入海河口閘下河道泥沙淤積危害評估研究

高祥宇，竇希萍，朱明成

(南京水利科學(xué)研究院河流海岸研究所，江蘇南京 210029)

我國1.8萬km大陸岸線和1.4萬 km島嶼岸線上，分布著大小入海河口約1 800多個［1］，僅長度在100 km以上的入海河流就有63條之多。入海河流的流域面積總計達(dá)431.2萬km2，占全國陸地總面積的44.9%，由入海河口注入海洋的年徑流總量達(dá)18 152.4億m3，占全國河川年徑流總量的69.8%。河口大多是繁榮富庶之地，自20世紀(jì)50年代以來，為解決河口地區(qū)農(nóng)業(yè)用水和防止土地鹽堿化，修建了許多擋潮閘擋潮御海、蓄淡灌溉、排洪除澇以及防臺抗暴等。目前我國入海河口300多個已修建擋潮閘。圖1為江蘇沿海和海河流域入海河口建閘分布示意圖。入海河口修建擋潮閘后改變了河口區(qū)的潮波運(yùn)動，徑流與潮流之間的能量平衡都將重新調(diào)整，陸相來沙和海相來沙都受到不同程度的阻擋，閘上閘下都將發(fā)生不同程度的泥沙淤積。河道的嚴(yán)重淤積將使擋潮閘不能正常發(fā)揮其功能并帶來一些危害，如削弱河口的泄洪能力，使防洪排澇的功能逐年降低，影響上游的排灌環(huán)境，惡化下游的通航條件，威脅水閘的正常運(yùn)行等，經(jīng)常投入一些工程措施來減小河道淤積帶來的危害。對于閘下河道的淤積問題研究淤積的原因和清淤減淤的措施較多［2-20］，淤積的主要原因?yàn)榻ㄩl后潮波變形、泥沙主要來源發(fā)生變化、不平衡輸沙增強(qiáng)等，清淤減淤措施主要為機(jī)械清淤、水力沖淤、氣動清淤、爆破清淤和采用一些工程措施防淤減淤。而其危害程度如何用指標(biāo)衡量，目前研究較少。通過閘下河道淤積造成洪澇災(zāi)害風(fēng)險評估，來探討閘下河道淤積危害程度。

圖1 入海河口建閘分布示意Fig.1 Distribution diagram of sluices built in estuaries

1 海河流域和蘇北沿海閘下河道淤積情況及排水能力變化

入海河口的泥沙可分為砂質(zhì)和泥質(zhì)兩大類，砂質(zhì)河口通常閘下河道淤積較輕，淤泥質(zhì)河口閘下河道泥沙淤積嚴(yán)重［21］。海河流域和江蘇蘇北沿海大部分入海河口處于淤泥質(zhì)岸灘，閘下河道淤積十分突出。表1為海河流域處于淤泥質(zhì)海岸的主要入海河口閘下河道淤積情況。永定新河在10年期間閘下河道淤積總量就達(dá)到4 736萬m3。表2為蘇北里下四港年淤積量統(tǒng)計表，可以看出與建閘初相比，四港年淤積總量都在4 000萬m3左右。由于閘下河道發(fā)生不同程度的淤積，有的河口甚至接近淤死。淤積使河口河床抬高，過流斷面減小，過流能力降低，排水能力減小。表3為海河流域主要建閘河流的排水能力變化表，閘下河道的平均過流能力比設(shè)計過流能力下降60%以上(除獨(dú)流減河外)。表4為蘇北里下四港排水能力變化表，閘下河道淤積后，四港排水能力下降約在40%左右。

閘下河道淤積使河床變淺削弱過流能力，并使閘上水位壅高，淤積過厚還會影響到閘門啟閉，嚴(yán)重威脅入海河流流經(jīng)區(qū)域的防洪安全，使抗災(zāi)風(fēng)險增大。

表1 海河流域主要入海河口閘下河道淤積情況Tab.1 Sediment deposition downstream of the sluice in Haihe River estuary

表2 蘇北里下四港年淤積量(每年汛后)統(tǒng)計表Tab.2 Yearly sediment deposition of four river(every year after the flood season)at Lixia Area in Northern Jiangsu

表3 海河流域主要建閘河流的排水能力變化表Tab.3 Drainage capacity changes of sluice built rivers in Haihe River basin

表4 蘇北里下四大港排水能力變化表Tab.4 Drainage capacity changes of four rivers at Lixia Area in Northern Jiangsu

2 風(fēng)險評估指標(biāo)

入海河口擋潮閘的主要功能是防潮和排澇，擋潮閘閘下淤積危害評估主要針對由于閘下河道淤積造成集水區(qū)域的洪澇無法及時排出以及由于風(fēng)暴潮導(dǎo)致閘下淤積加重洪水帶來的災(zāi)害，通過分析自然災(zāi)害特征(致災(zāi)因子的強(qiáng)度與頻率)、承災(zāi)體易損性(人口密度和經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平等)和抗災(zāi)能力，評價擋潮閘閘下淤積危害。

以建閘河口集水區(qū)域?yàn)榛痉治鰡卧?，依?jù)擋潮閘所在海岸類型指數(shù)(C)、設(shè)計泄洪流量指數(shù)(Q)，擋潮閘泄流能力變化指數(shù)(D)、擋潮閘位置指數(shù)(S)、暴雨洪澇發(fā)生強(qiáng)度指數(shù)(F)、暴雨洪澇災(zāi)害頻率指數(shù)(Ff)、風(fēng)暴潮強(qiáng)度指數(shù)(S)、風(fēng)暴潮發(fā)生頻率指數(shù)(Sf)、承災(zāi)體經(jīng)濟(jì)承災(zāi)能力指數(shù)(E)、人口(相對)脆弱性指數(shù)(R)和水災(zāi)(相對)脆弱性指數(shù)(W)等11個指標(biāo)對擋潮閘閘下河道淤積造成危害進(jìn)行分析。

2.1 評估指數(shù)數(shù)值選取

2.1.1 擋潮閘所在海岸類型指數(shù)(C)

根據(jù)擋潮閘所在海岸類型，可分為淤泥質(zhì)海岸、粉砂淤泥質(zhì)海岸和粉砂質(zhì)海岸3種類型，分別賦以C不同的值，淤泥質(zhì)海岸為1.0，粉砂淤泥質(zhì)海岸為0.7，粉砂質(zhì)海岸為0.3。

2.1.2 設(shè)計泄洪流量指數(shù)(Q)

按照各建閘河口設(shè)計泄洪流量，設(shè)計流量 ＜500 m3/s，500～1 000 m3/s，1 000～2 000 m3/s，2 000～3 000 m3/s，＞3 000 m3/s分別賦值0.2，0.4，0.6，0.8，1.0。

2.1.3 擋潮閘泄流能力變化指數(shù)(D)

根據(jù)建閘河口閘下河道淤積程度，按照排水能力減?。?0%，20% ～40%，40% ～60%，60% ～80%和＞80%等幾種情況進(jìn)行分類，分別賦值0.2，0.4，0.6，0.8和1.0代表泄流能力指數(shù)情況。

式中:D該區(qū)域擋潮閘泄流能力指數(shù)，di為區(qū)域內(nèi)某一擋潮閘的排水能力指數(shù)，K為該區(qū)域擁有的擋潮閘個數(shù)。

2.1.4 擋潮閘位置指數(shù)(S)

根據(jù)擋潮閘位置可分支流河閘、短引河閘，(閘下港道長度2～3 km)和長引河閘分別賦值0.1，0.6和1.0。

2.1.5 暴雨洪澇發(fā)生強(qiáng)度指數(shù)(F)

暴雨是指降水強(qiáng)度很大的雨。依照全國統(tǒng)一的劃分標(biāo)準(zhǔn)，日降雨量50.0～99.9 mm稱為暴雨;日降雨量達(dá)到100.0～249.9 mm稱為大暴雨;日降雨量≥250.0 mm稱為特大暴雨。利用全國年最大三天降雨量等值線圖［22］，作為暴雨洪澇災(zāi)害發(fā)生強(qiáng)度的依據(jù)。一般情況下，三天降雨量(p)小于30 mm時不大可能引發(fā)洪水，而大于200 mm時基本上都會引發(fā)洪水［23］。采用階梯狀隸屬函數(shù)，求暴雨洪澇發(fā)生強(qiáng)度指數(shù)(F):

2.1.6 暴雨洪澇災(zāi)害發(fā)生頻率指數(shù)(Ff)

當(dāng)某區(qū)域有1/3的地方出現(xiàn)洪澇災(zāi)害時，記該區(qū)域出現(xiàn)一次小澇，當(dāng)有1/3～2/3的地方出現(xiàn)暴雨洪澇災(zāi)害時，記一次中澇，當(dāng)2/3以上的區(qū)域出現(xiàn)暴雨洪澇災(zāi)害時，記大澇一次。統(tǒng)計近年該區(qū)域的小澇、中澇、大澇災(zāi)害出現(xiàn)的次數(shù)，各種等級的暴雨洪澇災(zāi)害發(fā)生的頻率為各種等級總發(fā)生次數(shù)除以統(tǒng)計年數(shù)，然后再把這3種暴雨洪澇災(zāi)害指標(biāo)統(tǒng)計出的發(fā)生頻率進(jìn)行平均后所得值作為該區(qū)域暴雨洪澇災(zāi)害發(fā)生頻率。

式中:r1i表示第i年某區(qū)域出現(xiàn)小澇的次數(shù)，r2i表示第i年某區(qū)域出現(xiàn)中澇的次數(shù)，r3i表示第i年某區(qū)域出現(xiàn)大澇的次數(shù)，N為統(tǒng)計年數(shù)。

2.1.7 風(fēng)暴潮發(fā)生強(qiáng)度指數(shù)(S)

目前我國還沒有統(tǒng)一的風(fēng)暴潮強(qiáng)度的定量指標(biāo)。熱帶氣旋強(qiáng)度按中心附近地面最大平均風(fēng)速可分為臺風(fēng)、強(qiáng)熱帶風(fēng)暴、熱帶風(fēng)暴和熱帶低壓，按照熱帶氣旋相同劃分則可分為四個等級［24］，分別賦予值1，2，3，4。風(fēng)暴潮強(qiáng)度按下式計算:

式中:S為某區(qū)域的風(fēng)暴潮強(qiáng)度，Si是該區(qū)域某一次風(fēng)暴潮發(fā)生強(qiáng)度，M為統(tǒng)計年份內(nèi)風(fēng)暴潮次數(shù)。2.1.8 風(fēng)暴潮發(fā)生頻率指數(shù)(Rf)

式中:r1i表示第i年出現(xiàn)臺風(fēng)引起風(fēng)暴的次數(shù)，r2i表示第i年出現(xiàn)強(qiáng)熱帶風(fēng)暴潮的次數(shù)，r3i表示第i年出現(xiàn)熱帶風(fēng)暴潮的次數(shù)，r4i表示第i年出現(xiàn)熱帶低壓風(fēng)暴潮的次數(shù)，M為風(fēng)暴潮統(tǒng)計年數(shù)，Rf為該區(qū)域的風(fēng)暴潮發(fā)生頻率。

2.1.9 承災(zāi)體經(jīng)濟(jì)承災(zāi)能力指數(shù)(E)

承災(zāi)體經(jīng)濟(jì)承災(zāi)能力指數(shù)的含義是指發(fā)生暴雨洪澇災(zāi)害時某區(qū)域單位面積上可能遭受損失的經(jīng)濟(jì)總量，即該區(qū)域內(nèi)單位面積上的生產(chǎn)總值。

式中:E表示某區(qū)域的承災(zāi)體經(jīng)濟(jì)承災(zāi)能力指數(shù)(億元/km2)，G表示發(fā)生暴雨洪澇災(zāi)害時該區(qū)域內(nèi)經(jīng)濟(jì)總量(某區(qū)域生產(chǎn)總值(GDP)的平均值)(萬億元);A為該區(qū)域的國土面積(萬km2)。E客觀反映了該區(qū)域暴雨洪澇災(zāi)害可能造成的損失程度和分布情況。

2.1.10 人口(相對)易損性指數(shù)(R)

將成災(zāi)人口與受災(zāi)人口的比值做為衡量人口(相對)易損性的標(biāo)準(zhǔn)。

式中:pi是統(tǒng)計年內(nèi)該區(qū)域成災(zāi)人口。Qi為該區(qū)域的受災(zāi)人口數(shù)。N為統(tǒng)計年份，該指標(biāo)客觀反映了某區(qū)域人口對暴雨洪澇災(zāi)害的敏感性。

2.1.11 水災(zāi)(相對)易損性指數(shù)(W)

用每年洪澇災(zāi)害的成災(zāi)面積與受災(zāi)面積的比值衡量區(qū)域面對自然水災(zāi)的(相對)易損性。

式中:W表示水災(zāi)(相對)易損性指數(shù)，Ai為某區(qū)域第i年由暴雨洪澇災(zāi)害所造成成災(zāi)面積，Bi為某區(qū)域第i年由暴雨洪澇災(zāi)害所造成受災(zāi)面積，N為統(tǒng)計年份，間接反映了該區(qū)域防御暴雨洪澇災(zāi)害的能力。

2.2 典型區(qū)域擋潮閘閘下淤積易損性分析

依據(jù)上述各項(xiàng)擋潮閘閘下淤積易損性指標(biāo)的計算方法和公式，計算得到海河流域和江蘇里下四河擋潮閘下淤積易損性分析指標(biāo)的值(見表5)。

表5 閘下淤積易損性分析指標(biāo)Tab.5 Vulnerability analysis indicators of deposition downstream of the sluices

3 閘下淤積綜合風(fēng)險指標(biāo)的計算及分級

在對各項(xiàng)風(fēng)險指標(biāo)進(jìn)行數(shù)值處理的基礎(chǔ)上，對不同的指標(biāo)給出相應(yīng)的權(quán)重，構(gòu)成綜合體現(xiàn)閘下淤積造成洪澇災(zāi)害危害程度的風(fēng)險指數(shù):

式中:i為評價閘下河道淤積造成危害風(fēng)險的指標(biāo)標(biāo)號，X'ij為第i個指標(biāo)第j個建閘河道閘下淤積和河流影響區(qū)域的數(shù)值，ai為某項(xiàng)指標(biāo)的權(quán)重，p為影響閘下淤積危害程度的指標(biāo)個數(shù)，p=11，ai=(0.03，0.01，0.35，0.01，0.1，0.05，0.1，0.05，0.1，0.1，0.1)，將已求出的各區(qū)域 X'1j、X'2j、X'3j、X'4j、X'5j、X'6j、X'7j、X'8j、X'9j、X'10j、X'11j代入綜合風(fēng)險指數(shù)計算公式(9)中，即可得到各閘下淤積綜合風(fēng)險指標(biāo)值，見表6。

表6 閘下淤積綜合風(fēng)險指標(biāo)值Tab.6 Integrated risk indicator values of deposition downstream of the sluices

通過計算海河流域和江蘇里下四河閘下河道淤積綜合風(fēng)險指標(biāo)，按閘下淤積危害可能造成洪災(zāi)程度可分為五級，分別為極輕危害、輕危害、中危害、較重危害和重危害，危害程度對應(yīng)綜合風(fēng)險指標(biāo)(見表7)。

表7 閘下港道淤積危害級別對應(yīng)綜合風(fēng)險指標(biāo)Tab.7 Corresponding integrated risk indicators of deposition hazard level downstream of the sluice

采用5級分區(qū)法將閘下河道淤積綜合風(fēng)險指數(shù)劃分為極輕危害、輕危害、中危害、較重危害和重危害，對應(yīng)閘下河道淤積程度可分為輕度淤積、一般淤積、相對嚴(yán)重淤積、嚴(yán)重淤積和淤廢，等級劃分標(biāo)準(zhǔn)見表8。

按照閘下河道淤積綜合風(fēng)險指標(biāo)區(qū)劃危害級別與淤積程度可以看出，海河流域的海河閘和永定河閘閘下港道淤積危害程度較重，泥沙淤積為嚴(yán)重淤積;獨(dú)流減河閘下淤積危害程度為中，泥沙淤積為相對嚴(yán)重淤積。江蘇里下四河的射陽河閘和黃沙港閘閘下淤積危害程度為較重，泥沙淤積為嚴(yán)重淤積;新洋港閘和斗龍港閘閘下淤積危害程度為中，泥沙淤積為相對嚴(yán)重淤積。

表8 閘下淤積程度區(qū)劃及對應(yīng)綜合風(fēng)險指標(biāo)Tab.8 Division and corresponding integrated risk indicators of deposition downstream of the sluice

4 結(jié)語

采用擋潮閘入海河口所處海岸類型、設(shè)計泄洪流量、泄流能力變化、擋潮閘位置、所處區(qū)域暴雨洪澇發(fā)生強(qiáng)度、暴雨洪澇災(zāi)害頻率、風(fēng)暴潮強(qiáng)度、風(fēng)暴潮發(fā)生頻率、承災(zāi)體經(jīng)濟(jì)承災(zāi)能力、人口(相對)脆弱性指數(shù)(R)和水災(zāi)(相對)脆弱性指數(shù)(W)等11個指標(biāo)進(jìn)行綜合分析，將入海河口閘下河道淤積危害劃分為極輕危害、輕危害、中危害、較重危害和重危害，對應(yīng)閘下河道淤積程度可分為輕度淤積、一般淤積、相對嚴(yán)重淤積、嚴(yán)重淤積和淤廢5種程度。

選取的入海河口閘下河道泥沙淤積危害評估指標(biāo)僅僅是針對洪澇災(zāi)害來考慮的，而且基本都是選取的歷史資料和定性估量的數(shù)據(jù)，使得評估結(jié)果還不能全面、準(zhǔn)確地反映危害程度，要使其具有更高使用性和可操作性還需要做進(jìn)一步的研究和探討。

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