子牙新河河口水沙基本特征分析

孙志芹，李 岩

(河北省南运河河务管理处，河北 沧州 061001)

子牙新河是1967年春开挖的人工河道，全长143.35 km。1967年7月，在河口修建了主槽闸和青静黄闸。主槽闸下引河长3.6 km，设计河底宽15 m，边坡1∶4，起点河底高程为-3.34 m，终点高程为-2.0 m，以1/2760的倒坡通向渤海。青静黄闸引河长2.1 km，在主槽闸下游1.81 km处与主槽闸引河交汇后一起入海。河口建闸后，一年内闭闸时间长达8个月以上，加之上游无径流下泄，在潮汐作用下，河口淤积严重，至2011年，累计淤积达299万m3，淤高4～5 m，河口泄流能力不足设计标准的10%，河口治理势在必行。

海河、独流减河及子牙新河等北方泥质河口治理主要以350 m3/h绞吸式挖泥船挖泥及机船拖淤为主。拖淤实践及研究证明，机船拖淤是河北省泥质河口行之有效的防淤减淤手段。针对子牙新河河口，在无下泄径流条件下，利用潮汐水流代替下泄径流同时辅以机械拖淤的方法也进行了30余年的探索与实践，同时通过现场实验、观测积累了大量资料。文中利用水沙观测资料分析了子牙新河河口的水沙基本特征，为进一步研究防淤减淤措施提供理论依据。

1 水文观测项目及内容

现场实验观测包括全潮、纳潮、纳潮冲淤、纳潮冲淤加闸下拖淤4种情况。观测项目有水位、流速、流向、含沙量、风速及风向。流速、流向的观测使用直读式流速流向仪；含沙量与流速测量同步同位采样，后用光电测沙仪测定出含沙量；风力、风向采用手持风速风向仪测量。

1.1 全潮观测

全潮观测是对潮汐进行超过1个太阳日以上时间的连续水文泥沙观测。全潮观测的目的，是了解和掌握河口潮汐水流泥沙运动规律，为分析河口淤积原因和治理措施提供资料。每年，在主槽闸下引河内闭闸进行2次全潮观测，其成果作为其他试验项目观测成果分析和对比的基础。观测时沿河中泓线布置3个观测断面，其位置为闸下桩号0+200、0+800和1+300，每次观测三次高潮二次低潮。

1.2 纳潮观测

纳潮试验主要研究纳潮方式和效果，怎样纳潮才能多纳清水少纳泥沙，减少闸上游河道的淤积；纳潮量有多大，验证能否纳到表层清水。主槽闸纳潮试验是在对闸下引河浮泥进行了拖淤处理后的边界条件下进行；青静黄闸纳潮时，对河道边界未做处理。纳潮选在平潮出现前后一段时间内进行。按有叠梁闸门提闸纳潮时闸上下游有水位差和无水位差及无叠梁闸门提闸纳潮时闸上下游有水位差和无水位差等4种情况进行。

1.3 纳潮冲淤观测

纳潮冲淤是指将纳入到闸上游河道的潮水相机再放下来冲刷闸下游河道，达到潮流变径流的目的。主要试验有自然转流冲淤和控制冲淤两种冲淤方式。自然转流冲淤是指纳潮后闸门不再关闭，待潮水转向落潮后冲刷河口。控制冲淤是指当纳潮结束时立即关闭闸门，待落潮一段时间，闸上、下游有一定水位差后再放水冲淤。

1.4 纳潮冲淤加闸下拖淤观测

纳潮冲淤能对闸下游河道起到一定的减淤作用，但减淤效果并不理想，为此实施了拖淤研究，取得了成功经验。如，对陡河河口挡潮闸下河道的拖淤，使该闸得以复活。子牙新河河口也进行了30余年的拖淤研究和实践，证明子牙新河河口拖淤是较好的防淤治理措施。拖淤工作原理是在落潮时用船或船尾拖带的耙具，对河道内的淤泥进行机械搅动，使之处于悬浮状态后随落潮流向下输移。拖淤的效果主要取决于落潮流速、水量、拖淤船的功率和拖具形式。在闭闸情况下拖淤，由于闸下落潮流速较小，被拖起的泥沙向入海方向的输移距离较短，并会随下一个涨潮再回来。有径流时拖淤，由于落潮和径流叠加、落潮历时延长，泥沙输移距离也会大幅度增加，随下一个涨潮而来的泥沙相对减少。纳潮冲淤与有径流情况类似，因此进行了纳潮冲淤加拖淤的试验研究。

每年，在主槽闸闸下引河0+000～1+300共1300 m河道内进行试验观测。试验一般在落潮开始后2～3小时进行，这时落潮流速较大。试验时间一般在1～2小时，在冲淤之前先进行一段闭闸拖淤，冲淤时继续拖淤。

2 河口水沙基本特征分析

2.1 全潮观测分析

(1)潮位。子牙新河河口潮位过程线是不连续的。这是因为引河淤积高程较高，当潮位较低时，河底露出，形成了不连续的潮位过程线。在高潮位实验时，闸下水深2.0 m左右，而闸下设计水深可达6.0 m，淤积4.0 m，说明闸下淤积相当严重。

(2)流速和含沙量。在一个全潮过程中各观测站的流速和含沙量值，在高潮位时较小，在中潮位时较大。涨潮时垂线平均流速沿程变化呈减小的趋势，落潮时流速沿程变化呈增大的趋势，涨落潮流速都在闸下达到最小值，在1+300站达到较大值。涨潮时垂线平均含沙量大于落潮。流速和含沙量沿程变化还受到风浪的影响，尤其是含沙量受到的影响较大。

(3)淤积。在一个全潮中，进入闸下200 m以上河道范围内的泥沙，有75%～84%淤积下来；进入闸下1300 m以上河道的泥沙，有40%～56%淤积下来。闸下淤积强度春季大于秋季，一年四季，闸下引河均呈淤积状态。

2.2 纳潮观测分析

2.2.1 纳潮方式及河道边界条件对纳潮效果的影响

主槽闸采用有水位差时纳潮实验，青静黄闸采用有、无水位差两种情况进行纳潮实验。有水位差纳潮比无水位差纳潮水流过闸时的流速、含沙量都大，纳潮量和纳沙量也大。无水位差纳潮降低了过闸水流流速，减轻了行进流速对细颗粒泥沙的扰动，从而使含沙量沿垂线分布的梯度比增大，从而使上层水相对较清，因而减少了纳沙量。如青静黄闸纳潮流速在0.35～0.40 m/s时，含沙量在3.0 kg/m3以下。

对于两闸还进行了有、无叠梁闸门的纳潮实验，设置叠梁闸门的目的是挡住底部含沙量较大的浑水，而纳含沙量较小的表层潮水。对主槽闸设置叠梁闸门，青静黄闸未设叠梁闸门的情况进行比较。经观测分析，主槽闸叠梁闸门并没有起到挡浑纳清的作用。分析其原因，主要是闸下引河边界条件不理想，过水断面窄浅，水深1.45～2.22 m，另外，过闸流速0.67 m/s已超过泥沙起动流速，含沙量垂线分布均匀而不再呈座椅形。青静黄闸纳潮时没采用叠梁闸门，但青静黄闸0+000站的纳潮水流含沙量垂线分布也较均匀，这表明在主槽闸和青静黄闸闸下引河现状边界条件下，设置叠梁闸门不能起到挡浑纳清作用。

主槽闸纳潮流速从1+300站到闸下在逐渐增大，但受叠梁闸门阻水的影响，在0+200～1+000区间出现流速较大(0.91～0.95 m/s)，0+000站比1+300站流速仅略有增加(由0.64 m/s增大到0.67 m/s)，而含沙量增加明显，由3.73 kg/m3增大到4.61 kg/m3，增加了24.6%。这主要是受到河道边界条件不利影响和河道内仍存有浮泥的缘故，使得引河内的泥沙因纳潮而被沿程起动，从而加大了纳入闸上的沙量。如10月在青静黄闸进行的纳潮试验，过闸流速和含沙量均低于主槽闸，其原因为：青静黄闸闸下引河边界条件好于主槽闸，闸下水深较大；8月中旬青静黄闸有连续数十天的排沥，使得闸下冲刷坑较宽深，引河内也没有了浮泥；试验正值秋季，海上风平浪静，海水含沙量较低等原因。

纳潮时段选在平潮发生前后，纳潮试验时间一次约2.0 h 左右，主槽闸一次纳潮量约9.3万m3，青静黄闸约14.0万m3。但在10月26日～28日大潮期的3天进行连续纳潮，纳潮量从18.3万m3递降至10.7万m3，因此说明纳潮量与潮型、纳潮时间长短、闸门开启方式、河道边界状况和气候等因素有密切关系。

2.2.2 对表层清水层的验证

纳潮时主槽闸、青静黄闸0+000站和其它各站的含沙量垂线分布均匀，没有出现闭闸时观测到的表层0.5～1.5 m厚的清水层。分析认为，闭闸时涨潮水流因受到闸门阻挡，在闸下一定范围内形成一个流速为零的静水区域，随涨潮水流而带到闸下的悬移质泥沙很快地沉积下来，在经过了一段时间后，该区域内水体含沙量在垂线上的分布曲线便呈座椅形；而纳潮时水流有了行进流速，并超过了泥沙的起动流速，含沙量在垂线上的分布就趋于均匀，所以也就不存在表层清水了。

2.3 纳潮冲淤观测分析

以桩号0+200和1+300站分析，主槽闸无论是采用控制冲淤还是采用自然转流冲淤，水流流速都比闭闸自然落潮时的流速大，说明控制冲淤和自然转流冲淤都比闭闸自然落潮时水流对河床的冲刷力强。就控制冲淤与自然转流冲淤相比较，控制冲淤又比自然转流冲淤流速大，因此控制冲淤比自然转流冲淤对河床冲刷力更强。但控制冲淤延长了闸上滞流时间，造成闸上淤积，根据潮汐、风力及方向等条件的变化，实施控制闸门，给管理带来了难度。另外，在冲淤的早期控制冲淤比自然转流冲淤对河床冲刷力强，待水流平稳后，效果不显著。

主槽闸冲淤与纳潮时含沙量相比较，冲淤开始0.5 h时间内，水流含沙量较高，以后水流含沙量逐渐减小接近清水。说明闸上河道过水断面增大，流速减小，泥沙沉降速度加快，纳入到闸上游河道的泥沙向上输移距离不远。在过闸断面冲、纳流速相差不多时，冲略小于纳。但含沙量则相差较大，冲淤水流含沙量仅是纳潮的33%，有2/3的泥沙留在了闸上河道，造成淤积。在1+300断面冲、纳流速相差较大，冲纳流速比为1.29/0.57，含沙量比是5.44/3.13。可见1+300断面的冲淤水流含沙量高于纳潮含沙量，河道处于冲刷状态。

青静黄闸冲淤与纳潮时含沙量的比较情况好一些，冲纳流速比是1，含沙量比是2.24/3.63。冲淤过闸水流含沙量可达到纳潮时的61.7%。虽仍使闸上游河道淤积，但有所减轻。

2.4 纳潮冲淤加闸下拖淤观测分析

纳潮冲淤加闸下拖淤时，1+300站平均含沙量为34.33 kg/m3，而纳潮平均含沙量为3.73 kg/m3，约大10倍；冲淤平均含沙量为5.44 kg/m3，约大6倍。冲淤加拖淤效果显著。

3 结论

(1)从全潮观测结果看，子牙新河河口的潮汐特征、水流泥沙运动特点和闸下淤积严重程度，在泥质河口中具有代表性。流速和含沙量的值在高潮位时较小，在中潮位时最大；涨潮流速沿程减小、落潮流速沿程增大，涨落潮流速都在闸下达到最小值；涨潮含沙量大于落潮含沙量，每个潮期都有一半以上的泥沙淤积在主槽闸下1.3 km以内的引河内，而距闸越近淤积越严重，淤积是河口发展的必然趋势。

(2)潮汐、风浪和河道边界条件，直接影响纳潮和纳沙量。纳潮宜在平潮前后一段时间内进行，一次纳潮时间在2～4 h；窄浅河道在纳潮时水流行进流速过大，含沙量沿垂线分布均匀，不存在表层清水层；恶劣气候下不宜纳潮。如边界条件达到要求，可采用双层闸门。现已修建的闸门大多为单层闸门，改造成双层闸门投资大，技术难度大，但应进行论证。

(3)纳潮冲淤比闭闸自然落潮时，水流对闸下河床冲刷力强；控制冲淤比自然转流冲淤对河床冲刷能力强。控制冲淤运行方式好，冲淤与纳潮相比，纳入的泥沙不能仅靠纳入的水全部冲走，河道仍呈淤积发展趋势；河道边界条件对冲淤效果的影响明显；勤纳勤冲比多次纳一次冲的方式冲淤效果好。

(4)纳潮冲淤加闸下拖淤效果显著，涨潮至高潮位时即可拖淤，冲淤可选择在落潮适当潮位时开始。

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