平陆运河沙埠江支流口泥沙淤积数值模拟分析

原国智 班文辉 陆家琨

摘要：为准确反映平陆运河沙埠江河段真实的泥沙淤积情况，文章建立平面二维水流泥沙数学模型进行模拟分析。结果表明：沙埠江支流淤积比在丰水年、平水年、枯水年平均分别约84%、79%、83%；丰水年、平水年、枯水年淤积在旧州江支流的沙量为6.69×104 t、2.69×104 t、2.13×104 t；丰、平、枯水年进入运河的沙量为1.28×104 t、0.72×104 t、0.44×104 t。研究成果对类似工程有参考价值。

关键词：平陆运河；沙埠江；泥沙淤积；数值模拟

中图分类号：U617.6 A 15 044 3

0 引言

受汇流比、入汇角等因素影响，干支流交汇区的水沙运动过程复杂。当携带大量泥沙的水流通过交汇区时，其流速变小和挟沙能力降低，使大量泥沙淤积，形成支流口浅滩，影响航运。因此，研究支流泥沙淤积对运河正常通航具有重要意义［1-2］。目前相关学者已对支流入汇区域的泥沙淤积进行了大量研究，如陈恳［3］借助地形处理技术Arcgis和水工数理模拟计算技术MIKE21HM，揭示库区入流泥沙运动规律和不同粒度悬沙的库区分布状态。胡春宏［4］提升了水库和坝下游河道泥沙数学模型技术，建立了三峡入库泥沙预测模式，提出了三峡入库新水沙系列。已有的二维泥沙数学模型大都着重于研究单一河道，对于支流交汇口的复杂边界条件所引起的水流运动及河床变形研究不够。二维泥沙数学模型可解决大范围的工程泥沙问题，比三维泥沙模拟更加简明快捷方便。本文通过对平陆运河沙埠江支流口交汇处的水流、泥沙运动进行二维泥沙数值模拟，为航道的清淤工作及安全运行提供参考。

1 工程概况

平陆运河以发展航运为主，兼顾供水、灌溉、防洪、改善水生态环境等。整个干流航道长约135 km，其中，内河航道部分长约100.5 km，由马道、企石和青年枢纽3个梯级库区构成。平陆运河与沙坪河交汇河段上距马道枢纽约8.7 km，下距平塘江口（沙坪河郁江交汇口）约21 km，沙埠江支流原本是钦江左岸的一条支流，平陆运河修建后，原沙埠江支流先汇入钦江，再由钦江汇入到运河。因此本研究区域内包括广平河、杨屋河、钦江及运河水流的相互运动，入汇关系比较复杂。见图1。

现场踏勘分析认为，该支流流域属于丘陵低山区域，地貌总体较为平坦，植被较为茂密，多为当地种植的甘蔗、蔬菜及农作物。初步估算，沙埠江支流口河段枯水期河宽大致在3～4 m，流量约2.0～3.0 m3/s；一般时期洪水河宽约可达5～10 m。

本文建立平面二维水流泥沙数学模型并进行相关验证。验证计算结果与实测资料吻合较好，符合相关规定要求，说明所建的二维数学模型能够较好模拟研究河段的水沙运动规律，可用于开展河段的泥沙淤积研究。

2 数值模拟研究

2.1 模拟工况

根据平陆运河干流与支流入汇关系分析，从不利角度出发，模拟选取的水文情况见表1。沙埠江汇合点上游运河流量过程、沙埠江流量过程和含沙量过程见图2～4。

2.2 推荐方案布置

从目前沙埠江与钦江关系分析，原沙埠江汇入钦江故道后有可能从右汊过流，右汊处于主汊位置，水流自右汊流入钦江后，从钦江汇入运河的角度更大，对运河的顶冲作用更为突出，可能会引起水流条件的恶化。因此，方案布置时将右汊进行堵塞，从最不利情况出发，使沙埠江从左汊汇入钦江后一并进行消能处理。

推荐方案平面布置为：从原放坡点至支流河口266.8 m，原泥面12.0 m放坡至运河的底高程-0.8 m，坡度为1∶4，长度约51.2 m，宽度30 m。其后，开挖消力池进行消能，开挖深度2.5 m，开挖高程至-0.8 m，长度80.0 m，再按照坡度1∶4至运河底高程1.7 m，长度约10 m。经消力池后与运河相接，保持1.7 m河底高程衔接至支流汇入口，长度约368.8 m。沙埠江支流口推荐方案平面布置图见图5，纵剖面情况见图6。

2.3 计算相关参数

模型计算范围内运河干流段长约2.4 km，沙埠江长约0.9 km，陈屋河长约0.6 km。为保证计算精度，模型网格尺度为10.0～15.0 m，局部加密5～8 m，总体网格数量约3 727个。建立的网格情况和模拟范围内的地形插值到网格后的地形云图见图7。

2.4 模拟计算成果

丰水年、平水年、枯水年淤积分布见下页图8。

与初始地形相比，丰水年主要淤积部位为支流以及支流河口至运河的过渡段以及运河内，丰水年总输沙量10.92×104 t，丰水年末研究河段支流淤积量为6.69×104 t。支流内最大淤积厚度约5.5 m，支流河口附近淤积厚度约0.35 m。支流淤积比（支流淤积量/总淤积量）为84%。

与初始地形相比，平水年主要淤积部位为支流以及支流河口至运河的过渡段，平水年总输沙量4.79×104 t，平水年末研究河段支流淤积量为2.69×104 t。支流内最大淤积厚度约5.2 m，支流河口附近最大淤积厚度约0.48 m。支流淤积比（支流淤积量/总淤积量）为79%。

与初始地形相比，枯水年主要淤积部位为支流以及支流河口至运河的过渡段，枯水年总输沙量4.01×104 t，枯水年末研究河段支流淤积量为2.13×104 t。支流内最大淤积厚度约4.8 m，支流河口附近淤积最大厚度约0.65 m。支流淤积比（支流淤积量/总淤积量）为83%。

3 结语

（1）本文建立了二维水流泥沙数学模型，可克服模拟河道及方案边界形状复杂的困难，可以利用本文数学模型进行实际工程的計算及模拟研究。

（2）从泥沙计算结果来看，支流淤积比（支流淤积量/总淤积量）在丰水年、平水年、枯水年分别约84%、79%、83%；丰水年、平水年、枯水年淤积在支流的沙量为6.69×104 t、2.69×104 t、2.13×104 t；丰水年、平水年、枯水年进入运河的沙量为1.28×104 t、0.72×104 t、0.44×104 t，泥沙主要淤积在支流口内。

参考文献

［1］罗 伦，沈思敏.三峡水库近坝区泥沙输移数值模拟分析［J］.中国水运，2022（8）：119-122.

［2］李文杰，马浩平，杨胜发，等.三峡库区细颗粒泥沙淤积及一维数值模拟研究［J］.应用基础与工程科学学报，2021，29（2）：251-260.

［3］陈 恳.水库泥沙淤积的二维数值模拟计算分析探究［J］.水利科技与经济，2020，26（9）：56-60，79.

［4］胡春宏.三峡水库和下游河道泥沙模拟与调控技术研究［J］.水利水电技术，2018，49（1）：1-6.

收稿日期：2023-10-08