大頂子山庫(kù)區(qū)泥沙淤積動(dòng)態(tài)分析

史 磊，王秀清

(哈爾濱市水文水資源勘測(cè)總站，哈爾濱150001)

大頂子山庫(kù)區(qū)泥沙淤積動(dòng)態(tài)分析

史 磊，王秀清

(哈爾濱市水文水資源勘測(cè)總站，哈爾濱150001)

松花江大頂子山航電樞紐運(yùn)行后，改變了原松花江哈爾濱段天然河流的屬性，受大壩回水的影響形成了長(zhǎng)約160 km的庫(kù)區(qū)。文章采用水下地形測(cè)量數(shù)據(jù)及水文監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，闡述了工程對(duì)水文情勢(shì)的影響，對(duì)泥沙淤積進(jìn)行了動(dòng)態(tài)分析。

庫(kù)區(qū);水文情勢(shì);泥沙淤積;水位;流量;動(dòng)態(tài)分析

0 前言

大頂子山航電樞紐工程位于松花江干流呼蘭河匯合口下游46 km處，2007年蓄水試運(yùn)行。隨著蓄水量的加大至正常蓄水位116 m時(shí)，樞紐上游枯水期最大壅水高度可達(dá)4 m，回水區(qū)段長(zhǎng)約160 km。松花江哈爾濱段由天然河流變成了庫(kù)區(qū)河段，其流速流態(tài)較修建工程前將發(fā)生變化，以下對(duì)大頂子山庫(kù)區(qū)泥河淤積進(jìn)行動(dòng)態(tài)分析。

1 工程對(duì)水文情勢(shì)的影響

工程對(duì)水文情勢(shì)的影響包括:對(duì)水位的影響、對(duì)水位流量關(guān)系的影響、對(duì)懸移質(zhì)泥沙斷面含沙量及斷面輸沙率的影響和對(duì)河床質(zhì)顆粒粒徑和顆粒級(jí)配的影響。

1.1 對(duì)水位的影響

隨著蓄水量的加大至正常蓄水位116 m時(shí)，樞紐上游枯水期最大壅水高度可達(dá)4 m。工程控制的水位較天然水位高，對(duì)上游洪水位也會(huì)產(chǎn)生抬高的影響。

1.2 對(duì)水位流量關(guān)系的影響

以老頭灣站為例，根據(jù)老頭灣站建庫(kù)前10 a水位流量資料與2007年大頂子山航電樞紐初步蓄水后實(shí)測(cè)水位流量相比較，發(fā)現(xiàn)建庫(kù)后同流量水位抬高近1 m、同水位流量比建庫(kù)前減少超過(guò)50%。見(jiàn)圖1、表1。

圖1 建庫(kù)前水位流量相關(guān)線圖

表1 建庫(kù)前后水位流量數(shù)據(jù)相關(guān)表

1.3 對(duì)懸移質(zhì)泥沙斷面含沙量及斷面輸沙率的影響

采用2003年作為典型年、相應(yīng)實(shí)測(cè)水位，將建庫(kù)前后的懸移質(zhì)含沙量和斷面平均輸沙率進(jìn)行比較發(fā)現(xiàn):建庫(kù)前的懸移質(zhì)含沙量和斷面平均輸沙率要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于建庫(kù)后的懸移質(zhì)含沙量和斷面平均輸沙率，比值達(dá)到5倍左右。

可見(jiàn)大頂子山航電樞紐建成后，懸移質(zhì)含沙量和斷面平均輸沙率變小，河流挾沙能力降低，泥沙產(chǎn)生淤積，見(jiàn)表2。

表2 建庫(kù)前后斷面含沙量和斷面輸沙率變化表

1.4 對(duì)河床質(zhì)顆粒粒徑和顆粒級(jí)配的影響

建庫(kù)前老頭灣斷面河床質(zhì)顆粒平均粒徑在0.1～0.3 mm左右，建庫(kù)后老頭灣斷面河床質(zhì)顆粒平均粒徑除一條垂線顆粒平均粒徑為0.3 mm以外，其他垂線顆粒平均粒徑均在0.1 mm以下，河床質(zhì)大部分為淤泥。

河床質(zhì)實(shí)測(cè)資料證明，建庫(kù)后松花江哈爾濱城區(qū)段挾沙能力降低，大量懸移質(zhì)泥沙淤積沉降至河底，變成河床質(zhì)，河床質(zhì)顆粒級(jí)配出現(xiàn)顯著變化，河床質(zhì)泥沙粒徑減小，河床質(zhì)細(xì)化。

2 庫(kù)區(qū)泥沙淤積現(xiàn)狀(采用2011—2012年實(shí)測(cè)水下地形數(shù)據(jù))

2.1 縱斷面的淤積特點(diǎn)

蓄水后由于壩前河段水力要素的變化，河床淤積明顯，已形成累積型的淤積帶。2011年與2012年實(shí)測(cè)深泓縱斷面圖(全長(zhǎng)132.5 km)對(duì)比分析，淤積平均厚度達(dá)到0.11 m。呼蘭河口沖刷區(qū)及采沙區(qū)合計(jì)長(zhǎng)度 23.7 km2，平均沖刷 3.81 m，這個(gè)數(shù)據(jù)是自然沖刷和人為挖沙共同結(jié)果，自采沙區(qū)邊界向上游有67.3 km江段沖淤交替。

帶狀淤積主要表現(xiàn)在壩前段，自壩址向上游41.5 km河床全面處于淤積狀態(tài)。該段屬于常年回水區(qū)，受壩前壅水影響，水深大、流速緩、水流挾沙能力弱，泥沙多集中在此段淤積。由于水庫(kù)的調(diào)節(jié)運(yùn)用，水位變化具有周期性，水流條件也發(fā)生相應(yīng)的變化。

當(dāng)庫(kù)水位較高時(shí)，回水末端位居上游，較粗泥沙便開(kāi)始在此淤積;當(dāng)庫(kù)水位下降后，回水末端向下游移動(dòng)，原來(lái)高水位淤積的泥沙被沖到下游，并在下游回水末端處淤積，這樣便形成比較均勻的帶狀淤積。

2.2 橫斷面的沖淤變化情況

在庫(kù)區(qū)實(shí)測(cè)淤積斷面資料中，選擇6個(gè)典型斷面進(jìn)行比較，分別是 4#、8#、14#、18#、23#和 32#。

1)4#斷面(距壩址16 km)位于壩址前第一個(gè)大彎道處，平均淤積厚度0.38 m。

2)8#斷面(距壩址27.2 km)位于較大的河谷處，深弘線明顯走低，平均淤積厚度0.20 m。

3)14#斷面(距壩址65 km)位于兩條岔道匯流處前約3 km處，平均淤積厚度0.37 m。

4)18#斷面(距壩址78.5 km)位于半圓狀彎曲河道處，平均淤積厚度-2.08 m。

5)23#斷面(距壩址97.7 km)位于橢圓狀彎曲河道處，兩個(gè)河谷之間，平均淤積厚度0.64 m。

6)32#斷面(距壩址117.5 km)位于半圓狀彎曲河道處，平均淤積厚度-0.13 m。

從以上監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比看，有2個(gè)斷面是沖刷狀態(tài)即18#和32#，18#斷面位置在陽(yáng)明灘處，南岸有丁字壩挑流，北岸有大橋工程所修的棧道，均對(duì)此處的沖刷產(chǎn)生重要影響，沖刷年平均厚度2.08 m。32#斷面距壩址較遠(yuǎn)，受工程影響較小，接近天然狀態(tài)，自然的變遷會(huì)有小量的沖刷。其余4個(gè)斷面都處于淤積狀態(tài)，厚度各不相同。典型橫斷面對(duì)比總的情況是庫(kù)區(qū)內(nèi)雖有沖有淤，但淤積遠(yuǎn)大于沖刷，整體呈現(xiàn)為累積性淤積。

2.3 灘涂、崩岸變化

2.3.1 青年宮淺灘

從2011年與2012年青年宮淺灘河底高程數(shù)據(jù)對(duì)比上看出2012年有小量沖刷，平均沖刷厚度0.11 m。(主要原因是該處正在修建高鐵橋)。

2.3.2 四方臺(tái)—水源右岸崩岸江段

該江段長(zhǎng)度約2.2 km，2012年崩岸繼續(xù)發(fā)展，2011與2012年實(shí)測(cè)水邊進(jìn)行比較，平均崩岸寬度7.45 m。

3 淤積成因分析

淤積成因有以下4點(diǎn):

1)水庫(kù)蓄水后，由于水深加大，流速變緩，水流挾沙能力減弱，懸移質(zhì)泥沙大量落淤［1］。

2)由于涉水工程逐年增加變化較大，庫(kù)區(qū)水文要素受其影響發(fā)生變化，相應(yīng)也會(huì)產(chǎn)生淤積。

3)汛期排沙也僅沖刷河槽中的淤沙，大量灘地淤沙難以被水流沖走，造成累積性淤積。

4)庫(kù)區(qū)江段上游植被遭到破壞，導(dǎo)致水土流失，使其進(jìn)入庫(kù)區(qū)也會(huì)產(chǎn)生淤積。

水庫(kù)泥沙淤積分布是比較復(fù)雜的問(wèn)題，其影響因素較多，有壩前水位及其變化，庫(kù)容大小，水庫(kù)地形，來(lái)水來(lái)沙過(guò)程、數(shù)量以及泥沙顆粒級(jí)配組成等［2］。而以壩前水位的變化和庫(kù)容的大小與庫(kù)區(qū)地形為主要影響因素。

4 水庫(kù)淤積的危害及防治措施

4.1 水庫(kù)淤積的危害

在水庫(kù)上游河道，淤積抬高河床，使河道水位升高，坡降和流速減小，河槽過(guò)水能力降低，增加了防洪困難。

水位抬高還會(huì)引起兩岸地下水位升高，導(dǎo)致土地鹽漬化。在庫(kù)區(qū)淤積減少有效庫(kù)容，影響水庫(kù)調(diào)節(jié)性能和建筑物正常運(yùn)用。

4.2 水庫(kù)淤積防治

有水力排沙、水力沖刷和機(jī)械清淤3類(lèi)。水力排沙根據(jù)水庫(kù)來(lái)沙集中在汛期的特點(diǎn)，采用汛期降低庫(kù)水位(或泄空)，使懸移質(zhì)泥沙的主要部分通過(guò)庫(kù)區(qū)時(shí)來(lái)不及沉積排出，也可采用汛來(lái)水庫(kù)蓄水，將泥沙以重流形式排出庫(kù)外。這類(lèi)方法稱(chēng)為蓄清排渾法。

水力沖刷法分為汛前泄空沖刷、低水位沖刷和定期降低水位水力沖刷法(一年內(nèi)1～2次或多年1次)等。

機(jī)械清淤，有利用水庫(kù)水頭差作為排沙能源和利用外加能源法2大類(lèi):

1)前者常利用水庫(kù)上下游水位差，根據(jù)虹吸原理，用浮動(dòng)軟管將建筑物前淤積物排泄出庫(kù)。

2)后者用挖泥船或泥漿泵等機(jī)械清淤，只適合于水資源特別寶貴的水庫(kù)。

5 大頂子山庫(kù)區(qū)沖淤量的年際變化

2008—2012年庫(kù)區(qū)的泥沙淤積量分別是:

2008年淤積量72.4×104t;2009年淤積量88.0×104t;2010年淤積量44.0×104t;2011年淤積量329×104t;2012年淤積量146×104t;累淤積量679×104t。大頂子山水庫(kù)淤積量的年際變化見(jiàn)表3。

表3 大頂子山水庫(kù)淤積量的年際變化表

由表3看出，排沙比還在變化之中，庫(kù)區(qū)的泥沙淤積仍在發(fā)展變化，還沒(méi)有達(dá)到淤積平衡狀態(tài)。

6 結(jié)論

大頂子山航電樞紐工程的修建，使松花江哈爾濱段水文情勢(shì)發(fā)生了顯著改變。蓄水后使水位抬高、水深加大、流速變緩、水流挾沙能力減弱，懸移質(zhì)泥沙大量落淤，導(dǎo)致庫(kù)區(qū)泥沙淤積。這種淤積在較長(zhǎng)的時(shí)期內(nèi)是累積性的，會(huì)逐年疊加，直到進(jìn)出庫(kù)泥沙達(dá)到基本平衡。

不同的庫(kù)段雖有沖有淤，但總的趨勢(shì)是淤積，從建庫(kù)前后水下地形測(cè)量數(shù)據(jù)對(duì)比分析總體趨勢(shì)為累積性淤積，縱斷面為具有一定厚度的帶狀縱斷面形態(tài)，淤積趨勢(shì)逐漸向上延伸。

泥沙淤積可能產(chǎn)生的后果有:

1)降低現(xiàn)有堤壩的防洪能力及水庫(kù)的運(yùn)行效益，影響生態(tài)環(huán)境，減少庫(kù)容，縮短水庫(kù)的使用壽命。

2)水庫(kù)的泥沙淤積污染環(huán)境、影響生態(tài)平衡、增加洪水傳播時(shí)間、加大防洪壓力。

［1］劉鳳岳.龍口港航道泥沙淤積狀況及其動(dòng)態(tài)分析［J］.海岸工程，1994(01):20-23.

［2］胡興娥，李云中，李明超.三峽水庫(kù)135m運(yùn)行階段永久船閘下引航道泥沙淤積分析［J］.水科學(xué)進(jìn)展，2008(01):03-09.

Sedimentation Dynamic Analysis in Dadingzishan Reservoir

SHI Lei and WANG Xiu-qing
(Harbin City Hydrology ＆ Water Resources Survey General Station，Harbin 150001，China)

After the construction of Dadingzishan Navigation Power Junction on Songhuajiang River，the natural characteristic of the river on Harbin section was changed，forming 160 km backwater reservoir area influenced by the dam.The underwater topographic survey data and hydrological monitoring data are used in the paper，the dynamic influence of the project on hydrological regime and sediment are analyzed.

reservoir area;hydrological regime;sediment;water level;dynamic analysis

TV14

A

1007-7596(2014)05-0001-03

2013-11-29

史磊(1986-)，男，吉林扶余人，助理工程師;王秀清(1960-)，女，山東費(fèi)縣人，高級(jí)工程師。