子牙新河尾闾段河流特性分析(孙东坡,何书会,薛海,吕社庆)

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子牙新河尾闾段河流特性分析水利论文 Al.jK/xR}

孙东坡1何书会2,薛 海1吕社庆3水利论文2^+}XG!~ f:]!^
1.华北水利水电学院水利系;2.河北省水利水电第二勘测设计研究院;水利论文O.zi O]0x^$l F,[
3.黄河水利委员会河南水文水资源局)
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摘要:利用实测水文、泥沙资料,对子牙新河尾闾段的河道阻力、冲淤特性、河口水沙及潮汐运动规律进行了全面分析。认识到近年来上游径流减少、河槽萎缩、滩地严重阻水、近海泥沙大量回淤河口及挡潮闸下引河,这是目前海河流域入海河流尾闾段普遍存在、影响防洪安全的重要问题。作者对子牙新河尾闾段行洪能力、滩地糙率及引河段淤积态势进行了分析研究,提出了利用潮汐动力与工程措施相结合的方法改善尾闾段河道淤积状态,提高河口排洪能力。

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关键词:尾闾段;潮汐动力;河槽萎缩;淤积态势;行洪能力

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作者简介:孙东坡(1952-),男,河南开封人,华北水利水电学院教授。水利论文V9YYD"WiqP

1 引言水利论文q/Lg0{Mn Dw%k

一般入海河流下游近河口段(尾闾段)的河床纵坡较小,都要受上游径流与河口海洋潮汐的双重作用影响。尾闾河段是否畅通,直接关系到河流能否安全泄洪、排沥,是水利部门十分关注的问题。近年来海河水系一些河流的尾闾河段由于上游径流很小,经常断流;河口海洋潮汐作用又使大量泥沙回淤,造成尾闾段河道深槽及河口逐年淤积。尾闾河段及河口建筑物的泄洪能力与原设计水平相比,大大降低。在河道防洪及整治规划时,十分需要了解现状河道的实际过洪能力,以及各种整治工作措施对提高尾闾河段泄洪能力的作用。由于河口附近水文及边界条件的复杂性,尾闾河段的河流特性比之一般河段又有许多不同及特殊性。本文针对海河一条典型的入海支流尾闾段进行了河流特性分析。水利论文dsrg2k x7g

子牙新河为1967年开挖的子牙河系洪水入海通道。弱势的上游径流与相对强势的河口潮汐作用,造成尾闾段河道深槽及河口逐年淤积;滩地修建的大量阻水建筑物与种植的高杆作物也严重防碍滩地行洪。有关资料表明,在原设计水位条件下,河道与主槽的现状行洪能力还不及原设计的一半,近年发展还有进一步恶化的趋势。从防洪规划及河道整治角度讲,要改善河道现状过洪能力,必须对尾闾段的河流特性(包括河道几何形态,河槽与滩地的阻力特征、淤积特性,河口海洋潮汐动力特征等问题)进行全面的分析研究。

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2 尾闾河段基本特性水利论文i8E'G ^f6Ee`

海河的这条入海支流是一条利用低洼地势开挖的入海行洪、排沥通道。河道尾闾河段比较顺直,河段平面曲折率ζ=1.093;河身宽浅,主槽狭窄,滩地广阔,河宽沿程变化很小。现状河道由于泥沙淤积、洪水及河口潮汐动力的综合造床作用,尾闾上段纵坡为0.55/10000,下段现状纵坡基本为平坡;河口外引河由于近海泥沙淤积,目前引河由原设计的倒坡基本上淤积为平坡。河道滩地纵坡比主槽纵坡略大,坡降沿程变化趋势与主槽基本相同。河道原设计纵剖面如图1所示。

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尾闾段河道横断面非常宽浅,典型断面的横断面形态如图2所示。通过资料分析,该段河道的河相关系系数B/H一般约为10.3。由于子牙新河很少有大洪水行洪,所以河道滩地受洪水影响较小,但受人类活动的影响很大。主槽受多年小径流影响,河床主要以淤积抬升为主,但大洪水的造床作用也很明显。近年发生的“96.8”洪水是一次较大洪水,河口洪峰流量Q=1600m3/s,曾使主河槽发生很大冲淤变化。在京沪铁路桥以下2km的局部河段,就曾形成深达7m,长达300m长的大冲坑,形成局部河底倒坡。

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1 河道原设计纵剖面
9S|+Oq"}Q0Fig.1 The river longititudinal profile in original design state
2 河道典型横断面形态
&N2pq Dt/{r6zG.v@0Fig.2 The typical cross section of the river

3 尾闾段河道阻力及冲淤特性分析

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3.1 河槽与滩地阻力特性水利论文^S9l\ob

子牙新河河槽相对狭窄,主槽宽度约300m,深槽仅宽100m左右。床沙组成主要为粉沙及壤土。由于人工开挖渠道的断面比较规则,所以原设计深槽糙率为0.0225,主槽糙率为0.025。由于近年来径流很小,深槽常年处于淤积状态并形成一些河弯。经“96.8洪水”资料校验,现状河槽阻力增加不少,深槽糙率已增至为0.025,主槽糙率也增加为0.0317。水利论文2q$s+n [x+I

  子牙新河滩地非常广阔,是尾闾河段行洪的主要场所。原设计行洪滩地糙率n=0.033。由于滩地长年不过水又种植大量农作物和果林,修筑不少阻水高渠,近海滩地还开挖了许多虾池,这些人类活动因素大大改变了滩地原有边界条件。“96.8”洪水时的滩地行洪状况表明,上述因素使滩地阻力增大了许多,局部河段实测滩地糙率竟高达0.1025。考虑到“96.8”洪水远未达到设计洪水(洪峰流量Q=6000m3/s),当时上滩水流受农作物影响,阻水作用较大,糙率也明显偏大。设计洪水时滩地水深肯定进一步增大,这样农作物阻水影响会有所降低。因此根据洪痕调查资料和水面线推求成果分析,得到滩地行洪时流量与糙率的相关关系,见图3。
3 滩地流量与糙率关系
J#ai|A5E||C }b0Fig.3 The relation between discharge and roughness in flood-plain

由图可以看到受人类活动影响的现状滩地,在中等漫滩洪水时阻水作用最强,糙率最大;滩地淹没程度增大后,糙率相应减小。由资料分析可以推断在设计洪水条件下,现状行洪滩地糙率一般约为n=0.045~0.055。水利论文9^o+f1b#K%DJ

3.2 河槽与滩地冲淤特性分析研究水利论文;I|$g*qz+b3@

3.2.1 主槽和滩地淤积现状

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60年代开挖的子牙新河河道自1967年运用以来,除“96.8”洪水外,未经历过较大的洪水。由于地表径流很贫乏,河道常年流量较小,径流携带的泥沙大部分淤积在主槽内。到1984年主槽河底淤积厚度达1m左右,河口闸上8km的河段淤积厚度最大达3.5m。以后虽经“96.8”洪水冲刷,个别河段形成冲刷坑;但河道总体还是淤积,尤其是挡潮闸上15km河段,淤积厚度达2.5~3.5m,严重影响河道泄洪能力。

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由于很少经历大洪水,所以河道滩地淤积并不严重。但是滩地农林作物、水产养殖池塘、渠道、村台等建筑物有严重阻水作用,这使得“96.8”洪水引起主槽两侧滩地的一定淤积,淤积厚度达0.3m。另外还有滩地的一些排水渠淤积,淤积土方量达216万m3。目前滩地的人类开发活动已成为大洪水严重的阻水因素,这使得滩地成为大洪水主要的潜在淤积场所。水利论文 W @A k o x

3.2.2 河道冲淤状况分析水利论文US?:@{

子牙新河修建以后,由于近年枯水系列和上游拦蓄径流,中小洪水也较少发生。河槽缺乏洪水造床,形成断面萎缩淤积、比降减缓。“96.8洪水”实测资料表明:主槽逐年萎缩使平滩流量降低30%以上,造成主槽埝(南小埝)防洪标准严重不足;即使遇到中小洪水,也引起洪水漫滩机率大大增加。分析“96.8洪水”资料还可以发现,洪水期主槽一般发生冲刷,而汛后还要产生回淤;漫滩洪水则会因人类活动在滩地造成的阻水作用,使泥沙在河漫滩大量淤积。由于大洪水发生机率较低,因此河道演变的趋势还是以河槽淤积为主。另外河道近河口段的淤积状况还影响了河口枢纽(包括主槽挡潮闸、滩地泄洪闸)的过流能力与溢洪堰的壅水程度。而它们则直接决定着河道下游的比降、流速与水流挟沙力,反过来又影响尾闾段的冲淤方向和程度。

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3.3 河道及河口枢纽过流能力分析

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开挖子牙新河是解决滹沱河与滏阳河的洪、沥水排泄入海问题。由于河道主槽淤积、滩地糙率加大,使得子牙新河尾闾段的过流能力比原设计标准大大降低。在“96.8洪水”时,深槽过洪能力为150m3/s,主槽实际过洪能力仅为285m3/s。如果采用“96.8洪水”反推的糙率,可以推算子牙新河在原设计水位下,过洪能力降低28.7%~70%;在原校核水位下,过洪能力降低37.2%~74%。根据现状河道地形,采用考虑潮汐影响的一维水沙数学模型推算了河道水面线。计算结果表明主槽洪水水面线和设计洪水水面线都要比原设计洪水水面线高出不少,见图4、图5。其中现状河道主槽洪水(Q=600m3/s)的洪水位平均比原设计高0.68m,这使得沿程主槽水位大都超过现状河槽埝顶;设计洪水(Q=6000m3/s)的洪水位平均比原设计高0.39m,河口溢洪堰堰前水位比原设计最大提高0.79m。

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4 现状河道主槽洪水(Q=600m3/s)水面线
aNc0zR%w7`8c0Fig.4 The flood surface curve in current main channel(Q=600m3/s)
5 现状河道设计洪水(Q=6000m3/s)水面线
}4A `? }\0Fig.5 The flood surface curve in current river
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(Q=6000m3/s)

由于河口挡潮闸上下游河道淤积,现状闸底面高程由原设计的-3.34m抬高到0m,这使挡潮闸的过流面积减小,泄洪能力下降。在闸上水位3.4m时,原设计过流能力为700m3/s;而在“96.8洪水”中同水位的过流量才240m3/s,过流能力下降65.7%。在子牙新河滩地上设置的北大港泄洪闸,闸前淤积也比较严重。现状闸底面高程由原设计的0m抬高到1.8m,使泄洪闸排洪能力下降。在闸上水位3.22m时,原设计过流能力为720m3/s;而在“96.8洪水”中同水位的过流量才300m3/s,过流能力下降58.3%。河口溢洪堰长2100m,在1997年以前堰顶高程为3.0m,堰前设计水位4.22m。在“96.8洪水”中因尾闾段洪水位很高,堰前水位3.4m时便开始破除,当时最大过流量为802.5m3/s。

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综上所述可以看到,近年来河道长期缺乏洪水造床,主槽萎缩、河口淤积,河道及河口枢纽的过流能力大大下降,已造成尾闾段严重的泄洪不畅。为了提高河道防洪标准,必须采取工程措施,如河道主槽清淤、滩地消除行洪障碍,另外河口外引河的清淤也是非常必要的。水利论文|NLsz2ml

4 河口水沙及潮汐动力特性分析水利论文^/P}Ro4j:M/cu9l0P

4.1 河口水沙及潮汐特性水利论文f7v-gz-lL-y

子牙新河上游径流不足,属季节性河流,除汛期7~9月外,基本上没有来水。河口属于淤泥质平原型短引河建闸河口,是河流动力与海洋动力共同作用的区域。由于上游径流很弱,年内河口闭闸期长达8、9个月以上,所以河口海洋动力即潮流作用占明显优势。河口泥沙多系潮流和风浪作用从广阔的近海滩地带来,悬沙粒径很细,中值粒径d50=0.005mm。引河中悬移质含沙量随潮汐水流的强弱而相应变化,含沙量一般在0.5~10kg/m3。引河中悬移质泥沙沿垂线分布比较均匀,实测悬沙分布见图6。

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河口区海水含盐度达0.3%,涨落潮过程中含盐量使悬沙受到絮凝影响。絮凝加快悬沙重力沉降使沉速大大增加,另外潮汐过程中含沙量、流速也对悬沙沉降产生影响。我们根据相关河口区的泥沙沉速实测资料进行分析,认为考虑絮凝影响的悬沙沉速与各影响因子的关系宜用如下形式表达

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式中 ωs为考虑多种因素的悬沙沉速,ωs0为按Stoks公式计算的单颗沉速。s为潮汐含沙量,u为水流流速。根据海河、连云港、子牙新河口的试验资料,流速与含沙量的影响系数、指数分别为:m=0.75;n=0.59;c1=0.06;c2=4.71;与含盐度有关的絮凝系数为ks=3.87。针对子牙新河口具体的水沙及含盐度条件,如以简单关系式ωs=Kωs0表示,综合修正系数K约为150左右,并随大小潮的流速与含沙量有所波动。

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河口枢纽闸下引河床面泥沙为粘性有机质土,颗粒很细,内含贝壳残体及腐植质。泥沙中粘粒含量占40%~50%,湿容重在1040~1360kg/m3。引河表层床面泥沙多以浮泥形式存在,如果利用潮汐水流作用及时冲淤并配合机械拖淤,是可以有效减轻河口淤积的。

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子牙新河河口位于渤海湾西岸,海洋潮汐一般为不规则半日潮。河口潮汐有大、中、小三种潮型,有关潮型的资料见图7。通常农历每月初三和十八为大潮,此时挡潮闸下1+300断面的高潮位可达2.19m,最大潮流流速为0.9m/s。子牙新河河口与海河河口潮汐相同,也有涨五落七的规律,即通常涨潮历时五小时左右,落潮历时七小时左右,落潮时间比涨潮时间长2小时左右。如果有径流下泄,涨潮历时还会缩短,落潮历时还会延长。这种涨落潮时间的不平衡,也直接影响着河口区水沙运动的规律和冲淤特性。

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6 悬沙沿垂线分布(桩号海纳1+300)水利论文un;Om8|%P3y T4]2AB
Fig.6 Distribution in vertical of suspended load
7 典型潮波曲线
Ny{ D!G0QDdY0Fig.7 The typical tide wave profile

4.2 河口冲淤特性

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4.2.1 近海河口水流泥沙运动规律水利论文 |(w[}Dl-CC z

子牙新河口是海陆双相河口,岸滩较宽,为典型的淤泥质海岸。挡潮闸至平均低潮位岸滩宽约5km,平均坡降约1/3000。岸滩堆积物主要为历史上黄河、海河等入海泥沙经潮汐、海流和波浪搬运而来。目前主槽闸下引河长约3.4km,引河汛前回淤高程约0~1m。修建挡潮闸后,在解决“挡潮防咸,闭闸蓄淡”,满足沿河两岸农业用水上起到显著的作用。但因上游径流不足,闸门常年关闭,使得长期以来,闸外引河的冲淤变化主要受潮汐水流的影响。每日两次的涨潮,使淤泥质浅滩上的泥沙很容易借助潮流进入引河。潮汐水流进入引河后,因闸门关闭阻挡潮波引起潮波变形,经实测资料分析,涨落潮历时比值为0.75:1.0。在引河段涨潮历时短而流速大,落潮历时长而流速小,改变了潮流挟沙特性。实测资料表明:平均涨潮流速比落潮流速大2倍以上;潮流流速由河口外至近闸段沿程衰减,使水流挟沙能力也相应减少,实测涨潮时水流挟沙力比落潮时大3.6倍。涨落潮期间,流速总是自下而上沿程递减,造成泥沙在引河中沿程落淤。挡潮闸前区流速基本为零,还形成闸前盲肠淤积。另外在涨憩和落憩时,整个引河段流动趋于停止,泥沙则全程落淤。

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在整个涨潮期间,引河段不可避免地形成愈近闸越严重的淤积,河底形成不稳定的浮泥层。在落潮期,滩地水流逐渐归槽,自闸前至外海的引河段潮流速沿程递增。落潮水流可以带走部分淤积浮泥,形成冲刷。但是较涨潮而言,落潮历时长、流速小,因而落潮流挟沙能力要比涨潮流小。同时,涨潮时落淤的细沙受粘结力的影响,较难起动。这种涨、落潮期的输沙不平衡亦导致闸下引河段持续的淤积,形成了子牙新河口建闸后水沙运动的新特点。闸下淤积后,河口进潮量减少,落潮历时加长,潮流量更小,挟沙能力进一步降低,从而又加重闸前河段淤积。如此相互影响,形成恶性循环,在70年代初闸前淤积最严重时厚度达5.7m。可以说,潮波变形是引起一般入海河流挡潮闸外引河淤积的直接原因。水利论文j oSJb#B.b0|[]{

4.2.2 引河段河床演变特点

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在淤泥质河口上修建挡潮闸后,除了长期关闸带来的潮波变形会引起近闸段引河淤积严重外,河道径流量的大大减小也是河口淤积的重要原因。入海径流量的增减直接影响涨落潮潮量、流速和历时的比值,影响涨落潮含沙量。径流量的减少使得潮汐作用增强,挡潮闸上下游泥沙大量落淤。而且随着淤积的不断发展,引河段摩阻作用增强,落潮水流挟沙能力降低,淤积将不断向上向外延伸。从1967年至1998年的32年间,子牙新河挡潮闸上下游的河口段平均每年淤积46.8万m3,仅挡潮闸下引河段每年淤积就有3.56万m3水利论文z4c@0d%L

  实测资料分析表明,整个引河段的回淤发展类似于带状水库库区的淤积。潮汐作用使挟沙水流进入引河后,引河下端首先遇到超饱和输沙引起的沿程淤积调整,淤积溯源沿程发展。但随着淤积发展,总的淤积态势是一方面引河淤积体重心逐渐向挡潮闸前推移,另一方面是淤积速率呈一级动力衰减变化,而且沿程为非均匀衰减,后期引河下端淤积强度反而比挡潮闸处小。根据子牙新河实测资料分析计算,引河段平均日淤积厚度的沿程分布见图8。
8 现状引河日淤积量沿程分布
!sI'u,eCu-mNV y0Fig.8 Distribution of daily deposition volume in current river channel

目前,每年汛前引河段采用机船拖淤,借助潮流作用清除挡潮闸前引河淤积,但是引河的回淤仍很严重;如不定期及时清淤,来年引河便又基本淤平。近年来有关部门在实践中探索总结,认为适时纳潮拖淤,是现状径流条件下保证河口泄洪能力的重要措施。

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5 结语水利论文&W1n~;T\O

通过对子牙新河河流特性的全面分析,对海河一些入海支流具有共性的问题有一些初步认识。

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(1)上游径流极少,洪水造床作用衰微,河道萎缩;海洋潮汐动力作用相对增强,近海泥沙回淤河口特别是挡潮闸下的引河,这是近年来海河流域入海支流尾闾段普遍存在的严重问题。水利论文5T9mty.o&`a.LI

(2)尾闾段河道滩地不适当的农、林及水产养殖开发,大大增强了滩地阻力,使得滩地糙率增加,而行洪能力则大幅度下降。一般上滩水流刚淹没滩地农作物时,滩地糙率最大;随着洪水流量增大,滩上淹没水深增加,大洪水时的滩地糙率会相应减小。水利论文1lvWO.o

(3)尾闾段河道常年小水淤积主槽,逐渐使主槽行洪能力降低,如现状子牙新河主槽行洪能力降低28.7%以上。在修建挡潮闸的尾闾河段,长期关闸形成了潮波变形与引河盲肠淤积的恶性循环。分析表明引河淤积态势具有淤积体重心逐渐上提,淤积速率沿程非均匀衰减的两个显著特点。

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(4)近年来径流条件、海洋动力作用与人类活动等多种因素严重影响了入海河道尾闾段的泄洪、排沥能力。为了改善尾闾段河道与挡潮闸下引河的泥沙淤积状况,扭转河口排洪能力过低的不利形势,一方面应考虑尾闾段河道主槽清淤、滩地清障;另一方面应设法借助潮汐动力作用,通过纳潮冲淤、机船拖淤等方法来解决河口淤积问题。目前子牙新河在这方面的试验研究正在进行,并取得了很好的进展。水利论文dEOM7c

参 考 文 献

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[1] 黄胜。河口动力学。水利电力出版社,1990.12.

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[2] 白玉川。海河口拖淤泥沙运动规律数学模拟研究。河流模拟理论与实践。武汉水利电力大学出版社,1998.9.水利论文3^,T Hm'_|#N

[3] 赵子丹。波浪作用下的底泥响应。水动力学研究与进展,1994.6.水利论文y$zm};HA$r$h+P

[4] Cao zude,A case Study on Coheisive Sediment Transport at the Powdery Sand-Muddy Beach in Kumamoto Port Japan.,jan.1989.水利论文z0g4U(zq `1d

[5] 孙东坡等。子牙新河一二维数学模型研究报告。2000.4.

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