老虎山河河道采砂对防洪安全的影响分析_吕朋辉.pdf

第卷第期水 利 科 学 与 寒 区 工 程 ，年月 ，吕朋辉老虎山河河道采砂对防洪安全的影响分析水利科学与寒区工程，（）：老虎山河河道采砂对防洪安全的影响分析吕朋辉（朝阳市凌河保护区管理局，辽宁 朝阳 ）摘要：采砂活动对河道影响的研究具有十分重要意义。此次研究以老虎山河河道采砂规划区为例，利用数值模拟的方法计算采砂区对河道水位的影响。结果显示，河道采砂活动会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，不会对河道防洪造成显著影响，同时还有利于上游防洪。关键词：河道采砂；水位变化；防洪安全；老虎山河中图分类号：文献标志码：文章编号：（）收稿日期：作者简介：吕朋辉（），男，辽宁朝阳人，高级工程师，主要从事河道管理工作。：。河道概况老虎 山 河 是 大 凌 河 的 一 级 支 流，流 域 面 积 ，河道 全 长 ，河 道 比 降 。汛 期 平 均 流 量 ，枯 水 期 平 均 流 量，多年平均径流量 亿。老虎山河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，的细砂约占，而最大块石粒径达 左右。悬移质泥沙颗粒组成比较单一，都以粉沙为主，各站每年平均中值粒径 变化在 ，平均粒径变化在 。根据朝阳市老虎山河河道采砂规划初步设计方案，规划范围内朝阳市境域内全部河道，总长 ，其中朝阳县段长 ，龙城区段长 。可采区范围分别为：西德立吉可采区即贾家店过水路面下游 至德立吉高速桥上游 ，长度 。该河段的多年平均水位在 。河沙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，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法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。有限元计算模型 模型的选择采砂规划设计中的采砂区位于老虎山河下游，属于典型的宽浅型河道。采砂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，因此河道的流态比较复杂。研究中为了准确反映采砂点开采前后对河道水位及流态的影响，以 模型进行采砂区的计算模型构建。模型的构建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 以及采砂区下游 之间的河道作为模拟研究区域。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 ，模拟面积约 。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，则适当加大网格尺寸，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，尺寸最大的网格面积为 ，尺寸最小的网格面积为 。整 个 计 算 模 型 的 网 格 单 元 利 用 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 模型的边界设置模型的上边界为给定流量设计，年一遇洪峰流 量 为 ，年 一 遇 洪 峰 流 量 为 。对应的水位高度分别为 和 。模型的下边界为给定起推水位，水位采用 老虎山河河道治理工程可行性研究报告 中的 水 面 线 计 算 成 果，年 一 遇 洪 峰 流 量 为 ，年一遇洪峰流量为 。老虎山河的现状河道糙率由 年月洪水实测洪痕为依据确定。其中，老虎山河主槽的糙率为 ，滩地糙率为 。此次研究以上述成果为基础经过率定后最终确定。经过率定之后，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决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 天以内，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，通过模拟采砂前后的河道水位变化，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年，而未来年的降水量并不能准确预测，为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 计算结果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，结果如表所示。表各工况水位计算结果序号起点距 工况水位工况水位工况水位工况水位采砂前采砂后变化采砂前采砂后变化采砂前采砂后变化采砂前采砂后变化 水 利 科 学 与 寒 区 工 程第卷续表序号起点距 工况水位工况水位工况水位工况水位采砂前采砂后变化采砂前采砂后变化采砂前采砂后变化采砂前采砂后变化 结果分析从表的计算结果可以看出，在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，下游水位有所壅高。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 河 段 的 水 位 有 所 降 低，其 中 起 点 距 部位的水位下降幅度最大，为 ；起点距 河段的水位有所升高，其中起点距 部位的水位壅高幅度最大，为 ；在多年 平均 流 量工 况 下，起 点 距 河 段 的 水 位 有 所 降 低，其 中 起 点 距 部位的水位下降幅度最大，为 ；起点距 河段的水位有所升高，其中起点距 部位的水位壅高幅度最大，为 ；在典型年洪峰流量工况下，起点距 河 段 的 水 位 有 所 降 低，其 中 起 点 距 部位的水位下降幅度最大，为 ；起点距 河段的水位有所升高，其中起点距 部位的水位壅高幅度最大，为 ；在实测最大洪峰流量工况下，起点距 河段的水位有 所降 低，其中 起点 距 部位的水位下降幅度最大，为 ；起点距 河段的水位有所升高，其中起点距 部位的水位壅高幅度最大，为 。总体来看，在种不同的计算工况下，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第期吕朋辉老虎山河河道采砂对防洪安全的影响分析化特点，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。从不同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，然后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上游的防洪。结语采砂活动会对河道走势以及水流流态产生直接影响。研究中以老虎山河河道采砂规划区为例，利用数值模拟的方法对老虎山河河道采砂区采砂前后河道水位变化进行对比分析，并以分析结果为依据对河道采砂的防洪影响进行评价。结果显示，河道采砂区启用后上游水位有所降低，下游水位有所壅高，但是壅高量较小，不会对河道防洪造成显著影响，而上游水位下降还有利于上游防洪。当然，采砂活动不仅会影响河道水位，还会对河道流场分布造成影响，在今后的研究中还需要针对这些问题进行深入研究，以便对采砂活动的影响进行综合评价。参考文献：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 法粉煤灰综合利用，（）：尹冬艳河道非法采沙数据采集准则及挖方量计算黑龙江水利科技，（）：舒秋香采沙对河道生态及水环境的影响分析中国资源综合利用，（）：凯迪尔丁图尔荪水文测验环境变化与其对水文基础工作的影响分析能源与节能，（）：齐梅兰，郐艳荣河床溯源冲刷影响下的桥墩冲刷水利学报，（）：齐梅兰，刘茜，李金钊河床采沙挖槽的溯源冲刷影响规律水科学进展，（）：刘有战黄河洛阳段河势演变特征及采沙疏浚研究人民黄河，（）：水 利 科 学 与 寒 区 工 程第卷