遼河各水沙來(lái)源區(qū)對(duì)下游泥沙沉積的影響

陳 楊

（沈陽(yáng)農(nóng)業(yè)大學(xué)高等職業(yè)技術(shù)學(xué)院，沈陽(yáng) 110122）

遼河各水沙來(lái)源區(qū)對(duì)下游泥沙沉積的影響

陳 楊

（沈陽(yáng)農(nóng)業(yè)大學(xué)高等職業(yè)技術(shù)學(xué)院，沈陽(yáng) 110122）

以遼河中下游有關(guān)水文站年系列資料為基礎(chǔ)，運(yùn)用泥沙收支平衡法，研究遼河中下游泥沙時(shí)空分布，結(jié)果表明：巨流河至六間房河段為遼河中下游強(qiáng)烈沉積區(qū)。運(yùn)用統(tǒng)計(jì)學(xué)方法，研究巨流河—六間房河段泥沙沉積量與上游不同水沙來(lái)源區(qū)水沙量相關(guān)關(guān)系。分析結(jié)果表明：遼河下游巨流河—六間房河段沉積量與遼河支流柳河產(chǎn)沙區(qū)產(chǎn)沙量具有較好的相關(guān)關(guān)系，柳河產(chǎn)沙量的變化對(duì)遼河下游河道泥沙沉積量的變化起著主要的控制作用，且柳河汛期單位來(lái)水來(lái)沙量較全年單位來(lái)水來(lái)沙量對(duì)遼河下游沉積量的貢獻(xiàn)率更大。因此，為緩解遼河下游河道沉積問(wèn)題，柳河水土流失的治理亟待加強(qiáng)。

泥沙來(lái)源區(qū)；河道泥沙沉積；遼河中下游

一個(gè)流域系統(tǒng)可以分為侵蝕帶、輸移帶與沉積帶［1］，各帶之間具有一定的耦合關(guān)系［2］。對(duì)于具有水沙異源特性的大型流域，不同水沙來(lái)源區(qū)產(chǎn)生的泥沙對(duì)于沉積帶沉積過(guò)程的影響是不同的［3］，基于這種認(rèn)識(shí)，可以在對(duì)與下游沉積帶影響最大的泥沙來(lái)源區(qū)展開(kāi)治理，來(lái)緩解下游河道沉積問(wèn)題，從而減輕泥沙沉積對(duì)防洪的壓力。

遼河的含沙量較高，僅次于黃河、海河，為中國(guó)第3位。遼河下游多年平均輸沙量達(dá)1 187．96× 104t，多年平均含沙量達(dá)3．32 kg／m3，其下游河段嚴(yán)重淤積，在一定程度上影響了遼河的水利功能及流域內(nèi)的生活、生產(chǎn)、生態(tài)。本文以大量實(shí)測(cè)資料為基礎(chǔ)，對(duì)遼河中下游泥沙沉積特性進(jìn)行系統(tǒng)的分析，具有一定的理論與現(xiàn)實(shí)意義。

1 研究區(qū)概況

遼河位于中國(guó)東北地區(qū)南部，是我國(guó)七大江河之一。遼河上游兩大支流東、西遼河在遼寧昌圖福德店匯合后稱(chēng)遼河干流。遼河中下游，主要指福德店至遼中縣六間房河口段的遼河干流地區(qū)，流域面積約為4．5×104km2，全長(zhǎng)512 km。福德店至鐵嶺段是低山丘陵區(qū)，鐵嶺以下逐漸進(jìn)入平原地區(qū)，且河流密布于平原。流域內(nèi)共有100 km2以上河流129條，其中直接匯入的一級(jí)支流29條。福德店至巨流河為遼河中游，該段東側(cè)匯入招蘇臺(tái)河、清河、柴河、?河等支流，西側(cè)匯入秀水河、養(yǎng)息牧河；巨流河以下至六間房河口為遼河下游，該段西側(cè)有柳河匯入。

福德店至鐵嶺河長(zhǎng)約278 km，河道在鐵嶺以上為丘陵區(qū)河道，支流發(fā)育，水量豐富，平均河道比降0．23‰，河寬125～300 m，平面形態(tài)蜿蜒曲折；鐵嶺以下進(jìn)入平原，河寬200～300 m，比降0．18‰～0．16‰，河道尚屬穩(wěn)定；但巨流河以下因有多沙支流柳河加入，使柳河口上、下河道淤積嚴(yán)重，比降上緩下陡，河道平面形態(tài)變?yōu)閷挏\順直，寬深比5．7～33，主流分汊多變；六間房以下屬河口區(qū)。總之，遼河中下游河道蜿蜒曲折，河勢(shì)多變［4］。遼河中下游河道主要特征值如表1所示。

表1 遼河中下游干流河道主要特征值統(tǒng)計(jì)表Table 1 The statistics ofmain feature values in themain stream of them iddle and lower reaches of Liaohe River

2 資料來(lái)源與研究方法

為了研究遼河各來(lái)源區(qū)的水沙變化，本文利用了遼河干流福德店站、通江口站、鐵嶺站、巨流河站、六間房站及遼河下游支流柳河新民站1988－2005年間的年輸沙量和年徑流量資料（新民站資料為1988－2003年間）。這些資料均來(lái)自上述水文站。遼河中下游水系及水文站位置見(jiàn)圖1。

圖1 遼河中下游水系及水文站位置圖Fig．1 W ater system and hydrometric station locations of them iddle and lower reaches of Liaohe River

本文采用泥沙收支平衡（Sediment Budget）的方法［5］，來(lái)確定遼河中下游各河段的沉積量。遼河上游兩大支流東、西遼河在福德店站匯入遼河干流，因西遼河流域面積占福德店以上流域面積的90%，年徑流量、年輸沙量分別占福德店年徑流量、年輸沙量的67%和92．8%，而東遼河的水沙量較小且缺少長(zhǎng)系列資料，可忽略東遼河的來(lái)水來(lái)沙量，故福德店可作為西遼河控制站；在福德店至巨流河間，招蘇臺(tái)河、清河、柴河、?河、秀水河、養(yǎng)息牧河等支流入?yún)R遼河的來(lái)水來(lái)沙量總和，由巨流河站與福德店站水沙量差值反映；下游支流柳河在新民匯入遼河，其控制站為新民站；六間房站為遼河出口控制站。遼河中下游干流泥沙輸入、輸出關(guān)系可以概化為圖2。

圖2 遼河中下游干流泥沙輸入、輸出關(guān)系概化圖Fig．2 Diagram show ing input and output of sediment of themain stream in them idd le and lower reaches of Liaohe River

基于泥沙收支平衡的概念，可以按下式確定遼河中下游各河段泥沙年沉積量：

按照上列（1）式可以計(jì)算出遼河中下游各水文站間河段的歷年泥沙沉積量，以確定遼河中下游重點(diǎn)沉積河段，公式中所涉及到的各個(gè)水文站的輸沙資料均來(lái)自有關(guān)水文站。在確定了泥沙沉積量之后，運(yùn)用統(tǒng)計(jì)學(xué)方法，將重點(diǎn)沉積河段泥沙沉積量與上游各水沙來(lái)源區(qū)的水文泥沙特征值相聯(lián)系，建立經(jīng)驗(yàn)統(tǒng)計(jì)關(guān)系，以揭示遼河中下游重點(diǎn)沉積河段泥沙沉積量與上游不同水沙來(lái)源區(qū)來(lái)水來(lái)沙的相關(guān)關(guān)系，以確定對(duì)重點(diǎn)沉積河段影響最大的泥沙來(lái)源區(qū)。

3 研究結(jié)果

3．1 水沙來(lái)源區(qū)的劃分

以1988 2005年的水文資料為基礎(chǔ)，將遼河?xùn)|、西兩側(cè)主要支流的來(lái)水、來(lái)沙量進(jìn)行對(duì)比，西部各支流徑流量明顯小于東部各支流，東部各支流徑流量占全部徑流量的57．52%；而輸沙量則占全部輸沙量的11．61%。西部各支流徑流量占全部徑流量的42．48%；而輸沙量卻占全部輸沙量的88．39%。特別是遼河上游支流西遼河與下游支流柳河的輸沙量分別占全部輸沙量的43．78%與34．11%，西遼河流域的年均產(chǎn)沙模數(shù)為53．77 t／km2·a，而柳河流域的年均產(chǎn)沙模數(shù)高達(dá)366．09 t／km2·a。故遼河水沙有“水沙異源、東水西沙”的分布特點(diǎn)，支流西遼河與柳河為遼河的重點(diǎn)產(chǎn)沙區(qū)，可稱(chēng)之為多沙區(qū)。其余地區(qū)，主要包括東遼河、招蘇臺(tái)河、清河、柴河、?河等支流，可以認(rèn)為是少沙清水區(qū)。

3．2 泥沙沉積的時(shí)間、空間分布

用泥沙收支平衡法統(tǒng)計(jì)的遼河中下游各河段，在1988－1999年、2000－2005年2個(gè)時(shí)段以及1988－2005年整個(gè)18年系列的總沉積量和多年平均值詳見(jiàn)表2（其中巨流河六間房河段統(tǒng)計(jì)年段為1988－2003年），并繪成沖淤量累積曲線(xiàn)如圖3所示。

表2 遼河中下游各河段沉積量Table 2 Volumes of deposition of all the rivercourses in them iddle and lower reaches of Liaohe River 104t

由圖3可知，1988－2005年遼河福德店至鐵嶺河段泥沙以沖刷為主；鐵嶺以下以沉積為主，產(chǎn)生沖刷的年份很少，且沖刷量很小，大部分泥沙沉積在巨流河至六間房河段內(nèi)。由表2可知，1988－1999年遼河豐水豐沙，所以各河段大沖大淤，其中巨流河六間房河段沉積最多，12年沉積泥沙5 630×104t，平均每年沉積511．82×104t；2000－2005年是連續(xù)6年枯水，鐵嶺以上各段表現(xiàn)為微沖，巨流河六間房河段沉積308．21×104t，平均每年沉積61．64×104t。1988－2005年福德店至六間房總計(jì)沉積量為7 969．64× 104t，從沉積的空間分布來(lái)看，巨流河六間房河段泥沙沉積量為5 938．21×104t，占總沉積量的74．51%，鐵嶺巨流河河段泥沙沉積量為2 031．43× 104t，占沉積總量的25．49%。由此可認(rèn)為，巨流河六間房河段為遼河中下游泥沙強(qiáng)烈沉積區(qū)。

3．3巨流河六間房河段年沉積量與上游各水沙來(lái)源區(qū)年水沙量相關(guān)關(guān)系分析

表3中列出了巨流河六間房河段年沉積量（Sdep，J－L）與上游各水沙來(lái)源區(qū)的年水沙量的相關(guān)關(guān)系矩陣。從中可以看到，Sdep，J－L與福德店站年徑流量和年輸沙量的相關(guān)系數(shù)為0．50和0．55，Sdep，J－L與新民站年徑流量和年輸沙量的相關(guān)系數(shù)為0．74和0．86。顯著性檢驗(yàn)表明，Sdep，J－L與新民站年徑流量和年輸沙量相關(guān)系數(shù)的顯著程度分別為0．0372 69和0．020 192；Sdep，J－L與福德店站年徑流量和年輸沙量相關(guān)系數(shù)的顯著程度分別為0．119 383和 0．095 041。由此可見(jiàn)，巨流河六間房河段年沉積量與新民站年徑流量和年輸沙量的相關(guān)關(guān)系較為顯著，與福德店站年徑流量和年輸沙量的相關(guān)關(guān)系不顯著。Sdep，J－L與福德店至巨流河間匯入的東、西兩側(cè)支流年徑流量和年輸沙量相關(guān)系數(shù)較小，相關(guān)關(guān)系不顯著。故可以認(rèn)為，巨流河六間房河段年沉積量主要受多沙區(qū)柳河來(lái)水來(lái)沙量的控制，與多沙區(qū)西遼河及少沙清水區(qū)的關(guān)系不密切。

3．4巨流河六間房河段泥沙沉積量與柳河全年及汛期來(lái)水來(lái)沙量的相關(guān)關(guān)系分析

圖3 遼河中下游沿程各河段泥沙累計(jì)沖淤量（1988－2005年）Fig．3 The volume of accumulated scour sedimentation in them idd le and lower reaches of Liaohe River（1988－2005）

圖4新民站的年輸沙量及巨流河六間房河段年沉積量隨時(shí)間的變化Fig．4 The changes of Xinm in annual sediment transport and Juliuhe to Liujianfang rivercourse annual deposition w ith time respectively（1988－2003）

為了查明柳河產(chǎn)沙區(qū)對(duì)巨流河六間房河段沉積量的影響，首先繪出柳河新民站的年輸沙量與巨流河六間房河段年沉積量隨時(shí)間的變化圖（圖4）。為了更清楚地顯示變化趨勢(shì)，圖中繪出了5年移動(dòng)平均線(xiàn)?？梢钥吹?，巨流河六間房河段沉積量與柳河產(chǎn)沙量的變化有很好的同步關(guān)系。自2000年以來(lái)巨流河六間房河段年沉積量呈明顯的減小趨勢(shì)，這種變化趨勢(shì)與柳河產(chǎn)沙量的變化趨勢(shì)相同。這進(jìn)一步說(shuō)明，柳河產(chǎn)沙量變化對(duì)巨流河六間房河段沉積量變化的控制作用較大。

圖5點(diǎn)繪了柳河新民站全年、汛期來(lái)水來(lái)沙量與巨流河六間房河段全年、汛期沉積量之間的關(guān)系，用冪函數(shù)進(jìn)行擬合。對(duì)相關(guān)系數(shù)的顯著性進(jìn)行了檢驗(yàn)，結(jié)果表明，相關(guān)系數(shù)在0．05的水平上是較顯著的。

表3巨流河六間房河段年沉積量與上游各水沙來(lái)源區(qū)的年水沙量的相關(guān)關(guān)系矩陣（1988－2005）（Qw，QS分別表示年徑流量和年輸沙量，下標(biāo)中的地名為站名）Table 3 Correlation matrixes between sediment deposition amount from Juliuhe to Liujianfang reach and water and sediment load from different source areas（1988－2005）

從圖中可看到，巨流河六間房河段全年及汛期沉積量與新民站全年及汛期來(lái)沙量都具有較好的相關(guān)關(guān)系，但汛期擬合函數(shù)的指數(shù)、系數(shù)較全年的略大一些，即柳河汛期單位來(lái)沙量對(duì)巨流河六間房河段沉積量的貢獻(xiàn)率略大一些。巨流河六間房河段全年及汛期沉積量與新民站全年及汛期來(lái)水關(guān)系為沉積量隨著來(lái)水量的增大而增大，增大的趨勢(shì)在汛期較全年要大一些，說(shuō)明柳河汛期單位來(lái)水量對(duì)巨流河六間房河段沉積量貢獻(xiàn)率要大一些。巨流河六間房河段沉積量隨柳河來(lái)水的增大而增大是因?yàn)閬?lái)水量大時(shí)產(chǎn)沙量也大，這時(shí)，輸出流域和沉積在流域內(nèi)的泥沙都有所增加。并且柳河上游鬧德海水庫(kù)采用“蓄清排渾”運(yùn)行模式后，相同流量情況下汛期向下游輸送更多的泥沙，進(jìn)而也造成了沉積的增加，而非汛期下游會(huì)有一定程度的沖刷出現(xiàn)。當(dāng)然，如果出現(xiàn)計(jì)算年限之外的更大的徑流，這種關(guān)系可能會(huì)發(fā)生更為復(fù)雜的變化［6］。

以上分析表明，遼河下游泥沙沉積主要受多沙區(qū)柳河來(lái)水來(lái)沙的控制，且柳河汛期水沙量較全年水沙量貢獻(xiàn)率更大。柳河是全國(guó)有名的多沙河流，流域內(nèi)荒山禿嶺，水土流失十分嚴(yán)重，大量泥沙經(jīng)鬧德海水庫(kù)下泄后進(jìn)入遼河，因柳河洪水一般不與遼河洪水遭遇，絕大部分淤積在柳河河口及遼河下游河道，使河床不斷抬高，河道泄洪能力減小，嚴(yán)重影響遼河下游工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)及交通安全。因此，治理柳河、興利除害、減少入遼泥沙是一項(xiàng)十分重要的任務(wù)。

4 結(jié) 論

（1）遼河下游泥沙主要以沉積為主，產(chǎn)生沖刷的年份很少，且沖刷量不大。從沉積的空間分布來(lái)看，在1988－2005年間，巨流河六間房河段沉積量占遼河中下游總沉積量的74．51%，鐵嶺巨流河河段沉積量占總沉積量的25．49%。巨流河六間房河段為遼河中下游泥沙強(qiáng)烈沉積區(qū)。

（2）巨流河六間房河段年沉積量主要受多沙區(qū)柳河來(lái)水來(lái)沙量的控制，與西遼河及少沙清水區(qū)來(lái)水來(lái)沙的關(guān)系不密切；巨流河六間房河段泥沙沉積與柳河新民站全年及汛期來(lái)水來(lái)沙都具有較好的相關(guān)關(guān)系，汛期單位來(lái)沙量較全年單位來(lái)沙量對(duì)巨流河

六間房河段沉積量的貢獻(xiàn)率略大一些，汛期單位來(lái)水量較全年單位來(lái)水量對(duì)巨流河—六間房河段沉積量貢獻(xiàn)率要大一些。因此，為緩解遼河下游河道沉積問(wèn)題，對(duì)柳河水土流失的治理需亟待加強(qiáng)。

（3）解決泥沙沉積對(duì)遼河下游河道的影響有效的方法是在多沙區(qū)柳河易發(fā)生水土流失的河流兩岸，采取保護(hù)性生態(tài)修護(hù)、退耕還林等水土保持措施，控制柳河上游的水土流失。柳河流域的水土保持必須從小流域治理入手，以小流域?yàn)閱卧M(jìn)行綜合治理是改善柳河泥沙問(wèn)題以及流域生態(tài)環(huán)境的根本出路。

圖5 遼河下游（巨流河六間房河段）沉積量與新民站全年及汛期來(lái)水來(lái)沙量相關(guān)關(guān)系Fig．5 The relations between the com ing water and sediment at Xinm in station and the deposition of the lower reaches of Liaohe River from Juliuhe to Liujianfang reach

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［11］陳仲先，湯 雷．高地應(yīng)力大型地下洞室的位移和錨桿應(yīng)力特性［J］．巖土工程學(xué)報(bào)，2000，22（3）：294－298．（CHEN Zhong xian，TANG Lei．Rock displace ment and load of bolts around large scale cavities with high stress［J］．Chinese Journal of Geotechnical and En gineering，2000，22（3）：294－298．（in Chinese））

（編輯：曾小漢）

Formation M echanism Analysis of Collapse Occurring in Underground Powerhouse

MENG Fan li，CHEN Xiang hao，HEWei，F(xiàn)EIWen ping，CUIHua li
（College ofWater Resource and Hydropower，Sichuan University，Chengdu 610065，China）

During the first stage excavation of the giant underground powerhouse，a collapse occurred between 0＋125－0＋147 m with the total collapse volume of5 000 m3and the cavity appeared like an irregular gourd shape．In accordance with monitoring result of the construction period，the formation mechanism of collapse is expounded from the five aspects of engineering geology，blasting vibration，excavation unloading，supportmeasures aswell as stress concentration．It is concluded that the primary cause of collapse formation in the underground powerhouse is the existence of vein faultβ80，while the direct cause is that deformation of vein faultβ80caused by excavation and blasting vibration cannot be effectively controlled by supportmeasures．So appropriate supports and reinforcement measures should be taken in the exposed surface of excavation in the zone of fracture and surrounding rock deforma tion monitoring should be strengthened，which is the effectivemeans to prevent collapse occurrence．

underground powerhouse；collapse；safetymonitoring；treatment

TV142．1

A

1001－5485（2010）05－0004－04

2009 05 13

國(guó)家自然科學(xué)青年基金項(xiàng)目（40601054）；遼寧省教育廳高等學(xué)?？茖W(xué)研究青年基金項(xiàng)目（05L403）

陳 楊（1979 ），女，遼寧沈陽(yáng)人，碩士，主要從事土壤侵蝕規(guī)律及其治理方面的研究，（電話(huà)）024 88760303（電子信箱）cheny ang．lele＠163．com。