小礫山引水樞紐調配水的含沙量對河道淤積的影響

沈建飛，俞學軍，鄭海洋

(1.蕭山區(qū)錢塘江灌區(qū)管理處，浙江 杭州311200;2.蕭山區(qū)農機水利局，浙江 杭州311200)

調配水造成的河道淤積是一種人為活動引起的累積型泥沙災害，主要與調配水中的含沙量有關［1］.筆者通過監(jiān)測小礫山引水樞紐口門在大、中、小潮時的含沙量，分析調配水含沙量的變化特征，揭示調配水含沙量在半日潮、半月潮周期中的變化規(guī)律，以及隨潮汐變化的關系.

1 錢塘江杭州段泥沙概況

錢塘江河口的底沙和懸移質均為細沙，一般中值粒徑為0.02 ～0.04 mm，分選良好，由于河床灘槽組成物質經過長期往返搬運分選，缺乏黏性顆粒，抗沖能力弱，易沖易淤［2－3］.

錢塘江杭州段上游來沙很少，據(jù)蘆茨埠1956—1965年實測懸移質含沙量資料統(tǒng)計，多年平均含沙量為0.197 kg/m3，多年平均輸沙量約500 萬t.新安江、富春江水庫建成后，上游來沙量進一步減少［4］.區(qū)域內泥沙主要來自外海，一般具有大潮汛和洪水期間含沙量大，小潮汛期間含沙量小的特征.

2 樣本采集和處理

2.1 采集位置

小礫山引水樞紐位于毗鄰“三江口”，即富春江、浦陽江和錢塘江的交匯處，該地段位于錢塘江河口段上游，在洪、潮水動力條件共同作用下水流情況比較復雜.

2.2 樣本采集

考慮到泥沙具有沿垂線分布的特點，故采樣的具體位置放在泵站口門處.此處江水剛經水泵提升，經過強烈攪拌，水體中泥沙的各項特征指數(shù)基本均勻，采集的水樣更具代表性.

從2013年8月9日至8月17日進行了大、中、小潮3 個航次的含沙量測驗，每個航次，從漲潮前1 h開始，連續(xù)進行13 h 的觀測. 水樣按表層、0.6H(H 為水深，m)層和底層(離底0.5 m)分層取樣，并在漲急、落急、漲憩、落憩4 個時刻加測采水，每層每小時用采水器采集500 mL 左右的水樣，共獲得167個時段的水樣.

2.3 數(shù)據(jù)處理

單個水樣含沙量的測定采用過濾法.在實驗室用直徑60 mm、孔徑0.45μm 的微孔濾膜進行抽濾，將其從海水中分離出來，蒸餾水洗鹽3 次，烘干，在分析天平上稱重.據(jù)此可以計算出單層含沙量.

按加權平均法計算垂線平均含沙量，即

式中:ρAve為垂線平均含沙量;ρ表，ρ0.6H，ρ底分別為表層、0.6H 層和底層的含沙量.

為分析需要，又收集了含沙量監(jiān)測站附近的聞家堰水文站的逐時潮位資料，結合含沙量數(shù)據(jù)，按漲潮、落潮時段，統(tǒng)計出漲、落潮含沙量的變化情況，據(jù)此來分析潮位與含沙量變化的規(guī)律.

懸移質顆分水樣在實驗室內用激光自動粒度分析儀進行顆粒分析，同時計算特征粒徑、平均粒徑等粒度參數(shù)，提供各粒級百分含量和累計頻率曲線.

3 口門含沙量變化情況

3.1 含沙量特征

小礫山引水樞紐口門具體的含沙量特征值［5］見表1.

表1 含沙量特征值 kg/m3

3.1.1 含沙量平面變化

小礫山站大潮、中潮、小潮的平均含沙量分別為0. 161，0. 153，0. 151 kg/m3，全潮平均含沙量為0.155 kg/m3.表2為小礫山引水樞紐站漲、落潮平均含沙量.由表2可知:漲潮階段平均含沙量的變化范圍為0. 144 ～0. 173 kg/m3，全潮平均含沙量為0.160 kg/m3;落潮階段平均含沙量的變化范圍為0.129 ～0.161 kg/m3，全潮平均含沙量為0.150 kg/m3.

表2 各潮的漲、落潮平均含沙量 kg/m3

3.1.2 含沙量垂向變化

將漲潮期間各層含沙量求平均值，結果見表3.

表3 大、中、小潮各層平均含沙量 kg/m3

由表3可知:含沙量的垂向變化明顯，隨著水深的增加，含沙量逐漸變大;表層、0.6H、底層的平均含沙量分別為0.141，0.147，0.180 kg/m3，平均含沙量之比約0.8∶0.8∶1.0.

3.2 含沙量和潮位過程的同步性

聞家堰水文站位于小礫山引水樞紐下游約1.5 km處，到潮時間兩地僅相差3 min，因此可以引用聞家堰水文站的逐時潮位資料來替代同時段小礫山引水樞紐的逐時潮位資料，并據(jù)此繪制出含沙量與潮位變化過程圖［6］，如圖1所示.

由圖1可知:大、中潮汛時含沙量變化比較明顯，小潮時含沙量變化較小;從漲、落潮角度來看，漲潮含沙量變化明顯，落潮含沙量變化則相對較小.在高潮位前2 h 含沙量最小，高潮位時含沙量達到最大，高潮位過后約2 h 出現(xiàn)最小值，之后隨著落潮流的增大，含沙量略有增大，但變化很小，基本穩(wěn)定在0.150 kg/m3左右.

每次高潮位過后約2 h，小礫山引水樞紐的含沙量以37% ～86%的速率遞減，具體情況見表4.

表4 潮汛過程中含沙量消減情況

3.3 漲潮過程中最大含沙量與潮差的關系

根據(jù)實測資料，應用最小二乘法擬合得到小礫山引水樞紐的漲潮潮差與實測最大含沙量之間的相關關系:其相關系數(shù)為0. 92，相關關系式為y =0.64x－0.343 3.其中，y 為最大含沙量，x 為小礫山水利樞紐站漲潮潮差.

由此可推算出小礫山引水樞紐漲潮最大潮差與最大含沙量的關系，即:漲潮最大潮差分別為1.0，1.5，2.0，2.5，3.0 m 時，最大含沙量分別為0.297，0.617，0.937，1.257，1.577 kg/m3.

4 結 語

1)小礫山引水樞紐每年的調配水量約1.6 億m3，極大地改善了城區(qū)的水環(huán)境質量，發(fā)揮了較大的生態(tài)效益.但是在引水的同時也將泥沙帶進了城區(qū)主干河道，經推算每年從小礫山水利樞紐帶進泥沙約248 t.這里提供的數(shù)據(jù)僅供參考.

2)在水流和地形的共同作用下，泥沙沿垂向和橫向的分布是不均勻的，因此調配水口門的位置、高度等也是調配水方案優(yōu)化的重要控制指標之一，其對調配水含沙量變化的影響有待進一步研究.

3)結合潮位和含沙量的實測資料，建議小礫山引水樞紐引水時段應該在高潮位過后約2 h 開始，在下次高潮到達前2 h 結束.

4)漲潮時大、中、小潮平均含沙量之比約為0.8∶0.8∶1.0，在很大程度上是由于在小潮汛時河床抬高來水相對較少，開機引水致使含沙量偏大. 因此，建議口門(外江)區(qū)域加大疏浚力度，并在口門內設置沉沙池.

5)在小礫山引水樞紐口門監(jiān)測到的泥沙資料，對沿錢塘江一線的泵站(涵閘)同樣適用，僅時間上略有差異.

［1］張彥南，張禮達.河道淤積泥沙來源及治理對策［J］.水利電力科技，2009，35(1):15－18.

［2］《浙江省錢塘江管理局、浙江省河口海岸研究所論文選編》編委會.錢塘江管理局、浙江省河口海岸研究所論文選編.第1 輯. 上冊:1948—1998《錢塘江河口叢書》之三［M］.北京:中國水利水電出版社，2001.

［3］潘存鴻，曾劍，唐子文，等.錢塘江河口泥沙特性及河床沖淤研究［J］.水利水運工程學報，2013(1):1－7.

［4］吳珂，孫志林，李紅仙，等.潮汐對強潮河口引水造成的城市河道淤積影響［J］.自然災害學報，2008，17(5):58－63.

［5］鄭智佳，陳燕萍，應劍云.泥沙監(jiān)測報告［R］.杭州:杭州國海海洋工程勘測設計研究院，2013.

［6］虞曉峰，毛堅.利用錢塘江水資源改善下沙水環(huán)境初探［J］.浙江水利科技，2006(2):76－77.