松花江哈爾濱段河道演變試驗(yàn)研究

王 智，宗 原

(中水東北勘測設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司，長春 130061)

1 流域概況

松花江是我國七大江河之一，有南北兩源，北源嫩江發(fā)源于大興安嶺伊勒呼里山，南源松花江三岔河上游區(qū)發(fā)源于長白山天池，兩源在三岔河匯合后稱松花江干流。松花江干流由西南向東北流經(jīng)肇源、哈爾濱、通河、依蘭、佳木斯、富錦等市縣，至同江市匯入中俄界河黑龍江，干流流域面積18.64×104km2，河道長939 km。哈爾濱以上為平原區(qū)，坡度較緩，河道比降為0.06‰。松花江干流哈爾濱市區(qū)段兩岸建有防洪堤，城堤間距一般6～8 km，個(gè)別堤段受工程控制間距不足2 km。

2 氣象水文

松花江流域?qū)僦袦貛Т箨懶约撅L(fēng)氣候，冬季嚴(yán)寒漫長少雪，春季干燥多風(fēng)，夏季濕熱，降雨集中，秋季降溫急驟。降雨多集中在季風(fēng)控制的夏秋季節(jié)，尤其集中在7-8月份。

松花江流域的洪水主要由暴雨產(chǎn)生，年最大洪峰出現(xiàn)在8-9月份較多。

松花江干流懸移質(zhì)輸沙量的年內(nèi)分配一般集中在汛期，尤其是7、8月份，且沙量比水量更為集中。哈爾濱站年平均輸沙量為678×104t，年輸沙模數(shù)為19.1 t/km2，年平均含沙量為0.187 kg/m3。

3 研究內(nèi)容

觀測天然情況下各種頻率洪水水面線、表流跡線、斷面流速分布及灘槽流量分配；在定床試驗(yàn)的基礎(chǔ)上進(jìn)行系列年渾水試驗(yàn)，測試試驗(yàn)河段的沖淤情況；分析并預(yù)測哈爾濱段河床演變。

4 模型設(shè)計(jì)

考慮到松花江為寬淺型河道，采用變態(tài)模型開展研究，平面比尺為350，垂直比尺為100，變率為3.5。本次試驗(yàn)?zāi)M范圍為四方臺大橋上游3 km至松浦大橋上游，河道長17.5 km，橫向包括兩岸堤防范圍內(nèi)的河道。

由于本模型研究的主要內(nèi)容是河勢演變及防洪問題，通過對本段河道的特性分析及結(jié)合以往的工程經(jīng)驗(yàn)，對本工程影響較大的是推移質(zhì)，因此模型沙的選擇主要取決于起動相似。根據(jù)本段河道特性以及試驗(yàn)研究目的，模型沙選用粉煤灰可較好滿足起動相似，模型沙相對密度為2.2，淤積干容重為0.65 t/m3。見表1。

表1 模型比尺匯總表

經(jīng)水面線驗(yàn)證、模型沙起動流速水槽驗(yàn)證，模型設(shè)計(jì)所選擇的起動流速比尺、推移質(zhì)輸沙率比尺和沖淤時(shí)間比尺適宜松花江哈爾濱段河道演變研究。

5 洪峰概化

由哈爾濱水文站歷年統(tǒng)計(jì)資料分析，選取1998年洪水作為典型的洪水過程，對其進(jìn)行同倍比放大后，相當(dāng)于100年一遇洪水頻率。模型將洪水過程進(jìn)行梯級概化，作為試驗(yàn)的上游邊界條件。見圖1。

圖1 1998年洪水過程梯級概化過程線

6 河道演變分析

6.1 水沙特性

松花江干流哈爾濱站多年平均徑流量為456.69×108m3，徑流年內(nèi)分配不均，主要集中在夏季，5-11月份徑流量占全年的86%，12月至次年4月份徑流量占全年的14%。哈爾濱站年平均輸沙量為678×104t，最大輸沙量為1 170×104t，年最小輸沙量為150×104t，最大輸沙量是最小輸沙量的7.7倍，年最大輸沙量是多年平均輸沙量的1.72倍。

6.2 河道特征

松花江干流哈爾濱市區(qū)段為平原區(qū)，坡降較緩，約為0.06‰，主河槽一般呈U形，屬復(fù)式河床，河灘地較寬闊，兩岸堤防間距約5 km，主河槽寬約500 m。經(jīng)計(jì)算，哈爾濱段河道的彎曲系數(shù)在1.3左右，河相關(guān)系系數(shù)ζ(=B0.5/h)為5.3，表明本計(jì)算河段屬于分汊型河道。

本段河道泥沙中值粒徑為0.26 mm，河道比降J為0.06‰，Φh′=d/J=4.33，水流強(qiáng)度大于止動條件而小于揚(yáng)動條件，河床可動性較弱，河床泥沙僅以推移質(zhì)的形式輸移，基本穩(wěn)定。本段河道河岸穩(wěn)定系數(shù)Φb=0.75，數(shù)值介于黃河與長江之間，說明本段河道橫向略欠穩(wěn)定。

從河道演變理論分析來看，本段河道縱向穩(wěn)定、橫向欠穩(wěn)定。從河勢變化來看，在1998年洪水后及哈爾濱城市地方的改線、擴(kuò)建，主河槽發(fā)生了變遷，現(xiàn)有主河槽及汊河在現(xiàn)有堤防、跨江橋梁、太陽島圍堤及造船廠以及航道整治工程的控制下，河勢基本趨于穩(wěn)定。

此外，受大頂子山樞紐抬高水位的影響，庫區(qū)回水影響哈爾濱段松花江，在一定程度上使流速降低，相應(yīng)的河岸趨于穩(wěn)定。在現(xiàn)狀條件下及水庫淤積平衡后回水區(qū)松花江河道的沖淤變化進(jìn)行初步分析，水庫在運(yùn)行20年后回水區(qū)淤積趨于平衡，但因汛期大頂子航電樞紐為敞泄，庫區(qū)內(nèi)總體淤積量不大。

7 模型試驗(yàn)結(jié)論

通過河道沖淤前后的地形圖可以看出，典型年洪水過后地形有沖有淤，沖淤幅度都不大。

松花江哈爾濱段右側(cè)主汊主槽彎曲段凹岸沖刷明顯，河道有向右側(cè)凹岸擴(kuò)張的趨勢，最大沖深點(diǎn)與流速最大部位相對應(yīng)，沖刷后主槽最深點(diǎn)高程103.49 m。

左汊泄洪渠沖刷現(xiàn)象不明顯，僅在小島南部發(fā)生局部沖刷現(xiàn)象，最大沖深1.77 m，沖刷后河道最深點(diǎn)高程109.30 m。

河道演變理論分析松花江哈爾濱段為縱向穩(wěn)定、橫向欠穩(wěn)定的分汊型河道，在兩岸防洪工程的束縛下，基本不會發(fā)生大的河勢變化。由河工模型試驗(yàn)成果來看，河道內(nèi)沖淤變化幅度較小，基本不會發(fā)生平面上的移動，松花江哈爾濱段河勢基本是穩(wěn)定的。