淮河中游输沙量差法和断面法计算河道冲淤量成果比较

2010-05-29倪晋

治淮 2010年9期

倪晋

（安徽省水利科学研究院安徽省水利水资源重点实验室蚌埠 233000）

1 前言

淮河中游历来是淮河治理的重点和难点，分析总结河道冲刷淤积和演变的规律是现阶段开展河道整治及行蓄洪区调整建设的需要。因此，计算河道冲淤的数量及其分布十分关键，目前根据实测资料分析淮河中游河道冲淤的途径主要有两种：一种是根据河道输沙平衡分析法（简称输沙量差法）；另一种是根据实测河道断面，按几何法（简称断面法）直接计算河道泥沙的冲淤体积。

2 两种方法简述

2.1输沙量差法

输沙量差法主要是根据河段上下游两水文测站实测的输沙量和区间加入、引出沙量，利用物质守恒定律，计算出输入沙量和输出沙量的差值，即为该河段的冲淤量。水文测站观测的资料一般有水位、流量、含沙量、输沙率等。计算公式为：

式中W1，W2分别为进出口站输沙量；Q为流量；Cs为断面平均含沙量；T为时间；S3为区间加入的泥沙量；S4为区间引沙量（包括灌溉引沙、分洪引沙、吸泥淤堤等）；Ws为冲淤量。

2.2断面法

断面法主要是利用河道布设测量断面形态，将相邻断面间的几何图形近似为台体或截锥体，通过比较断面间容积的差异，可确定河段在相应水位下两测次间河道泥沙冲淤的体积，为反映不同流量级河道的冲淤情况，计算水位可分为主槽容积计算水位和总容积计算水位（见图1），具体步骤如下：

（1）根据实测各断面滩唇高程，确定滩槽分界线。计算主槽容积时，只保留主槽部分地形（图1中的阴影部分），滩地部分不参与主槽面积计算；

（2）根据河段滩唇高程，确定河段主槽容积计算水位Z主（略低于滩槽分界高程值）；

（3）根据河段设计水位，选定滩槽总容积计算水位Z总（全断面地形参与计算）；

（4）计算Z主、Z总对应的主槽面积和河道总断面面积；

（5）采用梯形公式计算相邻断面间河道容积：

式中：Su——上游断面面积；

Sd——下游断面面积；

L——相邻断面间距。

（6）采用两测次河道容积差法计算河床冲淤量：

两次容积之差即为冲淤量：

式中：V1——第一测次河道容积；

V2——第二测次河道容积。

（7）设ΔV1为Z主对应条件下，两测次河道主槽容积差值，ΔV1即为主槽冲淤总量；设ΔV2为Z总对应条件下，两测次河道总容积之差，ΔV3为滩地冲淤变化体积，则：

3 误差分析

作为计算河道冲淤量的两种主要方法，输沙量差法和断面法有其各自的优缺点，在计算河段冲淤量时也不可避免的存在一定的误差。

3.1输沙量差法误差分析

输沙量差法利用水文站实测的输沙量计算河道冲淤量，无需进行专门的测量，计算简单，且可计算任意时段的冲淤量，但该法不能获得河道的断面形态和冲淤量的分布情况。采用输沙量差法计算淮河中游冲淤量的误差主要来源于以下几个方面:

①水文站测验系统误差。淮河中游水文测站一般采用单断沙的关系曲线或比例系数过程线推求悬移质输沙量。对于单断沙关系良好或比较稳定的测站，系统误差应小于5%。当河道内的冲刷量或淤积量占来沙量的比例较大时，测量系统误差对冲淤结果影响很小，但当相邻两站输沙量相差不大时，计算冲淤量中的误差可能会大于实际的冲淤。

②推移质输沙量。全沙输沙率应包含悬移质和推移质。目前淮河干流小柳巷站是唯一施测全沙的水文站，根据现有资料计算，悬移质输沙量占全沙输沙量的95%以上，这说明淮河中游悬移质输沙量占全沙的比重远大于推移质输沙率所占全沙的比重，本文计算未考虑推移质输沙，所引起的误差应在5%以下。

③未控区间来沙量计算误差。淮河中游泥沙测站数量有限，无法控制较小支流来沙和区间产沙。以王家坝至鲁台子河段为例，未控区间面积占鲁台子站控制面积的15.6%，不考虑这一部分来沙必然使计算的淤积量偏大，如采用多年平均输沙模数估算区间来沙，也可能与真实的区间来沙量值有所偏差。

④区间引沙量。淮河中游耕地面积广阔，人口密集，它们在引水的同时也引出了沙量。淮河中游天然径流量和实测径流量沿程变化的对比可以在一定程度上可以反映淮河中游区间引水量的大小。

⑤人工采砂。淮河中游部分河段受人工采砂影响较大，特别是进入20世纪90年代之后，人工违禁采砂愈演愈烈，输沙量差法无法反映人工采砂的影响，导致计算结果产生偏差。

3.2断面法误差分析

断面法测量历时较短，可获得冲淤量的分布情况和河道断面的形态。但断面法测量难以准确计算任意时段的冲淤量。采用断面法计算淮河中游冲淤量的误差主要来源于以下几个方面：

①断面间距过大。由于梯形法适用于两断面之间的面积呈线性变化的情况，当河道布设的断面间距过大，无法控制河道断面的扩张和收缩或地形起伏变化时，将会给冲淤计算带来偏差。

②断面间距计算方法。淮河中游断面间距是通过河道中心线断面桩号来计算的，当两个断面间的交角过大时，采用这种方式计算出断面间距可能偏大。

③河道布设测量断面不固定。蚌埠闸以下河段1992年和2001年两测次断面不统一，偏角不一致，里程不一致，可能使两测次之间的河道冲淤量计算产生偏差。

表1 1992～2001年吴家渡至小柳巷河段冲淤计算比较（+为淤，-为冲）单位：×104t

④断面截取的误差。1999年断面资料从河道等值线地形图中截取也带来了一定的误差。

此外，输沙量差法计算的结果为淮河干流河道、区间支流、行蓄洪区、洼地冲淤的总量，反映了一种综合冲淤的情况；相比而言，断面法计算结果仅反映了某一水位下干流河道的冲淤情况。

综上所述，对于淮河中游河道冲淤的计算，无论采用输沙量差法还是断面法，都会产生一定的误差。对比分析这两种方法计算冲淤结果，可以更客观地反映本河道冲淤幅度。

4 冲淤计算结果对比分析

根据河道特性和水文测站的布置可将淮河中游分为王家坝～鲁台子、鲁台子～吴家渡、吴家渡～小柳巷、小柳巷～中渡4段，并逐段分析河道输沙平衡规律。根据实测断面的分布等因素可将淮河中游河道段分为洪河口～正阳关、正阳关～蚌埠闸、蚌埠闸～洪山头、洪山头～老子山4段，并逐段计算河道滩槽冲淤情况。从计算的结果看，两种方法得出的各河段冲淤特性基本上一致，即洪河口（王家坝）～正阳关（鲁台子）段为淤积，正阳关（鲁台子）～小柳巷（洪山头）段为冲刷，入湖河段及湖区段为淤积，但两种方法计算冲淤的数量却存在不同程度差异。

现以吴家渡~小柳巷河段为例进一步分析。本河段总长94km，区间汇流面积较小，没有较大支流入汇，且在1992~2001年时间段内，本河段范围内的各行洪区均未启用，水沙运动被限制在河道主槽与滩地之内。因此，两种方法计算结果的差异不受未控区间来沙量计算误差及计算范围不一致的影响。

对比两种方法的计算结果（见表1）可以看出，对于输沙量差法而言，在1992~2001年时间段内，吴家渡~小柳巷河段冲刷量为112×104t，而断面法计算则冲刷1103×104t，输沙量差法的计算值明显小于断面法的计算值，造成上述差异的主要因素是人工采砂。输沙量差法的计算结果基本反映了河段自然冲淤的情况，而断面法的计算结果包含了人工采砂的影响，反映了河段最终的变形量。