大顶子山库区泥沙淤积动态分析

史 磊，王秀清

(哈尔滨市水文水资源勘测总站，哈尔滨150001)

大顶子山库区泥沙淤积动态分析

史 磊，王秀清

(哈尔滨市水文水资源勘测总站，哈尔滨150001)

松花江大顶子山航电枢纽运行后，改变了原松花江哈尔滨段天然河流的属性，受大坝回水的影响形成了长约160 km的库区。文章采用水下地形测量数据及水文监测数据，阐述了工程对水文情势的影响，对泥沙淤积进行了动态分析。

库区;水文情势;泥沙淤积;水位;流量;动态分析

0 前言

大顶子山航电枢纽工程位于松花江干流呼兰河汇合口下游46 km处，2007年蓄水试运行。随着蓄水量的加大至正常蓄水位116 m时，枢纽上游枯水期最大壅水高度可达4 m，回水区段长约160 km。松花江哈尔滨段由天然河流变成了库区河段，其流速流态较修建工程前将发生变化，以下对大顶子山库区泥河淤积进行动态分析。

1 工程对水文情势的影响

工程对水文情势的影响包括:对水位的影响、对水位流量关系的影响、对悬移质泥沙断面含沙量及断面输沙率的影响和对河床质颗粒粒径和颗粒级配的影响。

1.1 对水位的影响

随着蓄水量的加大至正常蓄水位116 m时，枢纽上游枯水期最大壅水高度可达4 m。工程控制的水位较天然水位高，对上游洪水位也会产生抬高的影响。

1.2 对水位流量关系的影响

以老头湾站为例，根据老头湾站建库前10 a水位流量资料与2007年大顶子山航电枢纽初步蓄水后实测水位流量相比较，发现建库后同流量水位抬高近1 m、同水位流量比建库前减少超过50%。见图1、表1。

图1 建库前水位流量相关线图

表1 建库前后水位流量数据相关表

1.3 对悬移质泥沙断面含沙量及断面输沙率的影响

采用2003年作为典型年、相应实测水位，将建库前后的悬移质含沙量和断面平均输沙率进行比较发现:建库前的悬移质含沙量和断面平均输沙率要远远大于建库后的悬移质含沙量和断面平均输沙率，比值达到5倍左右。

可见大顶子山航电枢纽建成后，悬移质含沙量和断面平均输沙率变小，河流挟沙能力降低，泥沙产生淤积，见表2。

表2 建库前后断面含沙量和断面输沙率变化表

1.4 对河床质颗粒粒径和颗粒级配的影响

建库前老头湾断面河床质颗粒平均粒径在0.1～0.3 mm左右，建库后老头湾断面河床质颗粒平均粒径除一条垂线颗粒平均粒径为0.3 mm以外，其他垂线颗粒平均粒径均在0.1 mm以下，河床质大部分为淤泥。

河床质实测资料证明，建库后松花江哈尔滨城区段挟沙能力降低，大量悬移质泥沙淤积沉降至河底，变成河床质，河床质颗粒级配出现显著变化，河床质泥沙粒径减小，河床质细化。

2 库区泥沙淤积现状(采用2011—2012年实测水下地形数据)

2.1 纵断面的淤积特点

蓄水后由于坝前河段水力要素的变化，河床淤积明显，已形成累积型的淤积带。2011年与2012年实测深泓纵断面图(全长132.5 km)对比分析，淤积平均厚度达到0.11 m。呼兰河口冲刷区及采沙区合计长度 23.7 km2，平均冲刷 3.81 m，这个数据是自然冲刷和人为挖沙共同结果，自采沙区边界向上游有67.3 km江段冲淤交替。

带状淤积主要表现在坝前段，自坝址向上游41.5 km河床全面处于淤积状态。该段属于常年回水区，受坝前壅水影响，水深大、流速缓、水流挟沙能力弱，泥沙多集中在此段淤积。由于水库的调节运用，水位变化具有周期性，水流条件也发生相应的变化。

当库水位较高时，回水末端位居上游，较粗泥沙便开始在此淤积;当库水位下降后，回水末端向下游移动，原来高水位淤积的泥沙被冲到下游，并在下游回水末端处淤积，这样便形成比较均匀的带状淤积。

2.2 横断面的冲淤变化情况

在库区实测淤积断面资料中，选择6个典型断面进行比较，分别是 4#、8#、14#、18#、23#和 32#。

1)4#断面(距坝址16 km)位于坝址前第一个大弯道处，平均淤积厚度0.38 m。

2)8#断面(距坝址27.2 km)位于较大的河谷处，深弘线明显走低，平均淤积厚度0.20 m。

3)14#断面(距坝址65 km)位于两条岔道汇流处前约3 km处，平均淤积厚度0.37 m。

4)18#断面(距坝址78.5 km)位于半圆状弯曲河道处，平均淤积厚度-2.08 m。

5)23#断面(距坝址97.7 km)位于椭圆状弯曲河道处，两个河谷之间，平均淤积厚度0.64 m。

6)32#断面(距坝址117.5 km)位于半圆状弯曲河道处，平均淤积厚度-0.13 m。

从以上监测数据对比看，有2个断面是冲刷状态即18#和32#，18#断面位置在阳明滩处，南岸有丁字坝挑流，北岸有大桥工程所修的栈道，均对此处的冲刷产生重要影响，冲刷年平均厚度2.08 m。32#断面距坝址较远，受工程影响较小，接近天然状态，自然的变迁会有小量的冲刷。其余4个断面都处于淤积状态，厚度各不相同。典型横断面对比总的情况是库区内虽有冲有淤，但淤积远大于冲刷，整体呈现为累积性淤积。

2.3 滩涂、崩岸变化

2.3.1 青年宫浅滩

从2011年与2012年青年宫浅滩河底高程数据对比上看出2012年有小量冲刷，平均冲刷厚度0.11 m。(主要原因是该处正在修建高铁桥)。

2.3.2 四方台—水源右岸崩岸江段

该江段长度约2.2 km，2012年崩岸继续发展，2011与2012年实测水边进行比较，平均崩岸宽度7.45 m。

3 淤积成因分析

淤积成因有以下4点:

1)水库蓄水后，由于水深加大，流速变缓，水流挟沙能力减弱，悬移质泥沙大量落淤［1］。

2)由于涉水工程逐年增加变化较大，库区水文要素受其影响发生变化，相应也会产生淤积。

3)汛期排沙也仅冲刷河槽中的淤沙，大量滩地淤沙难以被水流冲走，造成累积性淤积。

4)库区江段上游植被遭到破坏，导致水土流失，使其进入库区也会产生淤积。

水库泥沙淤积分布是比较复杂的问题，其影响因素较多，有坝前水位及其变化，库容大小，水库地形，来水来沙过程、数量以及泥沙颗粒级配组成等［2］。而以坝前水位的变化和库容的大小与库区地形为主要影响因素。

4 水库淤积的危害及防治措施

4.1 水库淤积的危害

在水库上游河道，淤积抬高河床，使河道水位升高，坡降和流速减小，河槽过水能力降低，增加了防洪困难。

水位抬高还会引起两岸地下水位升高，导致土地盐渍化。在库区淤积减少有效库容，影响水库调节性能和建筑物正常运用。

4.2 水库淤积防治

有水力排沙、水力冲刷和机械清淤3类。水力排沙根据水库来沙集中在汛期的特点，采用汛期降低库水位(或泄空)，使悬移质泥沙的主要部分通过库区时来不及沉积排出，也可采用汛来水库蓄水，将泥沙以重流形式排出库外。这类方法称为蓄清排浑法。

水力冲刷法分为汛前泄空冲刷、低水位冲刷和定期降低水位水力冲刷法(一年内1～2次或多年1次)等。

机械清淤，有利用水库水头差作为排沙能源和利用外加能源法2大类:

1)前者常利用水库上下游水位差，根据虹吸原理，用浮动软管将建筑物前淤积物排泄出库。

2)后者用挖泥船或泥浆泵等机械清淤，只适合于水资源特别宝贵的水库。

5 大顶子山库区冲淤量的年际变化

2008—2012年库区的泥沙淤积量分别是:

2008年淤积量72.4×104t;2009年淤积量88.0×104t;2010年淤积量44.0×104t;2011年淤积量329×104t;2012年淤积量146×104t;累淤积量679×104t。大顶子山水库淤积量的年际变化见表3。

表3 大顶子山水库淤积量的年际变化表

由表3看出，排沙比还在变化之中，库区的泥沙淤积仍在发展变化，还没有达到淤积平衡状态。

6 结论

大顶子山航电枢纽工程的修建，使松花江哈尔滨段水文情势发生了显著改变。蓄水后使水位抬高、水深加大、流速变缓、水流挟沙能力减弱，悬移质泥沙大量落淤，导致库区泥沙淤积。这种淤积在较长的时期内是累积性的，会逐年叠加，直到进出库泥沙达到基本平衡。

不同的库段虽有冲有淤，但总的趋势是淤积，从建库前后水下地形测量数据对比分析总体趋势为累积性淤积，纵断面为具有一定厚度的带状纵断面形态，淤积趋势逐渐向上延伸。

泥沙淤积可能产生的后果有:

1)降低现有堤坝的防洪能力及水库的运行效益，影响生态环境，减少库容，缩短水库的使用寿命。

2)水库的泥沙淤积污染环境、影响生态平衡、增加洪水传播时间、加大防洪压力。

［1］刘凤岳.龙口港航道泥沙淤积状况及其动态分析［J］.海岸工程，1994(01):20-23.

［2］胡兴娥，李云中，李明超.三峡水库135m运行阶段永久船闸下引航道泥沙淤积分析［J］.水科学进展，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，助理工程师;王秀清(1960-)，女，山东费县人，高级工程师。