黃 俊,崔曉陽(yáng),曹晨華,田偉峰
(1.中水東北勘測(cè)設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司,吉林 長(zhǎng)春 130021;2.牡丹江市城區(qū)水土保持辦公室,黑龍江 牡丹江 157000;3.黑龍江省牡丹江市水務(wù)科學(xué)研究院,黑龍江 牡丹江 157000)
牡丹江城區(qū)段江道由主槽、邊灘及岸堤組成。最大斷面寬度500~900 m,主槽長(zhǎng)24.8 km,多數(shù)主槽寬度在120~280 m之間,深2~4 m。江道平均比降為0.05%,較為平緩,平槽流量約為900 m3/s。牡丹江城區(qū)段河床以砂礫質(zhì)為主,經(jīng)多年水流沖淤作用,主江道呈蜿蜒型河段和汊河段,彎曲度數(shù)為1.2形成大小不等的江心島。
造床流量,是指多年河床在形成過(guò)程中,這種流量對(duì)河槽的塑造與形成所起的作用最為突出。一般認(rèn)為造床流量既不是最大洪水流量,也不是經(jīng)常存在的枯水流量。盡管最大洪水流量造床作用強(qiáng)烈,但作用時(shí)間短,所起的造床作用也不可能是最大;而枯水流量雖然作用時(shí)間長(zhǎng),但流量很小,所起的造床作用也不可能是最大。所以對(duì)造床起主導(dǎo)作用的造床流量應(yīng)該是在多年徑流過(guò)程中發(fā)生機(jī)率較多,歷時(shí)較長(zhǎng)的中等流量。
為了驗(yàn)證這種認(rèn)識(shí)的正確性,牡丹江城區(qū)段以江道為對(duì)象,對(duì)豐、平、枯水3種流量對(duì)江道的造床作用進(jìn)行了分析計(jì)算。此次分析造床流量的基本途徑,是以牡丹江站實(shí)測(cè)資料為依據(jù),擬定既符合實(shí)際,又有可比性的豐、枯水流量分級(jí)標(biāo)準(zhǔn);通過(guò)洪峰流量頻率計(jì)算、水文年鑒、以及有代表性的江道實(shí)測(cè)大斷面,求出各級(jí)標(biāo)準(zhǔn)的主槽流量、發(fā)生歷時(shí)、及相應(yīng)的流速,按動(dòng)能公式進(jìn)行能量計(jì)算。認(rèn)為水流對(duì)江道的造床作用,可用主槽水流動(dòng)能來(lái)體現(xiàn),可通過(guò)動(dòng)能的比較,確定造床流量。具體分析步驟如下:
1)根據(jù)牡丹江站實(shí)測(cè)資料進(jìn)行歷年最大流量頻率計(jì)算,見(jiàn)表1、表2。
表1 牡丹江站洪峰流量表(1955—2010年)m3/s
表2 牡丹江站洪峰流量頻率計(jì)算成果表
2)擬定豐、平、枯水的頻率標(biāo)準(zhǔn)及計(jì)算范圍,并從頻率曲線上查出各相應(yīng)頻率的年最大流量,見(jiàn)表3。
3)豐、平、枯水流量發(fā)生時(shí)間統(tǒng)計(jì)。按各級(jí)來(lái)水的相應(yīng)的流量范圍,在水文年鑒上查算。
對(duì)于豐水流量發(fā)生時(shí)間,在大于等于豐水流量的年份中統(tǒng)計(jì);對(duì)于平水時(shí)間在大于等于平水流量的年份統(tǒng)計(jì)(包括豐水年中平水流量及發(fā)生時(shí)間);對(duì)于枯水時(shí)間在大于等于枯水流量的年份中統(tǒng)計(jì)(包括平、豐水年中枯水流量及發(fā)生的時(shí)間)。根據(jù)統(tǒng)計(jì)的結(jié)果表明,符合豐水流量發(fā)生時(shí)間短、枯水流量發(fā)生時(shí)間長(zhǎng)的規(guī)律,見(jiàn)表4。
表3 相應(yīng)頻率的年最大流量
表4 豐、平、枯水發(fā)生時(shí)間統(tǒng)計(jì)表
4)計(jì)算結(jié)果。主槽流量、流速計(jì)算:通過(guò)有代表性的實(shí)測(cè)大斷面及相應(yīng)H—Q曲線進(jìn)行計(jì)算,見(jiàn)表5。
表5 流量、流速計(jì)算表
動(dòng)能計(jì)算。水流的造床作用往往簡(jiǎn)單地用流量大小來(lái)衡量,但確切地說(shuō)應(yīng)該以主槽水流的能量來(lái)表示,即造床作用的大小與主槽流量和主槽流速平方的乘積成正比,計(jì)算式如下:
式中:Qi——主槽流量,m3/s;Vi——與Qi相應(yīng)的流速,m/s;Ti——與各級(jí)來(lái)水相應(yīng)的時(shí)間,s;Ei——?jiǎng)幽?,J。
表6 動(dòng)能計(jì)算表
從動(dòng)能計(jì)算成果看,平水能量為豐、枯水能量的1.6~1.9倍左右,故可認(rèn)為在牡丹江城區(qū)段平水流量即為造床流量。平水流量相當(dāng)于2年一遇的洪峰流量,也可近似地認(rèn)為多年平均洪峰流量即相當(dāng)于造床流量。從牡丹江河道現(xiàn)狀看,平槽流量為900 m3/s,2年一遇洪峰流量為831 m3/s,牡丹江河床應(yīng)屬穩(wěn)定河床。
另牡丹江主槽寬120~280 m,按阿爾圖寧公式計(jì)算(B=A·Q0.5/J0.2),如取 A=1.3,Q=831 m3/s(P=50%),J=0.05%,則 B=171 m,也說(shuō)明牡丹江河床已處于穩(wěn)定期。經(jīng)分析牡丹江城區(qū)段江道造床流量為831 m3/s,河床為中壯年期穩(wěn)定河床。
[1]張書(shū)農(nóng),華國(guó)祥.河流動(dòng)力學(xué)[M].北京:水利水電出版社,1988.