淮河干流六坊堤段河道河勢變化分析

張 震

(1.安徽省水利廳，安徽 合肥 230022；2.安徽省水利水電勘測設(shè)計(jì)研究總院有限公司，安徽 合肥 230022)

六坊堤段河道是安徽省淮河干流一處典型的分汊型河段，該段河道為燈草窩圩至淮南平圩子段，位于鳳臺縣城至淮南市區(qū)之間，在燈草窩圩上口處分南北兩汊，南北汊分別長24.08、24.06 km，兩汊在淮南平圩子處匯合。北汊堤距300～700 m，主槽平灘寬度一般為170～250 m，灘槽分界高程為21.5～19.5 m，河道底高程一般為10～13 m，平均河底高程為11.65 m，主槽河床平均水深5.1 m，彎曲系數(shù)為1.36；南汊比北汊要寬，堤距550～750 m，主槽平灘寬度一般為220～350 m，灘槽分界高程為21.0～19.5 m，河道底高程一般為4～10 m，平均河底高程為6.35 m，主槽河床平均水深8.5 m，彎曲系數(shù)為1.35。六坊堤段河道示意見圖1。

圖1 六坊堤段河道示意

1958年二道河開挖工程將六坊堤分為上六坊堤和下六坊堤2處行洪區(qū)，2處行洪區(qū)均由行洪堤圈圍成，呈狹長形，面積分別為8.8、19.2 km2，庫容分別為0.5億、1.1億m3，自設(shè)立以來至今均啟用了13次，進(jìn)洪機(jī)率約5年一遇，具有面積較小、進(jìn)洪頻繁、位置特殊等特點(diǎn)[1-3]。

近年來，受水文氣象變化、河道整治、人工采砂等共同作用，淮河的水沙條件及河床邊界發(fā)生了明顯的變化；由于來水來沙及河床邊界的變化，改變了淮河干流河道沖淤演變趨勢及河岸土體受力條件，甚至河岸失穩(wěn)形成了崩岸，給淮河的防洪、航運(yùn)及社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展造成了一定不利影響。本文選取復(fù)雜的六坊堤段分汊河道為研究對象，系統(tǒng)分析淮河干流六坊堤段河道河勢變化，為安徽省淮河河道管理與治理提供基礎(chǔ)參考[4-8]。

1 水文泥沙分析

六坊堤河段上下游分別有魯臺子和吳家渡水文站，其中魯臺子站位于燈草窩上游約30 km處，吳家渡站位于下六坊堤分汊河道交匯口下游72 km處，本次基于兩站實(shí)測的1951—2020年流量及泥沙資料進(jìn)行年徑流量、月均流量、年輸沙量及月均含沙量進(jìn)行分析[9-10]。

1.1 年徑流量分析

魯臺子站、吳家渡站多年平均徑流量情況見圖2，兩站1951—2020年的多年平均徑流量分別在160億～260億、210億～310億m3，即兩站多年平均徑流變化不大，總體來水量較為均衡。

圖2 魯臺子、吳家渡站多年平均徑流量

1.2 月均流量分析

兩站汛期6—8月、非汛期12至次年2月多年平均流量情況見圖3，兩站汛期流量為非汛期流量的6～7倍，年內(nèi)月均流量變化呈現(xiàn)明顯季節(jié)性變化。兩站1951—2010年的6—8月汛期的流量分別在1 200～1 700、1 500～2 000 m3/s，相應(yīng)年段12月至次年2月非汛期流量分別在200～300、250～350 m3/s，汛期、非汛期流量多年變化幅度均不大。兩站2011—2020年汛期流量分別為972、1 189 m3/s，非汛期流量較2001—2010年增加約30～40 m3/s，由于臨淮崗樞紐、蚌埠閘汛期調(diào)蓄作用，汛期降低明顯，非汛期有所增加。

a)汛期6—8月

1.3 年輸沙量分析

兩站多年平均輸沙量及6—9月汛期多年平均輸沙量見圖4，兩站多年平均輸沙量分別為747萬、774萬t，其中1951—1960年多年平均輸沙量分別為1 666萬、1 457萬t，2011—2020年多年平均輸沙量分別為178萬、286萬t，總體兩站來沙量逐年減少趨勢明顯，年輸沙量由20世紀(jì)50年代到現(xiàn)今分別減少了89%、80%，90年代開始減少幅度有所減緩。

a)魯臺子站

兩站6—9月汛期多年平均輸沙量分別為557萬、593萬t，其中1951—1960年多年平均輸沙量分別為1 304萬、1 148萬t，2011—2020年多年平均輸沙量分別為123萬、221萬t，兩站汛期輸沙量基本占全年輸沙量的65%～85%，且汛期來沙量逐年減少趨勢明顯，90年代開始減少幅度有所減緩。

1.4 月均含沙量分析

兩站多年平均各月含沙量見圖5，兩站汛期最大平均含沙量為非汛期最小平均含沙量的3.5～7.5倍，汛期和非汛期含沙量差別明顯。兩站在2001年后，汛期7月平均含沙量明顯減少，由1951—2000年的0.635、0.547 kg/m3分別降低到2001—2020年的0.142、0.205 kg/m3，降低幅度分別達(dá)到78%、62%。

a)魯臺子站

2 河勢變化分析

2.1 深泓變化分析

研究采用1971、1979、1992、2005、2012、2019、2020年等年份實(shí)測斷面資料進(jìn)行河段深泓比對分析。

2.1.1六坊堤段南汊河道

1971—1979年，深泓高程無明顯變化。由于1982、1983、1991年等淮河大水沖刷河道，1992年河道較1979年河道局部有明顯沖刷，燈草窩上口的下游約1 km處河道沖刷明顯，深泓降低12.5 m。1992—2012年，整段河道深泓降低明顯，整體河道深泓下移了6 m多，主要由2個(gè)原因造成：一是2003、2007年大水造成河道沖刷，二是由于河道的人工采砂。

2019、2020年河道深泓變化不大，除局部斷面處由于2020年大水沖刷，深泓有所下降，總體深泓無明顯變化。總體上，1971—2020年，在燈草窩上口—六坊堤上口、下六坊堤老牛墳碼頭—四大隊(duì)碼頭河段的深泓高程較1971年降低明顯，下降了13～18 m。

從沿程分布來看，1971—1992年，沿程深泓高程基本穩(wěn)定，深泓差沿程變化基本在6 m之內(nèi)；2005—2020年，由于河段人工采砂影響，深泓高程沿程變化劇烈，最大高差在14 m左右。六坊堤段南汊河道歷年實(shí)測深泓高程沿程分布見圖6。

圖6 1971年等不同年份六坊堤段南汊河道深泓高程沿程分布

2.1.2六坊堤段北汊河道

1971—2005年，深泓高程無明顯變化。由于河道的人工采砂，2005—2012年，北汊河道上六坊堤段深泓明顯下降，上六坊堤段深泓下降5 m多。2019、2020年河道深泓變化不大，除局部斷面處由于2020年大水沖刷，深泓有所下降，總體深泓無明顯變化。總體上，1971—2020年，上六坊堤段河道深泓下降較多，下降了6～10 m。

從沿程分布來看，除2012年，沿程深泓高程基本穩(wěn)定，深泓差沿程變化基本在5 m之內(nèi)；2012年，由于河段人工采砂影響，深泓高程沿程變化劇烈，最大高差在10 m左右。2019—2020年深泓沿程基本穩(wěn)定，上六坊堤段深泓中值在7 m左右，下六坊堤段深泓在12 m左右，上下段深泓差約5 m。六坊堤段北汊河道歷年實(shí)測深泓高程沿程分布見圖7。

圖7 1971年等不同年份六坊堤段北汊河道深泓高程沿程分布

2.2 典型斷面套繪分析

研究選取六坊堤段南汊河道樁號X024、XG033、XG042、XGY0、XGY10斷面，六坊堤段北汊河道樁號XGZ15、XGZ25、XFZ40、XG056、XG065斷面，進(jìn)行河道斷面套繪分析，各斷面位置示意及部分?jǐn)嗝嫣桌L成果見圖8—10。

圖8 六坊堤段河道套繪的典型斷面位置

a)XG033斷面

a)XGZ40斷面

總體上，六坊堤段南汊河道1979—1992年，河道斷面變化為主槽略有沖淤，深泓高程無明顯變化，1992年后由于人工采砂，造成河道斷面擴(kuò)大明顯，河道深泓顯著下降，2019—2020年河道斷面套繪基本一致。六坊堤北汊上段河道2005年后由于人工采砂，河道斷面有所擴(kuò)大，深泓降低明顯，2012年后基本無明顯變化；六坊堤北汊中下段河道多年來斷面形態(tài)較為穩(wěn)定，變化緩慢，河道深泓略有降低。如上六坊堤南汊段樁號XG033斷面，1971—1979年，河道斷面基本穩(wěn)定，總體略有下切，但下切速率緩慢，深泓高程下降約0.5 m；1979—1992年，左灘沖刷嚴(yán)重，灘槽分界點(diǎn)向左岸移動了近70 m；1992—2005年，左灘有所回淤，右灘略微淤積，主槽擴(kuò)大明顯，深泓高程下降近7 m；2005—2020年，左右灘有一定沖刷，深泓高程變化不大。

2.3 分流比變化分析

2.3.1模型構(gòu)建

a)軟件選取。本次研究需建立整體淮河干流六坊堤段一維水動力學(xué)模型，包括六坊堤南汊河道、六坊堤北汊河道、上六坊堤行洪區(qū)、下六坊堤行洪區(qū)及行洪區(qū)間二道河，考慮分汊河道、行洪區(qū)交互影響，分洪口門需合理概化，結(jié)合工程情況可選用MIKE 11進(jìn)行模型構(gòu)建，能很好地概化自然邊界、各種構(gòu)筑物調(diào)度及復(fù)雜河網(wǎng)，提高模擬精度[11-12]。

b)河網(wǎng)及行蓄洪區(qū)概化。六坊堤段河網(wǎng)模型采用2020年實(shí)測1∶2 000地形圖構(gòu)建，構(gòu)建六坊堤段南汊河道長24.7 km，北汊河道長24.0 km、二道河長2.5 km；橫斷面模型通過實(shí)測的1971、1979、1992、2005、2012、2019、2020年等年份實(shí)測資料構(gòu)建，為提高模型計(jì)算效率，各斷面間距按800 m左右控制，彎道、分汊等局部處適當(dāng)加密。上六坊堤行洪區(qū)及下六坊堤行洪區(qū)分別按一維河道進(jìn)行概化，概化的一維河道長度采用實(shí)測地形圖量算，概化上六坊堤長7.6 km、下六坊堤長8.1 km；MIKE 11 SO可構(gòu)建節(jié)制構(gòu)筑物、重要橋梁、行蓄洪區(qū)構(gòu)筑物等，概化后可進(jìn)行全河段的模擬和分洪構(gòu)筑物調(diào)度，本次研究上、下六坊堤的分洪口門以MIKE 11 SO模塊的Control Structure功能進(jìn)行概化，概化包括分洪口門結(jié)構(gòu)物的工程尺寸、調(diào)度運(yùn)行情況等，見表1。

表1 上、下六坊堤的分洪口門按規(guī)劃調(diào)度規(guī)則概化設(shè)置

c)糙率確定。河道及行蓄洪區(qū)糙率在《安徽省淮河洪水及行蓄洪區(qū)調(diào)度決策風(fēng)險(xiǎn)管理系統(tǒng)》《安徽省淮河干流峽山口至渦河口段行洪區(qū)調(diào)整和建設(shè)工程可行性研究報(bào)告》中，基于1991、2003、2007、2020年等多場次洪水進(jìn)行了充分率定與驗(yàn)證，本次研究沿用成果，河道主槽糙率為0.021 5，河道灘地糙率為0.033 5，行洪區(qū)糙率為0.037 5[13-17]。

d)邊界條件。本次研究重點(diǎn)分析淮河干流設(shè)計(jì)洪水條件下，六坊堤段1971、1979、1992、2005、2012、2019、2020年等各年份斷面條件下分流比變化情況，因此在淮河發(fā)生100年一遇設(shè)計(jì)洪水時(shí)，上邊界峽山口相應(yīng)淮河干流100年一遇設(shè)計(jì)流量為10 000 m3/s，下邊界六坊堤下交匯口相應(yīng)100年一遇設(shè)計(jì)水位為24.71 m。

2.3.2分流比變化分析

經(jīng)模擬計(jì)算分析，上六坊堤段河道1992—2005年，北汊分流流量由2 700 m3/s降低至2 000 m3/s，2005年后分流流量基本穩(wěn)定；1992—2005年南汊分流流量由5 400 m3/s增加至6 400 m3/s，2019年又增加至6 500 m3/s，2020年分流無變化。上六坊堤行洪區(qū)分洪流量由1 900 m3/s逐步降低至1 500 m3/s。

下六坊堤段河道1992—2005年，北汊分流流量由3 600 m3/s降低至3 350 m3/s，2019年后分流流量又降低到3 200 m3/s，2020年分流無變化；1992—2005年南汊分流流量由3 800 m3/s增加至3 950 m3/s，2019年又增加至4 200 m3/s，2020年分流無變化。下六坊堤行洪區(qū)分洪流量基本穩(wěn)定，為2 600 m3/s。計(jì)算結(jié)果見表2。

2.3.3分流比結(jié)果驗(yàn)證

上六坊堤南汊河道滿足主汊分流比ηm>0.5條件，本次采用上六坊堤南汊1971、1979、1992、2005、2012、2019、2020年不同年份的水面寬度、過水面積、流速等3個(gè)水力要素進(jìn)行比對，經(jīng)計(jì)算分析，水面寬度差距在1.9%～9.3%，過水面積差距在3.3%～9.2%，流速差距在4.6%～9.7%，與模型計(jì)算結(jié)果差距均在10%以內(nèi)，滿足GB/T 22482—2008《水文情報(bào)預(yù)報(bào)規(guī)范》《洪水風(fēng)險(xiǎn)圖編制技術(shù)細(xì)則》[19-20]等規(guī)范要求，模型演算成果較為可靠。

2.4 沖淤分析

基于前述已建立的MIKE 11數(shù)值模型，分別計(jì)算分析在平灘水位、設(shè)計(jì)水位工況下，1971、1979、1992、2005、2012、2019、2020年等不同年份的主槽過流面積、河道過流面積，并分別與斷面間距乘積，累加得出河段庫容。平灘水位、設(shè)計(jì)水位條件下不同年份河道容積計(jì)算成果見表3、4。

表3 平灘水位條件下不同年份主槽容積成果 單位：萬m3

表4 設(shè)計(jì)水位條件下不同年份河道容積(主槽+灘地)成果 單位：萬m3

經(jīng)計(jì)算分析，1971—2020年，六坊堤段南汊河道整體表現(xiàn)為擴(kuò)大趨勢，主槽沖刷量為4 824萬m3，灘地沖刷量為842萬m3，河段總沖刷量達(dá)5 666萬m3。其中主槽沖刷以1992—2005、2005—2012年較大，分別為1 827萬、1 650萬m3；灘地除1992—2005、2019—2020年略有回淤外，其他年份均表現(xiàn)為沖刷趨勢。

1971—2020年，六坊堤段北汊河道整體表現(xiàn)為沖刷趨勢，主槽沖刷量為1 053萬m3，灘地沖刷量為189萬m3，河段總沖刷量達(dá)1 242萬m3。其中主槽、灘地沖刷以2005—2012年最大，沖刷量為746萬m3，其中主槽沖刷量為697萬m3，灘地沖刷量為49萬m3。除1992—2005年主槽淤積、灘地沖刷外，其他年份主槽、灘地均表現(xiàn)為沖刷或淤積同步。

3 結(jié)論與建議

3.1 結(jié)論

a)徑流量及月均流量。魯臺子、吳家渡兩站1951—1960、1961—1970年等年份的多年平均徑流量在160億～260億、210億～310億m3，兩站多年平均徑流變化不大，總體來水量多年較為均衡。兩站汛期流量為非汛期流量的6～7倍，年內(nèi)月均流量變化呈現(xiàn)明顯季節(jié)性變化；2011年后由于臨淮崗樞紐、蚌埠閘汛期調(diào)蓄作用，汛期流量明顯降低。

b)年輸沙量及月均含沙量。魯臺子、吳家渡站兩站的年輸沙量，由50年代減少了80%～90%，總體來沙量逐年減少趨勢明顯，90年代開始減少幅度有所減緩；兩站汛期輸沙量基本占全年輸沙量的65%～85%。兩站汛期最大平均含沙量為非汛期最小平均含沙量的3.5～7.5倍，汛期和非汛期含沙量差別明顯；2001年后，汛期7月平均含沙量明顯減少，降低幅度達(dá)到60%～80%。

c)分汊河道分流比。由于1992—2005年人工采砂等原因，上六坊堤段北汊分流流量由2 700 m3/s降低至2 000 m3/s，2012年后分流流量基本穩(wěn)定；1992—2005上六坊堤段南汊分流流量由5 400 m3/s增加至6 400 m3/s，2019年又增加至6 500 m3/s，2020年分流無變化；上六坊堤行洪區(qū)分洪流量由1 900 m3/s逐步降低至1 500 m3/s。下六坊堤段北汊分流流量由3 600 m3/s降低至3 350 m3/s，2019年后分流流量又降低到3 200 m3/s，2020年分流無變化；1992—2005年下六坊堤段南汊分流流量由3 800 m3/s增加至3 950 m3/s，2019年又增加至4 200 m3/s，2020年分流無變化。

d)河道深泓。六坊堤南汊段河道1971—1979年深泓高程無明顯變化；1992年后，受大水年河道沖刷及人工采砂影響，河道深泓變化劇烈，河段的深泓高程較1971年降低明顯，下降了13～18 m；2019、2020年河道深泓變化不大，除局部斷面處由于2020年大水沖刷，深泓有所下降，總體深泓無明顯變化。六坊堤北汊段河道1971—2005年深泓高程無明顯變化；由于河道的人工采砂，2005—2012年北汊河道上六坊堤段深泓明顯下降，2020年較1971年河道深泓下降了6～10 m；2019年與2020年河道深泓變化不大，除局部斷面處由于2020年大水沖刷，深泓有所下降，總體深泓無明顯變化。

e)河道橫斷面。六坊堤段南汊河道1979—1992年，河道斷面變化為主槽略有沖淤，深泓高程無明顯變化，1992年后由于人工采砂，造成河道斷面擴(kuò)大明顯，河道深泓顯著下降，2019—2020年河道斷面套繪基本一致。六坊堤北汊上段河道2005年后由于人工采砂，河道斷面有所擴(kuò)大，深泓降低明顯，2012年后基本無明顯變化；六坊堤北汊中下段河道多年來斷面形態(tài)較為穩(wěn)定，變化緩慢，河道深泓略有降低。

f)河道沖淤量。1971—2020年，六坊堤段南汊河道整體表現(xiàn)為擴(kuò)大趨勢，主槽沖刷量為4 789萬m3，灘地沖刷量為842萬m3，河段總沖刷量達(dá)5 665萬m3；其中上六坊堤段南汊河道河段總沖刷量達(dá)2 168萬m3，下六坊堤段南汊河道河段總沖刷量達(dá)3 497萬m3。1971—2020年，六坊堤段北汊河道整體表現(xiàn)為沖刷趨勢，主槽沖刷量達(dá)1 053萬m3，灘地沖刷量達(dá)189萬m3，河段總沖刷量達(dá)1 242萬m3；其中上六坊堤段北汊河道1971—2020年河段總沖刷量達(dá)1 109萬m3，下六坊堤段北汊河道1971—2019年河段總沖刷量達(dá)133萬m3。

3.2 建議

a)魯臺子、吳家渡站兩站的年輸沙量，由50年代減少了80%～90%，2001年后，汛期7月平均含沙量明顯減少，降低幅度達(dá)到60%～80%。干流來沙的減少，一定程度上會加大河道沖刷，河道岸線也易形成裂縫式?jīng)_刷，影響河道岸坡穩(wěn)定。建議對淮河干流河道歷史險(xiǎn)工段及迎流頂沖段加強(qiáng)河勢監(jiān)測和采取必要的防護(hù)措施。

b)人工挖沙對河道斷面、深泓改變較大，建議進(jìn)一步加強(qiáng)河道采砂管理，落實(shí)《安徽省河道采砂管理辦法》，組建管理機(jī)構(gòu)、落實(shí)管理人員和經(jīng)費(fèi)，打擊非法采砂活動，及時(shí)制定、修訂《淮河流域重要河段河道采砂管理規(guī)劃》，以保障防洪安全和河勢穩(wěn)定。

c)六坊堤段河道平面河勢穩(wěn)定，但1992年后由于人工采砂等原因，造成六坊堤段南汊、上六坊堤段北汊河道斷面擴(kuò)大明顯，河道深泓顯著下降，而六坊堤北汊中下段河道多年來斷面形態(tài)較為穩(wěn)定，河勢變化緩慢，目前六坊堤段南汊逐步成為行洪主河道，不利于分汊河道穩(wěn)定。建議加強(qiáng)南汊采砂管理，與采砂規(guī)劃銜接，將南汊劃分為禁采區(qū)；同時(shí)對列入國家150項(xiàng)重大水利工程之一的淮河干流峽山口至渦河口段行洪區(qū)調(diào)整和建設(shè)工程中，上六坊堤段南汊的疏浚應(yīng)加強(qiáng)河道河勢防護(hù)，下六坊堤段應(yīng)疏浚北汊，盡可能降低對岸坡及河勢的影響。

d)建議正在開展前期工作的安徽省淮河中游綜合治理工程等項(xiàng)目中，進(jìn)一步深化分析論證干流河道疏浚對干流河道演變的影響，以及對干流險(xiǎn)工險(xiǎn)段、迎流頂沖段、灘地淺窄段的影響，對有影響的河段采取必要的工程處理措施。