提升研究河段的行洪能力有利。从两种不同的采砂方案的对比来看，方案2的水位变化较方案1更为明显。因此,方案2在采砂之后对研究河段沿程水位的影响相对较大。

表2 四个典型断面水位高度计算结果 m

3.2 险工段近岸流速计算结果分析

为了研究大凌河分汊河段防洪安全受采砂的影响，需要分析东西汊传统险工险段的局部流场变化。利用上节构建的模型，对不同计算工况下研究河段的两处险工险段的近岸流速进行计算，其最大值如表3所示。由表中的计算结果可知，在采砂之后，各工况下的两处险工险段的近岸流速均有不同程度的下降，同时方案2对西汊险工险段近岸流速的影响更为明显。

表3 险工险段的近岸最大流速计算结果

3.3 分汇流处流速计算结果分析

为了进一步研究采砂对河道走势变化的影响，汊道分流和汇流部位的水流结构形态的稳定性十分重要。基于此，研究中利用上节构建的模型，对研究河段的汊道分流和汇流部位的流速进行计算，其最大值如表4所示。由表中的计算结果可知，在不同的计算工况下，采砂活动会对河道局部流速的分布造成一定的影响，对上游分流部位的影响最为显著。从两种采砂方案的对比来看，对分、汇流部位的流速的影响基本一致，但是方案2的影响相对更大。

表4 分、汇流部位最大流速计算结果

4 结 论

此次研究采用数值模拟的方法，对大凌河干流某采砂场的设计方案进行对比分析，得出如下主要结论：

(1)在采砂之后，研究段在各断面、各工况下的水位高度均呈现出不同程度的下降，对提升研究河段的行洪能力有利，且半封闭方案的水位变化较全封闭方案更为明显。

(2)在采砂之后，各工况下的两处险工险段的近岸流速均有不同程度的下降，同时半封闭方案对西汊险工险段近岸流速的影响更为明显。

(3)采砂活动会对分、汇流部位的流速的分布造成一定的影响，对上游分流部位的影响最为显著。从两种采砂方案的对比来看，半封闭方案的影响相对更大。

(4)综合研究结果，推荐全封闭采砂方案为某采砂场的设计方案。