長江上游采砂分布及破壞灘群恢復能力模擬研究*

肖 毅， 張帥帥， 楊勝發(fā)， 李文杰

(重慶交通大學， 國家內河航道整治工程中心， 重慶400074)

長江上游河道位于山區(qū)[1]， 宜賓—宜昌砂石總量約1 530 萬t[2]。 隨著經濟發(fā)展對砂石需求的不斷增加， 20 世紀以來長江上游的采砂活動更為頻繁， 引起河道局部過水面積增大， 采砂斷面水流流速減小， 致使采砂河段發(fā)生泥沙淤積， 減少了下游河道的來沙量[3]。 值得注意的是， 長江上游的卵石灘群采砂尤為突出， 導致邊灘高差巨變， 其作用遠遠超過河道自身調整與航道整治工程。 目前， 采砂對河道演變的影響主要集中于采砂坑的水流結構[4-5]、 輸沙變化[6-7]、 生態(tài)環(huán)境[8-9]等方面， 而對其在長江上游的分布及對卵石灘群演變和長江上游航道的影響等的研究仍然較為缺乏。 因此， 開展長江上游采砂分布及卵石灘群邊灘采砂恢復能力的研究十分迫切。

本文基于2007 年以來的水沙地形資料， 對長江上游宜賓—重慶涪陵段采砂的時空分布進行分析， 并采用已構建的平面二維水沙數值模型對典型卵石邊灘恢復過程進行模擬， 試圖為采砂對長江上游卵石灘群邊灘再造的認識提供數據支持。

1 長江上游采砂特性分析

1.1 基礎數據來源

長江上游宜賓—重慶涪陵段總長約為508 km，包括巫木樁—占磧子、 江津—勝中壩、 白沙—溫中壩、 東溪口、 羊石盤—上白沙、 叉魚磧—神背嘴、 冰盤磧—火焰磧、 納溪—井口、 二龍口—香爐灘、 銅鼓灘—宜賓大橋、 九龍灘—寸灘、 寸灘—木 洞、 木 洞—長 壽、 長 壽—涪 陵 等 水 道(圖1)。 該段分別于2007 年和2016 年進行了水下地形的測量， 測圖比例為1∶2 000， 為研究采砂分布及數量提供了數據基礎。

圖1 長江宜賓—涪陵段灘面變化特征參數

1.2 宜賓—涪陵2007—2016 年采砂統(tǒng)計

長江上游河道基本處于沖淤交替的平衡狀態(tài)，一般不會發(fā)生地形的劇烈調整。 根據2007—2016 年長江上游宜賓—涪陵段的地形， 對比區(qū)間的地形變化， 若邊灘出現(xiàn)不規(guī)則劇烈沖刷， 且形成3 m以上的深坑或灘面破壞， 則可認定為人工采砂。灘面變化特征參數見表1。 采砂造成河道地形變化量約為3.95 億m3； 單個采砂坑采砂量500 萬m3以上有17 個， 整個河段超過100 萬m3的采砂坑約為108 個(圖2)。 人工采砂可致卵石灘面破壞，其邊灘上下高差可達40 m， 大量的卵石灘、 磧消失， 河床大幅下切。 而大量人工堆砂又造成局部的劇烈抬升。

表1 宜賓—涪陵灘面變化特征參數

圖2 采砂數量統(tǒng)計

考慮三峽工程的回水影響至江津， 分別統(tǒng)計了宜賓—江津、 江津—涪陵段的采砂數量(圖3)。宜賓—江津的采砂體積為2.34 億m3， 三峽水庫的變動回水區(qū)江津—涪陵河道采砂造成地形變化量約為1.61 億m3。 宜賓—江津段主要為銅鼓灘—宜賓大橋水道、 納溪—井口水道以及冰盤磧—火焰磧水道， 采砂量分別達到0.48 億、 0.36 億、0.56 億m3， 而江津—涪陵的主要采砂段集中在烏木樁—占磧子與寸灘—木洞水道， 采砂量分別為0.56 億、 0.55 億m3。

圖3 宜賓—涪陵采砂分布

2 卵石灘群采砂區(qū)恢復過程模擬

2.1 平面二維水沙數值模型

本研究所采用的水沙數學模型的構建與驗證見文獻[10]。 水流模塊采用ADI 有限差分法求解，除了連續(xù)方程中對時間偏導項采用向前差分、 動量方程中對流項采用一階迎風和中心差分格式組合外(QUICK 格式)， 其余各項均采用中心差分格式； 泥沙模塊采用類似求解方法， 對流項中采用一階迎風格式。

2.2 典型卵石灘段采砂區(qū)恢復過程模擬

選取長江上游典型卵石灘段東溪口作為研究對象。 該水道位于上游航道里程806.0～816.0 km， 集險、 急、 淺、 彎多種礙航特征， 至2017 年采砂面積約為400 萬m2， 最大采砂深度約10 m(圖4)。前述所構建的二維水沙數學模型已對該段的沖淤演變過程進行了驗證。 本研究主要是模擬東溪口段卵石邊灘采砂區(qū)的恢復過程， 計算地形采用2017 年2 月測圖， 采用2008—2017 系列年水沙資料， 預測時限為10 a。

圖4 東溪口水道實測采砂坑變化

該采砂區(qū)域各預測年份沖淤面積占比如表2所示。 隨著時間的增加， 淤積區(qū)域有所增大， 但整體增幅較慢， 淤積面積大約為7.3 萬m2， 占整個采砂區(qū)面積的0.2%左右。 沖刷區(qū)面積呈波動變化， 總體呈現(xiàn)減小趨勢， 其比值約為整個區(qū)域的0.001%。 可見， 該采砂區(qū)域未來再造過程主要以淤積為主， 局部呈現(xiàn)少許沖刷。

表2 預測的采砂區(qū)再造過程沖淤面積隨時間占比

圖5 為該河段采砂區(qū)未來10 a 預測的累計淤積、 沖刷過程: 各年份淤積量整體呈減小趨勢，10 a 區(qū)域淤積量達1.1 萬m3、 2.9 萬t， 約為累計采砂量的0.12%。 由于系列年中包含大水少沙年份， 因而在6 ～8 a 間沖刷量為以往2 倍， 但其總量與淤積量相比仍然較小， 僅占其1.8%左右。

圖5 采砂區(qū)域累計沖淤量

圖6 為該水道采砂區(qū)未來10 a 的沖淤變化。預測4 a 地形變化如圖6a) 所示， 靠近航槽一側采砂區(qū)域沖淤變化較為明顯， 整體呈現(xiàn)淤積趨勢，越靠近航槽淤積量越大， 其淤積高度在0.05 ～0.15 m， 最大輸沙部位發(fā)生在采砂區(qū)域與航槽交界處。 預測6 a 采砂區(qū)域大體趨勢與預測4 a 相近， 淤積區(qū)向采砂區(qū)左岸延伸， 在采砂區(qū)靠近航槽部分淤積量增大， 最大淤積高度達0.3 m， 同樣在靠近航槽一側上游出現(xiàn)沖刷， 沖深0.05 ～0.25 m，如圖6b)所示。

預測8 a 和10 a 沖淤變化如圖6c)、 d)所示，隨著時間的推移， 沖深加大， 預測8 a 最大沖深可達0.5 m， 向采砂區(qū)域右岸淤積逐漸減小， 在航槽交界處上游仍持續(xù)沖刷， 沖刷深度可達0.35 m。預測10 a 在淤積持續(xù)增厚的基礎上， 采砂區(qū)下游區(qū)域開始出現(xiàn)淤積， 在采砂區(qū)與航槽交界處出現(xiàn)大范圍強淤積， 其淤積厚度平均在0.4 m 左右，最大值約為0.55 m， 而采砂區(qū)上游邊界處沖刷較之前并無太大變化。

圖6 采砂區(qū)未來10 a 再造過程預測

綜上可知， 該采砂區(qū)主要表現(xiàn)為由靠近航槽一側逐步回淤， 淤積范圍逐步向采砂區(qū)域內部延伸至采砂區(qū)下游， 采砂區(qū)左岸部分并無明顯變化， 即采砂區(qū)的存在會對航槽回淤產生一定的影響， 但采砂區(qū)恢復過程較慢， 總體來看對航道的影響程度有限。

3 結論

1)至2016 年， 長江上游宜賓—重慶涪陵段的采砂總量約為3.95 億m3， 主要集中于銅鼓灘—宜賓大橋、 納溪—井口、 冰盤磧—火焰磧， 烏木樁—占磧子與寸灘—木洞水道， 共計為2.51 億m3。 大量的人工采砂導致磧壩或邊灘被開采得高低不平，破壞了部分卵石灘段的灘面， 引起局部河床地貌的改變， 因而可能對不同水位期的航道維護管理帶來不利影響。

2)以長江上游東溪口河段為例， 灘面破壞后的采砂區(qū)恢復過程較為緩慢。 采砂區(qū)與航槽交界處出現(xiàn)強淤積， 淤積厚度平均0.40 m， 最大值約為0.55 m。 相較于采砂坑實際采砂厚度10 m，10 a的最大恢復淤積量僅為0.50 m， 考慮上游的梯級水庫的聯(lián)合調度運行， 砂卵石的來量將進一步減少， 而床面的卵石存量有限， 初步認為大部分采砂坑基本無法恢復。