牡丹江市城區(qū)段江道造床流量分析

黃 俊，崔曉陽(yáng)，曹晨華，田偉峰

（1.中水東北勘測(cè)設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司，吉林 長(zhǎng)春 130021；2.牡丹江市城區(qū)水土保持辦公室，黑龍江 牡丹江 157000；3.黑龍江省牡丹江市水務(wù)科學(xué)研究院，黑龍江 牡丹江 157000）

1 概述

牡丹江城區(qū)段江道由主槽、邊灘及岸堤組成。最大斷面寬度500~900 m，主槽長(zhǎng)24.8 km，多數(shù)主槽寬度在120~280 m之間，深2~4 m。江道平均比降為0.05%，較為平緩，平槽流量約為900 m3/s。牡丹江城區(qū)段河床以砂礫質(zhì)為主，經(jīng)多年水流沖淤作用，主江道呈蜿蜒型河段和汊河段，彎曲度數(shù)為1.2形成大小不等的江心島。

2 造床流量分析

造床流量，是指多年河床在形成過(guò)程中，這種流量對(duì)河槽的塑造與形成所起的作用最為突出。一般認(rèn)為造床流量既不是最大洪水流量，也不是經(jīng)常存在的枯水流量。盡管最大洪水流量造床作用強(qiáng)烈，但作用時(shí)間短，所起的造床作用也不可能是最大；而枯水流量雖然作用時(shí)間長(zhǎng)，但流量很小，所起的造床作用也不可能是最大。所以對(duì)造床起主導(dǎo)作用的造床流量應(yīng)該是在多年徑流過(guò)程中發(fā)生機(jī)率較多，歷時(shí)較長(zhǎng)的中等流量。

為了驗(yàn)證這種認(rèn)識(shí)的正確性，牡丹江城區(qū)段以江道為對(duì)象，對(duì)豐、平、枯水3種流量對(duì)江道的造床作用進(jìn)行了分析計(jì)算。此次分析造床流量的基本途徑，是以牡丹江站實(shí)測(cè)資料為依據(jù)，擬定既符合實(shí)際，又有可比性的豐、枯水流量分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)；通過(guò)洪峰流量頻率計(jì)算、水文年鑒、以及有代表性的江道實(shí)測(cè)大斷面，求出各級(jí)標(biāo)準(zhǔn)的主槽流量、發(fā)生歷時(shí)、及相應(yīng)的流速，按動(dòng)能公式進(jìn)行能量計(jì)算。認(rèn)為水流對(duì)江道的造床作用，可用主槽水流動(dòng)能來(lái)體現(xiàn)，可通過(guò)動(dòng)能的比較，確定造床流量。具體分析步驟如下：

1）根據(jù)牡丹江站實(shí)測(cè)資料進(jìn)行歷年最大流量頻率計(jì)算，見(jiàn)表1、表2。

表1 牡丹江站洪峰流量表（1955—2010年）m3/s

表2 牡丹江站洪峰流量頻率計(jì)算成果表

2）擬定豐、平、枯水的頻率標(biāo)準(zhǔn)及計(jì)算范圍，并從頻率曲線上查出各相應(yīng)頻率的年最大流量，見(jiàn)表3。

3）豐、平、枯水流量發(fā)生時(shí)間統(tǒng)計(jì)。按各級(jí)來(lái)水的相應(yīng)的流量范圍，在水文年鑒上查算。

對(duì)于豐水流量發(fā)生時(shí)間，在大于等于豐水流量的年份中統(tǒng)計(jì)；對(duì)于平水時(shí)間在大于等于平水流量的年份統(tǒng)計(jì)（包括豐水年中平水流量及發(fā)生時(shí)間）；對(duì)于枯水時(shí)間在大于等于枯水流量的年份中統(tǒng)計(jì)（包括平、豐水年中枯水流量及發(fā)生的時(shí)間）。根據(jù)統(tǒng)計(jì)的結(jié)果表明，符合豐水流量發(fā)生時(shí)間短、枯水流量發(fā)生時(shí)間長(zhǎng)的規(guī)律，見(jiàn)表4。

表3 相應(yīng)頻率的年最大流量

表4 豐、平、枯水發(fā)生時(shí)間統(tǒng)計(jì)表

4）計(jì)算結(jié)果。主槽流量、流速計(jì)算：通過(guò)有代表性的實(shí)測(cè)大斷面及相應(yīng)H—Q曲線進(jìn)行計(jì)算，見(jiàn)表5。

表5 流量、流速計(jì)算表

動(dòng)能計(jì)算。水流的造床作用往往簡(jiǎn)單地用流量大小來(lái)衡量，但確切地說(shuō)應(yīng)該以主槽水流的能量來(lái)表示，即造床作用的大小與主槽流量和主槽流速平方的乘積成正比，計(jì)算式如下：

式中：Qi——主槽流量，m3/s；Vi——與Qi相應(yīng)的流速，m/s；Ti——與各級(jí)來(lái)水相應(yīng)的時(shí)間，s；Ei——?jiǎng)幽?，J。

表6 動(dòng)能計(jì)算表

3 結(jié)論

從動(dòng)能計(jì)算成果看，平水能量為豐、枯水能量的1.6~1.9倍左右，故可認(rèn)為在牡丹江城區(qū)段平水流量即為造床流量。平水流量相當(dāng)于2年一遇的洪峰流量，也可近似地認(rèn)為多年平均洪峰流量即相當(dāng)于造床流量。從牡丹江河道現(xiàn)狀看，平槽流量為900 m3/s，2年一遇洪峰流量為831 m3/s，牡丹江河床應(yīng)屬穩(wěn)定河床。

另牡丹江主槽寬120~280 m，按阿爾圖寧公式計(jì)算（B=A·Q0.5/J0.2），如取 A=1.3，Q=831 m3/s（P=50%），J=0.05%，則 B=171 m，也說(shuō)明牡丹江河床已處于穩(wěn)定期。經(jīng)分析牡丹江城區(qū)段江道造床流量為831 m3/s，河床為中壯年期穩(wěn)定河床。

［1］張書(shū)農(nóng)，華國(guó)祥.河流動(dòng)力學(xué)［M］.北京：水利水電出版社，1988.