子牙新河海口枢纽机船拖淤实验成功

为了探求北方缺水地区河口防淤减淤的措施，水利水电科学研究院和河北省水利局于1974～1975年在子牙新河海口枢纽开展了现场科学试验工作。^[4]

子牙新河海口枢纽于1967年修建，工程布置见图1，由四部分组成，即子牙新河主槽挡潮闸，设计流量300m3/s不出深槽，校核流量996m3/s；滩地挡潮泄洪堰，全长2100m，堰顶高程为3.0m，为混凝土块砌成的过水路面结构，在不同情况下分泄5850～8700m3/s，占子牙新河来水6700～9700m3/s的87%～89%；青静黄排水渠挡潮闸，设计流量215m3/s；北排水河挡潮闸，设计流量116m3/s。试验工作在泥沙淤积严重的子牙新河主槽挡潮闸和青静黄挡潮闸下游的引河中进行。

图1　子牙新河海口枢纽平面布置示意图

（一）试验目的及主要内容

子牙新河海口枢纽现场试验主要针对北方海河流域等地区缺水的特点，研究在挡潮闸长期关闭的情况下，也就是在挡潮闸下游引河严重回淤期内，利用落潮水流动力辅以机船带耙拖淤的措施对于挡潮闸引河减淤的作用。

现场试验主要内容分为三组：

（1）闸下引河自然潮汐水流及挟沙特性测验。

（2）闭闸期机船拖淤效果测验。

（3）引河全断面潮汐测验与主流一线测流测沙的对比试验。

各组试验条件及内容见表1。

表1　1975年子牙新河海口机船拖淤现场试验情况一览表

注　1.1+600，1+800，2+400，3+200为距青静黄闸下1600m、1800m、2400m、3200m的测验断面。
2.1+200为距子牙新河主槽闸下1200m断面。
3.各次试验测验内容包括潮流、潮位、含沙量、风速、风向。

测验断面布置情况，见图1。其中：

（1）自子牙新河主槽闸及青静黄闸至引河交汇口附近，每隔200m设固定的河床地形测量断面一处。交汇口以下至距青静黄闸3600m处，每隔500m设断面一处。在闭闸拖淤及开闸泄水前后进行河道断面测量，以掌握河段冲淤量的变化。

（2）青静黄闸下1+600、3+200及主槽闸下1+200为潮流输沙特性主要测验断面。两引河交汇口下青静黄2+400处为辅助测验断面。在测验断面靠近主流一条垂线上测量水流及含沙量变化过程，以掌握不同情况下潮流挟沙变化。

（3）引河全断面潮汐测验与主流一线测流测沙的对比试验，分别在青静黄1+800及子牙新河主槽1+200断面进行，以检验主流一线测验成果的代表性。

在潮汐测验中，主要试验测次，进行每日两潮全潮连续观测，补充测次测取一个涨落潮过程。

为记载闸下潮位变化情况，在子牙新河主槽闸下和青静黄闸下，各设自记水位计一处。

在潮流测验中：

（1）流速用LS68型旋杯式流速仪与LS68—2型旋杯式低流速仪进行测量。在水深小时用小浮标测取表面流速。

（2）含沙量用塑料取样筒取样，用光电测沙仪测定含沙量。光电测沙仪系水利水电科学研究院自制，其特点有二，一是在一定含沙量范围内，仪器既可以将测量探头放入潮流中直接读出含沙量又可取样测定含沙量；二是测沙仪沙样测定盒由底部向上通入流动的沙样，借此消除气泡和泥沙颗粒沉降的影响。当含沙量大于10kg/m3时，所取沙样宜先用清海水稀释后，再经光电测沙仪测定以提高精度。光电测沙仪在现场取沙样率定，在试验中间又取样复核，证明仪器性能稳定。

（3）水深用底部具有木制托板的测深杆测定。

（4）含盐量用硝酸银溶液滴定法测定。

（5）淤泥颗粒级配用消光颗粒分析仪测定。

（6）淤泥沉降速度用沉降天平测定。

此外，还进行了淤泥湿容重和风速风向的测量。

拖淤试验共用拖淤机船三只，额定功率分别为98马力、122马力和160马力。拖耙为方形齿耙，重量分别为80kg和150kg。

（二）现场试验的初步成果

1.了解闸下引河回淤情况及其特点

子牙新河主槽闸和青静黄闸下引河于1967年通水，在距青静黄闸1810m处两引河交汇。按引河设计线，开挖段长3610m。

从1970年和1975年7月沿河断面测量资料可以看出，两引河汇口以上至挡潮闸的引河接近淤平，在青静黄闸前淤积厚度最大，达4.6m以上。而在两引河交汇口以下，虽经长期运用和1974年汛后至1975年汛前长期关闸，自距青静黄闸2200m以下至引河末段，引河仍呈现明显的深槽，深槽上口宽60～90m，最大深度约在1.1～1.4m左右。说明引河回淤主要集中在挡潮闸至两引河交汇口之间，引河汇口以下至开挖引河末段淤积较少。

挡潮闸下的淤积变化，明显反映在低潮位的变化上。随着淤积的发展引河河床升高，子牙新河主槽闸和青静黄闸下，在低潮位期间经常有数小时处于干河状态，所以闸下的最低潮位也就代表了闸下淤泥面的高程。图2所示为1974年汛后至1975年汛前子牙新河主槽闸下最低潮位的变化过程，实际上代表了挡潮闸闭闸期间引河持续淤积、河床不断升高的过程。

2.认识海口枢纽闸下引河潮汐特征和输沙特性

子牙新河海口枢纽无完整的潮汐观测资料，只在子牙新河主槽闸下设有自计水位计一处，观测潮位变化，每年汛后闸下严重淤积时即告停测。根据闸下自记水位计不完整的资料统计分析，闸下引河潮汐具有日潮不等的现象。

图2　子牙新河主槽闸下最低潮位（淤积面）变化过程(www.xing528.com)

国家海洋局根据1967年前原岐口站（位于子牙新河海口附近）的潮汐观测资料，经过调和分析，每年对岐口做出潮汐预报。在1975年现场试验期间，经与子牙新河主槽闸下自记潮位计实际测验资料对照，在一般气象条件下，高潮位发生的时间和日潮不等现象基本是一致的。预报推算岐口大潮潮差在2.2m左右，小潮潮差仅有0.7m，大潮涨潮历时约5h多，落潮历时7h多。这同长期在浅海区作业的当地渔民的认识，即潮汐为“涨五落七”的经验十分接近。

潮汐水流进入闸下引河后，潮波进一步发生变形，涨潮历时缩短，落潮历时延长。在淤积相对较少的1974年9月15日观测，子牙新河主槽闸下高潮位1.68m，低潮位-0.29m，其涨潮历时3.22h，落潮历时8.45h。由于闸下引河淤积，河底高程经常在平均海平面以上，因河床淤积升高，涨潮历时可缩短到3h以下，落潮历时却可延续到10h左右。连续观测时间较长的子牙新河主槽闸下，1972年汛期各月平均潮汐特征值，见表2。

表2　子牙新河主槽闸下1972年各月平均潮汐特征值

需要指出：由于淤积的影响，在闸下及引河的落潮历时中，落潮流实际退水时间约为4～6h不等，一般常有5～7h处于河干状态。

在图3中，绘有引河代表断面天然潮汐的水深、含沙量、流速和累计单宽输沙量过程线。各次测验中，在涨潮起始水深较小时，含沙量较大，随着潮位增高，水深加大，含沙量逐渐减小。从平潮憩流期转入落潮后，泥沙沉淀的现象十分明显，落潮初期水流的含沙量常常呈现继续减小，俟落潮水位降低到一定程度后，含沙量才逐渐增大。这就是一般在挡潮闸下引河中观察到的“浑水进，清水出”的现象。

图3　1975年7月青静黄闸下1+600断面实测水力泥沙因素过程线

整理现场试验中观测的各次天然潮汐资料，计算涨落潮过程中的进出水沙量，比较涨落潮单位水体中的含沙量变化，成果汇总于表3。从青静黄1+600及子牙新河主槽1+200天然潮汐测验资料，可以看出挡潮闸下河段的涨落潮流输沙具有以下特点：

（1）在涨落潮来去水量相近的情况下，涨潮的来沙量普遍大于落潮的去沙量。包括不同潮型和气象条件下，在两引河量测的12个涨落潮中，落潮带去的沙量相当涨潮来沙量的11%～57%。这就意味着涨潮来沙量的43%～89%要淤在汇口以上的引河中。综合统计12个潮的涨落输沙量，平均一次涨潮来沙8.09t/m，一次落潮去沙2.28t/m，平均每次涨潮要有72%的沙量淤积下来。

表3　子牙新河海口枢纽1975年潮汐测验计算成果表

（2）统计所测12个涨落潮每立方米水体的含沙量，平均涨潮含沙量为3.46kg/m3，平均落潮含沙量为0.90kg/m3，即每立方米潮量中平均要有74%的泥沙淤积在挡潮闸下的引河中。

（3）现场试验都是选在大潮期间进行的，由于日潮不等现象，高高潮对应于高低潮，低高潮对应于低低潮而出现，即高高潮之后出现高低潮，低高潮之后出现低低潮。在一个涨落潮周期内，低高潮由于涨潮潮差小，落潮潮差大，有利于泥沙的带出；而高高潮反而是泥沙落淤较多。分析测验资料，6次高高潮平均高潮位为1.83m，涨潮沙量平均约有80%要落淤，而6次低高潮的平均高潮位为1.44m，落潮的淤积较少，即涨潮沙量平均约有55%留淤。

3.判明机船拖淤对潮流输沙的影响

子牙新河海口枢纽各挡潮闸每年汛后至第二年汛前，为闭闸蓄水期，在实际运用中汛期开闸泄水的天数也不多。闭闸期间下游引河淤积严重。考虑到海河流域水源不足，今后一般年份也不可能从泄水冲淤的途径来解决闸下淤积问题，所以判明闭闸期间利用机船拖淤减少闸下引河淤积的效果，是这次现场试验的主要内容。

闭闸拖淤试验选择大潮前后的时机，于1975年7月8～13日及7月24～27日进行。首先观测天然潮汐涨落过程中的水力、泥沙因素的变化情况。接着在相似的潮汐涨落条件下，于落潮期进行机船拖淤，观测其对潮流输沙的影响。由于拖淤机船不具备夜航条件，只在每天的一个落潮期拖淤。而潮汐测验每日两潮都进行连续观测，以掌握复杂的潮流输沙特性，和判断拖淤后的回潮情况。拖淤试验用机船共三只，拖淤河段为由挡潮闸下至便于回船的两引河汇口（青静黄2+000）。潮流测验的上断面布置在闸下引河严重淤积段的末端，即青静黄1+600和子牙主槽1+200两个断面，以掌握通过测验断面至挡潮闸下的涨潮和落潮的水流、泥沙的输移过程。潮流测验的下断面布置在靠近原开挖引河的末段，选在青静黄3+200。测验资料一方面用于了解淤积较少的引河下段涨落潮流的水流泥沙特性，一方面观察在引河上段拖淤时，拖出的泥沙能否通过下段引河输送下去。

在测验断面上于主流区的一条垂线上，一般每隔半小时观测一次水位、流速、含沙量。潮位涨落变化剧烈时，测次间隔缩短到15min。为掌握气象条件，测记风力，风向及降雨量。此外，还在现场取样测定潮水含盐量和引河淤泥容重资料。

为消除不同气象条件的影响，在试验中注意到，除了在机船拖淤的引河上布置断面观测潮流涨落外，还在另一条不拖淤的引河上同时进行观测，以便在当次相同的气象和潮汐条件下，比较拖淤与不拖淤之间潮流输沙的差别。

青静黄1+600和子牙新河主槽1+200断面闭闸拖淤潮汐测验资料，经过计算分析，成果汇总在表3。典型测次的闭闸拖淤与不拖淤的水力、泥沙因素对比见图3。分析测验成果，可以说明以下几点：

（1）在相同的潮汐及气象条件下，以7月24日、25日为例如表4。无机船拖淤的一潮涨落中，涨潮沙量的80%～85%淤积在闸下引河；而有机船拖淤时不仅落潮不淤，落潮去沙量反而较涨潮来沙量成倍增长。在同一条引河中，上述两个近似潮型，如有机船拖淤则每立方米落潮水体含沙量同不拖淤相比较，要增大10倍以上。

表4　机船拖淤对潮流输沙的影响

（2）综合两引河5次机船拖淤测验资料，平均每次落潮去沙量相当于涨潮来沙量的3.19倍；落潮单位水体的平均含沙量为涨潮含沙量的3.22倍。

（3）7月10日在子牙新河主槽拖淤，拖船收船回港驶向青静黄闸时，顺便在青静黄引河逆水拖淤3船次，即影响青静黄引河当次落潮去沙量和涨潮进沙量相近，由此也可以看出机船拖淤的明显效果。

综上所述，可以判明在闭闸期间，由于机船拖淤改变了天然潮汐在闸下引河“浑水进、清水出”的输沙特性，使落潮水流单位水体的含沙量比涨潮平均含沙量平均增大3倍以上。

为进一步检验机船拖淤的效果，在青静黄闸下引河用三条机船（共380马力），在闭闸回淤期每天在一个落潮拖淤，连续作业10d后，拖出一个20～60m宽的河槽，河底加深0.7m，除了把此期间各次涨潮带来的泥沙全部由落潮水流带走以外，还拖走了前期已部分固结（湿容重约1.2～1.3t/m3）的淤泥2万m3多。在相同时间内（7月9～19日）子牙新河主槽闸下最低潮位升高0.25m，反映子牙新河主槽闸下引河继续淤积。图4为1975年拖淤试验前后的子牙新河海口枢纽低潮位（即河床淤积面）逐日变化过程。在7月9日以前，青静黄闸下淤积面高出子牙新河主槽闸下淤积面约0.2m。7月10日以后，虽然都在闭闸淤积期，而青静黄闸下淤积面持续明显下降，这是由于在引河中进行拖淤的影响所致。

图4　拖淤试验期间低潮位（淤积面）变化过程

分析青静黄2+400及3+200断面的测验成果，在引河汇口以上进行机船拖淤时，引河下段的落潮平均含沙量为涨潮平均含沙量的1.7倍，单宽落潮输沙量相当于涨潮输沙量的2倍以上。比较闭闸拖淤前后3+200河床断面，二者十分接近；在集中拖淤十多天以后的7月21日，在3+200河心测的河底淤泥容重都在1.3 t/m3以上，这都说明为机船拖起的淤泥已随落潮水流挟带通过引河末段，没有淤积下来。

4.主流一线测验成果在断面上的代表性

根据现场试验可能组织的人力及仪器设备条件，并考虑到引河宽度不大，加之测验期间除拖淤机船行驶外，每潮还有渔船乘潮进出，故仅在控制断面的主流附近一条垂线上进行测验。为检验测验垂线对断面潮流输沙的代表性，在青静黄引河选择1+800进行全断面的潮汐控制测验。断面由三条垂线控制，中线靠近主流距河床最深点2m，右测线距中线16m，左线距中线12m。分析比较主流一线和全断面的测验资料可以说明：

（1）由三条测线控制的断面涨落潮水量的比值为1.07～1.10，落潮和涨潮的水量平衡误差±6%～10%；主流一线单宽涨落潮水量平衡相差±14%～17%。对于水深、流速都在不断变化的潮汐水流，可以认为主流一线近似地反映了断面涨落潮量的变化情况。

（2）拖淤与不拖淤时主流一线和全断面的累计输沙量的变化过程比较对照见图5，从中明显地看到二者的冲淤变化趋势十分相似。

（3）通过主流一线和全断面潮流测验的对比试验，考虑到潮汐水流变化的复杂情况，可以认为在定性研究挡潮闸下引河淤积问题中，在人力及设备有限时，在主流一线进行潮汐测验是可行的。

5.关于挡潮闸下游引河淤积原因

在整理分析子牙新河海口现场实测资料时，认识到潮流进入挡潮闸下游引河后，发生潮波变形，使涨潮平均流速大于落潮平均流速，因此会影响落潮挟沙能力小于涨潮的挟沙能力，从而招致引河淤积。此外，我们还注意到，即使在相同的水流条件（流速、水深）下，涨潮含沙量普遍大于落潮含沙量。这是由于涨潮流自海滩挟沙进入引河后，引河流速一方面随涨潮过程逐渐降低，另一方面沿流程向闸下逐渐减小，因此涨潮流所挟带的悬沙是处于落淤过程；而落潮流的流速是随时间和沿流程而增加，水流处于冲刷泥沙的过程。在落淤过程中水流含沙量大于水流的饱和挟沙力，而冲刷过程中水流的含沙量小于水流的饱和挟沙力。说明涨落潮具有不平衡输沙的基本特性。涨潮大部分时段为超饱和淤积，落潮大部分时段为次饱和冲刷，这种不平衡输沙的影响有时会是造成挡潮闸下游引河淤积的更为重要的因素，在参考文献［2］、参考文献［3］中对此有较详细的论述。