基于MIKE21模型的河道采砂防洪安全的影响评价.pdf

第卷第期水 利 科 学 与 寒 区 工 程V o l ,N o 年月H y d r oS c i e n c ea n dC o l dZ o n eE n g i n e e r i n gS e p,刘本宝,马晓蕊,王军委基于M I K E 模型的河道采砂防洪安全的影响评价J水利科学与寒区工程,():基于M I K E 模型的河道采砂防洪安全的影响评价刘本宝,马晓蕊,王军委(青岛市水文中心,山东 青岛 )摘要:采砂等人类活动对河道影响不容忽视,对其进行研究具有重要意义.此次研究以某河道采砂规划区为例,利用构建的M I K E 有限元模型计算分析采砂区对河道水位和流量的影响.结果显示,河道采砂活动不会对河道防洪造成显著不利影响,对部分河段的防洪还存在一定的积极作用.关键词:河道采砂;防洪影响;M I K E 模型中图分类号:T V ;T V 文献标志码:A文章编号:()收稿日期:作者简 介:刘 本 宝(),男,山 东 胶 南 人,高 级 工 程 师,研 究 方 向 为 水 文 水 资 源 管 理 保 护,水 生 态 保 护 等.E m a i l:d u r q b c o m.工程背景某河流为季节性河流,上游段地势较高,比降较大,冲刷较严重,长时间的河道演变造成河道宽窄不等,岸线不规整,河道演变较严重;中下游段河滩较平整,滩地相对较宽,滩面植被较好,现状河道泄洪以滩地为主,部分滩地已被开垦和耕种,河槽横向摆动很小,未对滩地上的农田造成冲兑影响,河道变化更小.河道河床基本由块石夹砂和中粗砂组成,床面表层粒径较粗,表层以下稍细.上游河床质组成极不均匀,粗细颗粒相差悬殊,级配范围极宽,mm的细砂约占,而最大块石粒径达 mm左右.悬移质泥沙颗粒组成比较单一,以粉沙为主,各站每 年 平 均 中 值 粒 径d 变 化 在 mm,平均粒径变化在 mm之间.根据河道采砂规划初步设计方案,可采区范围长度 k m.河砂和砾石是重要的工业和建筑材料,同时,也是河流的重要组成部分.因此,应在保证河流稳定、健康以及防洪安全的前提下,最大限度发挥有限砂石资源的经济效益.基于此,此次研究利用数值模拟的方式探讨河道采砂对防洪安全的影响,以便为规划方案的设计和优化提供支持.模型与方法 模型的构建采砂规划设计中的采砂区位于大沽河下游,属于典型的宽浅型河道.项目区的上下游弯道较多,为了控导水流,当地在河道的弯道部位和一些险工处建设了多处丁坝和岸坡防护工程,河道的流态比较复杂.因此,为了准确反映采砂点开采前 后 对 河 道 水 位 及 流 态 的 影 响,研 究 中 以M I K E 模型进行背景工程的计算模型构建.研究中综合考虑采砂部位的河道走势以及工程影响等因素,选择采砂区上游 k m以及采砂区下游 k m之间的河道作为模拟研究区域,模拟区域的总长度为 k m.模拟计算区域内存在河流的防洪大堤以及防洪小埝,两者之间的区域为河道滩地行洪区.整个模拟区域的平均宽度约 k m,模拟面积约 k m.对模拟计算区域利用三角形单元进行网格剖分.对于地势比较平缓、岸线比较平顺的部位,适当加大网格尺寸,以提高模型的计算效率.对于存在护岸工程或起伏较大的区域,则适当减小网格尺寸,以提升模拟计算的精度.其中,尺寸最大网格的面积为 m,尺寸最小的网格面积为 m.整 个 计 算 模 型 的 网 格 单 元 利 用M e s hg e n e r a t o r形成,共获得 个网格单元,个节点.有限元模型示意图如图所示.图有限元模型示意图模型的上边界为给定流量设计,a一遇洪峰流 量 为 m/s,a一 遇 洪 峰 流 量 为 m/s.模型的下边界为给定起推水位,水位采用 大沽河河道治理工程可行性研究报告 中的水面线计算成果.大沽河的现状河道糙率由 年月洪水实测洪痕为依据确定.其中,大沽河主槽的糙率为 ,滩地为 .此次研究以上述成果为基础,经过率定后最终确定,研究河段河槽的糙率为 ,滩地的糙率 为 ,树 木 的 糙 率 为 ,农田的糙率为 .模拟计算过程中通过干湿判别确定计算范围内因为河道水位改变而形成的动边界.计算方案根据研究河段的采砂具体规划,采砂作业必须要严格遵循采砂深度、可采区的范围、开采量以及开采期限.开采过程中的废弃料必须要堆放在河道管理范围之内,堆放时间必须要控制在 d以内,同时,需要做到采完一处回填一处.为了反映采砂对研究河段水位的影响,此次研究通过模拟采砂前后的河道水位,对比分析评价其对河道防洪的影响.此次规划的采砂时间为a,而未来五年的降水量并不 能准确预测,为了了解 不 同 流 量 级下河 道 水 位 的 变 化,选 择 如 表所 示 的 计 算工况.表计算工况设计工况编号来流量/ms流量特征工况 现状工况 多年平均流量工况 典型年洪峰流量工况 实测最大洪峰流量 计算结果与分析 沿程水位研究中利用构建的有限元模型,对四种不同计算工况下研究河段采砂前和采砂后的沿程水位进行计算,结果分别如图图所示.从计算结果可以看出,在现状工况、多年平均流量工况、典型年工况以及实测最大流量工况等种不同的计算工况下,研究河段采砂场启用前后的河道水位变化规律基本一致.具体来看,在采砂场启用之后,采砂场上游河段的河道水位有一定的降低,下游水位有所雍高.究其原因,主要是采砂场的启用会导致河道局部边界条件的变化,特别是有助于河道过流面积的增大,河道水位呈现出小幅度变化.具体来看,在现状工况下,起点距 k m河 段 的 水 位 有 所 降 低,其 中,起 点 距 k m部位的水位下降幅度最大,为 m;起点距 k m河段的水位有所升高,其中,起点距 k m部位的水位壅高幅度最大,为 m;在多年平均流量工况下,起点距 k m河 段 的 水 位 有 所 降 低,其 中,起 点 距 k m部位的水位下降幅度最大,为 m;起点距 k m河段的水位有所升高,其中,起点距 k m部 位的水位壅高 幅 度 最 大,为 m;在典型年洪峰流量工况下,起点距 k m河 段 的 水 位 有 所 降 低,其 中,起 点 距 k m部位的水位下降幅度最大,为 m;起点距 k m河段的水位有所升高,其中,起点距 k m部 位的水位壅高 幅 度 最 大,为 m;在实测最大洪峰流量工况下,起点距 k m河段的水位有所降低,其中,起点距 k m部位的水位下降幅度最大,为 m;起点距 k m河段的水位有所升高,其中,起点距 k m部位的数位壅高幅度最大,为 m.总体来看,在种不同的计算工况水 利 科 学 与 寒 区 工 程第卷下,研究区河段的水位降低和壅高区域基本一致,水位降低和壅高幅度最大值出现的部位也相同.也就是在采砂区的上游河道水位出现一定范围的下降,最大变化量在采砂区上游边界附近;在采砂场的下游河道采砂后的水位呈现出小幅上升的变化特点,最大壅高出现为采砂区下游边界附近.结合水位变化趋势,在距离采砂区足够远的部位,其水位壅高将降低为m.图现状工况沿程流速变化曲线图多年平均流量工况沿程流速变化曲线从不同计算工况的计算结果来看,多年平均流量工况下的水位变化量最小,其次,是现状工况,再次,是典型洪峰流量工况,影响最大的是实测最大洪峰流量工况.由此可见,研究河段的流量值越大,采砂对河道水位的影响也越大.但总体来看,采砂活动可以降低采砂区上游的水位,抬高下游水位,但是抬高幅度极为有限,因此,不会对河道防洪产生显著影响,同时,在一定程度上还有利于采砂区的上游的防洪.图典型年洪峰流量工况沿程流速变化曲线图实测最大洪峰流量工况沿程流速变化曲线 沿程流速研究中利用构建的有限元模型,对种不同计算工况下研究河段采砂前和采砂后的沿程流速进行计算.根据模拟计算结果,绘制出不同工况下采砂前和采砂后沿程流速变化曲线,结果分别如图图所示.由计算结果可以看出,不同计算工况下各计算断面的流速值存在一定的差别,且流量越大流速值也越大.另一方面,种不同计算工况下的沿程流速值变化规律基本一致.由此可见,河道流量的增加对流速的沿程分布特征影响较为有限.究其原因,河道沿程流速的相对变化主要和河道宽度等特征有关,因此,在沿程变化上存在较大的相似性.从采砂前后的计算结果对比来看,采砂活动对不同计算工况下沿程流速的影响主要集中在采砂区及其上下游附近区域,对其他区域的影响极为有限.具体来看,在采砂区上游的一定区域内,采砂后的流速有明显增大,第期刘本宝,等基于M I K E 模型的河道采砂防洪安全的影响评价图现状工况沿程流速变化曲线图多年平均流量工况沿程流速变化曲线图典型年洪峰流量工况沿程流速变化曲线图实测最大洪峰流量工况沿程流速变化曲线原因可能是采砂后的地形骤降所致.在采砂区域,不同计算工况下的流速值较采砂前显著降低.总之,采砂活动仅会导致采砂区上游小范围内的流速增大,但是幅度有限,采砂区流速显著降低,对其余区域基本没有影响.从沿程流速来看,采砂活动不会对河道行洪安全造成明显不利影响,而采砂区流速降低对该河段的防洪有一定的积极作用.结语采砂活动会对河道走势以及水流流态产生直接影响,是河道人类活动影响的重要领域.研究中以具体河道采砂规划区为例,利用数值模拟的方式研究了采砂区对河道水位和流速的影响,通过采砂前后河道水位和流速的变化对比,探讨其对河道防洪的影响.结果显示,河道采砂活动有助于降低采砂区上游水位,提高采砂区下游水位,但是,水位变化量相对较小;采砂后,采砂区流速显著降低,其上游小范围内流速有所升高,其余部位基本不变.总之,采砂活动不会对河道防洪造成显著影响,对河道防洪还有一定的积极作用.当然,采砂活动对河道的影响具有复杂性和广泛性,对河道防洪还会影响河势稳定、水资源和生态环境,在今后的研究中还需要针对上述方面进行进一步的研究和探讨,以便对采砂活动的影响进行综合评价.参考文献:董文津基于防洪安全影响的河道采沙场设置方案比选研究J水利科学与寒区工程,():郑金海,鲍仕昱,张蔚,等河床下切对珠江三角洲峰值水位演变的影响J河海大学学报(自然科学版),():周直,郭俊男,刘光凤河床采沙条件下桥梁基础安全风险评估:基于改进FME A法J粉煤灰综合利用,():齐梅兰,刘茜,李金钊河床采沙挖槽的溯源冲刷影响规律J水科学进展,():贡力,王婧,靳春玲,等基于和谐论的黄河兰州段河道采砂影响评价J水资源保护,():刘有战黄河洛阳段河势演变特征及采沙疏浚研究J人民黄河,():敖健鹏永修县潦河下游干流河道采砂规划研究分析J黑龙江水利科技,():李钦智河道采砂的影响及其对策措施分析 以新疆玛纳斯河为例J水利规划与设计,():,水 利 科 学 与 寒 区 工 程第卷