黑龙江省北部引嫩工程江道演变与治理措施
摘要：本文根据北部引嫩工程专用水文站丰富的水文和地形资料，分析了二十多年来北部引嫩工程江道演变特性和趋势，结合动床河工模型试验成果对下一阶段的工程治理措施提出了建议。
关键词：北部引嫩 江道演变 治理措施
1 工程概况及江道水沙特性 黑龙江省北部引嫩工程是为满足大庆油田及石化用水和沿线农业用水的大型跨流域无坝引程。自1976年建成通水以来已经取得了巨大的社会、和生态环境效益。已成为黑龙江省西部地区关系到国计民生的重点工程。 渠首枢纽工程位于黑龙江省西部讷河市拉哈镇嫩江中游段，主要利用三江口弯道所形成的S型水流，在下弯道顶冲点下游采用无坝方式引水的工程(图1)。二十几年的运行结果表明，弯道无坝引程方案和枢纽工程的总体布置是成功的。但从江道的演变形势看，东支发展过快，对三江口弯道有不利影响，有改变弯道水流，使深槽上下移动不定，引水口有淤积或脱流的趋势。当时为确保无坝引水，曾对渠首江道进行了相应的整治。采取的工程措施是：(1)固定弯道、稳定引水弯道河势，在黄林套子西支及三江口弯道下部修筑护岸工程两处长2575m。(2)限制东支发展，加强西支的分流量。在东支(24＃～２５＃之间)修筑上锁坝长370m，顶高176m，下锁坝长110m，顶高175.5m。采取上述措施后，当流量为500m3/s时，西支分流量可占60%以上。确保当大江流量为200m3/s时，渠道可引进流量30m3/s。 |
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为观测引水渠首江道的演变和嫩江的水沙特性，专门设置了北引枢纽的专用站——拉哈水文站，测区位于拉哈镇三江口拉查公路上游至七公里处，观测区域由三江口弯道、东支、西支和黄林套子组成，基本测流断面(18＃)以上控制流域面积99200km2，现设有23个地形控制断面，1处基本水尺断面，3处测流断面(图1)。嫩江中下游系平原性河流，落差小，水势平缓，滩面宽阔，洪水持续时间较长，洪峰持续时间12小时以上，由基本水尺资料可知该河段汛期(6～9月)多年平均流量为1224m3/s,基本水尺断面处汛期水位多年平均值为177.56m。江水较清澈，泥沙运动弱，冲淤变化缓慢，与引程有关的主要是底部推移质泥沙运动，但无实测推移质资料。由现场取样分析知床沙质中值粒径d50为9mm.
2 江道演变分析
北引渠首江道属分汊型河道，平面形态弯曲，经过20多年的运用，由于江道演变，使引水条件发生了较大变化。对比本河段1970年与1987年的平面套绘图(见图2)，可见在此期间河势变化不大。在东西支
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深泓线交会点(15＃断面附近)以上，东西支的深泓线有些变化，但交汇点以下则变化很小。在17＃断面以下，主流紧贴左岸弯道下行，进渠流势顺畅，故引水量 一直保持在设计引水量以上。但到 1988年以后，渠首工程和江道工程相继出现一些问题，虽经1989年整修加固，稳定了西支上游河势，强化了西支水流。但自1988年连续几年的大洪水之后，江道演变剧烈，使引水条件发生了较大变化。
2.1 西支分流比增加
由于东支上、下锁坝坝顶高程分别为176m和175.5m，高程较高，使得东支江道上游至汇流口处普遍淤高(图3)，入流不畅，减弱了东支的过水能力。而西支过水能力逐年增加(表1)。当大江流量为500m3/s时，引水初期，西支过流59%，而至1997年西支过流99%，东支基本断流。大江流量为1500m3/s时，引水初期，西支过流51%，而至1997年西支过流95%，东支过流仅5%。 2.2 江道主流深泓线发生变化 由于西支分流比的不断增加，打破了西支河道与原有水沙条件相适应的情况，水流冲刷能力增强，西支靠近黄林套子下梢的河段不断冲蚀后退(如图4所示)。致使三江口弯道顶冲点上提，渠首前河段深泓右移，左岸出现边滩，造成引水困难。 |
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2.3 鱼嘴附近江道河床冲深
由于近年来江道主流右偏，大江流速加大，使得在鱼嘴附近江道发生冲刷。从1998年地形图看，在19＃～20＃之间已形成一深槽，深槽底最低点高程为165.5m。而引渠底高程目前是172.5m，二者高差达7m之多。因此，鱼嘴工程附近深槽流速加大，200m3/s时18＃断面的平均流速由0.4m/s增至0.64m/s(见表2)，使河槽下切展宽，19＃～20＃断面的宽深比已在2.0～3.5之间，致使18＃断面水位在200m3/s到700m3/s之间下降0.98至0.5m(见表3)，使引水量大幅度减少，当嫩江来水200m3/s时，进渠流量仅为18.5m3/s，减少了43.6%(见表4)。
表1 西支进口分流比历年变化 | ||||||||||
diversion ratio of west intake | ||||||||||
Q总(m3/s) | 200 | 500 | 1000 | 1500 | 2000 | |||||
时间 |
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1970～1973 | 120(60%) | 300(60%) | 590(59%) | 840(56%) | 1060(53%) | |||||
1976 | 148(74%) | 295(59%) | 520(52%) | 765(51%) | 1000(50%) | |||||
1981 | 140(70%) | 290(58%) | 520(52%) | 765(51%) | 1000(50%) | |||||
1986 | - | 350(70%) | 670(67%) | 915(61%) | 1160(58%) | |||||
1991 | 200(100%) | 455(91%) | 826(83%) | 1230(82%) | 1540(77%) | |||||
1995 | 200(100%) | 195(95%) | 176(88%) | - | - | |||||
1996 | 200(100%) | 498(99%) | 925(93%) | 1300(87%) | - | |||||
1997 | 200(100%) | 498(99%) | 955(93%) | 1420(95%) | - | |||||
表2 200m3/s流量18＃断面平均流速变化 | ||||||||||
Mean velocity at section 18＃ at a discharge of 200m3/s in the main channel | ||||||||||
时间 | 1982 | 1986 | 1990 | 1991 | 1992 | 1993 | ||||
流量(m3/s) | 0.4 | 0.46 | 0.54 | 0.62 | 0.66 | 0.64 | ||||
表3 18＃断面历年水位～流量关系变化(单位：m) | ||||||||||
Discharge-stage relation at 18＃ | ||||||||||
流量(m3/s) | 200 | 300 | 400 | 500 | 600 | 700 | ||||
时间(年) |
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1977 | 174.72 | 174.93 | 175.16 | 175.33 | 175.47 | 175.56 | ||||
1981 | 174.40 | 174.66 | 174.88 | 175.09 | 175.29 | 175.48 | ||||
1986 | 174.17 | 174.5 | 174.74 | 174.93 | 175.11 | 175.30 | ||||
1991 | 173.86 | 174.16 | 174.40 | 174.64 | 174.84 | 175.06 | ||||
1993 | 173.76 | 174.10 | 174.36 | 174.60 | 174.84 | 175.06 | ||||
1997 | 173.62 | 174.00 | 174.27 | 174.50 | 174.72 | 174.93 | ||||
3 整治方案
从上面分析可见，北引工程经过20多年的运用，由于江道演变，使引水条件发生了较大变化。当前的主要问题集中在引水所在的三江口弯道上，表现为顶冲点上提、深槽下切、水位下降、枯水期引入流量减少。根据实测资料分析，当大江流量为200m3/s时，原设计引水流量为32.8m3/s，1979年至1981年间曾引进36m3/s，而到1997年只能引入18.6m3/s，严重影响下游和工农业用水，而且从江道的演变趋势看，如不采取工程措施有可能使引水口脱溜，使引水更为困难。为研究北引渠首河段的演变，寻求合理的工程整治措施，以达到稳定河势，增加引水流量的目的，我们委托水电研究院泥沙研究所进行了该河段的动床河工模型试验。通过动床河工模型的反复试验提出了以下整治措施(图5)，可以使枯水期大江流量200m3/s时引渠的引水量从目前的18.6m3/s基本恢复到原设计的引水流量。
表4 嫩江来水量与渠道引入流量关系变化(单位：m3/s) | ||||||
Relation between diversion capability and discharge in main channel | ||||||
嫩江水量 | 120 | 140 | 160 | 180 | 200 | 300 |
时间 |
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设计引量 | 24.6 | 27.0 | 29.0 | 31.0 | 32.8 | 41.0 |
1979～1981 | 22.0 | 25.4 | 29.6 | 33.0 | 36.0 | 47.5 |
1985～1987 | 18.0 | 21.8 | 26.8 | 31.0 | 34.4 | - |
1989～1990 | 15.7 | 18.0 | 22.1 | 22.1 | 24.1 | 34.0 |
1991 | 14.0 | 16.2 | 18.0 | 20.4 | 22.4 | - |
1992 | 13.0 | 14.4 | 16.8 | 19.0 | 21.2 | - |
1993 | 12.0 | 13.8 | 15.2 | 16.8 | 18.5 | - |
| 3.1 控制河势措施 从前述河势分析可知：近十余年来，北引渠首引水量逐年减少的主因是取水口上游河势发生了较大变化，特别是自16＃断面以下，因左侧河床淤高，右滩刷深而使主流偏向右侧。17＃和18＃断面主流明显右摆，江心淤成沙洲，断面向宽浅方向，使同流量的水位下降。另一方面，由于江道主流右摆，在取水口附近大江流速加大，河床刷深，致使渠道进口与大江河底的高差进一步加大。这些都使得大江水流加强，进渠水流削弱，使进渠流量逐渐减少。因此，欲增加枯水期的进渠流量，恢复并保持工程建成初期的河势实乃治本措施。 在黄林套子下端设置顺坝，使黄林套子下端位置恢复到工程建设初期时的位置。顺坝是从黄林套子下端点沿引水护岸北端点连线方向。坝长300m,坝顶高程177m。试验结果表明：设置顺坝后引渠进水量明显增加。当大江流量为200m3/s时，引水流量从19m3/s增大到25.1m3/s。初步分析认为：设置顺坝后约束了水流在15＃断面附近对左岸的顶冲，使枯水期主流线沿左侧顺畅下泄。也就是说，顺坝的设置已使工程建设初期的河势有所恢复。 |
在15＃断面至16+2＃断面(17＃附近)间的右岸滩地设置三座丁坝，一方面防止设置顺坝后对右岸的淘刷，另一方面最主要的目的是冲刷引水口以上河段的左岸边滩，使主流线贴近引水口。试验表明：设置右岸丁坝后效果明显，当发生大水时(Q=2000m3/s),在16+2＃断面以下主流明显左偏，在18＃断面最大偏离达40～110m，这对保护右滩，冲刷左侧边滩和江心洲都是很有利的。
3.2 固床工程
如前所述，在鱼嘴附近江道发生冲刷(最低点高程为165.5m)，导致引水口前水位降低，大江流速增加，直接使引水量减少。为防止江道进一步刷深并增加进渠流量，可采取固床措施，即在冲刷比较严重的江道上加固河床断面(如抛石或砌石等)。具体做法是在鱼嘴以下江道设置两道固床工程，一个布置在鱼嘴下游50m，另一个布置在鱼嘴下游250m。固床最低高程为170.5m，厚度1m，固到175m高程。试验结果表明是在上述河势控制和固床工程的作用下，大江流量为200m3/s时，引渠可以引进30.4m3/s，基本恢复到原设计的水平。
4 结语
1.北部引嫩工程是为保证大庆石化和沿线农业用水的重要工程。自1976年建成以来已经取得了巨大的社会、和生态环境效益。近年来由于江道的演变，使该工程引水量逐年减少，已严重影响了大庆和沿线农业的发展。为此，尽快采取工程措施，恢复设计引水量是十分必要的。
2.通过江道演变资料分析可知：近十余年来北引渠首引水量逐年减少的主因是取水口上游河势发生了较大变化，主要表现在：由于西支流量的不断加强，使黄林套子下梢河段冲蚀后退致使三江口弯道顶冲点上提，渠首前河段深泓右移，左侧淤积成边滩。同时在鱼嘴附近，江道刷深，使引渠底与江道中心高差加大，从而使进渠流量逐年减少。
3.治理措施应以恢复工程建成初期的河势为本。从动床河工模型试验结果看，在黄林套子下梢设置一长300m 的顺坝和在15＃～17＃之间的右岸边滩设置三座丁坝，基本上就可以达此目的。
4.为防止鱼嘴附近江道的进一步刷深并增加进渠流量，在鱼嘴下游50m和250m处修建两座固床工程是很有必要的。