李家峽水庫(kù)變動(dòng)回水區(qū)散亂淺灘整治研究

徐成偉

（南京水利科學(xué)研究院水文水資源及水利工程科學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南京210029）

黃河穿過(guò)40 km長(zhǎng)的龍羊峽谷以后，經(jīng)拉西瓦、尼那進(jìn)入貴德川地，又經(jīng)阿什貢峽、松巴峽，到達(dá)李家峽。李家峽大壩位于青海省尖扎縣和化隆縣之間的李家峽峽谷中段，距上游貴德水文站55 km，距龍羊峽大壩108.6 km（圖1）［1］。貴德至阿什貢河段中，貴德縣城至麻巴園藝場(chǎng)10 km為天然河段，處于貴德川地的上段，河道比降相對(duì)平緩，平均比降為1.0‰，河道的左岸有1986～1987年建成的治黃造田岸堤，對(duì)河道治理有良好作用，河道右岸是丘陵山區(qū)；麻巴園藝場(chǎng)至阿什貢12 km為李家峽水庫(kù)回水變化段，屬于貴德川地的下段，河段平均比降為1.06‰，河道邊界條件與上段接近；阿什貢峽至松巴峽約8 km為丘陵山區(qū)河段［2］。

1 水文泥沙特征

1.1 水文特征

根據(jù)貴德水文站水文資料，1966～1984年該站多年平均流量為737.2 m3/s，1981年9月發(fā)生了50 a一遇的特大洪水，日平均流量達(dá)4 890 m3/s。1987年后，受龍羊峽水利樞紐控制，1987～1995年多年平均流量為613 m3/s，1989年8月發(fā)生了20 a一遇的洪水，日平均流量達(dá)2 350 m3/s。

1.2 泥沙

貴德水文站多年平均輸沙量為2 492萬(wàn)t，占黃河總輸沙量的1.56%；年平均含沙量2.26 kg/m3，與中下游相比明顯偏小。懸移質(zhì)泥沙集中在汛期6～10月份，占全年總量的85.7%。龍羊峽水庫(kù)蓄水后，上游泥沙基本攔在庫(kù)內(nèi)。據(jù)龍羊峽初步設(shè)計(jì)報(bào)告，龍羊峽未來(lái)100 a的泥沙下泄總量約1 650萬(wàn)t，平均每年僅16.5萬(wàn)t。因此，今后本河段泥沙主要是龍羊峽壩下至李家峽區(qū)間的泥沙［1］，初步估計(jì)年均懸移質(zhì)泥沙總量約1 200萬(wàn)t；推移質(zhì)來(lái)源比較豐富，估計(jì)每年進(jìn)入李家峽水庫(kù)的推移質(zhì)為56～84萬(wàn)t［3］。

1.3 河床組成

本河段河床由沙卵石組成，其中0.1～1.0 mm的沙質(zhì)占17%，1.0～10 mm的礫石占17%，大于10 mm的卵石占66%，河床組成中值粒徑為22 mm。貴德站沒有懸移質(zhì)級(jí)配資料，根據(jù)循化站資料，懸移質(zhì)中值粒徑為 0.03 mm［4］。

2 二維數(shù)學(xué)模型的驗(yàn)證計(jì)算

本文應(yīng)用航道工程二維數(shù)學(xué)模型［5-7］研究本河段整治問(wèn)題，引入近年發(fā)展起來(lái)的邊界貼體坐標(biāo)，采用貼體正交曲線網(wǎng)格系統(tǒng)來(lái)克服邊界復(fù)雜及計(jì)算域長(zhǎng)寬尺度懸殊所引起的困難。

1996年10月的貴德至阿什貢河段1：5 000河道地形測(cè)量，1999年貴德公路橋下急流灘、阿什貢灘及優(yōu)良河段的1：2 000河道地形測(cè)量，2000年6月貴德吊橋至松巴峽河段1：2 000的河道地形觀測(cè)與水文測(cè)量，都為河床演變分析及整治工程方案的比較計(jì)算提供了原型觀測(cè)資料。

2.1 計(jì)算區(qū)域及正交曲線網(wǎng)格生成

計(jì)算區(qū)域從進(jìn)口貴德黃河大橋至松巴峽（圖2），全長(zhǎng)約28.6 km，在域內(nèi)布置384×61個(gè)網(wǎng)格，經(jīng)貼體正交計(jì)算后得到正交曲線網(wǎng)格。網(wǎng)格沿河長(zhǎng)方向50～100 m，沿河寬方向?yàn)?0～20 m，能夠反映整治工程引起的河床形態(tài)變化及其對(duì)水流結(jié)構(gòu)的影響。

2.2 水流驗(yàn)證

龍羊峽水庫(kù)運(yùn)用過(guò)程中，下泄流量過(guò)程是非恒定的，同一流量的瞬時(shí)水面線資料難以取得。根據(jù)貴德站、吊橋、牧場(chǎng)、阿什貢站1999年4月～2000年4月及阿什貢至松巴峽的7把水尺水位資料整理后得出流量為407 m3/s、500 m3/s及670 m3/s水面線，圖3給出了流量為500 m3/s時(shí)水面線計(jì)算值與實(shí)測(cè)值的比較，二者吻合較好。

圖4給出了阿什貢散亂淺灘斷面及阿什貢至松巴峽中間斷面流速分布計(jì)算值與實(shí)測(cè)值的比較。由圖4可見，二者吻合較好。此外，還驗(yàn)證了貴德吊橋斷面及阿什貢峽口斷面的流速分布［4］。

3 灘段概況及航道現(xiàn)狀

阿什貢散亂淺灘位于阿什貢峽谷上口，淺灘段最大河寬900～1 000 m，河中有一個(gè)寬大沙卵石洲，洲寬約500 m，洲長(zhǎng)1 500～1 600 m，洲頂高程2 181.5～2 182.5 m，將河道分為左右兩汊。左汊自分流上口至下游匯流處長(zhǎng)約2 800 m，河槽規(guī)則單一，枯水河寬50～60 m，當(dāng)流量為600 m3/s時(shí)，分流比占7%～8%，實(shí)測(cè)平均縱比降為0.68‰；右汊長(zhǎng)約1 500 m，河槽寬由上口400 m逐漸縮窄到350～300 m，設(shè)計(jì)流量時(shí)，右汊又分為左右兩槽，其中緊靠右岸的右槽為主流，600 m3/s時(shí)實(shí)測(cè)平均縱比降為1.2‰，右汊分流約為90%［4］。

李家峽水庫(kù)建成正常運(yùn)行后，阿什貢散亂淺灘處在水庫(kù)回水變動(dòng)段的下段，灘段縱比降減緩，流速減小，且會(huì)產(chǎn)生年復(fù)一年的累積性淤積。淺灘下段即左右兩汊匯流的下口，當(dāng)流量為設(shè)計(jì)流量300 m3/s時(shí)，水庫(kù)蓄水后水位較蓄水前壅高約1.0 m；當(dāng)流量為670 m3/s時(shí)，水位較建庫(kù)前壅高0.8 m；當(dāng)流量達(dá)1 000 m3/s時(shí)，水位較建庫(kù)前壅高也接近0.8 m。淺灘上口段相應(yīng)流量下水位分別壅高0.30 m、0.56 m和0.70 m。且淺灘的縱比降在相應(yīng)流量下分別由建庫(kù)前的0.9‰減小到0.46‰、由0.43‰減小到0.29‰、由0.33‰減小到0.26‰。該淺灘右汊水流原本就很緩慢，流速僅為0.73～0.87 m/s，由于比降減緩，流速減小到0.43～0.58 m/s。圖5給出了流量為670 m3/s時(shí)阿什貢散亂淺灘河段流場(chǎng)圖，圖5中流速分布分別為水庫(kù)蓄至正常蓄水位2 180 m時(shí)的流場(chǎng)及水庫(kù)消落期壩前水位為2 170 m時(shí)的流場(chǎng)。由圖5可見，該變動(dòng)回水區(qū)河段水庫(kù)蓄水期流速明顯小于消落期。因此，處于變動(dòng)回水區(qū)中下段的淺灘，流速減小，河床將產(chǎn)生累積性淤積［4］。

圖6 阿什貢河段設(shè)計(jì)水位下1.2 m航深圖Fig.6 Depth chart under a level 1.2 m lower than design water level of Ashigong reach

圖6給出了阿什貢散亂淺灘河段1996年、1999年與2000年設(shè)計(jì)水位下1.2 m航深圖。由圖6可見，該河段的航道變化較大，這可能與該河段突然放寬、水流沒有明顯的主槽、泥沙運(yùn)動(dòng)劇烈有關(guān)，阿什貢進(jìn)口的河寬僅380 m，至阿什貢灘的中部河寬達(dá)940 m，河寬突然放寬約2.5倍，洪水期水流挾帶大量的懸沙與底沙從縮窄段進(jìn)入放寬段，放寬段水流挾沙能力遠(yuǎn)小于縮窄段，泥沙易在此停淤，枯水期由于沒有單一規(guī)順的流路，從放寬段至縮窄段（阿什貢峽口）間的水流易形成多分汊。

4 整治方案計(jì)算

4.1 整治原則及整治水位

航道整治應(yīng)根據(jù)各河段不同特點(diǎn)，采取相應(yīng)的整治原則和工程措施。對(duì)于變動(dòng)回水區(qū)的散亂淺灘，擬采用塞支強(qiáng)干保灘固槽并輔以疏浚的工程措施，以保證正常的通航條件。

整治流量為670 m3/s，此流量相當(dāng)于第二造床流量，相應(yīng)水位即為整治水位。

4.2 治理措施

散亂淺灘的整治應(yīng)統(tǒng)一規(guī)劃整治線，擬采取建鎖壩固定江心洲，保護(hù)邊灘，控制河勢(shì)，堵汊并洲，集中水流，結(jié)合新航槽的疏導(dǎo)，使其成為穩(wěn)定的中枯水航道。

初設(shè)階段曾考慮到阿什貢散亂淺灘段位于回水變動(dòng)段的中下段，泥沙淤積致使比降逐年調(diào)平，流速將逐漸減小，淺灘的整治線寬度應(yīng)逐漸縮窄，以利輸沙，曾進(jìn)行了丁壩群固定江心洲的整治計(jì)算［3］。

丹江口、三峽水庫(kù)變動(dòng)回水區(qū)多分汊河段的河床演變研究表明，隨著水庫(kù)的淤積，分汊河段朝著單一河勢(shì)的方向發(fā)展，預(yù)計(jì)阿什貢散亂多分汊淺灘段也將隨著水庫(kù)淤積，河勢(shì)趨于單一。現(xiàn)階段要使該散亂淺灘滿足通航要求，建議堵汊并洲，即將靠左岸的支汊堵塞，實(shí)施鎖壩工程，上鎖壩壩頂高程為2 182 m，下鎖壩壩頂高程為2 181 m；順應(yīng)現(xiàn)狀河勢(shì)，分別選擇了2個(gè)航線的航槽，對(duì)不能滿足設(shè)計(jì)水位下1.2 m航深的地段進(jìn)行疏浚，整治方案如圖7所示。圖8給出了航線靠中部方案整治流量時(shí)的流場(chǎng)，由圖8可見，整治后流路較順暢。從工程角度考慮，航線靠中部方案疏浚量相對(duì)較大，航線靠右岸方案的疏浚量相對(duì)較小，但這2個(gè)方案中哪個(gè)能維持較好的航深取決于今后水庫(kù)淤積的發(fā)展趨勢(shì)，從中洪水趨直的原理出發(fā)，航線靠中部方案值得推薦與研究。

5 結(jié)論

應(yīng)用航道工程二維數(shù)學(xué)模型進(jìn)行了水面線及流速分布的驗(yàn)證，計(jì)算值與實(shí)測(cè)值吻合較好，為航道整治方案比較計(jì)算奠定了良好的基礎(chǔ)。

阿什貢散亂淺灘1996、1999及2000年主槽變化較大，這與河床突然放寬及沙卵石推移質(zhì)運(yùn)動(dòng)頻繁等因素有關(guān)；建議采用塞支強(qiáng)干保灘固槽并輔以疏浚的工程措施。

［1］中交水運(yùn)規(guī)劃設(shè)計(jì)院.青海省黃河（貴德至李家峽）航運(yùn)工程初步設(shè)計(jì)報(bào)告［R］.北京：中交水運(yùn)規(guī)劃設(shè)計(jì)院，1999.

［2］水利電力部西北勘測(cè)設(shè)計(jì)院.黃河李家峽水電站工程初步設(shè)計(jì)報(bào)告［R］.西安：水利電力部西北勘測(cè)設(shè)計(jì)院，1984.

［3］徐成偉.黃河貴德至阿什貢河段整治工程二維數(shù)學(xué)模型研究［R］.天津：交通部天津水運(yùn)工程科學(xué)研究所，1999.

［4］徐成偉.黃河貴德吊橋至松巴峽河段航道整治工程二維數(shù)學(xué)模型研究［R］.南京：南京水利科學(xué)研究院，2002.

［5］陸永軍，陳國(guó)祥.航道工程泥沙數(shù)學(xué)模型的研究（I）——模型的建立［J］.河海大學(xué)學(xué)報(bào)，1997，25（6）：8-14.LU Y J，CHEN G X.Study on Sediment Mathematic Model for Waterway Engineering（I）—Development of the Model［J］.Journal of Hohai University，1997，25（6）：8-14.

［6］Yong-jun Lu，Zhao-yin Wang，Li-qin Zuo.2D numerical simulation of flood and fluvial process in the meandering and islandbraided middle Yangtze River［J］.International Journal of Sediment Research，2005，20（4）：333-349.

［7］陸永軍，左利欽，季榮耀.水沙調(diào)節(jié)后三峽工程變動(dòng)回水區(qū)泥沙沖淤變化［J］.水科學(xué)進(jìn)展，2009，20（3）：318-324.LU Y J，ZUO L Q，JI R Y.Changes of sediment deposition and erosion at Chongqing reach in backwater area of Three Gorges Project after reservoir adjusting of the upstream in the Yangtze River［J］.Advances in Water Science，2009，20（3）：318-324.