不同頻率洪水作用下閩江下游采砂規(guī)劃對河道演變的影響

魏志洪

(福州城建設(shè)計研究院有限公司，福建 福州 350001)

閩江是福建省最大的河流，流域面積為60992km2，沙洲、邊灘等地貌發(fā)育。近年來，隨著閩江上游河流梯級開發(fā)電站，河道水力條件和泥沙運(yùn)動發(fā)生改變[1]。20紀(jì)90年代，閩江下游(即水口電站至閩江入?？?開始大量采砂(流域水系見圖1)。由于當(dāng)時福州及其周邊城市的基礎(chǔ)建設(shè)迅速發(fā)展，且部分周邊地區(qū)嚴(yán)禁采砂，所以閩江砂石的需求量急劇增加。由于閩江砂質(zhì)優(yōu)良、價錢低廉，在經(jīng)濟(jì)利益的驅(qū)動下，各類采砂船遍及閩江下游河段，在無規(guī)劃、無總量控制的情況下，形成濫采亂挖局面。據(jù)有關(guān)部門統(tǒng)計，閩江每年采砂量約為2000萬～3000萬m3。

圖1 閩江下游流域水系

福州市政府為正確引導(dǎo)閩江下游采砂良性發(fā)展，不斷出臺相關(guān)文件，打擊非法采砂行業(yè)發(fā)展，保護(hù)閩江下游正常采砂，使閩江河道采砂由雜亂無序逐漸向規(guī)范有序轉(zhuǎn)變，非法采砂基本得到控制。

1 閩江下游洪水及泥沙補(bǔ)給分析

1.1 洪水分析

1.2 泥沙補(bǔ)給分析

閩江下游多年平均泥沙補(bǔ)給量為244.33萬m3，水口水電站修建后閩江下游來水沒有顯著性差異，但對來沙有顯著性差異。在這種差異的作用下，閩江下游河道原有的水沙平衡遭到破壞，河道河勢發(fā)生明顯變化[3]。

由1993—2013年竹岐站實(shí)測水沙資料可知[4]：來沙量最大的年份為2010年，為881萬m3，其次為2006年的501萬m3，第三為1998年的488萬m3。因此，本次模型計算時，選用2010年水沙系列作為代表，截取2010年汛期實(shí)測出庫流量大于3000m3/s水沙系列中的部分資料和對應(yīng)的潮位過程作為模型的控制邊界。多沙工況下水口水電站流量過程及琯頭站對應(yīng)潮位過程同水動力工況下邊界保持一致。竹岐站各年實(shí)測來水來沙資料見圖2。

圖2 竹岐水文站1950—2013年來水來沙分布情況

2 河道采砂規(guī)劃

2.1 規(guī)劃總體布置

根據(jù)《閩江下游福州段2018—2020年河道采砂規(guī)劃報告》，閩江下游河道整治規(guī)劃范圍為閩江下游河道總長93km河段，一共規(guī)劃19個禁采區(qū)，5個可采區(qū)，3個保留區(qū)。

設(shè)置可采區(qū)主要是為了合理利用境內(nèi)的河沙資源，確保各方面正常運(yùn)行。保留區(qū)是指在河道管理范圍內(nèi)采砂具有不確定性，或是在可采區(qū)內(nèi)有沖刷加深趨勢或已開采過量，需要對采砂可行性進(jìn)行進(jìn)一步論證的區(qū)域。

2.2 規(guī)劃控制可采量

規(guī)劃可采區(qū)的采砂量納入建筑砂料年度采砂控制總量，確定2018—2020年規(guī)劃期內(nèi)閩江下游3年采砂控制總量為391.1萬m3，其中閩清段為34.7萬m3，閩侯段為356.4萬m3。具體規(guī)劃情況見表1。

表1 2018—2020年閩江下游河道規(guī)劃采砂量

3 河道演變影響研究

在閩江下游河道資料的基礎(chǔ)上建立模型。模型研究范圍與采砂規(guī)劃范圍一致，上游邊界選取水口大壩斷面，下游邊界選取馬尾羅星塔斷面，總長93km。模型河道地形采用各次采砂規(guī)劃實(shí)測地形(羅零高程系統(tǒng))，單元數(shù)為17635，節(jié)點(diǎn)數(shù)為32919。采用凍結(jié)法處理干濕邊交替，濕水深取0.100m，淹沒水深取0.050m，干水深取0.005m。

通過以上模型對閩江下游河道在遭遇到5年一遇、20年一遇、50年一遇以及100年一遇4種不同頻率洪水時，河道采砂規(guī)劃前后河床斷面的沖淤變化進(jìn)行影響研究。具體見圖3～圖6。

圖3 遭遇5年一遇洪水采砂前后河床典型斷面沖淤變化

圖4 遭遇20年一遇洪水采砂前后河床典型斷面沖淤變化

圖5 遭遇50年一遇洪水采砂前后河床典型斷面沖淤變化

圖6 遭遇100年一遇洪水采砂前后河床典型斷面沖淤變化

典型斷面河床沖淤變化研究表明，在白河江河段可采區(qū)、埕頭河段可采區(qū)、沙白頭河段可采區(qū)、馬坑河段可采區(qū)、唐舉河段可采區(qū)，河道下切嚴(yán)重，采砂量越大其河床沖淤變化越大。在馬坪河段保留區(qū)、大目埕河段保留區(qū)、竹岐河段保留區(qū)，采砂前后典型斷面河床沖淤變化不大。

由于可采區(qū)河道采砂導(dǎo)致河床下切，過水面積增大，采砂前后的淤積能力產(chǎn)生變化，采砂量越多，變化值越大。由于河道中間流速較快，兩岸灘地流速較慢，兩岸的淤積能力比河道中間的淤積能力高。在保留區(qū)，同樣表現(xiàn)為兩岸的淤積能力比河道中間的淤積能力高，但采砂前后斷面變化不大，表明采砂活動對保留區(qū)的沖淤變化影響較小。在不同的流量條件下，采砂前后沖淤變化差值隨流量增加而逐漸減小，5年一遇洪水流量條件下采砂前后沖淤變化值最大，100年一遇洪水流量條件下采砂前后沖淤變化值最小。

4 結(jié) 論

a.針對閩江下游河道遭遇到5年一遇、20年一遇、50年一遇以及100年一遇4種不同頻率洪水情況時，通過模型對采砂規(guī)劃前后洪峰時的河床沖淤及斷面流速進(jìn)行研究，揭示了在不同頻率洪水作用下，閩江下游河道采砂規(guī)劃對河道演變的規(guī)律。

b.洪水流量越大，采砂前后河床沖淤變化值越?。缓樗髁吭叫?，采砂前后河床沖淤變化值越大。河道采砂導(dǎo)致的河床沖刷變化影響范圍主要集中在可采區(qū)，對保留區(qū)影響較小。造成這種影響的主要原因是河道來沙量較少，河道淤積能力較弱，采砂活動對河床沖刷能力的影響較大，可采區(qū)河道下切明顯。

c.由于河道采砂，在可采區(qū)內(nèi)采砂坑范圍從上游向下游擴(kuò)展，不斷淘刷河床與堤岸交界處，使沖刷范圍加劇、擴(kuò)大。尤其是采砂坑橫向變化，范圍的擴(kuò)大可能危及兩岸堤防安全。同時，根據(jù)有關(guān)水文資料統(tǒng)計，水口水電站建成后閩江來水量無明顯變化，但來沙量卻大幅減少，加上河道曾因大規(guī)模的采砂使刷深明顯，河床下切嚴(yán)重。河道來沙量降低，河道沖刷能力上升，河床持續(xù)下切，河道防洪能力下降。

d.模型研究表明，采砂規(guī)劃可采區(qū)對洪峰流速與河床的沖淤變化影響顯著。閩江下游河段，河勢相對復(fù)雜，涉河建筑物眾多[5]?，F(xiàn)有閩江下游河道下切嚴(yán)重，河沙開采已接近飽和，建議下一階段，閩江下游河道不再設(shè)置可采區(qū)，盡量減少采砂規(guī)劃對河道進(jìn)行的干擾，使其自主補(bǔ)充沙源，自我調(diào)節(jié)，休養(yǎng)生息。