多沙河流河道淤積厚度初探

□金　文（遼寧省水利水電勘測設(shè)計(jì)研究院）

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多沙河流河道淤積厚度初探

□金文（遼寧省水利水電勘測設(shè)計(jì)研究院）

摘要：多沙河流因有大量泥沙下泄，河道逐年淤積抬高，造成下游河道成為地上“懸河”，河道主槽擺動(dòng)劇烈，河勢游蕩，泥沙淤積嚴(yán)重危及兩岸防洪安全。因此，預(yù)測泥沙淤積厚度對(duì)防洪工程設(shè)計(jì)至關(guān)重要。文章對(duì)柳河河道泥沙沖淤情況進(jìn)行分析，對(duì)河道淤積進(jìn)行初步預(yù)測，提出河道淤積厚度，供柳河河道工程及其它多沙河流設(shè)計(jì)參考。

關(guān)鍵詞：柳河；泥沙淤積；厚度

0　引言

多沙河流因有大量泥沙下泄，河道逐年淤積抬高，造成下游河道成為地上“懸河”，同時(shí)，河道主槽擺動(dòng)劇烈，河勢游蕩，泥沙淤積已經(jīng)嚴(yán)重危及河流兩岸的防洪安全。多沙河流的泥沙淤積是一個(gè)亟待解決的問題。柳河是遼河中下游右側(cè)的一條多泥沙支流，由于柳河上游泥沙大量下泄，泥沙淤積嚴(yán)重影響了新民市及柳河口以下遼河干流的防洪安全。文章通過對(duì)遼河下游泥沙沖淤演變規(guī)律的初步分析研究，為下一步深入研究遼河干流的泥沙沖淤規(guī)律、確定遼河干流輸沙減淤的對(duì)策措施等工作提供基本建議與依據(jù)。

1　設(shè)計(jì)依據(jù)

《河道整治設(shè)計(jì)規(guī)范》6.1.1“河床演變分析可采用資料分析、數(shù)學(xué)模型計(jì)算和河工模型試驗(yàn)等方法。”A.1.4“對(duì)多沙河流或沖淤變化較大的河流應(yīng)采用輸沙率法和斷面法同時(shí)計(jì)算，計(jì)算成果宜采用斷面法成果。當(dāng)兩種成果相差較大時(shí)，應(yīng)分析產(chǎn)生差別的原因后合理確定。”

2　計(jì)算方法

按照《河道整治設(shè)計(jì)規(guī)范》6.1.1的要求，泥沙沖淤分析可采用資料分析、數(shù)學(xué)模型計(jì)算和河工模型試驗(yàn)等方法，本次泥沙沖淤計(jì)算采用資料分析法。按照《河道整治設(shè)計(jì)規(guī)范》A.1.4的要求，多沙河流河段沖淤量計(jì)算應(yīng)采用輸沙率法和斷面法同時(shí)計(jì)算。

2.1輸沙率法計(jì)算原理

輸沙率法計(jì)算河段沖淤量的原理：河段上站來沙量與河段區(qū)間來沙量之和減去河段下站來沙量及河段區(qū)間引出沙量，得到河段沖淤重量，除以泥沙干密度得到河段沖淤的體積，按照均勻沖淤的假設(shè)，得到河段的沖淤厚度。公式如下：

式中：△W—河段沖淤重量（t）；△V—河段沖淤體積（m3）W上s—河段上站來沙量（t）；W入s—河段區(qū)間來沙量（t）；W出s—河段區(qū)間引出沙量（t）；W下s—河段下站輸沙量（t）；ρ'—河段泥沙沖淤量干密度（t/m3）。；

2.2斷面法計(jì)算原理

斷面法計(jì)算河段沖淤量的原理：下一測次斷面面積減去上一測次斷面面積，得到本斷面該時(shí)段的沖淤面積，河段內(nèi)相鄰斷面的沖淤面積的平均值與河道斷面間距相乘之后累加，得到河段的沖淤體積，按照某個(gè)河段均勻沖淤的假設(shè)，得到該河段的沖淤厚度。公式如下：

式中：Ani—上一測次斷面面積（m2）；Ani+1—下一測次斷面面積（m2）；△Ai—本斷面的沖淤面積（m2），負(fù)為沖，正為淤；△Ai-1—上斷面的沖淤面積（m2）；△Vi—本斷面與上斷面間的沖淤體積（m3）；△V—河段內(nèi)的沖淤體積（m3）；△L—河道斷面間距（m）。

3　柳河流域河道泥沙淤積厚度計(jì)算

3.1柳河流域泥沙概況

柳河是遼河中下游右側(cè)的一條多泥沙支流，發(fā)源于內(nèi)蒙古奈曼旗的雙山子，流經(jīng)內(nèi)蒙古的庫侖旗、科左后旗及遼寧省阜新縣、彰武縣、新民市等六個(gè)市、縣、旗，在新民市城南王家堡村附近注入遼河。河流全長302 km，總流域面積5345 km2。據(jù)統(tǒng)計(jì)，1957-2011年，柳河鬧德海水文站多年平均含沙量為48.85 kg/m3，彰武水文站多年平均含沙量為22.64 kg/m3，新民水文站多年平均含沙量為18.96 kg/m3，屬于典型的多沙河流。柳河鬧德海以上流域平均侵蝕模數(shù)達(dá)4000 t/（km2·a）以上，1957-2011年鬧德海水庫多年平均出庫沙量1093.66×104t，其中619.87×104t（占鬧德海出庫沙量的56.68%）淤積在下游鬧德海～新民河段，另外473.78×104t（占鬧德海出庫沙量的43.32%）泥沙泄入遼河，成為遼河下游泥沙的主要來源。

3.2流域產(chǎn)沙特性

3.2.1泥沙來源

柳河的泥沙主要來自鬧德海以上地區(qū)，其中南支扣河子、北支養(yǎng)畜牧河和中支鐵牛河上的三個(gè)水文站的來沙量占鬧德海來沙量的比重為：石門子站為48.90%，三家子站和白廟子站為45.80%，養(yǎng)畜牧河、鐵牛河泥沙侵蝕模數(shù)分別為5900 t/（km2·a）和7380 t（km2·a），為柳河流域泥沙侵蝕模數(shù)最大的地區(qū)。

3.2.2泥沙的年際、年內(nèi)變化

柳河流域輸沙量的年際變化很大，最大年輸沙量與最小年輸沙量的比值為301～18164倍。柳河流域輸沙量的年內(nèi)分配極不均勻，每年的輸沙量主要集中在汛期，汛期又集中在七、八月的一次洪水過程。鬧德海多年平均汛期入庫沙量占全年沙量的92.58%，大水年這種情況尤為突出，如1963年，汛期入庫沙量占全年的98.80%，7-8月入庫沙量占全年的98.30%。

3.3基礎(chǔ)資料

3.3.1水文站泥沙實(shí)測資料

柳河干流上有鬧德海、彰武、新民3處水文站，除彰武水文站1956年1月至1967年5月、2001年、2002年沒有泥沙測量資料外，其他2站均有1957～2011年實(shí)測泥沙資料。各水文測站分布情況見柳河流域水系圖（見圖1）。

圖1　柳河流域水系示意圖

3.3.2河道斷面資料

柳河河道斷面資料有1980年鬧德海水庫壩下～柳河口段河道斷面，共計(jì)55條；2005年鬧德海水庫壩下～柳河口段河道斷面，共計(jì)64條，其中，橋梁斷面10條；2013年鬧德海水庫壩下～彰武縣城段河道斷面，共計(jì)29條，其中，橋梁斷面4條；2015年彰武縣城～柳河口段河道斷面，共計(jì)36條，其中，橋梁斷面6條。

3.4計(jì)算結(jié)果

3.4.1輸沙率法泥沙沖淤計(jì)算

柳河鬧德海水庫壩下～河口段沒有較大支流匯入，也沒有較大水量引出，因此，本次計(jì)算時(shí)假設(shè)柳河相鄰兩個(gè)水文站的輸沙量的差值，即為該河段的沖淤量。按照鬧德海水文站與彰武水文站之間、彰武水文站與新民水文站之間、鬧德海水文站～新民水文站之間的泥沙均勻鋪設(shè)在本段河道內(nèi)的假設(shè)，1957～2011 a，柳河河道淤積厚度計(jì)算值見表1。

表1　柳河河道淤積高估算（輸沙率法）值表

由表1可見，1957-1979年豐水時(shí)段，鬧德海水文站～彰武水文站河段，年平均淤積8.70 cm，彰武水文站～新民水文站河段，年平均沖刷0.10 cm，鬧德海水文站～新民水文站河段，年平均淤積0.04 cm；1980-2011年枯水時(shí)段，鬧德海水文站～彰武水文站河段，年平均淤積0.70 cm，彰武水文站～新民水文站河段，年平均淤積0.40 cm，鬧德海水文站～新民水文站河段，年平均淤積0.60 cm；1957-2011年，經(jīng)歷了一個(gè)包含豐水年、枯水年的長系列后，鬧德海水文站～彰武水文站河段，年平均淤積3.60 cm，彰武水文站～新民水文站河段，年平均淤積0.40 cm，鬧德海水文站～新民水文站河段，年平均淤積1.90 cm。

3.4.2斷面法泥沙沖淤計(jì)算

柳河實(shí)測1980年、2005年鬧德海水庫壩下～柳河口段河道斷面，2013年鬧德海水庫壩下～彰武縣城段河道斷面，2015年彰武縣城～柳河口段河道斷面。2013-2015年，柳河沒有發(fā)生過大洪水，河道基本沒有變化，可以把2013年斷面、2015年斷面看做一套斷面。本次以1980、2005、2013及2015年柳河河道地形為基礎(chǔ)，通過斷面法來分析河道的沖淤，1980-2005年，鬧德海壩下～彰武水文站河段共沖刷9.90 cm，彰武水文站～新民水文站河段共淤積12.30 cm，新民水文站～河口河段共淤積28.00 cm；2005-2013（2015）年，鬧德海壩下～彰武水文站河段共沖刷6.10 cm，彰武水文站～新民水文站河段共沖刷4.10 cm，新民水文站～河口河段共沖刷29.80 cm。

3.5計(jì)算結(jié)果分析

《河道整治設(shè)計(jì)規(guī)范》A.1.4“對(duì)多沙河流或沖淤變化較大的河流應(yīng)采用輸沙率法和斷面法同時(shí)計(jì)算，計(jì)算成果宜采用斷面法成果。當(dāng)兩種成果相差較大時(shí)，應(yīng)分析產(chǎn)生差別的原因后合理確定。”由于柳河自1980年至今，總體上處于枯水時(shí)段，因此，本次斷面法泥沙淤積厚度僅能代表1980-2015年的情況，因未包含豐水時(shí)段、中水時(shí)段，代表性不強(qiáng)。輸沙率法的計(jì)算時(shí)段為1957-2011年，系列較長，并包含了豐水時(shí)段、中水時(shí)段和枯水時(shí)段，代表性好，因此，本次計(jì)算采用輸沙率法成果是比較合理的。

4　河道淤積厚度采用

由輸沙率法泥沙沖淤計(jì)算成果可知，柳河鬧德海水文站～新民水文站河段，多年平均淤積1.90 cm。新民城市段防洪標(biāo)準(zhǔn)為50 a一遇，農(nóng)村段防洪標(biāo)準(zhǔn)為20 a一遇，堤防合理使用年限分別為50 a和30 a。考慮到淤積一定年限后，河道有淤積平衡的趨勢，本次以使用年限的一半作為淤積年限，則新民城市段河道25 a淤積50 cm，農(nóng)村段河道15 a淤積30 cm。柳河鬧得海水庫壩下～彰武縣城河段，河道平均寬度約為800～1800 m；彰武城市段河道寬度約為450 m，彰武城市段單寬流量約為6.70 m2/s；新民段河道寬度為1050～4300 m，新民段單寬流量多在2 m3/s以下。彰武城市段是柳河河道寬度最小的河段，根據(jù)泥沙淤積一般規(guī)律，彰武城市段泥沙淤積程度應(yīng)較其上、下游河段輕，彰武城市段河道淤積厚度取20 cm。本次河道淤積厚度計(jì)算成果與《柳河（彰武縣段）防洪治理（一期）工程初步設(shè)計(jì)報(bào)告》和《柳河新民城市段防洪應(yīng)急工程初步設(shè)計(jì)報(bào)告》的成果也是一致的，這也符合設(shè)計(jì)成果的延續(xù)性和一致性。

參考文獻(xiàn)

［1］遼河下游泥沙治理措施思路專題研究［R］.遼寧省水利水電勘測設(shè)計(jì)研究院，2009（6）.

［2］柳河（彰武縣段）防洪治理（一期）工程初步設(shè)計(jì)報(bào)告［R］.遼寧省水利水電勘測設(shè)計(jì)研究院，2015（7）.

（責(zé)任編輯：左英勇）

中圖分類號(hào)：TV91

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1673-8853（2016）04-0118-03

作者簡介：金文（1983-），女，工程師，主要從事水利規(guī)劃設(shè)計(jì)工作。

收稿日期：2016-01-22