老里村主槽拦蓄工程对水文站冲淤测验影响分析

□高 晨

为统筹提升五一闸引水水位、满足雄安新区起步区西侧引水需求、恢复老里村灌区灌溉功能、提高河道蓄水能力，河北省定兴县水利局于南拒马河定兴段拟建老里村气盾坝。拦蓄工程建成后，河道长期水面范围至北河店京广铁路桥，五一闸上游五一渠及河槽蓄水范围两侧滩地农田约2 万亩，计划沿线投入约100 台移动式柴油灌溉泵，供沿线村庄保存使用，受益农田可采用地表水源灌溉，从而有效减少地下水超采，每年节约地下水资源约440 万m3。

1.工程概况

该工程拟新建南拒马河老里村主槽蓄水建筑物、整治蓄水建筑物上下游主槽岸坡、建设气盾坝设备用房包括空压机室和控制室、新建漫水桥及上堤坡道、拆除老蓄水闸等，确保老里村灌渠的引水，同时通过蓄水建筑物蓄水增加蓄水水面，增强对该段河道的地下水水位的回补。

拟建的蓄水建筑物位于老里村引渠渠首下游侧的南拒马河主河槽上，在北河店水文站比降下断面下游约5.6km 处，蓄水建筑物拟采用气盾坝形式。

南拒马河防洪治理工程（定兴段）实施过程中已拆除重建了老里村渠首五一闸，并在设计中提出了老李里村灌渠渠首设计引水水位不低于17.86m。本次拟建蓄水建筑物蓄水水位取18.0m，蓄水建筑物设计坝高4.5m。

2.水文站简介

北河店水文站位于河北省定兴县定兴镇大沟村，位于拦蓄工程上游约5km 处，始建于1921 年6 月，系海河流域大清河水系的南拒马河控制站，它承担着断面上游南拒马河洪水的观测、报讯工作，是国家基本水文站网中的重要水文站、中央报汛站。基本监测项目涉及基本水位、比降水位、地下水水位、地下水开采量、流量、单样含沙量、悬移质输沙率、水温、冰情、泥沙颗粒分析、降水量、旱情、地表水水质、水污染监测等。

南拒马河全长83.7km，其中北河店以上河长51km，北河店以下进入平原，河长32.7km，河底纵坡为1/4000～1/6000，两堤距离600～2300m。北河店站测验河段及其附近河流形势与测站位置图见图1。

图1 北河店站测验河段及其附近河流形势与测站位置

3.冲刷分析计算

工程距离北河店水文站比降下断面5.6km，水流平行岸坡、斜冲护岸产生的冲刷深度，采用《堤防工程设计规范》（GB50286-2013）标准进行一般冲刷和局部冲刷的分析计算。

水的容重为9.8KN/m3，泥沙的容重为17.9KN/m3，床沙的中值粒径d50 为0.02m，冲刷处深度为1.09m。床沙的中值粒径和冲刷处深度均为2012 年水文实测资料。计算得泥沙启动流速为0.51m/s。

根据《堤防工程设计规范》（GB50286-2013），北河店水文站为沙质河床，近岸垂线平均流速计算公式如下所示：

式中：

Ucp—近岸垂线平均流速，m/s；

U—行近流速，取2012 年资料1.04m/s；

η—水流流速不均匀系数，根据水流流向与岸坡夹角查表取值，取3.00。

通过公式计算得近岸垂线平均流速1.56m/s。

局部冲刷深度计算公式如下所示：

式中：

hs—局部冲刷深度，m；

H0—冲刷处水深，m；

Ucp—近岸垂线平均流速，m/s；

n—与防护岸坡在平面上的形状有关。

n与防护岸坡在平面上的形状有关，此次计算n取1/4-1/6，通过公式计算得局部冲刷深度分别为0.35m，0.27m，0.23m。水流流速不均匀系数见表1。

αη≤15°1.00 20°1.25 30°1.50 40°1.75 50°2.00 60°2.25 70°2.50 80°2.75 90°3.00

4.泥沙淤积分析计算

4.1 流域产沙概况

由于地表植被差，降雨形成地表径流时，地表被冲刷，水流挟沙入河，是河道泥沙的主要来源，河流泥沙主要来自洪水期。

4.2 泥沙测验及整编情况

北河店水文站有较长系列的水文泥沙实测资料，1963 年北河店水文站实测资料统计：输沙量556 万t，平均输沙率176kg/s，平均含沙量5.21kg/m3，最大断面平均含沙量15.5kg/m3。1996 年北河店水文站实测资料统计：输沙量89.9 万t，平均输沙率28.4kg/s，平均含沙量0.74kg/m3，最大断面平均量7.59kg/m3。2012 年北河店水文站实测资料统计：输沙量2.14万t，平均输沙率0.677kg/s，平均含沙量1.66kg/m3，最大断面平均量7.77kg/m3。

2012 年北河店水文站悬移质颗粒级配资料统计：中数粒径 d50=0.020mm，平 均 粒 径 d=0.045mm，最 大 粒 径 为0.739mm，小于粒径0.016mm 的泥沙沙量占42.9%。

4.3 泥沙淤积分析计算

泥沙淤积计算采用如下公式：

式中：

F—控制径流面积；

G—侵蚀模数；

V—蓄水库容；

T—蓄水年数。

此工程中河道纵坡为2.7‰，当河道纵坡小于5‰时，侵蚀模数取10.2，故侵蚀模数取10.2。蓄水年数选取工程校核年数20a。根据《河北省定兴县南拒马河老里村主槽拦蓄工程水工程建设规划同意书论证报告》，蓄水库容为300 万m3，测站控制径流面积为447 万m2，计算得出泥沙淤积总量为14.99 万m3。

5.河势分析

北河店水文站流域分布在易县、涞水县、定兴县境内，属海河流域大清河水系南拒马河。南拒马河自铁锁崖向南、流经涞水县入定兴县至北河店，与中、北易水汇合后过铁路，至东马营与白沟河相会后入大清河。

主河槽河底为黄粘土，上覆细砂。左岸滩地为壤土，右岸滩地为细砂和壤土，种有树木。洪水时期，冲淤变化较大，并且主河槽有逐年向右缓移现象。测验河段位于京广铁路桥下游约600m 处，复式河槽，河段较顺直，长约400m。施工前后，北河店水文站监测断面和测验河段河底坡度未发生改变。北河店现状大断面见图2。

河道经多年冲淤演变，河床形态已基本稳定。项目建设后河道行洪主流流向基本不会改变。气盾坝工程抬高了河道水位，对上下游的河段河势稳定有一定影响。在断面桩号1+025.6 与1+058.7 之间处，有一高约2.6m 陡坡，坡比为1∶2。根据地质测绘及钻孔揭露，工程场区地质结构为黏、砂双层结构，上部为粉砂、细砂、中砂，下部为壤土，河床地质不太稳定，蓄水饱和状态下易坍塌。当发生大洪水时，陡坡向上游侵蚀冲刷，导致河床坡度、河道形势、流速横向分布与断面形态随时处于不稳定状态，使断面控制和河道控制情况随时发生变化，对水文测验河段稳定性产生较大影响。流速横向分布见图3。

图3 流速横向分布曲线横断面

6.结论

一是拦蓄工程建成后，水位抬高，会造成局部冲刷，但不会对水文测验造成影响。

二是拦蓄工程建设会造成上游河段内断面流速分布变动，流速变化，测点含沙量及断面含沙量分布受流速改变的影响可能发生改变，原有单样含沙量及输沙率测验方案需在加密取样垂线、测点，并积累一定测次的基础上重新分析确定。另外，其对单沙的代表性及单断沙关系也可能产生影响，为满足今后泥沙测验的精度和代表性，需要开展相关试验，并根据实测资料进行比测分析，从而确定今后的泥沙测验方案。

三是此次工程未改变北河店水文站附近监测河段河道主槽。经上述计算分析，工程施工未造成河道过水断面变化，测验河段处流速、河床坡度、流速横向分布、断面形态与河道形势等均未发生变化。但在断面桩号1+025.6 与1+058.7 之间的陡坡易被冲刷侵蚀，可能造成比降下断面受到破坏，使断面控制和河道控制情况随时发生变化，因此对水文测验河段稳定性产生影响。□