拖淤工程在渤海灣泥質(zhì)河口的應(yīng)用分析

楊艷霞,柴樹松

(1.河北省南運(yùn)河河務(wù)管理處,河北 滄州 061001;2.滄州水利工程處,河北 滄州 061001)

1 渤海灣泥質(zhì)河口概況[1]

渤海灣海岸線冀津段自河北省南堡以西直至山東省黃河河口的長(zhǎng)度約385 km,均為泥質(zhì)海岸。沿岸分布著多條入海河道,均為海河流域的行洪骨干河道,承擔(dān)著重要的防洪減災(zāi)任務(wù),是北京、天津及周圍交通、能源基礎(chǔ)設(shè)施、華北油田的重要防洪保障。入海河道在渤海灣形成約20個(gè)入海河口,由于這些河口是海陸雙相河口,口外淺海灘涂廣闊,有的寬達(dá) 10余 km。由于渤海灣口外海水較淺,海底坡度平緩,平均小于2.5/10000,形成大量的泥沙補(bǔ)給源。補(bǔ)給泥沙的顆粒較細(xì),屬典型的淤泥質(zhì)類型。這種細(xì)顆粒泥沙進(jìn)入水體后,不易落淤,而以浮泥形式運(yùn)動(dòng),隨潮流的漲落而往復(fù)挾帶。隨著近年來(lái)枯水年份的增多和上游水利工程的不斷興建,各河道入海徑流日益減少,有的甚至于長(zhǎng)時(shí)間斷流。這對(duì)河口的漲潮消能和落潮加能作用已經(jīng)非常微弱,在潮汐作用下,大量泥沙的不斷落淤使入海河口均發(fā)生了嚴(yán)重的淤積,造成河道行洪能力嚴(yán)重衰減,河口淤積成為影響防洪安全的重大隱患。

2 泥質(zhì)河口的治理措施分析[2]

對(duì)泥質(zhì)河口淤積的治理,國(guó)內(nèi)外一些科研和河口管理單位進(jìn)行了不同清淤措施的實(shí)踐研究和對(duì)比分析,推廣的措施主要包括挖泥船(鏈斗式挖泥船、耙吸式挖泥船、絞吸式挖泥船)清淤、在河口修建導(dǎo)流阻沙堤、納潮沖淤及機(jī)船拖淤等幾種清淤方式。在渤海灣泥質(zhì)河口大多采用絞吸式挖泥船清淤和機(jī)船拖淤清淤措施,對(duì)防治河道擋潮閘下的淤積均取得明顯效果。

絞吸式挖泥船清淤是采用絞吸船將淤泥吸起后通過(guò)排泥管道將清除的淤泥排放至排泥場(chǎng)沉淀,這種清淤方式雖然成本較高,但是由于排泥場(chǎng)淤泥沉淀后可為城鎮(zhèn)建設(shè)和開(kāi)發(fā)提供土地,具有較大的經(jīng)濟(jì)效益。不過(guò),隨著灘涂開(kāi)發(fā)面積逐年增加,可供排泥的空閑地越來(lái)越少,使絞吸式挖泥船清淤受到很大的限制。機(jī)船拖淤的機(jī)理是當(dāng)退潮動(dòng)力較弱不能將漲潮落淤的泥沙揚(yáng)起時(shí),利用機(jī)船或機(jī)船帶耙具的動(dòng)力設(shè)施將落淤的泥沙攪動(dòng)揚(yáng)起,使落潮流由次飽和輸沙變?yōu)槌柡洼斏?從而達(dá)到清除淤泥的目的。機(jī)船拖淤無(wú)需排泥場(chǎng),不受場(chǎng)地限制,操作簡(jiǎn)單易行,成本僅為絞吸式挖泥船清淤成本的三分之一左右,尤其是結(jié)合汛期泄流,拖淤效果更好。多年的實(shí)踐表明,拖淤是一種成本低、見(jiàn)效快、簡(jiǎn)單可行的清淤措施。

3 拖淤工程方案選擇分析

機(jī)船拖淤包括利用自然落潮時(shí)的純拖淤、利用上游有徑流下泄時(shí)的沖淤加拖淤方式(稱之為拖加沖)。通過(guò)近30年在各河口的實(shí)驗(yàn)及實(shí)踐,在上游有棄水下泄情況下的拖加沖效果最好;在上游徑流很小或無(wú)徑流下泄的情況下,純拖淤對(duì)短引河清淤效果也十分明顯。

3.1 純拖淤

純拖淤是近 20年在北方河口應(yīng)用最多的方法,是在閘門關(guān)閉的情況下拖淤工程船利用其高速旋轉(zhuǎn)的螺旋漿使河床淤泥破碎、懸浮,由落潮水流把其中一部分懸沙帶出河口擴(kuò)散出去的方法。表 1、表 2是子牙新河、青靜黃在閉閘條件下觀測(cè)到的自然漲落潮過(guò)程中斷面平均輸沙率(即斷面平均含沙量乘斷面平均流量)[3]。

表1 無(wú)拖淤措施狀態(tài)下的平均輸沙率(子牙新河主槽閘下 1+300)

表2 純拖淤狀態(tài)下漲落潮平均輸沙量對(duì)比

表1觀測(cè)數(shù)據(jù)表明,在無(wú)任何拖淤措施的情況下一次漲落潮中,漲落潮斷面平均輸沙率比值分別為 3.4和3.2。這表明每次漲潮進(jìn)入河道的泥沙有約三分之二以上的懸浮泥沙要落淤下來(lái)不能被挾帶回海中。表2、表 3觀測(cè)數(shù)據(jù)表明在有機(jī)船拖淤時(shí),斷面平均輸沙率有了很大的提高,落潮挾沙能力也成倍增長(zhǎng),可見(jiàn)在自然潮汐條件下的純拖淤效果還是很明顯的。

表3 純拖淤措施狀態(tài)下的平均輸沙率(子牙新河主槽閘下 1+300)

3.2 拖加沖

利用上游棄水結(jié)合拖淤(稱之為拖加沖)的方法解決閘下引河淤積,其效果較無(wú)棄水下泄時(shí)更為明顯。但隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展,入海徑流量日趨減少,而機(jī)船拖淤在有水流下泄時(shí)效果顯著,為解決上游無(wú)徑流下泄的矛盾,可選擇適當(dāng)河口建設(shè)蓄泄水建筑物以攔蓄地表徑流和上游棄水集中下泄。這樣一來(lái)需要資金較多,拖淤成本增加,推廣有一定的困難。目前多是僅在汛期利用汛期棄水進(jìn)行拖淤施工。表 4為子牙新河利用棄水拖加沖拖淤方式 1+300斷面處平均輸沙率的觀測(cè)數(shù)據(jù)[3]。根據(jù)表 4與表 1、表 3的觀測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比可知,在利用上游徑流條件下的拖加沖方式拖淤時(shí),斷面平均含沙量和斷面平均輸沙率較上游無(wú)水情況下的純拖淤方式有相當(dāng)大的提高,清淤效果非常明顯。

表4 拖加沖拖淤方式下斷面平均輸沙率(子牙新河主槽閘下 1+300)

3.3 拖淤工具的選擇

拖淤工具的作用是直接松動(dòng)、攪起床面泥沙使其離開(kāi)河床底部,并希望將淤泥能擴(kuò)散到上層水體。經(jīng)過(guò)多年的實(shí)踐運(yùn)用,在渤海灣泥質(zhì)河口一直使用的有以下4種拖淤工具。

1)平動(dòng)式耙具。這種耙具是最早在泥質(zhì)河口使用的拖淤耙具,耙齒制作為三角形。其牽引長(zhǎng)度長(zhǎng)短對(duì)拖淤效果影響不大,制作簡(jiǎn)單,方便實(shí)用,適宜在泥質(zhì)較軟的河床,拖淤效果較好。

2)開(kāi)邊耙。開(kāi)邊耙包括三角形開(kāi)邊耙和犁式開(kāi)邊耙2種形式。三角形開(kāi)邊耙在底邊一端安設(shè)犁頭,另一端安設(shè)與水流成45°角的固定舵板(劈水板),船體行進(jìn)時(shí)的水流作用于舵板,產(chǎn)生橫向分力推動(dòng)耙具靠近河岸,犁頭切削河床逐漸開(kāi)寬。該耙具效果較好,適用于泥質(zhì)較軟的河床。犁式耙具是在長(zhǎng)1.5 m、寬0.8 m用三角鐵焊接的長(zhǎng)方形框架中,安設(shè)4個(gè)犁頭,其中一個(gè)犁按相反方向安設(shè),耙具前進(jìn)中產(chǎn)生不平衡作用,將耙具推向岸邊起到開(kāi)邊作用。但該耙具的揚(yáng)動(dòng)作用較小,適用于硬泥質(zhì)河床,與其它耙具配合使用效果較好。

3)滾動(dòng)式耙具。由船體牽引時(shí)耙具滾動(dòng),由本身自重(自重250 kg)將鐵鏟插入土中,帶出泥沙,借滾動(dòng)產(chǎn)生的離心力使泥沙懸揚(yáng)擴(kuò)散到河槽中。此種耙具制作復(fù)雜,效果較好,適于河床質(zhì)地較硬的情況。

4)船體本身。船體快速前進(jìn)時(shí),推進(jìn)器的輪葉旋轉(zhuǎn)作用于水流產(chǎn)生急劇擾動(dòng),將床底泥沙翻起。另外,船體的行進(jìn)使船前水面雍高,推進(jìn)器又將附近水量向后排出,形成船前船后均比船尾附近水面高出約 1 m,水頭兩次沖擊河岸,在岸坡上造成順?biāo)鞣较虻臏u流,急劇淘刷河岸。當(dāng)水深不大時(shí),機(jī)船本身就能拖深和擴(kuò)寬河床,效果較好。

4 結(jié)語(yǔ)

綜上所述,在入海河口防洪工程投資匱乏,拖淤經(jīng)費(fèi)緊張的情況下,利用純拖淤或拖加沖方式的機(jī)船拖淤清淤是解決河口淤積投資少、見(jiàn)效快的有效辦法,清淤效果還是十分明顯的,能在一定程度上緩解入海河口淤積的問(wèn)題,為京津冀地區(qū)的防洪減災(zāi)提供保障。但由于拖淤工程比較適用于淤泥質(zhì)河口清淤,對(duì)于河口內(nèi)的陳年固結(jié)性泥沙還必須投入足量資金使用機(jī)械方法疏浚(挖泥船、高壓射流泵等),確保河道行洪安全。

[1]王志民.海河流域水資源管理研究 [M].天津：天津科學(xué)技術(shù)出版社,2001,35-122.

[2]董振山,韓清波.海河河口清淤整治工程應(yīng)用研究 [J].海河水利,1996,5-17.

[3]朱保良.海河流域入海河口擋潮閘納潮沖淤中間試驗(yàn)子牙新河河口納潮沖淤加拖淤實(shí)驗(yàn)研究報(bào) [M].北京：中國(guó)水利水電出版社,1996：22-37.