無序挖沙對河流及設(shè)計最低通航水位的影響

丁堅 李安中

摘 要：根據(jù)在沖積性河流中大量無序挖沙，對河床、排水、排沙的變化分析，揭示了其對航道防洪等所產(chǎn)生的問題，著重闡明了長年挖沙使枯水期水面逐年下降，嚴重影響到航道的建設(shè)和維護標(biāo)準(zhǔn)的控制；研究表明，由于來水流量不受挖沙影響，多年保持穩(wěn)定的特點，確定以流量為樣本進行保證率統(tǒng)計，再結(jié)合相關(guān)成水位，確定設(shè)計最低通航水位是合理可行的，符合規(guī)范保證率指標(biāo)的要求。

關(guān)鍵詞：河流；挖沙；保證率；流量；水位

1 問題的提出

1.1 河道挖沙現(xiàn)狀

隨著我國城鎮(zhèn)發(fā)展基本建設(shè)的需要，河道挖沙已成為沖積河流中的一種普遍現(xiàn)象。目前我國許多地區(qū)的河流，如長江、漢江、湘江、閩江、東江、西江、瀾淪江、珠江三角洲河網(wǎng)，均發(fā)生大量人工挖沙現(xiàn)象，沿河邊灘及主航槽中均見有挖沙船在作業(yè)。如閩江高準(zhǔn)瀨河段2～3Km的范圍內(nèi)，就停泊多艘鏈斗式挖泥船在作業(yè)，邊挖邊棄，篩選后的棄料形成星羅棋布的石堆，阻礙航道；南昌下游西河吳城鎮(zhèn)水域就停泊了200多艘挖沙船，一晝夜就裝運了300多船沙石，約計15萬噸。改變了航道枯水位基本穩(wěn)定的特性。根據(jù)分析，珠江三角洲河網(wǎng)原以緩慢淤積為主，年淤積約為800～1000萬m3。由于八十年代以來大規(guī)模人工挖沙，至1999年共取走10.44億m3泥沙，相當(dāng)于珠江三角洲河網(wǎng)100多年的淤積量，從本質(zhì)上改變了河網(wǎng)平衡的特性。

1.2 無序挖沙引起的連鎖反應(yīng)

無序挖沙，直接破壞著河床平衡，改變河勢，使主流變遷，威脅護岸防洪等，對航運的危害也極明顯的，設(shè)計最低通航水位年年變，航道水流條件惡化現(xiàn)象，屢見不鮮。

2 無序挖沙對河道的影響

2.1 對河勢的影響

持續(xù)不斷的挖沙，破壞了經(jīng)過多年自然調(diào)整取得的排水、排沙與河床平衡的狀態(tài)：沖積河流的河床形態(tài)、尺度是河流來水來沙與河床相互調(diào)整的結(jié)果。在天然情況下，通常是相對穩(wěn)定的，當(dāng)水、沙、河床三者有一方變化必然會引起三者之間的相應(yīng)調(diào)整，以達到新的平衡。如閩江福州北港河段在90年代中期因城市建設(shè)，開始大量從河中取沙，河床斷面擴大，阻力減少，大大增加了北港落潮流量，使河道出現(xiàn)嚴重的沖刷狀態(tài)，加劇北港河床不斷下降，造成惡性循環(huán)，到98年6月23日大洪水時實測北港分流量已由原來的25.20%增大到29.88%，嚴重威脅到福州市主城區(qū)的安全。

改變了水網(wǎng)中河床的沖淤特性：從河網(wǎng)地區(qū)來看，大規(guī)模挖掘河沙，可以改變整個河網(wǎng)的演變特性。長期以來，珠江三角洲河道原以緩慢淤積為主，年淤積量約為800～1000萬m3。由于大規(guī)模人工采沙，至1999年已在三角洲河道取走了約10.44億m3的泥沙，這相當(dāng)于珠江三角洲河道100多年來的自然來沙淤積量，使得珠江三角洲河床從淤積為主的性質(zhì)轉(zhuǎn)變?yōu)橐詻_刷為主的性質(zhì)。

改變了河型：將單一河道挖成分汊河段，如贛江南昌大橋河段，左岸紅角洲大邊灘，左岸紅角洲基本上不過水，主航道走右側(cè)靠南昌市主城區(qū)，航道平順。自2000年以來在邊灘上大量挖沙，南昌大橋下游，將洲體左側(cè)挖開，使2條丁壩成為江心洲，水原右側(cè)主航道下口淤淺礙航，使船只下行過南昌大橋需左轉(zhuǎn)90°，跨河后又右轉(zhuǎn)90°，靠左岸下行，完全破壞了原順直下行再逐步過渡到左側(cè)的走向，使單一河段成為分汊河段，丁壩根部成了卡口。

改變了分流比：因汊道內(nèi)取沙，引起兩汊分流比變化。如江西贛江南昌河段經(jīng)過八一大橋后，分成東西兩河，西河為入鄱陽湖的主水道，在西河挖沙，東河未挖造成東河分流愈來愈少，嚴重時枯水期東河楊家灘斷流。閩江福州河段為南北港分汊河道，當(dāng)?shù)胤Q南北港，洪水分流比早期約為75%：25%，北港按此設(shè)防，但自93年以后北港大量挖沙，目前，洪水期穿行福州市的北港分流比已達30%，大大增加了福州市防洪威脅。

2.2 對堤防的影響

河槽中挖沙使水位在同流量下明顯下降。如北江石角以上為長年徑流河段，1999年以后因挖沙下降了0.55m；北江清遠站水位下降了0.88m；東江河源站下降了1.59m；漢江襄陽站下降了1.18；贛江外洲站2003年比未挖沙的1983年下降了1.45m等。從收集到的資料可以看出枯水水位一般下降0.5～1.5m左右；造成有關(guān)河段比降增大，流速流向改變，淘刷堤岸，出現(xiàn)新的險工河段，威脅防洪安全。

閩江北港在90年代挖沙使河床降低4～5m，分流量增大，流速增加，嚴重淘刷兩岸防洪堤，福州市江濱路一帶開裂前移，江濱路是建在防洪大堤上的，直接造成大堤垮塌的危險，當(dāng)?shù)卣扇∩顚庸酀{，沿堤腳拋石等一系列措施搶險。在洪山橋上游出現(xiàn)多處大堤坍塌事故，使得北港全線緊張。

2.3 對航運的影響

因挖沙人為改變河底高程和過水面積，在挖沙嚴重河段將改變主流位置，如贛江南昌八一大橋河段，由于挖沙，將左邊灘變成深泓，原單一水道變成分汊水道，左汊成為主航道。使同流量的水位逐年下降，其下降值與沙量成正比。水位與流量的對應(yīng)關(guān)系改變了，從而使原定的設(shè)計最低通航水位與通航保證率就不匹配了，原統(tǒng)計的保證率都將改變，必須重新計算，但水位是逐年下降的，是個不穩(wěn)定因素，無法用歷史系列的水文資料來統(tǒng)計，所以往往無法確定。若仍堅持用原設(shè)計最低通航水位為航行基準(zhǔn)水位，通航保證率將大大降低，降低了航道等級，應(yīng)當(dāng)指出，以建筑材料為主的挖沙是以河床泥沙粒徑為標(biāo)準(zhǔn)來選擇挖沙地點的，對一些不需要的沙石到處拋棄，造成低水期，航槽水流分散，航道淤塞，致使航運惡化。為此在挖沙河段研究設(shè)計最低通航水位是當(dāng)務(wù)之急。

3 水位下降與挖沙的關(guān)系

3.1 枯水位下降與河床降低的關(guān)系

在普遍挖沙的河段，因挖沙使河床降低。如贛江市汊至外洲河段1997～2003年的6年中挖沙2200萬m3，河床下降1.45m，枯水水位下降1.03m左右；漢江白家灣至襄陽河段，挖沙1600萬m3，河床降低1.2m，水位下降1.0m；閩江福州河段南港上段，河底降低約2.0m，水面降低0.54m，因是寬淺河型水面下降較??；廣東東江惠陽～博羅河段90年代河床下降1.44m，枯水水面降低1.05m；云南瀾滄江景洪大沙壩挖沙、使上游景洪港河段河床降低0.74m，水位下降0.62m，港址河窄，河床下降，水位下降反應(yīng)更為敏感。

由以上實際觀測、試驗等資料顯示，挖沙降低河床高程將直接反映了設(shè)計最低通航水位時水面下降，窄深單一河段水面下降較大，寬淺漫灘河段水面下降的較小。這些說明，水位下降值與河型及挖沙部位有關(guān)。

3.2 水位下降與挖沙部位的關(guān)系

水位下降與河床降低為非單值關(guān)系，它與挖沙量有關(guān)，挖沙越多，水位下降的也越多，但也與挖沙部位有一定的關(guān)系。當(dāng)河床穩(wěn)定時，不同年份的水位～流量關(guān)系是穩(wěn)定的，設(shè)計最小通航流量下的設(shè)計最低通航水位也是穩(wěn)定的，往往以此控制河底高程來滿足航道等級所規(guī)定的航道尺度。若在主河道中挖沙，使航道在枯水時期水面降落明顯，到洪水謾灘后，水面降落就不明顯。如湘潭站水位在大流量時期，多年水位流量關(guān)系曲線變化不明顯，但到枯水時期水面逐年下跌，在整治流量Q=700m3/s時，2000年水位值為28.6m，到2004年為27.9m下降了0.7m（扣除湖水頂托期）。若挖沙主要在枯水位裸露的邊灘上進行，所引起的水位～流量關(guān)系曲線的變化，主要在中洪水時期，如閩江南港挖沙主要在桔園洲邊灘上挖，6年來挖了1600萬m3，該河段邊灘2004年比1998年河底高程下降了2.2m，但枯水400m3/s時水流歸槽，而枯水?dāng)嗝鏌o大變化，所以水位值僅下降了0.20～0.54m，大流量時，與未挖前同流量比較則下降1.0m多。由水流～流量關(guān)系曲線可以看出，挖沙部位不同將在不同流量級產(chǎn)生較大的水位降落。在主河槽中挖沙，水位降落主要反映在中枯水時，水流歸槽后水位降落，若在邊灘上挖沙，則反映在高水準(zhǔn)水位降落。當(dāng)主槽中挖沙量大時，小流量時水位明顯下降，會造成相鄰上游河段水面比降加大。甚至造成溯源沖刷，東江惠陽以上河段就出現(xiàn)這情況。在寬淺河段上采沙，造成大流量時比降增大。形成多條串溝、亂流，對航道也十分不利。

4 設(shè)計最低通航水位確定方法分析

4.1 確定設(shè)計最低通航水位的基本思路

河床上挖沙，首先受到影響的是水位降低，從水位～流量關(guān)系曲線可明顯看出逐年下降的趨勢。隨著挖沙量增大，1996年以后，水位逐年下降的速率也因而加大，每年平均下降20cm左右。

人為挖沙破壞了輸沙平衡，進出該河段的輸沙條件也會發(fā)生變化，可能產(chǎn)生沖刷或溯源沖刷，造成河床在不斷演變中，不可能再由河床形態(tài)過水?dāng)嗝嬗嬎阍O(shè)計最低通航水位。再從流量、水位、流速、比降等因素考慮，挖沙后除流量因素穩(wěn)定外，其他水力因子均隨挖沙而變，如表1所示，東江博羅站不同年份系列的平均流量均在750m3/s左右，說明河流的流域面積不變，上游無大支流改道、調(diào)水、或

大型水利工程等，該河道的來水量基本上是穩(wěn)定的。東江80年代后大量挖沙，河床已明顯下降了1.2m，但統(tǒng)計多年平均流量為778m3/s，與無挖沙影響的1951年～1980年統(tǒng)計的流量759m3/s無大差別。其他贛江、漢江等均是此規(guī)律。而依慣例按歷年水位過程線，進行保證率統(tǒng)計則偏差十分明顯，當(dāng)選取的水位系列的年很愈長，則統(tǒng)計的水位特征值愈高，因?qū)⑼谏城暗母吆哟矔r水位值統(tǒng)計在內(nèi)，掩蓋了采沙后河床降低的影響，與實際不符，若僅用近年水位資料，因系列太短，又不能進行保證率統(tǒng)計，所以抓住流量這個穩(wěn)定的基本要素，作為統(tǒng)計樣本與逐年水位相關(guān)的思路，是解決挖沙河流設(shè)計最低通航水位的合理途徑。

4.2 各計算方法介紹

4.2.1 按規(guī)范要求以水位為樣本進行綜合歷時曲線法或保證率頻率法統(tǒng)計，以等級航道規(guī)定的保證率、頻率確定設(shè)計最低通航水位，并不斷補充最近年份的資料調(diào)整設(shè)計水位值。該方法比較適用于挖沙量不大，水位下降的變化不明顯的情況下。比較好的做法是經(jīng)分析判斷將早期年份的資料刪除，保留近15～20年的水文資料，即去舊納新，使統(tǒng)計出的水位值更接近當(dāng)前河床實際。

4.2.2 采用年保證率比較確定。挖沙河段河床年年下切，水位～流量關(guān)系曲線也年年變，由相關(guān)圖所示三水站逐年水面線下降，各年都可以按年保證率確定一個設(shè)計水位，點繪各年設(shè)計水位過程線，找出設(shè)計水位下降的規(guī)律，按其下降速率就可以確定今年下調(diào)水位值，只需將前幾年逐年水保證率值求出，點繪過程線，延長至當(dāng)今年求出設(shè)計水位值。該方法在挖沙量較大河段可以運用，唯此法講不清綜合歷時保證率是多少，但還比較適用。

4.2.3 根據(jù)水位降落值與挖沙量或河底降低值與水位降落值相關(guān)確定。在以上文中曾分析枯水位下降值與河床平均降低值的比例關(guān)系，對每類河型或挖沙主要部位不同，河床降低值與水位降落值的比例關(guān)系是不同的，若能找出該河段的相關(guān)規(guī)律，則每年根據(jù)新測地形圖算出河床平均高程與去年的差值就可以確定設(shè)計水位向下調(diào)整值，再根據(jù)當(dāng)年水位H～流量Q關(guān)系資料，求得今年設(shè)計水位的下降值。此法要求具有該河段近幾年實測地形圖、相應(yīng)中枯水期某級流量的水面線及近年H～Q關(guān)系曲線才能求出所需水位值。

參考文獻

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作者簡介：丁堅（1960，11-），漢族，南京市人，河海大學(xué)海岸災(zāi)害及防護教育部重點實驗室，研究生，高級工程師，研究方向：港口及近海工程。

李安中（1934，8-），漢族，山東泰安人，河海大學(xué)海岸災(zāi)害及防護教育部重點實驗室，教授，研究方向：港口及近海工程。