沁河下游河道采砂治理方案研究

□ 劉 欣 □ 孫 妍 □ 王鳳群（河南黃河勘測設計研究院）

0 前言

河砂是緩沖河道水流、涵養水源、保護堤防與河岸的重要屏障，也是非常重要的建筑材料。近年來，隨著地方經濟迅速發展，城市基礎設施建設對砂石料需求量逐漸上升，促進了采砂業的發展。人們在經濟利益驅使下，出現了濫采亂挖的現象，在主槽內大量采挖砂石。由于采砂業主不顧及河道生態環境和河床穩定，在河道亂采濫挖，加劇了部分河段畸形河勢的惡化，造成河道坑堆增多，河流紊亂，甚至局部岸坡淘空，工程根石外露，一旦洪水到來，可能導致河勢發生大的變化，直接威脅著河道的防汛能力和沿岸群眾的生命財產安全。

目前，沁河下游河道內規劃有采砂點30處，除規劃的采砂點外，還有零星的非法采砂點。對于河道采砂，必須進行科學規劃，強化管理，以實現砂石資源的合理開發利用，確保河勢穩定、行洪安全，保持水生態環境良好。

1 沁河下游河道基本情況

1.1 近期來水情況

沁河屬季節性河流，徑流年內分配不均，在非汛期來水較枯，斷流時有發生。沁河武陟站1950-2000年間，最大洪峰流量4130m3/s，其中3000m3/s以上的洪水有2次，分別為1954年和1982年，600m3/s以上洪水共25次，600m3/s以下枯水時間達52%。1982年大水過后至2000年18年間超過600m3/s洪水僅5次。2000年以后，沁河下游枯水現象越趨嚴重，徑流量衰減明顯。統計整理武陟站2001年至2012年流量資料，近十年來，武陟站未發生1000m3/s以上洪水，超過600m3/s洪水也僅2次，全年大部分時間流量都在100m3/s以下。

1.2 沁河下游采砂現狀

沁河下游的采砂活動始于1985年，2000年以后五龍口至丹河口河段采砂現象較為嚴重，河道采砂使部分斷面主槽深泓下切、主槽展寬，主槽局部展寬達80m左右，采砂深度超過10m。

2 河道基本參數分析

對沁河五龍口至石荊橋河段內布設的27個河道大斷面資料進行整理，分析了河段相關的河道參數，對沁河下游河道采砂治理具有重要指導意義。

2.1 平灘流量

平灘流量即造床流量，是河道整治的一個重要技術指標。該流量對塑造河床形態所起的作用最大，但它并不等同于最大洪水流量。本次研究在沁河下游尋找造床流量的目的，是確定造床作用最大時對應的流量及相應的河床平面形態。國內外計算該流量方法很多，本次采用兩種方法計算研究河段的平灘流量。

圖1 Q-Q2JP曲線圖

2.1.1 馬卡維也夫法

繪制Q-QmJP關系曲線，找出QmJP最大值，相應該值的Q即為造床流量。借用黃河輸沙率公式QS=kQβ，可以繪制Q-kQβP關系曲線，當kQβP最大值時對應的流量為造床流量。為簡化起見，繪制Q-Q2JP曲線即可。本次利用這種方法，采用1985至2012武陟站流量資料，繪制了Q-Q2JP曲線。見圖1。

一般來講，相應最大峰值的流量值為決定中水河槽的流量應為第一造床流量，相應次大峰值的流量值僅對塑造枯水河床有一定的作用。對比圖1中Q2JP出現的兩個明顯峰值，第一造床流量應為700m3/s。

2.1.2 斷面計算法

結合武陟水文站所在河道大斷面套匯圖讀出該斷面位置平灘水位為104.50m，依據武陟站多年水位流量關系曲線，查找該平灘水位對應流量為592m3/s，即武陟斷面平灘流量為592m3/s。

采用HEC-RAS軟件建立2012年沁河下游現狀河道模型，對本次研究河段內27個河道大斷面逐段試算，其中最上段C.S.1、C.S.3斷面和C.S.8斷面為采砂情況較為嚴重的典型斷面，這些斷面由于亂采濫挖導致大斷面主槽大幅展寬、深泓明顯下切，相應平灘流量也比挖砂前增大，因此除最上段平灘流量估算值為700m3/s以外，其余河段的平灘流量平均值為580～650m3/s，這與多年水位流量關系曲線讀取的592m3/s相吻合。

總結上述算法:根據簡化馬卡維也夫法，推求沁河下游河段造床流量為700m3/s；根據沁河下游武陟站多年水位流量關系曲線，推求沁河下游平灘流量為592m3/s，采用模型對研究河段分段進行試算，推求該河段的平灘流量均值為600m3/s左右。

2.2 河寬

根據沁河五龍口至石荊橋河段內1985至2012年大斷面套繪結果，選取各斷面多年主河槽平均寬度。1985年以來，五龍口至石荊橋河段河道主河槽平均寬度為229m。

2.3 河床比降

利用各河道斷面現狀平均河底高程，推求河段河床比降。伏背至石荊橋河段平均比降為0.46‰，其中伏背至丹河口河段平均河床比降為0.60‰，丹河口至石荊橋河段平均河床比降為0.40‰。丹河口至石荊橋河段河床比降明顯比丹河口以上河段變緩。

3 沁河下游河道采砂治理技術方案

通過有序實施河道采砂的方式對沁河下游河道進行疏浚改造，使采砂和河道治理有機結合，最大限度發揮采砂對河勢的有利影響。

3.1 設計流量

根據平灘流量的分析結論，考慮沁河下游近年來多是枯水系列，河床有萎縮的趨勢，故本次沁河下游河道采砂治理方案的設計流量取為600m3/s。

3.2 設計整治河寬

3.2.1 整治流量推求整治河寬

利用水流連續方程和曼寧公式得出整治河寬:

根據以上五龍口至石荊橋河段河道參數統計分析數據成果，式中:K—河相關系；Q—設計整治流量；n—主槽糙率；J—設計流量下河床比降。

當設計整治流量取600m3/s時，按公式計算，丹河口以上整治河寬B=196m，丹河口以下整治河寬B=215m。

3.2.2 治理河段主河槽寬度

根據統計結果，1985至2012年五龍口至石荊橋河段主河槽實測多年平均河寬為229m。考慮丹河匯入及其以下河段游蕩程度較強，確定丹河口以上河段河道整治寬度為250m，丹河口以下河段河道整治寬度為300m。

3.3 設計水深

采用曼寧公式試算，設計流量取600m3/s，丹河口以上河段設計主槽寬度250m及丹河口以下河段設計主槽寬度300m條件下相應的斷面水深值，計算成果見表1。

表1 主流線擺動強度統計表

丹河口以下河段逐漸從沖淤相間河段過渡到淤積河段，綜合考慮丹河口以下河段的沖淤趨勢，確定本次河道采砂治理方案的設計水深為3m。

3.4 采砂平面控制線

在收集整理分析沁河下游歷年河勢主流線、河道大斷面等有關資料基礎上，根據河道基本參數的分析成果，結合現有河勢流路，初步規劃確定沁河下游采砂治理方案的平面控制線。

4 結論與建議

本次沁河下游河道采砂治理方案研究在正確處理堤防防洪安全、河道疏浚以及灘區利用三者關系的前提下，提出了疏浚與河道治理相結合的治理方案。方案通過有序實施河道采砂的方式對沁河下游現狀河道進行疏浚改造，拓寬主河槽，改善水流形態，提高河道過流能力，從而歸順現有上下游河勢，并使河勢向健康有利的方向發展。

本方案研究的主要范圍為采砂現象較為集中的五龍口至石荊橋河段。如果只對該河段實施采砂方案，石荊橋以下河槽仍為現狀斷面，河床斷面突然由挖砂后的300m主槽寬變為天然狀態的窄深河槽，水面線的連續性必然受影響，局部產生壅高，不利于大洪水的行洪。從防洪安全角度考慮，建議治理方案實施范圍擴大至沁河口，即整個沁河下游河道范圍內。

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