閩江下游河道多年平均泥沙補給量分析

(福州市水利水電開發(fā)公司，福建 福州　350001)

1　流域概況

閩江是福建省的第一大河流，也是福建省的母親河，發(fā)源于閩贛交界的武夷山脈，水口水電站以下河段為閩江下游，流經(jīng)閩清、閩侯、福州市區(qū)的南北港、亭江以后，河流北支經(jīng)連江長門，南支經(jīng)長樂梅花入東海。閩江流經(jīng)36個縣(市)，全長541km，流域面積為60992km2，多年平均年徑流量為620億m3。其中，福建省境內(nèi)面積為59922km2，占流域面積的98.2%，閩江分為上游、中游、下游三段，水口水電站以下稱為閩江下游，閩江下游水系如圖1所示。

圖1　閩江下游流域水系

華東地區(qū)最大的水電站水口水電站(1993年4月竣工)位于閩清縣境內(nèi)的閩江干流上，壩址控制流域面積為52438km2，占閩江全流域面積的86%。竹岐水文站為閩江下游干流最主要的控制站，位于閩侯縣境內(nèi)的閩江干流上，控制流域面積為54500km2。

閩江下游最大的支流大樟溪流域面積為4843km2，大樟溪干流修建有多個水電站，其中已建最后一級水電站為界竹口水電站(2013年6月下閘蓄水)，控制流域面積3447km2，永泰(清水壑)水文站為大樟溪上最主要的水文控制站，位于永泰縣城關大樟溪干流上，控制流域面積為4034km2。

2　閩江下游河道泥沙來源與補給

2.1　泥沙來源

閩江流域屬于南方濕潤地區(qū)，植被較好，土壤的侵蝕作用以水力侵蝕為主。河道泥沙來源主要有兩個因素，分別是流域內(nèi)水土流失、河流的河岸侵蝕等[1]。閩江下游河道的泥沙來源主要為水口水電站以上干支流及下游兩岸支流匯入的泥沙。

當閩江流域局部河段的水沙條件或河床邊界發(fā)生較大變化，水流挾沙力處于非飽和狀態(tài)時，河道發(fā)生河岸崩塌、床面沖刷，泥沙被水流挾運至其下游堆積，這部分床沙是其下游河段的泥沙來源[2]。此外，向閩江傾倒的煤灰、礦物廢物和垃圾等，這些流失的泥土或廢料也將轉化為床沙中的粗顆粒部分而成為泥沙的另一個來源。

2.2　泥沙補給

隨水口水電站、界竹口水電站的修建，改變了閩江流域原有的輸沙條件，大壩上游庫區(qū)發(fā)生淤積，下游河床由于“清水下泄”會發(fā)生沖刷。由于大壩的攔截作用，水庫控制流域面積以上產(chǎn)生的全部推移質和部分懸移質都被攔截于大壩上游。

由于蓄水初期水庫的泥沙淤積，下泄水流的含沙量減少，為滿足下泄水流挾沙能力的要求，便從河床上沖起泥沙，直至達到飽和狀態(tài)之后，河床沖刷才會停止。水庫運行后期，當庫區(qū)淤積基本上達到相對平衡階段時，庫區(qū)河道恢復原來天然河道性質，則下泄水流所挾帶的泥沙數(shù)量，也恢復到原來的天然情況。河床由于之前遭受沖刷使得挾沙能力下降，將發(fā)生自上而下的淤積。

對閩江下游竹岐水文站1950—2013年來水來沙觀測數(shù)據(jù)進行假設檢驗分析，明確水口水電站修建對閩江下游來沙影響存在顯著性差異[3]。

2.3　泥沙運動

泥沙在水流作用下會產(chǎn)生各種運動。泥沙按其在水流中的運動狀態(tài)，可分為推移質和懸移質。推移質是指受拖曳力作用沿河床滾動、滑動或跳躍前進的泥沙；懸移質是指受重力作用和水流紊動作用懸浮在水中隨水流前進的泥沙。在一定水流條件下，這兩種泥沙可以互相轉化。

根據(jù)河海大學2005年編制的《閩江下游福州河段防洪岸線局部調整數(shù)學模型》，造床泥沙分界粒徑為0.1mm。從各河段泥沙顆粒試驗成果分析可知，粒徑小于0.075mm的數(shù)量大約占15%，這部分懸移質粉沙基本不沉積于河道而直接入海。粒徑在0.075～0.25mm的數(shù)量大約占25%，這部分懸移質粉細沙，部分造河床(大于0.1mm)，部分入海(小于0.1mm)，按內(nèi)插法分析，入海懸移質粉細沙的數(shù)量約為3.6%。按此分析結果，閩江入海的河水攜帶走粒徑小于0.1mm的泥沙約占輸沙量的18.6%。

3　閩江下游泥沙補給計算

3.1　計算方法

河道泥沙補給量為河道輸沙量減去河道入海泥沙量。河道輸沙量主要包括河道推移質輸沙量和懸移質輸沙量。河道泥沙補給計算公式如下：

(1)

(2)

(3)

河道多年平均懸移質輸沙量多采用水文監(jiān)測泥沙資料。對于缺少監(jiān)測資料的河道，多年平均懸移質輸沙量可采用侵蝕模數(shù)計算法，其公式如下：

(4)

F——流域面積,km2。

考慮到閩江流域目前還沒有開展河道推移質泥沙監(jiān)測，多年平均推移質輸沙量計算參考多年平均懸移質輸沙量計算，其公式如下：

(5)

式中β——推移質輸沙量和懸移質輸沙量的比值，參考《估算河道推移質輸沙量的數(shù)學模型》成果，取15%。

本文分析河道泥沙補給量的主要目的是為閩江下游河道采沙規(guī)劃提供依據(jù)，輸沙量單位原本為萬t，考慮與采沙規(guī)劃單位一致，將輸沙量單位按照泥沙懸移質密度1.3 萬t/萬m3，換算為萬m3。

3.2　閩江下游(不含大樟溪流域)泥沙補給

竹岐水文站為閩江下游干流最主要控制站，位于閩侯縣境內(nèi)的閩江干流上，控制流域面積54500km2，有詳實的泥沙觀測資料。2013年《中國河流泥沙公報》公布竹歧水文站1950—2010年多年平均年輸沙模數(shù)為107 t/km2(82.31m3/km2)[4]。

水口水電站的修建(水口水電站在1993年4月竣工)使得水口水電站以上全部推移質和大部分懸移質被攔于水庫之內(nèi)。故竹歧水文站多年平均年懸移質輸沙量采用1993—2013年竹歧水文站的多年平均觀測資料236.17萬t(181.67萬m3)。

閩江下游(不含大樟溪流域)泥沙補給計算，水口水電站至竹歧水文站推移質(通過懸移質推算)、竹歧水文站至長門入?？谳斏沉坎捎幂斏衬?shù)計算；水口水電站以上懸移質、水口水電站至竹歧水文站懸移質直接采用竹歧水文站觀測資料計算。

閩江下游(不含大樟溪流域)輸沙量主要組成部分如圖2所示。

圖2　閩江下游(不含大樟溪流域)輸沙量組成

水口水電站至竹歧水文站之間流域面積為2062km2， 根據(jù)式(4)、式(5)得到該段河道產(chǎn)生的多年平均懸移質輸沙量為16.97萬m3，多年平均推移質輸沙量為2.55萬m3。

竹歧水文站監(jiān)測斷面以上多年平均懸移質輸沙量包括水口水電站至竹歧水文站之間流域面積產(chǎn)生的全部懸移質輸沙量和水口水電站以上流域面積產(chǎn)生的部分懸移質輸沙量。竹歧水文站監(jiān)測斷面以上推移質輸沙量主要為水口水電站至竹歧水文站之間流域面積產(chǎn)生的。所以，竹歧水文站斷面以上產(chǎn)生的多年平均懸移質輸沙量為181.67萬m3，多年平均推移質輸沙量為2.55萬m3。

竹歧水文站至閩江河道入?？?長門)之間流域面積為1 649km2(不含大樟溪流域)，根據(jù)式(4)、式(5)得到該段河道產(chǎn)生的多年平均懸移質輸沙量為13.57萬m3，多年平均推移質輸沙量為2.04萬m3。

竹歧水文站至閩江河道入?？?不含大樟溪流域)輸沙量包括竹歧水文站監(jiān)測斷面以上產(chǎn)生的輸沙量和竹歧水文站至閩江河道入?？谥g流域面積(不含大樟溪流域)產(chǎn)生的輸沙量。所以，水口水電站至閩江河道入?？?不含大樟溪流域)多年平均輸沙量為199.82萬m3，根據(jù)式(3)得到入海的河水攜帶走泥沙約為37.17萬m3，根據(jù)式(1)得到該段河道多年平均泥沙補給量為162.66萬m3。

沉沙與流速有直接關系，流速越快，沉沙越少，流速越慢，沉沙越多，而流速與斷面面積成反比關系，在水深與寬度相差懸殊的情況下，斷面面積與河道寬度接近成正比關系，所以河道越寬，沉沙越多，河道越窄，沉沙越少。因此采用長度與寬度加權平均法計算各河段河道沉沙補給量比較符合實際情況。竹歧水文站至閩江河道入?？诤拥揽傞L為72km，河道面積約78.0km2，可推算出每平方千米河道泥沙補給量為2.09萬m3。

水口水電站至竹歧水文站之間河道輸沙量比較復雜，主要包括水口水電站至竹歧水文站之間流域面積產(chǎn)生的全部輸沙量和水口水電站以上流域面積產(chǎn)生的部分懸移質輸沙量。該次考慮根據(jù)下游每平方千米河道泥沙補給量為2.09萬m3，繼續(xù)向上游推求水口水電站至竹歧水文站之間河段泥沙補給量。

閩江下游河道在淮安分南北港，北港繞南臺島北面，穿過福州市區(qū)，河道相對窄深；南港繞南臺島南側，河道相對寬淺；南北港河道在馬尾匯合后，進入通海河段，最后經(jīng)長門入海。南北港河道洪水期分流比7∶3，因為泥沙輸送與水量呈正相關，所以閩江下游南北港泥沙補給量也考慮按照洪水期分流比7∶3推算分配。

3.3　大樟溪流域泥沙補給

永泰(清水壑)水文站為大樟溪流域最主要控制站，控制流域面積4034km2，有詳實的泥沙觀測資料。2013年《中國河流泥沙公報》公布永泰(清水壑)水文站1952—2010年多年平均年懸移質輸沙量為54.3萬t(41.77萬m3)，多年平均年輸沙模數(shù)為135t/km2(103.85m3/km2)[5]。界竹口水電站的修建(界竹口水電站在2013年6月下閘蓄水)使得界竹口水電站以上的推移質被全部攔于水庫內(nèi)。界竹口水電站下閘蓄水時間距現(xiàn)在比較接近，永泰(清水壑)水文站在界竹口水電站下閘蓄水之后多年平均年懸移質輸沙量計算年限序列不足，不宜直接使用以上水口水電站計算方法。因此，大樟溪流域泥沙補給計算，采用輸沙模數(shù)進行計算。

大樟溪流域輸沙量主要組成部分如圖3所示。

圖3　大樟溪流域輸沙量組成

大樟溪流域向外流域引水工程有德化縣的龍門灘引水、福清市的一都溪引水、仙游縣的九仙溪引水、莆田市的金鐘引水。據(jù)調研，以上四處引水工程由于管理的原因，實際運行引水量較小，且引水主要為水庫面層清水。引水總量占整個大樟溪流域總來水量比例較低，對永泰(清水壑)水文站懸移質輸沙量影響有限。本文河道泥沙補給分析主要是為閩江下游河道采沙規(guī)劃提供依據(jù)，因此，忽略引水對大樟溪流域下游河口泥沙補給影響。

界竹口水電站至永泰(清水壑)水文站之間流域面積為3447km2，根據(jù)式(4)、式(5)得到該段河道產(chǎn)生的多年平均懸移質輸沙量為35.80萬m3，多年平均推移質輸沙量為5.37萬m3。界竹口水電站的下泄沙量按多年平均懸移質的三分之一考慮,即界竹口水電站以上流域面積產(chǎn)生的河道多年平均輸沙量為11.93萬m3。

界竹口水電站至大樟溪閩江匯合口(六十份村)流域面積為1396km2，根據(jù)式(4)、式(5)得到該段河道產(chǎn)生的多年平均懸移質輸沙量為14.50萬m3，多年平均推移質輸沙量為2.17萬m3。

大樟溪匯入閩江下游南港河道輸沙量包括界竹口水電站以上流域面積產(chǎn)生的輸沙量和界竹口水電站至大樟溪閩江匯合口(六十份村)之間流域面積產(chǎn)生的輸沙量。所以，大樟溪匯入閩江下游南港河道多年平均輸沙量為28.60萬m3，根據(jù)式(3)計算得出入海的河水攜帶走泥沙約為5.32萬m3，根據(jù)式(1)得到大樟溪匯入閩江下游南港河道多年平均泥沙補給量為23.28萬m3。

同樣采用長度與寬度加權平均法計算各河段泥沙補給量。大樟溪閩江匯合口至閩江河道入?？诤拥揽傞L為45km，河道面積約50.4km2，可推算出大樟溪閩江匯合口以下閩江河道每平方千米泥沙補給量為0.46萬m3。

3.4　閩江下游泥沙補給

閩江下游河道多年平均泥沙補給量包括閩江主河道多年平均泥沙補給量和支流大樟溪匯入閩江多年平均泥沙補給量，結果見下表。

閩江下游河道多年平均泥沙補給量估算表

4　結論與建議

a.閩江下游多年平均泥沙補給量為244.33萬m3，其中閩江主河道多年平均泥沙補給量為221.05萬m3，支流大樟溪匯入閩江河道多年平均泥沙補給量為23.28萬m3。該結論可為閩江下游采沙規(guī)劃提供依據(jù)。

b.根據(jù)1996年12月、1998年9月、2004年11月、2008年5月、2011年11月、2014年12月實測閩江下游的地形資料，閩江下游河道整體上是以沖刷為主，河道下切明顯，部分河段的刷深已經(jīng)威脅到河道兩岸的岸坡穩(wěn)定及防洪安全[6]。閩江下游河道泥沙補給量較少，河道下切明顯，建議閩江下游全面禁止河沙開采。

c.建議有關單位嚴厲打擊閩江下游非法采沙，加大對閩江下游河道岸坡和防洪工程的巡查力度，發(fā)現(xiàn)問題及時采取相應的解決措施。

d.目前福建省各水文站還沒有推移質輸沙量監(jiān)測資料，如果條件允許，建議開展河道推移質輸沙量的監(jiān)測。

[1]付聲衍.建溪流域輸沙特性分析與河道輸沙沉積量估算[J].水利科技,2014(2)：13-15.

[2]屈明洋,李陶.牡丹江干流中下游河道泥沙補給分析[J].黑龍江水利科技,2013，10(41)：38-40.

[3]魏志洪,陳勇亮,羅淑欽.水口水電站修建對閩江下游來水來沙影響假設檢驗分析[J].水利科技,2015(4)：66-69.

[4]王新宏,陳堯隆,田峰巍.估算河道推移質輸沙量的數(shù)學模型[J].水利學報,1998(s1):99-102.

[5]中華人民共和國水利部.中國河流泥沙公報2013[M].北京：中國水利水電出版社，2014.

[6]魏志洪,羅淑欽.格賓擋墻加雷諾護墊在錦江園護岸加固中的應用[J].水利科技, 2015(1)：46-48.