阿拉爾市擬建攔河閘閘前河道沖淤變化試驗(yàn)研究

儲維刃 王普慶 程士華

(1.新疆生產(chǎn)建設(shè)兵團(tuán)第一師水利工程管理服務(wù)中心，新疆 阿拉爾市 843300；2.黃河水利委員會(huì)黃河水利科學(xué)研究院，河南 鄭州 450003；3.鄆城縣隨官屯鎮(zhèn)人民政府，山東 菏澤 274704)

1 研究背景

為滿足阿拉爾市“一河兩岸”的規(guī)劃目標(biāo)，結(jié)合塔河水量季節(jié)變化大、河水含沙量高、河道不穩(wěn)定等特性，擬在阿拉爾市塔河段開展塔里木河綜合治理工程，其開發(fā)任務(wù)為：滿足阿拉爾市城市總體規(guī)劃和城市防洪工程建設(shè)的要求，在不影響河道防洪安全的前提下，修建攔河閘，形成穩(wěn)定主槽，穩(wěn)固河勢；利用非汛期立閘蓄水，形成特色濱水景觀，提高城市品位，促進(jìn)阿拉爾市資源、環(huán)境、經(jīng)濟(jì)和人口的協(xié)調(diào)發(fā)展。天然情況下，阿拉爾河段隨水沙豐枯呈現(xiàn)淤積或沖刷的交替變化，但長期來看河道基本能維持沖淤平衡狀態(tài)。為了避免攔河閘建成運(yùn)用后出現(xiàn)嚴(yán)重的泥沙淤積，攔河閘將僅在非汛期蓄水運(yùn)用，汛期敞泄不蓄水。這種運(yùn)用方式下，需要考慮閘上游河段是否能實(shí)現(xiàn)新的平衡，避免出現(xiàn)持續(xù)性淤積，對防洪安全產(chǎn)生不利影響，以及擬定的運(yùn)用方式是否有利于維持河道沖淤平衡。針對上述問題，開展動(dòng)床模型試驗(yàn)，以期為工程設(shè)計(jì)和決策提供科學(xué)依據(jù)。

2 河道和工程概況

2.1 河道概況

阿拉爾城區(qū)河段上距阿克蘇、葉爾羌、和田河交匯處約40km，見圖1，該河段為典型的游蕩型河道，主槽蜿蜒曲折，河汊散亂，兩岸建設(shè)有護(hù)灘工程，左右兩岸間距1.0～1.5km，城區(qū)段河床比降約為1/4500，河床質(zhì)為粉細(xì)沙，防洪標(biāo)準(zhǔn)為50年一遇。本河段屬于塔里木河沖積性平原二級階地，二級階地高出枯水期河床4～5m，由亞沙土、亞黏土組成蓋層，下部為較厚的粉細(xì)沙層。

據(jù)阿拉爾水文站實(shí)測資料統(tǒng)計(jì)，阿拉爾河段多年平均徑流量為46.1億m3，年際變化較大，最大年徑流量71.9億m3(2010年)，最小年徑流量僅為14.01億m3(2009年)；徑流量年內(nèi)分布不均，主要集中于汛期，汛期多年平均徑流量占年徑流總量的71.1%。阿拉爾站多年平均輸沙量為1638萬t，最大值為3867萬t(1981年)，最小值為356萬t(2014年)。年內(nèi)沙量同樣分布不均，汛期來沙量占全年總量的88.8%，非汛期若有大水，大水期內(nèi)沙量占比較大。

圖1 塔河阿拉爾河段位置示意

2.2 工程概況

根據(jù)工程的開發(fā)任務(wù)要求及塔河的地形和水流條件以及景觀效果等因素，攔河閘擬建在塔河一橋和管線橋之間，見圖2，設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)為50年一遇洪水。攔河閘自左向右采取“灘槽+主槽+灘槽”的布置方式，共布置23孔，總長920.00m。其中，主槽靠右岸布置10孔，孔口尺寸為3.50m×38.00m(高×寬)，閘底板高程1006.50m，閘墩頂高程1012.47m。灘地共布置13孔，其中左岸布置8孔，右岸布置5孔，孔口尺寸為2.00m×38.00m(高×寬)，閘底板高程1008.00m，閘墩頂高程1012.47m。工程運(yùn)用方式為汛期敞泄，非汛期蓄水溢流，正常蓄水位1010m，若4—6月河道來水流量大于300m3/s時(shí)則敞泄。

圖2 擬建攔河閘閘址位置

3 模型概況和試驗(yàn)水沙條件

攔河閘正常蓄水位下回水影響范圍約7km，考慮建閘后可能的淤積上延影響以及模型進(jìn)口過渡段需要，選擇模擬河段范圍為閘上游約12km長河段，攔河閘位置為出口斷面。以兩岸護(hù)灘工程為左右兩側(cè)邊界范圍。結(jié)合場地條件，設(shè)計(jì)模型主要比尺見表1。模型平面布置見圖3。試驗(yàn)觀測內(nèi)容包括河道地形、水位、含沙量等。

表1 模型主要比尺

圖3 阿拉爾攔河閘試驗(yàn)河段模型布置示意

試驗(yàn)水沙條件選取代表豐、平、枯不同水沙情況的年份，即枯水平沙時(shí)段(1991—1995年)、偏豐水豐沙時(shí)段(1978—1982年)、平水平沙時(shí)段(2002—2006年)，組成15年試驗(yàn)水沙系列，相應(yīng)的水沙特征值見表2。

表2 試驗(yàn)水沙特征值

4 試驗(yàn)結(jié)果分析

4.1 閘上游淤積發(fā)展過程

試驗(yàn)河段累積沖淤量變化過程見圖4。在試驗(yàn)運(yùn)行初始階段，閘前河段表現(xiàn)出非汛期淤積、汛期沖刷的交替變化過程。河道總體表現(xiàn)為累積淤積態(tài)勢，至第7年(1979年)汛前，累積淤積量達(dá)到最大，為370.1萬m3，之后經(jīng)過幾年較大幅度的沖刷和淤積交替調(diào)整，累積淤積量減少，至第10年以后沖淤變幅減小，累積淤積量維持相對穩(wěn)定。試驗(yàn)結(jié)束時(shí)河段累積淤積量為190.3萬m3，試驗(yàn)第10年(1982年)后河段基本屬于動(dòng)態(tài)沖淤平衡狀態(tài)。

圖4 為試驗(yàn)河段沖淤量變化過程

4.2 不同水沙時(shí)段沖淤分布

不同水沙時(shí)段河道沖淤量見表3。第1～5年(1991—1995年)，淤積量總為251.6萬m3，其中非汛期淤積460.3萬m3，汛期沖刷208.7萬m3；第6～10年(1978—1982年)，河道總體為沖刷，沖刷量為35.9萬m3，其中非汛期淤積408.3萬m3，汛期沖刷444.2萬m3；第11～15年(2002—2006年)，河段總體也為沖刷，沖刷量為25.4萬m3，其中非汛期淤積366.5萬m3，汛期沖刷391.9萬m3。顯然，河段累積淤積主要發(fā)生在枯水平沙時(shí)段。

表3 不同水沙時(shí)段河道總沖淤量(斷面法)

4.3 沖淤量河段分布

不同時(shí)段河道分段沖淤量情況見表4。15年水沙系列試驗(yàn)過后，河段C1～C5(閘前2.2km)淤積90.8萬m3，占總淤積量的47.8%；河段C5～C9(閘前2.2～4.7km)淤積49.4萬m3，占總淤積量的26.0%；C9～C18(閘前4.7～7.5km)淤積58.6萬m3，占總淤積量的30.8%；C18～C23(閘前7.5km～10.0km)沖刷8.5萬m3，占總淤積量的-4.5%。C18斷面以下淤積量合計(jì)占104.6%，C9斷面以下淤積量合計(jì)占73.8%。可見，淤積基本都發(fā)生在閘上7.5km河段內(nèi)，近閘段淤積量最大。

表4 試驗(yàn)河段不同時(shí)段分段沖淤量及占比

4.4 非汛期蓄水運(yùn)用對河道沖淤影響

非汛期攔河閘蓄水溢流，僅當(dāng)河道來水流量大于300m3/s時(shí)敞泄排沙。在15年系列中近一半年份非汛期因流量達(dá)不到要求而未進(jìn)行過敞泄運(yùn)用。各年非汛期河段淤積量及其占來沙百分比見圖5。從圖5中可知，當(dāng)非汛期完全蓄水運(yùn)用，泥沙淤積比(淤積量占來沙量百分比)在83%～95%之間，平均值為91.6%；當(dāng)非汛期進(jìn)行敞泄排沙運(yùn)用時(shí)，除第2年淤積比較大外，其他年份均小于50%，最小值為17%，平均值為33.0%，遠(yuǎn)小于完全蓄水運(yùn)用的情況。按照上述情況估算，非汛期采用大水敞泄運(yùn)用方式，可減少約60%的泥沙淤積。

圖5 非汛期河段沖淤量及其占來沙量百分比

4.5 汛期敞泄運(yùn)用對河道沖淤的影響

汛期打開閘門敞泄排沙，河道內(nèi)不蓄水。汛期沖淤量以及非汛期和年沖淤量見表5，經(jīng)對比可以看出，除個(gè)別來沙量很大的年份，如第1年(1991年)和第9年(1981年)淤積外，其他年份汛期均為沖刷。系列第1～5年，汛期沖刷量均小于非汛期淤積量，因此河段出現(xiàn)累積性淤積；系列第6～10年，除第9年(1981年)淤積外，其余各年均沖刷較大，超過非汛期淤積量，使得該時(shí)段總體表現(xiàn)為沖刷；系列第11～15年，汛期均為沖刷，其中，前兩年汛期沖刷量小于非汛期淤積量，后三年汛期沖刷量大于非汛期淤積量，該時(shí)段河段總體略有沖刷。總體來看，汛期敞泄運(yùn)用對于沖刷非汛期淤積泥沙、抑制河段累積性淤積起著關(guān)鍵作用。

表5 汛期、非汛期和年沖淤量

5 結(jié) 語

a.試驗(yàn)初期模擬河段呈現(xiàn)累積性淤積態(tài)勢，在水沙系列第7年淤積量達(dá)到最大，之后經(jīng)過沖刷和淤積交替調(diào)整，河道累積淤積減少，試驗(yàn)結(jié)束累積淤積量為190.3萬m3。在擬定水沙系列條件下，試驗(yàn)第10年以后(1982年)河段基本維持動(dòng)態(tài)沖淤平衡。

b.試驗(yàn)期間河段總體表現(xiàn)出非汛期淤積、汛期沖刷的特點(diǎn)。河段累積淤積主要發(fā)生在第1個(gè)時(shí)段，即枯水平沙時(shí)段。泥沙淤積基本都發(fā)生在閘上7.5km河段內(nèi)。

c.非汛期有大流量敞泄運(yùn)用的年份，淤積比沒有進(jìn)行敞泄運(yùn)用的年份平均降低約60%。汛期敞泄運(yùn)用對沖刷非汛期淤積泥沙、抑制河段累積性淤積起著關(guān)鍵作用。