電廠取水河段河床演變及沖淤變化規(guī)律研究

周洋洋

（中國(guó)電建集團(tuán)福建省電力勘測(cè)設(shè)計(jì)院有限公司，福州 350003）

1 引言

在火力發(fā)電廠取水口位置選擇工作中，需要考慮河段的穩(wěn)定性，應(yīng)在設(shè)計(jì)河段上下游進(jìn)行調(diào)查分析，選擇較穩(wěn)定的河段[1]?；鹆Πl(fā)電廠取水口設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)落實(shí)取水河段的沖淤變化和河段河床演變情況，具體應(yīng)包括取水口河段年際、年內(nèi)變化特征，取水河段縱、橫斷面沖淤及河床變遷情況等[2]，為取水口位置選擇、高程確定提供依據(jù)。本文以孟加拉國(guó)東北部的某400 MW聯(lián)合循環(huán)電站工程為例，以實(shí)測(cè)水文斷面數(shù)據(jù)和Landsat遙感數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，分析Meghna河的電廠取水河段橫向及縱向河床演變及沖淤變化規(guī)律。

2 區(qū)域水文特性

擬建電廠處于孟加拉國(guó)首都達(dá)卡東北方向約90 km的Meghna河左岸，Meghna河發(fā)源于印度曼尼普爾山，在Chandpur附近與Jamuna河回合后最終注入孟加拉灣。電廠附近河段河道較寬，屬通航的感潮河段。該河段右岸有孟加拉國(guó)水利署（BWDB）SW273水文站，廠址上游段有孟加拉國(guó)水利署（BWDB）長(zhǎng)期河道觀測(cè)斷面M18。根據(jù)SW273站典型年洪水分析可知，區(qū)域內(nèi)一般4月下旬進(jìn)入汛期，10月中下旬進(jìn)入枯水季節(jié)，枯水季節(jié)潮差相對(duì)較大；工程河段實(shí)測(cè)最大洪峰流量19 400 m3/s，實(shí)測(cè)斷面最大流速為2 m/s，實(shí)測(cè)最大輸沙率為156 kg/s，計(jì)算最大斷面平均含沙量為0.022 7 kg/m3；工程河段實(shí)測(cè)排位第一的高水位為7.78 m，發(fā)生于2004年，實(shí)測(cè)排位第二的高水位為7.66 m，發(fā)生于1988年。

擬建電廠取水口所在河段屬平原蜿蜒型河段的過(guò)渡性淺灘，上游和下游均連接河流彎道，心灘發(fā)育；區(qū)域地勢(shì)平坦寬闊，土質(zhì)松散，河床較為寬廣，受洪枯交替、泥沙等多因素影響，河床的沖刷和淤積可能交替進(jìn)行，變化情況較為復(fù)雜。

3 河床橫向演變分析

工程河段沒(méi)有長(zhǎng)系列的岸灘地形資料，為研究岸灘橫向演變情況，本文采用美國(guó)NASA的landsat衛(wèi)星影響數(shù)據(jù)，歷時(shí)30年；受遙感影像的局限性，很難獲取不同年份間水位完全相同的遙感影像資料。因此，本文選取工程河段枯水季節(jié)水位相近的遙感影像圖進(jìn)行相關(guān)解譯和分析計(jì)算。本文所選擇的不同年代遙感數(shù)據(jù)及相應(yīng)水位等基本信息見表1。

在解譯遙感影像的水邊線特征過(guò)程中，徐涵秋在對(duì)水體質(zhì)數(shù)NDWI[3]進(jìn)行研究時(shí)，發(fā)現(xiàn)在TM影像中的中紅外波段（1.55～1.75 μm）的反射率在建筑物和水體之間會(huì)出現(xiàn)較大的差異。為了達(dá)到突出研究水體的目的，可在多光譜波段內(nèi)尋找出研究水體的最強(qiáng)反射波段和最弱反射波段，將強(qiáng)者置于分子，弱者置于分母，通過(guò)比值運(yùn)算，進(jìn)一步擴(kuò)大兩者的差距，使所要研究的地物所生成的指數(shù)影像上得到最大的亮度增強(qiáng)[4]。

本文采用歸一化水體指數(shù)法（MNDWI）及決策樹法[5]來(lái)解譯河段水邊線。公式為：

式中，B3為3波段（綠光波段）波長(zhǎng)；B6為6波段（中紅外波段）波長(zhǎng)。

水體的反射從可見光到中紅外波段逐漸減弱，即反射率隨著波長(zhǎng)的增大逐漸降低，在中紅外波段波長(zhǎng)范圍內(nèi)吸收性最強(qiáng)，幾乎無(wú)反射，同時(shí)在中紅外波段中可以更好地區(qū)分土壤、建筑物、植被與水體，因此，選用6波段作為弱反射波段；水體在綠光范圍里的反射率相對(duì)較強(qiáng)，因此，選用3波段作為強(qiáng)反射波段。

水體與其他地物的分類判別條件為：MNDWI≤-0.04時(shí)，判別地物為水邊線；分析計(jì)算采用ArcGIS軟件的柵格計(jì)算模塊，解譯成果如圖1所示。

圖1 1988年、1998年、2018年枯水季節(jié)取水河段水邊線

根據(jù)圖1分析可知，在1988—2018年間，河流左岸的取水口河段呈淤積趨勢(shì)；取水口附近的心灘，灘頭迎水面呈沖刷侵蝕趨勢(shì)；灘尾部沖刷與淤積趨勢(shì)不明顯，相對(duì)穩(wěn)定；河流右岸呈現(xiàn)整體穩(wěn)定、局部沖刷侵蝕呈崩退的趨勢(shì)。

分析解譯的岸灘橫向演變趨勢(shì)具有一定的理論基礎(chǔ)印證：（1）本過(guò)渡性淺灘河段左岸為凸岸，河段右岸為凹岸，上下游均連接河流彎道，上述分析結(jié)論與河流動(dòng)力學(xué)中的彎曲型河流凸岸淤漲、凹岸坍塌原理[6]相符；（2）本取水河段附近的心灘，灘頭段迎水，流速較大，易受到?jīng)_刷，當(dāng)流速超過(guò)某個(gè)臨界值時(shí)，沖刷的速度大于淤積的速度，心灘灘頭呈沖刷趨勢(shì)。心灘演變中，特大洪水起很大的作用，本區(qū)域1988年、1998年均發(fā)生了歷史排位前4的洪水，在此期間心灘變化相對(duì)較為劇烈；心灘尾部流速相對(duì)較小，因此，沖刷、淤積的趨勢(shì)不明顯，相對(duì)穩(wěn)定。

4 河床縱向演變分析

對(duì)從孟加拉國(guó)水利署收集的1968—2017年間共計(jì)35年（部分年份缺測(cè)）的M18河道斷面原始數(shù)據(jù)進(jìn)行合理性、一致性、代表性審查，對(duì)其中的30年的合理數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、計(jì)算、繪圖，可以得到取水口河段的多年縱向?qū)Ρ热鐖D2所示。

圖2 M18河道斷面歷史演變

圖2 中，起點(diǎn)距編號(hào)0處于河道右岸，根據(jù)對(duì)圖2的分析，可以得到如下結(jié)論：（1）本取水口河段的深槽靠近河道右岸，即河流動(dòng)力學(xué)意義上的凹岸，取水口位置的對(duì)岸；（2）從1968年、1989年、2000年、2005年、2010年、2015年的河道斷面深泓所處位置看，本取水口河段深泓位置較為穩(wěn)定，多年均穩(wěn)定在距右岸0.3L處（L為河寬）；（3）河段左岸（取水口河岸）整體上淤積沖刷程度偏溫和，非劇烈變化；沖刷、淤積幅度約在±3 m；整體趨勢(shì)偏淤積。

1988年、2004年為大洪水年份，根據(jù)1987年與1989年、2002年與2006年的河道斷面對(duì)比可知，大洪水年份后，強(qiáng)大的水流趨向右岸（凹岸），繼續(xù)刷深右岸深槽，并將坍塌下來(lái)的泥沙帶走，深泓向右岸偏移；左岸灘地沖刷淤積的趨勢(shì)不明顯，呈現(xiàn)弱淤積狀態(tài)，圖3和圖4為M18斷面1988、2004年兩次大洪水前后河道斷面演變圖。

圖3 M18斷面1988大洪水前后河道斷面演變圖

圖4 M18斷面2004年兩次大洪水前后河道斷面演變圖

1989—2000年、2010—2015年洪水量級(jí)偏小，未有大級(jí)別洪水出現(xiàn)，主流緊貼右岸（凹岸），深槽右岸（凹岸）偏移的程度不明顯；受流速降低挾沙能力減弱的影響，左岸灘地整體呈淤積狀態(tài)，局部土質(zhì)松軟地帶呈弱沖刷狀態(tài)。

5 結(jié)語(yǔ)

本文以孟加拉國(guó)東北部某電廠為研究對(duì)象，采用歸一化水體指數(shù)法對(duì)不同年代相似水位下的Landsat遙感影像進(jìn)行水邊線解譯，得出了擬建電廠取水口河段左岸、右岸、心灘等河床橫向演變情況，遙感影像資料序列長(zhǎng)，解譯的水邊線清晰，分析結(jié)論與河流動(dòng)力學(xué)相關(guān)理論吻合。本研究為無(wú)實(shí)測(cè)地形資料地區(qū)的河床演變分析提供了科學(xué)定性的方法；同時(shí)利用多年實(shí)測(cè)河道斷面資料，分析得出了河床深泓分布、大洪水前后河道變化、非大洪水期間河道變化、沖刷淤積的量級(jí)情況等河床縱向演變成果。