九龙江北溪水闸上下游河床冲刷变化及原因分析_卢根兴.pdf

收稿日期:2022 06 06九龙江北溪水闸上下游河床冲刷变化及原因分析卢根兴(福建省九龙江北溪水资源调配中心，福建 龙海363000)摘要:该文利用 2006 2021 年多个不同年份实测地形资料，对比不同年份九龙江北溪水闸南、北港拦河闸上下游横断面和闸中纵断面地形，分析河床冲刷变化，结合实测水文泥沙资料分析拦河闸下游河床冲刷变化原因。结果表明:近年来北溪水闸南、北港拦河闸上下游河床整体均有所冲刷，闸下游河床冲刷变化明显大于闸上游;闸下游河床 2018 年以前冲刷变化较显著，2018 年以后冲刷变化较缓和。分析认为，拦河闸下游低水位下跌、潮动力作用增强、上游来沙量减小及河口采砂、航道疏浚等是导致拦河闸下游河床刷深的主要原因。关键词:九龙江北溪水闸;河床冲刷变化;潮动力作用中图分类号:TV147文献标识码:B文章编号:1002 3011(2023)01 0063 04引言闸下河床冲刷事关水闸消能防冲设施安全。福建地处我国东南沿海，水系发达，入海河流众多，建有多座河口闸。这些河口闸往往坐落在软基上，受水闸泄洪和强潮动力作用影响，闸下河床极易冲刷1。根据相关资料，福建多座河口闸曾由于闸下河床冲刷而危及水闸安全，如泉州晋江干流金鸡拦河闸2 4、九龙江西溪水闸5 6。九龙江北溪水闸历史上曾多次除险，并于 2004 年完成全面除险加固，2018 年闸下海漫段又出现冲刷7，2019 年再次被鉴定为三类闸，拟进行改建。目前正在开展九龙江北溪水闸改建工程前期勘察设计工作。值此九龙江北溪水闸改建工程前期工作开展之际，基于该水闸 2004 年除险加固以来多年实测资料分析水闸上下游河床冲刷变化，成果可供九龙江北溪水闸改建工程参考。1工程概况九龙江北溪水闸位于漳洲市龙海区，距厦门市约 45 km，建成于 1980 年，是九龙江北溪引水工程的重要组成部分，为等大(1)型水闸枢纽工程，具有灌溉、供水、防洪和航运等效益。闸址集水面积 9 640 km2，多年平均径流量 94.6 亿 m3。水闸枢纽主要由南港拦河闸、北港拦河闸、南北港船闸和中干渠进水闸、节制闸等组成。拦河闸位于郭洲头，共 40 个闸孔，每孔净宽 10 m，其中南港拦河闸 15孔，长 179.96 m(不含船闸);北港拦河闸 25 孔，长 292.70 m。拦河闸设计洪水标准 50 年一遇，设计流量 10 300 m3/s;校核洪水标准 200 年一遇，校核流量 12 700 m3/s。2拦河闸上下游河床冲刷变化分析2.1断面布设一共收集到 2006 年、2009 年、2012 年、2018年和 2021 年九龙江北溪水闸闸址河道地形资料。为分析河床冲刷变化，在南、北港拦河闸枢纽区上下游各布置 2 个横断面(分别以南、北港闸轴线为桩号起点)，在闸中各布置 1 个纵断面，如图 1 所示。南上 K0+140 横断面位于闸上防冲槽上游 90m，南上 K0+060 横断面位于闸上防冲槽上游10 m，南下 K0+120 横断面位于闸下防冲槽下游 20 m，南下 K0+190 横断面位于闸下防冲槽下游 90 m。北上K0+140 横断面位于闸上防冲槽上游 100 m，北上K0+060 横断面位于闸上防冲槽上游20 m，北下 K0+110 横断面位于闸下防冲槽下游约 20 m，北下 K0+170 横断面位于闸下防冲槽下游约 80 m。南、北港闸中纵断面分别位于 9#闸孔和 14#闸孔。2.2南港拦河闸上下游河床冲刷变化2.2.1横断面南港拦河闸轴线上下游各横断面不同年份地形变化如下:36水 利 科 技2023 年第 1 期图 1北溪水闸南北港拦河闸平面布置示意图南上 K0+140 横断面2006 2018 年整体冲刷明显，2018 2021 年基本稳定;2006 2021 年平均刷深 0.72 m，局部最大刷深 2.86 m，最深点高程变化不大。如图 2 所示。图 2南上 K0+140 横断面河床地形变化南上 K0+060 横断面不同年份间地形有冲有淤，整体小幅冲刷，2006 2021 年平均刷深 0.24m;局部最大刷深 1.49 m，最深点高程由 3.08 m刷深至 3.89 m，刷深 0.81 m。如图 3 所示。图 3南上 K0+060 横断面河床地形变化南下 K0+120 横断面不同年份间地形有冲有淤，整体小幅冲刷，2006 2021 年平均刷深 0.34m;左岸局部冲刷较明显，局部最大刷深 2.99 m，最深点高程由 4.61 m 刷深至 6.61 m，刷深 2.00m。如图 4 所示。图 4南下 K0+120 横断面河床地形变化南下 K0+190 横断面2006 2009 年整体大幅刷深，平均刷深 2.67 m，局部最大刷深 7.91 m，最深点高程由 4.88 m 刷深至 11.54 m，刷深6.66 m;2009 年后基本稳定，略有回淤，整体平均回淤 0.56m;2021 年较 2006 年平均刷深 2.11 m，局部最大刷深 7.32 m，最深点刷深 6.20 m。如图 5 所示。图 5南下 K0+190 横断面河床地形变化462023 年第 1 期水 利 科 技2.2.2纵断面南港拦河闸闸中纵断面不同年份地形变化如图6 所示。从图 6 看，南港闸中纵断面 2006 2018 年整体逐年刷深，2018 2021 年基本稳定，变化不大;2006 2021 年平均刷深 1.10 m，最深点高程由6.32 m 刷深至 9.10 m，刷深 2.78 m。图 6南港闸中(9#闸孔)纵断面河床地形变化2.3北港拦河闸上下游河床冲刷变化2.3.1横断面北港拦河闸轴线上下游各横断面不同年份地形变化如下:北上 K0+140 横断面历年来主槽位于河道右岸，不同年份间地形有冲有淤，整体较稳定，略有刷深，2006 2021 年平均刷深 0.16 m;局部最大刷深 1.79 m，最深点高程由 4.89 m 回淤至 3.58m，淤高 1.31 m。如图 7 所示。图 7北上 K0+140 横断面河床地形变化北上 K0+060 横断面近年冲淤交替，整体小幅刷深，2006 2021 年平均刷深 0.26 m;局部最大刷深 2.89 m，最深点高程由 1.00 m 刷深至 1.77m，刷深 0.77 m。如图 8 所示。北下 K0+110 横断面整体逐年不断刷深，20062021 年整体平均刷深 1.59 m;局部最大刷深达3.63 m，最深点高程由 3.81 m刷深至 6.11 m，图 8北上 K0+060 横断面河床地形变化图 9北下 K0+110 横断面河床地形变化刷深 2.30 m。如图 9 所示。北下 K0+170 横断面2006 2018 年逐年不断刷深且刷深幅度较大，平均刷深 3.88 m;局部最大刷深 10.61 m，最深点高程由 3.74 m 刷深至 12.53m，刷深 8.79 m;2018 2021 年整体有所回淤，平均回淤0.92 m;2021 年较2006 年平均刷深2.96 m，局部最大刷深 9.69 m。如图 10 所示。图 10北下 K0+170 横断面河床地形变化2.3.2纵断面北港拦河闸闸中纵断面不同年份地形变化如图11 所示。从图 11 看，闸上防冲槽上游近年整体基本稳定;闸下防冲槽下游河床冲刷较显著，2006 2021 年平均刷深 3.89 m，特别是 2018 年，该断面闸下防冲槽下游河床最大冲刷至高程 12.14 m，较2006 年刷深 8.22 m。56水 利 科 技2023 年第 1 期图 11北港闸中(14#闸孔)纵断面河床地形变化2.4拦河闸上下游河床冲刷结论总体来看，2006 年以来，北溪水闸南、北港拦河闸上下游河床整体均有所刷深，闸下游河床冲刷变化明显大于闸上游;闸下游河床 2018 年以前冲刷变化较显著，2018 年以后冲刷变化较缓和，应与2018 年实施的闸下海漫段除险加固工程及 2018 年以来九龙江连续遭遇枯水年份有关。3拦河闸下游河床冲刷原因分析3.1闸下游水位变化受河道采砂、航道疏浚等影响，近年来九龙江河口河床整体下切，特别是南港，河道下切导致低水位下跌。实测资料显示，近年来北溪水闸闸下游低水位呈明显降低趋势，相同泄量下水闸下游最低水位低于原工况水位。1998 年初测量结果显示，南港下游最低潮位已低于原设计潮位。1999 年 3 月 2日，闸下游出现最低潮位 1.50 m，比原设计最低水位 0.24 m 下降1.26 m，迫使水闸正常运行水位由 4.8 m 降低为(4.2 0.2)m。目前实测南港拦河闸下游最低水位为 2.35 m、北港拦河闸下游最低水位为 2.11 m，较 2003 年北溪水闸除险加固所采用的设计水位(南港下游 1.59 m，北港下游1.30 m)均明显降低。九龙江南港石码水位站位于北溪水闸下游，距离闸址约 5 km。根据该站实测水文资料推断，北溪水闸闸下低潮位很可能从上世纪 80 年代开始就呈现下跌变化趋势。根据朱俊雄8 研究:自 1980 年起，九龙江南港石码水位站年最低潮位不断降低，19801985 年，年最低潮位相对较稳定，略有下降，平均年最低潮位 0.68 m;1985 1992 年，年最低潮位下降趋势加大，平均年最低潮位 0.91 m;19931999 年，年最低潮位急剧下跌，平均年最低潮位为 1.35 m。根据厦门潮位站实测资料，相同时间段厦门海域天文低潮保持基本稳定。相关文献进一步指出，九龙江河口河床刷深是石码水位站低潮位降低的主要原因。河道冲淤演变与水位变化相关联。九龙江河口河床下切变化导致北溪水闸闸下水位持续降低。尽管水闸采取降低正常运行水位作为应对方案，但在水闸控泄工况下，水闸上下游水头差比原设计仍有所增大，南港拦河闸上下游最大水头差由原设计的6.39 m 增大至6.75 m，北港拦河闸上下游最大水头差由原设计的 6.10 m 增大至 6.51 m，导致水闸下泄水流能量增大，加剧闸下防冲槽下游河床冲刷。3.2潮流动力变化根据石码水位站 1964 2018 年实测潮位资料，1964 1989 年石码水位站最低潮位 0.94 m，年最低潮位均值 0.68 m，年最高潮位均值 4.03 m;1990 2018 年石码水位站最低潮位 2.69 m，年最低潮位均值 1.84 m，年最高潮位均值 4.38 m。1990 年以来，石码水位站低潮位呈不断降低趋势，高潮位相对稳定，年最高潮位略有增大，潮差增大。由此推断，受九龙江河口河床整体下切影响，九龙江河口潮流动力作用加强，一天两次、日复一日的潮汐往复流作用加剧了北溪水闸下游河床冲刷。3.3来水来沙变化根据 龙海市西溪水闸除险加固工程初步设计报告 福建省九龙江北溪水闸改扩建工程可行性研究报告:九龙江流域河道泥沙主要来自流域地表水土流失，上世纪 60 80 年代，流域植被严重破坏，加上基本建设的土石方开挖，河道泥沙补给量大增，造成河道淤积;上世纪 90 年代后期，流域植被恢复，加上流域梯级水库建设，水土流失量减少，上游来沙量明显减少。上游来水量基本不变，来沙量减小，导致九龙江河道水沙关系失衡，加剧北溪水闸下游河床冲刷。3.4其它因素分析认为，造成北溪水闸下游河床下切原因还包括九龙江河口河道采砂、航道疏浚和水闸运行调度影响等，北溪水闸除险加固工程闸下低水位设计考虑不足导致消能防冲效果不能完全满足设计预期亦有一定影响。(下转第 71 页)662023 年第 1 期水 利 科 技5.4考虑年度因素合理性分析2021 年福建省农田灌溉水有效利用系数达0.561，比 2020 提高 0.003 6，其中大型灌区提高 0.003 1，中型灌区提高 0.006 3，小型灌区提高 0.001，纯井灌区提高 0.015 4，详见表 7。表 72020 2021 年福建省农田灌溉水有效利用系数年份全省大型灌区中型灌区小型灌区纯井灌区2020 年0.557 40.483 60.551 60.576 90.736 32021 年0.561 00.486 70.557 90.577 90.