黄河宁夏典型河段控导工程对水流运动与河床变形的影响 ——以四排口为例

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本文以黄河宁夏四排口河段为研究对象,研究该河段在实施控导工程之后的水流运动规律与河床变形状况,采用现场实测方法与数值模拟相结合的方式对该河段的水流运动规律与河床变形状况进行系统的总结与归纳。根据四排口河段水平尺度远大于垂向尺度、水压力接近静压分布的特点建立了四排口河段二维水动力数学模型,利用MIKE21软件建立了四排口河段的计算区域,对其网格进行了划分以及处理了该区域复杂动边界的地形,利用现场实测数据对所建数学模型进行了验证;设定了四种典型工况对四排口河段进行了数值模拟研究,分析了四种典型工况下的模拟计算结果,以及对该河段的河床变形进行了预测分析,其主要研究成果如下:(1)通过对实测河道岸线变动的分析,四排口河段在实施控导工程之后,对该河段的水流运动及河势迁移产生了巨大的影响,该工程在运行两年后,河道河宽发育明显,在丁坝末端引河段进口处左岸,河道边岸后退崩塌了几十米,有些区域甚至后退崩塌了上百米,其造床运动非常显著。(2)对2020年10月27日所测实测数据典型横断面处实测纵向流速进行了分析,13个典型断面河道流速随着河床的变化而变化,显示出的特点为河道主槽位置处流速均略大于主槽,弯道中流速的最大值也在河道的凹凸岸不断进行转换,流速变化的平衡位置大致为抛物线分布,即河道中心处的流速较大,而两岸流速相对较小。(3)通过比对分析不同年份的典型断面实测地形,研究了近两年来四排口河段的河床冲淤状况,由于测量时间为枯水期,因此河段流量较小,水位较低,与前两次实测结果对比发现其河床在CS3-CS6断面其变化不大,CS7段面处河道已经由窄深式变为宽浅式且上游丁坝对水流的调整作用也明显减弱,河道主流回归左岸,造成了河道左岸冲刷,右岸淤积的现象。引河段在经过两年的冲刷后,已经没有了人为开挖的形态,并且河道主槽明显向左岸偏移,使得该处河段左岸明显冲刷,右岸严重淤积。(4)运用2018年10月份与11月份实测数据都所建立的数学模型进行了水位与流速的验证,通过对模拟计算值与实测值的比对分析,得出其水位绝对误差为-0.024~0.052m,相对误差均控制在1.63%以内,在水流运动数值模拟的允许误差之内,通过分析13个典型断面中CS3、CS7、CS10三个断面的垂线平均流速模拟值与实测值,其模拟值与实测值总体上接近,整体符合计算精度的要求,证明所建立的数学模型是可靠的、合理的。(5)通过分析四种典型工况下的模拟计算结果,得出在枯水期条件下,河段进口处左岸大部分区域淤地、滩地较多,由于流量较小,水位较低,水流对丁坝及边岸的冲刷作用几乎没有,水流以原有河道运动;在平水期条件下,水流对丁坝及坝后部分区域产生冲刷作用,但冲刷效果很弱,并且在进口段右岸由于流速较小产生了大量的淤地;在丰水期条件下,丁坝的稳定性受到威胁,在丁坝群末端和坝后引河段泄洪主槽有进一步加深向左岸迁移的趋势,虽然在实施控导工程两年后,河宽发育明显,过流断面能够承载一定量级的洪水,但坝后左岸大部分区域仍然会存在冲刷现象,河道边岸的崩塌后退仍会继续。
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