多沙河流河道淤積厚度初探

□金　文（遼寧省水利水電勘測設(shè)計研究院）

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多沙河流河道淤積厚度初探

□金文（遼寧省水利水電勘測設(shè)計研究院）

摘要：多沙河流因有大量泥沙下泄，河道逐年淤積抬高，造成下游河道成為地上“懸河”，河道主槽擺動劇烈，河勢游蕩，泥沙淤積嚴(yán)重危及兩岸防洪安全。因此，預(yù)測泥沙淤積厚度對防洪工程設(shè)計至關(guān)重要。文章對柳河河道泥沙沖淤情況進(jìn)行分析，對河道淤積進(jìn)行初步預(yù)測，提出河道淤積厚度，供柳河河道工程及其它多沙河流設(shè)計參考。

關(guān)鍵詞：柳河；泥沙淤積；厚度

0　引言

多沙河流因有大量泥沙下泄，河道逐年淤積抬高，造成下游河道成為地上“懸河”，同時，河道主槽擺動劇烈，河勢游蕩，泥沙淤積已經(jīng)嚴(yán)重危及河流兩岸的防洪安全。多沙河流的泥沙淤積是一個亟待解決的問題。柳河是遼河中下游右側(cè)的一條多泥沙支流，由于柳河上游泥沙大量下泄，泥沙淤積嚴(yán)重影響了新民市及柳河口以下遼河干流的防洪安全。文章通過對遼河下游泥沙沖淤演變規(guī)律的初步分析研究，為下一步深入研究遼河干流的泥沙沖淤規(guī)律、確定遼河干流輸沙減淤的對策措施等工作提供基本建議與依據(jù)。

1　設(shè)計依據(jù)

《河道整治設(shè)計規(guī)范》6.1.1“河床演變分析可采用資料分析、數(shù)學(xué)模型計算和河工模型試驗(yàn)等方法。”A.1.4“對多沙河流或沖淤變化較大的河流應(yīng)采用輸沙率法和斷面法同時計算，計算成果宜采用斷面法成果。當(dāng)兩種成果相差較大時，應(yīng)分析產(chǎn)生差別的原因后合理確定?！?/p>

2　計算方法

按照《河道整治設(shè)計規(guī)范》6.1.1的要求，泥沙沖淤分析可采用資料分析、數(shù)學(xué)模型計算和河工模型試驗(yàn)等方法，本次泥沙沖淤計算采用資料分析法。按照《河道整治設(shè)計規(guī)范》A.1.4的要求，多沙河流河段沖淤量計算應(yīng)采用輸沙率法和斷面法同時計算。

2.1輸沙率法計算原理

輸沙率法計算河段沖淤量的原理：河段上站來沙量與河段區(qū)間來沙量之和減去河段下站來沙量及河段區(qū)間引出沙量，得到河段沖淤重量，除以泥沙干密度得到河段沖淤的體積，按照均勻沖淤的假設(shè)，得到河段的沖淤厚度。公式如下：

式中：△W—河段沖淤重量（t）；△V—河段沖淤體積（m3）W上s—河段上站來沙量（t）；W入s—河段區(qū)間來沙量（t）；W出s—河段區(qū)間引出沙量（t）；W下s—河段下站輸沙量（t）；ρ'—河段泥沙沖淤量干密度（t/m3）。；

2.2斷面法計算原理

斷面法計算河段沖淤量的原理：下一測次斷面面積減去上一測次斷面面積，得到本斷面該時段的沖淤面積，河段內(nèi)相鄰斷面的沖淤面積的平均值與河道斷面間距相乘之后累加，得到河段的沖淤體積，按照某個河段均勻沖淤的假設(shè)，得到該河段的沖淤厚度。公式如下：

式中：Ani—上一測次斷面面積（m2）；Ani+1—下一測次斷面面積（m2）；△Ai—本斷面的沖淤面積（m2），負(fù)為沖，正為淤；△Ai-1—上斷面的沖淤面積（m2）；△Vi—本斷面與上斷面間的沖淤體積（m3）；△V—河段內(nèi)的沖淤體積（m3）；△L—河道斷面間距（m）。

3　柳河流域河道泥沙淤積厚度計算

3.1柳河流域泥沙概況

柳河是遼河中下游右側(cè)的一條多泥沙支流，發(fā)源于內(nèi)蒙古奈曼旗的雙山子，流經(jīng)內(nèi)蒙古的庫侖旗、科左后旗及遼寧省阜新縣、彰武縣、新民市等六個市、縣、旗，在新民市城南王家堡村附近注入遼河。河流全長302 km，總流域面積5345 km2。據(jù)統(tǒng)計，1957-2011年，柳河鬧德海水文站多年平均含沙量為48.85 kg/m3，彰武水文站多年平均含沙量為22.64 kg/m3，新民水文站多年平均含沙量為18.96 kg/m3，屬于典型的多沙河流。柳河鬧德海以上流域平均侵蝕模數(shù)達(dá)4000 t/（km2·a）以上，1957-2011年鬧德海水庫多年平均出庫沙量1093.66×104t，其中619.87×104t（占鬧德海出庫沙量的56.68%）淤積在下游鬧德?！旅窈佣?，另外473.78×104t（占鬧德海出庫沙量的43.32%）泥沙泄入遼河，成為遼河下游泥沙的主要來源。

3.2流域產(chǎn)沙特性

3.2.1泥沙來源

柳河的泥沙主要來自鬧德海以上地區(qū)，其中南支扣河子、北支養(yǎng)畜牧河和中支鐵牛河上的三個水文站的來沙量占鬧德海來沙量的比重為：石門子站為48.90%，三家子站和白廟子站為45.80%，養(yǎng)畜牧河、鐵牛河泥沙侵蝕模數(shù)分別為5900 t/（km2·a）和7380 t（km2·a），為柳河流域泥沙侵蝕模數(shù)最大的地區(qū)。

3.2.2泥沙的年際、年內(nèi)變化

柳河流域輸沙量的年際變化很大，最大年輸沙量與最小年輸沙量的比值為301～18164倍。柳河流域輸沙量的年內(nèi)分配極不均勻，每年的輸沙量主要集中在汛期，汛期又集中在七、八月的一次洪水過程。鬧德海多年平均汛期入庫沙量占全年沙量的92.58%，大水年這種情況尤為突出，如1963年，汛期入庫沙量占全年的98.80%，7-8月入庫沙量占全年的98.30%。

3.3基礎(chǔ)資料

3.3.1水文站泥沙實(shí)測資料

柳河干流上有鬧德海、彰武、新民3處水文站，除彰武水文站1956年1月至1967年5月、2001年、2002年沒有泥沙測量資料外，其他2站均有1957～2011年實(shí)測泥沙資料。各水文測站分布情況見柳河流域水系圖（見圖1）。

圖1　柳河流域水系示意圖

3.3.2河道斷面資料

柳河河道斷面資料有1980年鬧德海水庫壩下～柳河口段河道斷面，共計55條；2005年鬧德海水庫壩下～柳河口段河道斷面，共計64條，其中，橋梁斷面10條；2013年鬧德海水庫壩下～彰武縣城段河道斷面，共計29條，其中，橋梁斷面4條；2015年彰武縣城～柳河口段河道斷面，共計36條，其中，橋梁斷面6條。

3.4計算結(jié)果

3.4.1輸沙率法泥沙沖淤計算

柳河鬧德海水庫壩下～河口段沒有較大支流匯入，也沒有較大水量引出，因此，本次計算時假設(shè)柳河相鄰兩個水文站的輸沙量的差值，即為該河段的沖淤量。按照鬧德海水文站與彰武水文站之間、彰武水文站與新民水文站之間、鬧德海水文站～新民水文站之間的泥沙均勻鋪設(shè)在本段河道內(nèi)的假設(shè)，1957～2011 a，柳河河道淤積厚度計算值見表1。

表1　柳河河道淤積高估算（輸沙率法）值表

由表1可見，1957-1979年豐水時段，鬧德海水文站～彰武水文站河段，年平均淤積8.70 cm，彰武水文站～新民水文站河段，年平均沖刷0.10 cm，鬧德海水文站～新民水文站河段，年平均淤積0.04 cm；1980-2011年枯水時段，鬧德海水文站～彰武水文站河段，年平均淤積0.70 cm，彰武水文站～新民水文站河段，年平均淤積0.40 cm，鬧德海水文站～新民水文站河段，年平均淤積0.60 cm；1957-2011年，經(jīng)歷了一個包含豐水年、枯水年的長系列后，鬧德海水文站～彰武水文站河段，年平均淤積3.60 cm，彰武水文站～新民水文站河段，年平均淤積0.40 cm，鬧德海水文站～新民水文站河段，年平均淤積1.90 cm。

3.4.2斷面法泥沙沖淤計算

柳河實(shí)測1980年、2005年鬧德海水庫壩下～柳河口段河道斷面，2013年鬧德海水庫壩下～彰武縣城段河道斷面，2015年彰武縣城～柳河口段河道斷面。2013-2015年，柳河沒有發(fā)生過大洪水，河道基本沒有變化，可以把2013年斷面、2015年斷面看做一套斷面。本次以1980、2005、2013及2015年柳河河道地形為基礎(chǔ)，通過斷面法來分析河道的沖淤，1980-2005年，鬧德海壩下～彰武水文站河段共沖刷9.90 cm，彰武水文站～新民水文站河段共淤積12.30 cm，新民水文站～河口河段共淤積28.00 cm；2005-2013（2015）年，鬧德海壩下～彰武水文站河段共沖刷6.10 cm，彰武水文站～新民水文站河段共沖刷4.10 cm，新民水文站～河口河段共沖刷29.80 cm。

3.5計算結(jié)果分析

《河道整治設(shè)計規(guī)范》A.1.4“對多沙河流或沖淤變化較大的河流應(yīng)采用輸沙率法和斷面法同時計算，計算成果宜采用斷面法成果。當(dāng)兩種成果相差較大時，應(yīng)分析產(chǎn)生差別的原因后合理確定?！庇捎诹幼?980年至今，總體上處于枯水時段，因此，本次斷面法泥沙淤積厚度僅能代表1980-2015年的情況，因未包含豐水時段、中水時段，代表性不強(qiáng)。輸沙率法的計算時段為1957-2011年，系列較長，并包含了豐水時段、中水時段和枯水時段，代表性好，因此，本次計算采用輸沙率法成果是比較合理的。

4　河道淤積厚度采用

由輸沙率法泥沙沖淤計算成果可知，柳河鬧德海水文站～新民水文站河段，多年平均淤積1.90 cm。新民城市段防洪標(biāo)準(zhǔn)為50 a一遇，農(nóng)村段防洪標(biāo)準(zhǔn)為20 a一遇，堤防合理使用年限分別為50 a和30 a?？紤]到淤積一定年限后，河道有淤積平衡的趨勢，本次以使用年限的一半作為淤積年限，則新民城市段河道25 a淤積50 cm，農(nóng)村段河道15 a淤積30 cm。柳河鬧得海水庫壩下～彰武縣城河段，河道平均寬度約為800～1800 m；彰武城市段河道寬度約為450 m，彰武城市段單寬流量約為6.70 m2/s；新民段河道寬度為1050～4300 m，新民段單寬流量多在2 m3/s以下。彰武城市段是柳河河道寬度最小的河段，根據(jù)泥沙淤積一般規(guī)律，彰武城市段泥沙淤積程度應(yīng)較其上、下游河段輕，彰武城市段河道淤積厚度取20 cm。本次河道淤積厚度計算成果與《柳河（彰武縣段）防洪治理（一期）工程初步設(shè)計報告》和《柳河新民城市段防洪應(yīng)急工程初步設(shè)計報告》的成果也是一致的，這也符合設(shè)計成果的延續(xù)性和一致性。

參考文獻(xiàn)

［1］遼河下游泥沙治理措施思路專題研究［R］.遼寧省水利水電勘測設(shè)計研究院，2009（6）.

［2］柳河（彰武縣段）防洪治理（一期）工程初步設(shè)計報告［R］.遼寧省水利水電勘測設(shè)計研究院，2015（7）.

（責(zé)任編輯：左英勇）

中圖分類號：TV91

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1673-8853（2016）04-0118-03

作者簡介：金文（1983-），女，工程師，主要從事水利規(guī)劃設(shè)計工作。

收稿日期：2016-01-22