沁河下游河道采砂治理方案研究

□ 劉 欣 □ 孫 妍 □ 王鳳群（河南黃河勘測設(shè)計研究院）

0 前言

河砂是緩沖河道水流、涵養(yǎng)水源、保護(hù)堤防與河岸的重要屏障，也是非常重要的建筑材料。近年來，隨著地方經(jīng)濟(jì)迅速發(fā)展，城市基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)對砂石料需求量逐漸上升，促進(jìn)了采砂業(yè)的發(fā)展。人們在經(jīng)濟(jì)利益驅(qū)使下，出現(xiàn)了濫采亂挖的現(xiàn)象，在主槽內(nèi)大量采挖砂石。由于采砂業(yè)主不顧及河道生態(tài)環(huán)境和河床穩(wěn)定，在河道亂采濫挖，加劇了部分河段畸形河勢的惡化，造成河道坑堆增多，河流紊亂，甚至局部岸坡淘空，工程根石外露，一旦洪水到來，可能導(dǎo)致河勢發(fā)生大的變化，直接威脅著河道的防汛能力和沿岸群眾的生命財產(chǎn)安全。

目前，沁河下游河道內(nèi)規(guī)劃有采砂點30處，除規(guī)劃的采砂點外，還有零星的非法采砂點。對于河道采砂，必須進(jìn)行科學(xué)規(guī)劃，強(qiáng)化管理，以實現(xiàn)砂石資源的合理開發(fā)利用，確保河勢穩(wěn)定、行洪安全，保持水生態(tài)環(huán)境良好。

1 沁河下游河道基本情況

1.1 近期來水情況

沁河屬季節(jié)性河流，徑流年內(nèi)分配不均，在非汛期來水較枯，斷流時有發(fā)生。沁河武陟站1950-2000年間，最大洪峰流量4130m3/s，其中3000m3/s以上的洪水有2次，分別為1954年和1982年，600m3/s以上洪水共25次，600m3/s以下枯水時間達(dá)52%。1982年大水過后至2000年18年間超過600m3/s洪水僅5次。2000年以后，沁河下游枯水現(xiàn)象越趨嚴(yán)重，徑流量衰減明顯。統(tǒng)計整理武陟站2001年至2012年流量資料，近十年來，武陟站未發(fā)生1000m3/s以上洪水，超過600m3/s洪水也僅2次，全年大部分時間流量都在100m3/s以下。

1.2 沁河下游采砂現(xiàn)狀

沁河下游的采砂活動始于1985年，2000年以后五龍口至丹河口河段采砂現(xiàn)象較為嚴(yán)重，河道采砂使部分?jǐn)嗝嬷鞑凵钽虑?、主槽展寬，主槽局部展寬達(dá)80m左右，采砂深度超過10m。

2 河道基本參數(shù)分析

對沁河五龍口至石荊橋河段內(nèi)布設(shè)的27個河道大斷面資料進(jìn)行整理，分析了河段相關(guān)的河道參數(shù)，對沁河下游河道采砂治理具有重要指導(dǎo)意義。

2.1 平灘流量

平灘流量即造床流量，是河道整治的一個重要技術(shù)指標(biāo)。該流量對塑造河床形態(tài)所起的作用最大，但它并不等同于最大洪水流量。本次研究在沁河下游尋找造床流量的目的，是確定造床作用最大時對應(yīng)的流量及相應(yīng)的河床平面形態(tài)。國內(nèi)外計算該流量方法很多，本次采用兩種方法計算研究河段的平灘流量。

圖1 Q-Q2JP曲線圖

2.1.1 馬卡維也夫法

繪制Q-QmJP關(guān)系曲線，找出QmJP最大值，相應(yīng)該值的Q即為造床流量。借用黃河輸沙率公式QS=kQβ，可以繪制Q-kQβP關(guān)系曲線，當(dāng)kQβP最大值時對應(yīng)的流量為造床流量。為簡化起見，繪制Q-Q2JP曲線即可。本次利用這種方法，采用1985至2012武陟站流量資料，繪制了Q-Q2JP曲線。見圖1。

一般來講，相應(yīng)最大峰值的流量值為決定中水河槽的流量應(yīng)為第一造床流量，相應(yīng)次大峰值的流量值僅對塑造枯水河床有一定的作用。對比圖1中Q2JP出現(xiàn)的兩個明顯峰值，第一造床流量應(yīng)為700m3/s。

2.1.2 斷面計算法

結(jié)合武陟水文站所在河道大斷面套匯圖讀出該斷面位置平灘水位為104.50m，依據(jù)武陟站多年水位流量關(guān)系曲線，查找該平灘水位對應(yīng)流量為592m3/s，即武陟斷面平灘流量為592m3/s。

采用HEC-RAS軟件建立2012年沁河下游現(xiàn)狀河道模型，對本次研究河段內(nèi)27個河道大斷面逐段試算，其中最上段C.S.1、C.S.3斷面和C.S.8斷面為采砂情況較為嚴(yán)重的典型斷面，這些斷面由于亂采濫挖導(dǎo)致大斷面主槽大幅展寬、深泓明顯下切，相應(yīng)平灘流量也比挖砂前增大，因此除最上段平灘流量估算值為700m3/s以外，其余河段的平灘流量平均值為580～650m3/s，這與多年水位流量關(guān)系曲線讀取的592m3/s相吻合。

總結(jié)上述算法:根據(jù)簡化馬卡維也夫法，推求沁河下游河段造床流量為700m3/s；根據(jù)沁河下游武陟站多年水位流量關(guān)系曲線，推求沁河下游平灘流量為592m3/s，采用模型對研究河段分段進(jìn)行試算，推求該河段的平灘流量均值為600m3/s左右。

2.2 河寬

根據(jù)沁河五龍口至石荊橋河段內(nèi)1985至2012年大斷面套繪結(jié)果，選取各斷面多年主河槽平均寬度。1985年以來，五龍口至石荊橋河段河道主河槽平均寬度為229m。

2.3 河床比降

利用各河道斷面現(xiàn)狀平均河底高程，推求河段河床比降。伏背至石荊橋河段平均比降為0.46‰，其中伏背至丹河口河段平均河床比降為0.60‰，丹河口至石荊橋河段平均河床比降為0.40‰。丹河口至石荊橋河段河床比降明顯比丹河口以上河段變緩。

3 沁河下游河道采砂治理技術(shù)方案

通過有序?qū)嵤┖拥啦缮暗姆绞綄η吆酉掠魏拥肋M(jìn)行疏浚改造，使采砂和河道治理有機(jī)結(jié)合，最大限度發(fā)揮采砂對河勢的有利影響。

3.1 設(shè)計流量

根據(jù)平灘流量的分析結(jié)論，考慮沁河下游近年來多是枯水系列，河床有萎縮的趨勢，故本次沁河下游河道采砂治理方案的設(shè)計流量取為600m3/s。

3.2 設(shè)計整治河寬

3.2.1 整治流量推求整治河寬

利用水流連續(xù)方程和曼寧公式得出整治河寬:

根據(jù)以上五龍口至石荊橋河段河道參數(shù)統(tǒng)計分析數(shù)據(jù)成果，式中:K—河相關(guān)系；Q—設(shè)計整治流量；n—主槽糙率；J—設(shè)計流量下河床比降。

當(dāng)設(shè)計整治流量取600m3/s時，按公式計算，丹河口以上整治河寬B=196m，丹河口以下整治河寬B=215m。

3.2.2 治理河段主河槽寬度

根據(jù)統(tǒng)計結(jié)果，1985至2012年五龍口至石荊橋河段主河槽實測多年平均河寬為229m?？紤]丹河匯入及其以下河段游蕩程度較強(qiáng)，確定丹河口以上河段河道整治寬度為250m，丹河口以下河段河道整治寬度為300m。

3.3 設(shè)計水深

采用曼寧公式試算，設(shè)計流量取600m3/s，丹河口以上河段設(shè)計主槽寬度250m及丹河口以下河段設(shè)計主槽寬度300m條件下相應(yīng)的斷面水深值，計算成果見表1。

表1 主流線擺動強(qiáng)度統(tǒng)計表

丹河口以下河段逐漸從沖淤相間河段過渡到淤積河段，綜合考慮丹河口以下河段的沖淤趨勢，確定本次河道采砂治理方案的設(shè)計水深為3m。

3.4 采砂平面控制線

在收集整理分析沁河下游歷年河勢主流線、河道大斷面等有關(guān)資料基礎(chǔ)上，根據(jù)河道基本參數(shù)的分析成果，結(jié)合現(xiàn)有河勢流路，初步規(guī)劃確定沁河下游采砂治理方案的平面控制線。

4 結(jié)論與建議

本次沁河下游河道采砂治理方案研究在正確處理堤防防洪安全、河道疏浚以及灘區(qū)利用三者關(guān)系的前提下，提出了疏浚與河道治理相結(jié)合的治理方案。方案通過有序?qū)嵤┖拥啦缮暗姆绞綄η吆酉掠维F(xiàn)狀河道進(jìn)行疏浚改造，拓寬主河槽，改善水流形態(tài)，提高河道過流能力，從而歸順現(xiàn)有上下游河勢，并使河勢向健康有利的方向發(fā)展。

本方案研究的主要范圍為采砂現(xiàn)象較為集中的五龍口至石荊橋河段。如果只對該河段實施采砂方案，石荊橋以下河槽仍為現(xiàn)狀斷面，河床斷面突然由挖砂后的300m主槽寬變?yōu)樘烊粻顟B(tài)的窄深河槽，水面線的連續(xù)性必然受影響，局部產(chǎn)生壅高，不利于大洪水的行洪。從防洪安全角度考慮，建議治理方案實施范圍擴(kuò)大至沁河口，即整個沁河下游河道范圍內(nèi)。

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