CN115323977B - 一种淤积型河道的清淤清障方法 - Google Patents

一种淤积型河道的清淤清障方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种淤积型河道的清淤清障方法，包括：确定河道平滩水位，将河道平滩水位以上的区域划定为高滩区域，高滩区域即为的清淤清障的范围；调查河道高滩区域各种植物的根系长度；对高滩区域的植物和高滩区域的浅层淤泥进行清除，清淤深度根据高滩区域各种植物的根系长度设定，所述清淤深度需满足去除植物根系的程度在80％以上；建立河道水动力数学模型，修改模型中的河道断面，使之反应不同清淤深度的工况；分河段计算出各清淤深度下的水面线，得到清淤降低水位的防洪效益，确定不同河段的清淤深度进行主槽清淤疏浚。本发明为河道清淤清障工作提供科学的清除方法，用准确深度指导清淤工作，对各河段精准施工。

Description

一种淤积型河道的清淤清障方法
技术领域
本发明涉及河道治理技术领域，更具体地，涉及一种淤积型河道的清淤清障方法。
背景技术
随着城市化发展，如今河道的淤积治理面临几个问题：一是河道由上游来沙丰富、潮流泥沙上溯、径流动力弱等水沙动力原因表现为长期淤积的趋势，河道防洪能力持续被动降低。二是植物生长旺盛的淤积型河道清淤的治理技术仍相对薄弱，河道边滩挺水植物生长旺盛、除不尽，同时也缺少科学的清除措施。三是传统治理技术很多时候已不能满足当今河道淤积治理的需要，传统河道清淤面临“清的多、淤的快”的难题、又有着“清多少”的疑虑，河道有效泄洪断面难以维持，河道边滩维护频繁、维护成本高，传统清淤技术不符合新发展理念。
淤积型河道的治理问题是制约河道防洪和城镇排涝能力提升的关键因素，近年来也有学者对此做相关的研究。对于河道的清淤问题，研究集中在清淤方式上，常规的方式分为干式清淤、半干式清淤和湿式机械清淤三种(连祎等，浅谈河道清淤及淤泥处理技术，2021)，诸多研究人员在这三种类型的清淤机械上有了相当程度的结构创新，有了从传统的挖泥装置到新型环保技术的飞跃。但这依然没有消除一线工作者们的疑虑，“什么时候该清淤？”“清淤的程度是多少？”
在河道清淤范围和深度的相关研究中，焦点集中在城市河流污染底泥的生态清淤上，确定清淤深度时要对各个区域的底泥污染物释放做准确的分析、确定污染物分布状况，其并不适用于许多天然泥沙淤积型河流的一般情况。同时，淤积型河道往往伴随着边滩植被的大范围生长，这些植物生长旺盛，给河道清障工作带来巨大的困难，且河障面积增长迅速，其宽度有时能超过河面50％，抬高了水面，降低行洪能力，增加了城市排涝防灾的难度。目前河道清障工作中缺乏科学指导，在河流管理中一般通过割除浅滩表面植物减小阻力，但其效果不佳，一方面是因为植物割除后仍有根茎和部分植物残留，仍然阻水，另一方面是河道边滩淤泥养分充足，植物生长速度可达5～10cm/d。这都使边滩阻水植物割除了又生长，维护成本很高。
因此，本发明关注淤积型河道伴有的泥沙清淤和植物清除的综合问题，为淤积型河道提供一种高效的清淤清障方法。
发明内容
为了克服植物生长旺盛的淤积型河道清淤清障技术的不足，本发明提供淤积型河道的清淤清障方法。
本发明提供一种淤积型河道的清淤清障方法，包括：
步骤1：确定河道平滩水位，将河道平滩水位以上的区域划定为高滩区域，高滩区域即为的清淤清障的范围；
步骤2：通过遥感卫星图像获取河道范围内植物的分布区域，调查河道高滩区域各种植物的根系长度；
步骤3：根据高滩区域各种植物的根系长度设定清淤深度，所述清淤深度需满足去除植物根系的程度在80％以上；
步骤4：建立河道水动力数学模型，修改模型中的河道断面，使之反应不同清淤深度的工况；
步骤5：分河段计算出各清淤深度下的水面线，得到清淤降低水位的防洪效益，确定不同河段的清淤深度进行主槽清淤疏浚。
优选地，步骤1中，根据宽深比(B/H)最小值来确定平滩水位，即采用Wolman(WOL)方法计算平滩水位。
优选地，步骤2中，调查河道高滩区域各种植物的根系长度具体包括：调查高滩区域植物分布、生长规律资料，对每一种类的植物分别多点随机取样，取样采用挖掘法，避免挖掘时损失植物根系，将挖出的带泥土的根系用水冲洗或浸泡，测量其长度。
优选地，步骤3中，所述清淤深度结合资金投入综合设定，需满足去除植物根系的程度在90％。
优选地，步骤4中，所述河道水动力数学模型为MIKE11水动力模型，用于模拟一维河网水动力环境，其输入参数包括河道里程、河道断面、河道糙率以及水位和流量。
优选地，修改模型断面的方法：河道水动力数学模型中其它条件和参数保持不变，将相同起点距处洪水过后的河床高程与竣工断面高程相减，得到淤积厚度△H，清淤P％后的河底高程等于竣工断面高程加上△H(1-P％)。
优选地，步骤5中，在判断清淤降低水位的防洪效益时，具体方法是对比水面线随清淤深度增大而降低的幅度，结合工程资金投入，选择效益最高的清淤方案。
优选地，步骤5中，河段清淤深度的控制精度根据所选择清淤施工方式的最大可控精度确定。
优选地，步骤5中，对主槽清淤施工的方式要因地制宜，根据河段的地理环境和是否具备断流施工的条件来选择清淤方案，清淤方案包括干式清淤和湿式清淤。
优选地，若河岸宽阔、适宜断流，则选择用干式清淤；若河面宽阔、便于输送淤泥，则清淤方案湿式清淤。
优选地，所述方法还包括步骤6：当河道淤积量超过现状淤积量10％-20％时，进行维护性清淤疏浚。
与现有技术相比，本发明技术方案的有益效果是：本发明提供一种淤积型河道的清淤清障方法，包括：确定河道平滩水位，将河道平滩水位以上的区域划定为高滩区域，高滩区域即为的清淤清障的范围；调查河道高滩区域各种植物的根系长度；对高滩区域的植物和高滩区域的浅层淤泥进行清除，清淤深度根据高滩区域各种植物的根系长度设定，所述清淤深度需满足去除植物根系的程度在80％以上；建立河道水动力数学模型，修改模型中的河道断面，使之反应不同清淤深度的工况；分河段计算出各清淤深度下的水面线，得到清淤降低水位的防洪效益，确定不同河段的清淤深度进行主槽清淤疏浚。本发明为河道清淤清障工作提供科学的清除方法，用准确深度指导清淤工作，对各河段精准施工，使清淤符合河道水沙运动规律、并满足防洪要求。该高滩清障和主槽清淤综合方法使河道回淤速率减少10～20％。
附图说明
图1为淤积型河道的清淤清障方法的流程图。
图2为不同清淤程度下沿程水位降低幅度图。
图3不同年代深圳河的植物范围变化图。
图4为高滩清障断面示意图。
具体实施方式
为了能够更清楚地理解本发明的上述目的、特征和优点，下面结合附图和具体实施方式对本发明进行进一步的详细描述。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是，本发明还可以采用其他不同于在此描述的其他方式来实施，因此，本发明的保护范围并不受下面公开的具体实施例的限制。
实施例1
如图1所示，本实施例提供一种淤积型河道的清淤清障方法，包括：
步骤1：确定河道平滩水位，将河道平滩水位以上的区域划定为高滩区域，高滩区域即为的清淤清障的范围；
步骤2：通过遥感卫星图像获取河道范围内植物的分布区域，调查河道高滩区域各种植物的根系长度；
步骤3：根据高滩区域各种植物的根系长度设定清淤深度，所述清淤深度需满足去除植物根系的程度在80％以上；
步骤4：建立河道水动力数学模型，修改模型中的河道断面，使之反应不同清淤深度的工况；
步骤5：分河段计算出各清淤深度下的水面线，得到清淤降低水位的防洪效益，如图2所示，确定不同河段的清淤深度进行主槽清淤疏浚。
本实施本发明为河道清淤清障工作提供科学的清除方法，用准确深度指导清淤工作，对各河段精准施工，使清淤符合河道水沙运动规律、并满足防洪要求。该高滩清障和主槽清淤综合方法使河道回淤速率减少10～20％。
实施例2
本实施例提供一种淤积型河道的清淤清障方法，包括：
步骤1：确定河道平滩水位，将河道平滩水位以上的区域划定为高滩区域，高滩区域即为的清淤清障的范围；
步骤2：通过遥感卫星图像获取河道范围内植物的分布区域，调查河道高滩区域各种植物的根系长度；
步骤3：根据高滩区域各种植物的根系长度设定清淤深度，所述清淤深度需满足去除植物根系的程度在80％以上；
步骤4：建立河道水动力数学模型，修改模型中的河道断面，使之反应不同清淤深度的工况；
步骤5：分河段计算出各清淤深度下的水面线，得到清淤降低水位的防洪效益，如图2所示，确定不同河段的清淤深度进行主槽清淤疏浚。
在具体实施过程中，步骤1中，根据宽深比(B/H)最小值来确定平滩水位，即采用Wolman(WOL)方法计算平滩水位。
需要说明的是，步骤2中，通过遥感卫星图像获取河道范围内植物的分布区域的具体方法参考专利CN112818751A，即从遥感图像中识别出河道区域，并分析得到河道区域的归一化植被指数(Normalized Difference Vegetation Index,NDVI)；将归一化植被指数达到预定阈值的区域确定为植物的分布区域。
在具体实施过程中，步骤2中，调查河道高滩区域各种植物的根系长度具体包括：调查高滩区域植物分布、生长规律资料，对每一种类的植物分别多点随机取样，取样采用挖掘法，避免挖掘时损失植物根系，将挖出的带泥土的根系用水冲洗或浸泡，测量其长度。
在具体实施过程中，步骤3中，所述清淤深度结合资金投入综合设定，需满足去除植物根系的程度在90％。
在具体实施过程中，步骤4中，所述河道水动力数学模型为MIKE11水动力模型，用于模拟一维河网水动力环境，其输入参数包括河道里程、河道断面、河道糙率以及水位和流量。
在具体实施过程中，修改模型断面的方法：河道水动力数学模型中其它条件和参数保持不变，将相同起点距处洪水过后的河床高程与竣工断面高程相减，得到淤积厚度△H，清淤P％后的河底高程等于竣工断面高程加上△H(1-P％)。
在具体实施过程中，步骤5中，在判断清淤降低水位的防洪效益时，具体方法是对比水面线随清淤深度增大而降低的幅度，结合工程资金投入，选择效益最高的清淤方案。
在具体实施过程中，步骤5中，河段清淤深度的控制精度根据所选择清淤施工方式的最大可控精度确定。
在具体实施过程中，步骤5中，对主槽清淤施工的方式要因地制宜，根据河段的地理环境和是否具备断流施工的条件来选择清淤方案，清淤方案包括干式清淤和湿式清淤。
在具体实施过程中，若河岸宽阔、适宜断流，则选择用干式清淤；若河面宽阔、便于输送淤泥，则清淤方案湿式清淤。
在具体实施过程中，所述方法还包括步骤6：当河道淤积量超过现状淤积量10％-20％时，进行维护性清淤疏浚。
实施例3
本实施例以深圳河清淤工程进行说明。根据2014年汛后及2015年汛前、汛后深圳河水下地形测量结果显示，深圳河呈持续淤积态势，第一及二期工程范围河道整淤积量已超过清淤启动值330万m3；而且第三期工程河段投运多年来也呈现淤积，淤积量约为62万m3。现通过对深圳河采取清淤清障的方法来减少淤积进行说明。
目前，深圳河防洪能力降低的原因之一是植物生长侵占河道，局部河段植物宽度达到了河宽的50％。
根据防洪能力评估变化分析成果，防洪能力不足的主要原因之一是河道阻力增大。通过减小河道内行洪障碍，主要是河道内的植物阻力，从而降低上游水位。目前，深圳河管理中通过植物割除减小阻力，但其效果不佳。一方面是因为植物割除后仍有根茎和部分植物残留，仍然阻水，另一方面，深圳河边滩淤泥养分充足，植物生产快速。
由图3不同年代的植物范围变化可以看出，植物范围随淤积的发展逐步扩大，但2012年深圳河达到冲淤相对平衡后，深圳河的植物范围仍在扩大，植物范围的扩大速度小于边滩的淤长速度，主要是由于植物一般生长于高于0.5m(潮平均潮位)以上的区域，生根发芽需要适宜的条件。考虑到保留根茎时植物快速生长、清淤后植物范围扩大速度较慢，因此清淤清障的目的是清除便于植物生产的浅层淤泥，使得植物难以快速生长，同时扩大断面面积。
为了保留深圳河沿岸生态景观，及深圳河内淤泥滩动物生境，主要清除平滩水位以上至堤防设计平台之间(即为高滩区域)的植物，清除深度能够除去植物80％以上的根系即可，本案例中清淤深度为0.5m。高滩清障断面如图4所示。
采用Wolman(WOL)方法计算断面各高程位置的宽深比(B/H)，宽深比最小值所在水位即为平滩水位。
清淤范围包含整个一、二、三期河段。利用MIKE 11模型，计算分析不同的清淤程度，不同的清淤位置对提高深圳河防洪能力的效果。
分别研究了清淤20％、40％、60％、80％、100％的情况。为反映不同清淤程度的效果，在研究过程中仅修改水动力学模型中的断面，而保持其它条件和参数不变。对于某一断面，首先将相同起点距下2016年汛前河床高程与竣工断面高程相减，得到淤积厚度△H，清淤P％后的河底高程等于竣工断面高程加上△H(1-P％)。淤积厚度△H计算如表1所示。
表1深圳河三期段淤量泥计算表
Figure BDA0003763371810000071
Figure BDA0003763371810000081
通过MIKE 11水文/水力学模型的计算分析，得出2016年汛前断面和不同清淤程度(20％、40％、60％、80％、100％)下的水面线，将清淤后计算水面线与清淤前水面线相减即为清淤降低水面线的幅度。图2为不同清淤程度下水位降低值。不清淤的情况下，在50年一遇洪水下，最高水位基本不超过防浪墙，3+800到9+600河段防洪能力基本达到50年一遇，9+600以上河段防洪能力达到20年一遇，随着清淤程度增大，深圳河的防洪能力逐渐提高。
当全河段清淤20％时，一二期河段防洪能力达到50年；当清淤40％时，一二三期全河段防洪能力达到50年。
表2为不同清淤程度下水面线降低幅度表，从表中可以看出：(1)0+000～1+100河段水面线降低幅度较小，其原因在于下游河段高水位主要由下游设计高潮位控制；(2)1+100以上河段清淤程度越大，水面线降低的幅度越大。
表2不同清淤程度下水面线降低幅度表
Figure BDA0003763371810000091
表2中的不同清淤程度下水面线降低幅度值单位为m，表中百分比数值表示清淤程度。
根据清淤数学模型结果，在全河段清淤时随清淤程度增加水位降低值增大，但清淤程度超过60％时，每清淤20％对应的水位降低值有限，在局部清淤时可降低清淤河段以上的洪水位，当全河段清淤时，清淤40％时，全河段防洪能力达到50年。
以上所述的本发明的实施方式，并不构成对本发明保护范围的限定。任何在本发明的精神原则之内所作出的修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的权利要求保护范围之内。

Claims (7)

1.一种淤积型河道的清淤清障方法，其特征在于，包括：
步骤1：确定河道平滩水位，将河道平滩水位以上的区域划定为高滩区域，高滩区域即为的清淤清障的范围；本步骤中，根据宽深比最小值来确定平滩水位，即采用Wolman(WOL)方法计算平滩水位；
步骤2：通过遥感卫星图像获取河道范围内植物的分布区域，调查河道高滩区域各种植物的根系长度；本步骤中，调查河道高滩区域各种植物的根系长度具体包括：对每一种类的植物分别多点随机取样，取样采用挖掘法，避免挖掘时损失植物根系，将挖出的带泥土的根系用水冲洗或浸泡，测量其长度；
步骤3：根据高滩区域各种植物的根系长度设定清淤深度，所述清淤深度需满足去除植物根系的程度在80％以上；
步骤4：建立河道水动力数学模型，修改模型中的河道断面，使之反应不同清淤深度的工况；修改模型断面的方法：河道水动力数学模型中其它条件和参数保持不变，将相同起点距处洪水过后的河床高程与竣工断面高程相减，得到淤积厚度△H，清淤P％后的河底高程等于竣工断面高程加上△H(1-P％)；
步骤5：分河段计算出各清淤深度下的水面线，得到清淤降低水位的防洪效益，确定不同河段的清淤深度进行主槽清淤疏浚。
2.根据权利要求1所述的淤积型河道的清淤清障方法，其特征在于，步骤3中，所述清淤深度结合资金投入综合设定，需满足去除植物根系的程度在90％。
3.根据权利要求1所述的淤积型河道的清淤清障方法，其特征在于，步骤4中，所述河道水动力数学模型为MIKE11水动力模型，用于模拟一维河网水动力环境，其输入参数包括河道里程、河道断面、河道糙率以及水位和流量。
4.根据权利要求1所述的淤积型河道的清淤清障方法，其特征在于，步骤5中，在判断清淤降低水位的防洪效益时，具体方法是对比水面线随清淤深度增大而降低的幅度，结合工程资金投入，选择效益最高的清淤方案。
5.根据权利要求1所述的淤积型河道的清淤清障方法，其特征在于，步骤5中，河段清淤深度的控制精度根据所选择清淤施工方式的最大可控精度确定。
6.根据权利要求1所述的淤积型河道的清淤清障方法，其特征在于，步骤5中，对主槽清淤施工的方式要因地制宜，根据河段的地理环境和是否具备断流施工的条件来选择清淤方案，清淤方案包括干式清淤和湿式清淤；
若河岸宽阔、适宜断流，则选择用干式清淤；若河面宽阔、便于输送淤泥，则清淤方案湿式清淤。
7.根据权利要求1所述的淤积型河道的清淤清障方法，其特征在于，所述方法还包括步骤6：当河道淤积量超过现状淤积量10％-20％时，进行维护性清淤疏浚。
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