閩江通海航道沖淤演變規(guī)律分析

王智輝

(福建省港航勘察設(shè)計(jì)院有限公司，福州 350002)

閩江是福建省最大河流，全長(zhǎng)約562 km，流域面積約60 992 km2，約占福建省面積的一半，流域內(nèi)資源豐富，是福建省工業(yè)、林業(yè)基地和商品糧產(chǎn)區(qū)，也是對(duì)外開放、發(fā)展外向型經(jīng)濟(jì)的熱點(diǎn)地區(qū)[1]。閩江通海航道是連接內(nèi)河與外海的咽喉通道，也是閩江口內(nèi)港區(qū)各碼頭泊位賴以生存與發(fā)展的水上生命線[2]。閩江口內(nèi)港區(qū)有80個(gè)生產(chǎn)性泊位，分散在閩江口兩岸。為滿足閩江口內(nèi)港區(qū)生產(chǎn)需要，閩江通海航道逐步開展了一期、二期和攔門沙航道增深等工程。一期整治工程自1981年開始至1987年竣工，整治后達(dá)到乘潮通航萬(wàn)t級(jí)海輪的標(biāo)準(zhǔn)；通海航道二期整治工程于1991年1月開始至1998年4月竣工，整治后達(dá)到乘潮通航2萬(wàn)t級(jí)海輪的標(biāo)準(zhǔn)；閩江口攔門沙航道增深工程于2005年8月開始至2008年7月竣工，通海航道從口門至粗蘆島航段達(dá)到乘潮通航3萬(wàn)t級(jí)雜貨船的標(biāo)準(zhǔn)。

閩江通海航道受徑流、潮流、波浪、鹽淡水混合等因素影響，水沙條件復(fù)雜，局部航段時(shí)常淤積，對(duì)閩江口內(nèi)泊位生產(chǎn)造成了影響。閩江通海航道自七星礁至馬尾全長(zhǎng)47.5 km(圖1)，沿程有外沙、內(nèi)沙、馬祖印、中沙等礙航淺灘，為保障航道安全暢通，滿足港區(qū)生產(chǎn)需求，對(duì)閩江通海航道地形特別是外沙、內(nèi)沙、馬祖印、中沙等礙航淺灘沖淤演變規(guī)律研究十分重要。

圖1 閩江口平面示意圖Fig.1 Schematic diagram of Minjiang River Estuary plane

近年來國(guó)內(nèi)學(xué)者、研究機(jī)構(gòu)針對(duì)閩江口河床演變規(guī)律展開了一定研究，但研究較少。潘定安[3]基于1984年、1986年、1987年水文、泥沙、地形等實(shí)測(cè)資料，分析了閩江口外通海航道及外攔門沙形成機(jī)理；石衡[4]基于水流流速、叉道分流比等簡(jiǎn)要分析了內(nèi)沙淺灘成因；鄭必永[5]基于泥沙、水動(dòng)力條件簡(jiǎn)要概述了閩江通海航道6處淺灘演變趨勢(shì)；夏航[6]依據(jù)閩江潮汐河口航道河床邊界、水流泥沙運(yùn)動(dòng)特性與河床變化規(guī)律，對(duì)閩江通海航道提出了增深治理方略。莊明水[7]根據(jù)近30 a來閩江口的調(diào)查數(shù)據(jù)及文獻(xiàn)資料，分析了閩江河口區(qū)沉積特征、淺灘形態(tài)變化，以10～15 a的研究尺度，探討了閩江口的沖淤演變。魏光裕[8]通過對(duì)1886年—1986年河口實(shí)測(cè)地形圖的分析，并結(jié)合外沙地區(qū)泥沙淤積過程的演繹，提出“水流具有自動(dòng)轉(zhuǎn)換阻力特性”的概念。魏志洪[9]分析了不同頻率洪水時(shí)，河道規(guī)劃采砂前后河床斷面的沖淤變化。魏志洪[10]在分析閩江下游河道泥沙來源與補(bǔ)給的基礎(chǔ)上，根據(jù)竹歧水文站、永泰水文站的泥沙監(jiān)測(cè)資料，對(duì)閩江下游河道多年平均泥沙補(bǔ)給量進(jìn)行估算，得出各段河道泥沙補(bǔ)給量。陳興偉[11]建立了閩江下游河道一維數(shù)學(xué)模型，對(duì)枯水大潮條件閩江下游各斷面潮位、流量變化進(jìn)行模擬。黃永葛[12]采用物理模型和遙感自航船模相結(jié)合的研究手段，分析了閩江水口壩下水位降落原因。虞娟[13]基于BP模型對(duì)閩江岸線變形進(jìn)行了預(yù)測(cè)。上述研究成果依據(jù)資料較早，分析依據(jù)相對(duì)單一，不能完全系統(tǒng)分析閩江通海航道沖淤演變規(guī)律。

本文基于閩江河口1999年—2020年實(shí)測(cè)水沙、地形資料，通過對(duì)1950年—2020來水來沙、1999年—2020年河床演變情況、深泓線橫向縱向變動(dòng)、6個(gè)淺灘斷面等資料分析，研究了閩江通海航道及外沙、內(nèi)沙、馬祖印、中沙等淺灘近些年的沖淤演變規(guī)律及其主要影響因素，為閩江通海航道今后維護(hù)和增深工程提供科學(xué)依據(jù)。

1 閩江通海航道沖淤機(jī)理

1.1 水沙條件變化

圖2 1950年—2020年竹岐水文站年徑流量和年輸沙量變化圖Fig.2 Chart of annual runoff and sediment transport of Zhuqi Hydrological Station from 1950 to 2020

來水來沙條件是引起和影響河道演變的最根本因素。閩江屬少沙河流，參與造床的床沙由推移質(zhì)、懸移質(zhì)泥沙構(gòu)成。依據(jù)閩江干流竹岐水文站1950年—2020年來水來沙量資料分析(圖2)：(1)1975年閩江梯級(jí)電站建成以前(1951年—1975年)，年平均懸移質(zhì)輸沙量為742萬(wàn)t，其參與造床懸移質(zhì)約為42萬(wàn)t，經(jīng)估算推移質(zhì)年平均輸沙量為220萬(wàn)t，合計(jì)造床泥沙為262萬(wàn)t；(2)1993年水口水庫(kù)建成后，年平均懸移質(zhì)輸沙量減少至273萬(wàn)t，減少率達(dá)63.2%。推移質(zhì)輸沙量被水庫(kù)攔截，其實(shí)際造床泥沙量約12萬(wàn)t，合計(jì)減少率約95%。水沙條件在水口水庫(kù)建成前后發(fā)生變化，來水量幾乎不變而來沙量顯著降低的情況下，下泄水流處于輸沙不平衡狀態(tài)，勢(shì)必會(huì)造成下游河床的沖刷。

1.2 河道無(wú)序開采

采沙會(huì)直接影響河床下切，河床下切導(dǎo)致流態(tài)的改變，引起河床溯源沖刷，來沙量大幅減少而采沙量巨大的條件下，河床“入不敷出”，必將下切。1990年—1994年水口壩下至馬尾段年平均取沙量600～900萬(wàn)t，1997年閩江北港禁止采沙后，采沙集中在閩江干流(南港)、閩江通海河床上，1999年河沙出口175萬(wàn)t，2002年起出港沙量每年均超過1 000萬(wàn)t，2005年、2006年接近3 000萬(wàn)t/a。2009 年起采沙執(zhí)法力度增強(qiáng)，非法采沙現(xiàn)象得到遏制，但還存在私人非法偷采盜采沙的行為。因此盲目地大量向河道取沙、人為增深河道，破壞了河床的穩(wěn)定性，加大了河床比降，改變了閩江下游水沙動(dòng)力條件，是閩江河床急劇刷深的重要原因。

因此，閩江水口下游河道無(wú)序采沙是導(dǎo)致閩江通海航道整體大幅下切演變的重要人為因素。

1.3 航道整治工程

航道整治工程對(duì)航道穩(wěn)定性、河床演變產(chǎn)生影響，閩江通海航道一、二期整治工程分別對(duì)沿程淺灘進(jìn)行整治，通過整治建筑的約束和調(diào)整，使河寬縮窄，平面上把河道調(diào)整為微彎的優(yōu)良河勢(shì)，調(diào)整了漲落潮流路，淺灘處流速增加，在整治工程陸續(xù)實(shí)施過程中，各淺灘水深普遍大幅提高，大嶼、新豐、中沙淺灘水深增幅一般都在1.5 m左右，最深達(dá)6.8 m(大嶼淺灘)。兩期工程實(shí)施后產(chǎn)生了顯著的整治效果，河勢(shì)穩(wěn)定，水深呈逐年變好的趨勢(shì)，床沙粒徑粗化，增強(qiáng)了航道的抗沖刷能力，邊灘部分泥沙淤積于壩田區(qū)，當(dāng)洪水過程作用時(shí)，邊灘部分有整治建筑約束，對(duì)河口區(qū)河床穩(wěn)定性的影響要遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于水口電站建庫(kù)以前同級(jí)天然洪水過程。

2 河床沖淤演變

閩江通海航道馬尾至川石島芭蕉尾航段長(zhǎng)約35 km，屬口內(nèi)河段，兩岸山勢(shì)較近，巖盤突出，岸坡較穩(wěn)定，河床多為沙質(zhì)，兩岸可動(dòng)性小于河床可動(dòng)性。島嶼多，汊道多，河床寬窄相間，差別懸殊，呈藕節(jié)狀。河道灘槽相間，深淺交替。局部寬闊河段，曾出現(xiàn)過較大的主泓擺動(dòng)，但整治工程實(shí)施后，主泓已基本得到控制，河勢(shì)趨于穩(wěn)定；芭蕉尾至外沙航段長(zhǎng)約15 km，屬口外河段，因水域遼闊，兩側(cè)邊界控制性差，河槽相對(duì)寬淺，主泓有一定的擺動(dòng)，芭蕉尾北導(dǎo)堤修建后，上段邊界條件得到一定的改善，河勢(shì)趨于穩(wěn)定，但下段外沙河槽仍處于變化狀態(tài)。

基于1999年—2020年實(shí)測(cè)地形資料，分1999年—2003年、2003年—2007年、2007年—2011年、2011年—2015年、2015年—2020年等5個(gè)階段分析閩江口河床的沖淤演變規(guī)律，圖3為1999年—2020年河床沖淤平面分布圖，其中正值表示沖刷深度，負(fù)值表示淤積厚度。

(1)1999年—2003年。

1999年—2003年期間河床有沖有淤，河床整體相對(duì)穩(wěn)定，總體為沖刷，4 a期間河床總體平均刷深0.40 m；河道60%左右的區(qū)域?yàn)闆_刷，平均沖刷強(qiáng)度0.34 m/a；局部發(fā)生淤積，主要集中在新豐淺灘至內(nèi)沙段，平均淤積強(qiáng)度0.27 m/a。

(2)2003年—2007年。

主槽沖刷較強(qiáng)，平均沖刷強(qiáng)度0.29 m/a；閩安峽谷段及長(zhǎng)門口附近下切強(qiáng)度大，最大下切達(dá)6.72 m/a；淤積以內(nèi)、外沙附近為主，平均淤積強(qiáng)度0.16 m/a。

(3)2007年—2011年。

河床總體仍以沖刷為主，平均沖刷強(qiáng)度0.25 m/a；沖淤分布基本以長(zhǎng)門口為分界點(diǎn)，長(zhǎng)門內(nèi)已沖刷為主，長(zhǎng)門外內(nèi)沙、外沙發(fā)生較大面積淤積，平均淤積強(qiáng)度0.15 m/a，佛手沙與鐵板沙之間斜跨航道的沙梗略有發(fā)展。2007年攔門沙增深工程實(shí)施，NW2、N7壩建成后，內(nèi)、外沙淤積較2003年—2007年有所增長(zhǎng)，這與2010年的異常天氣有很大關(guān)系，2010年6月起，持續(xù)發(fā)生暴雨到特大暴雨，閩江流域發(fā)生特大洪水，閩江下游水口水庫(kù)入庫(kù)洪峰流量超過32 000 m3/s，接近30 a一遇。水口水庫(kù)開閘泄洪，使得下游來水來沙激增，洪水出長(zhǎng)門口后，過水?dāng)嗝嫱蝗粩U(kuò)大，水動(dòng)力減弱，導(dǎo)致洪水挾帶的泥沙在口外淤積。

(4)2011年—2015年。

主槽總體為沖刷，河道57%區(qū)域發(fā)生沖刷，平均沖刷深度0.33 m/a，最大刷深區(qū)位于馬祖印附近，局部最大刷深達(dá)到12.25 m；局部區(qū)域淤積，平均淤積強(qiáng)度0.22 m/a，主要要集中在外沙段，大部分淤積厚度在2 m內(nèi)。

(5)2015年—2020年。

主槽總體為沖刷，平均刷深0.54 m；河道65%區(qū)域發(fā)生沖刷，平均沖刷深度0.31 m/a，局部最大刷深達(dá)到16.5 m，位于白巖潭附近；局部區(qū)域淤積，平均淤積強(qiáng)度0.19 m/a，主要要集中在外沙段，大部分淤積厚度在2 m內(nèi)。

3 深泓線變化

閩江通海航道河段寬度370～2 800 m，最窄處位于金牌門處。圖4為深泓線平面圖，圖5為深泓線縱斷面對(duì)比變化圖。1999年—2020年，深泓線平面擺動(dòng)幅度不大，整體基本呈全線下切狀態(tài)，整個(gè)河段深泓高程平均下降8.8 m，尤其是白潭頭附近最大刷深達(dá)30 m，大嶼牛礁附近最大刷深32.56 m，松門附近最大刷深25.7 m，松門至亭江碼頭區(qū)域普遍刷深較大，最大刷深約26 m；亭江至琯頭附近刷深普遍在5 m以內(nèi)，局部刷深較大，最大約12 m；琯頭至金牌門區(qū)域除金牌門附近水域刷深較大，最大刷深28 m，其余區(qū)域大部分刷深在5 m及以下；金牌門至馬祖印航段最大刷深位于YSC潛壩附近，最大刷深約32 m，其余區(qū)域刷深基本在10 m以內(nèi)；內(nèi)沙段刷深基本在5 m以內(nèi)，外沙段水深較為穩(wěn)定，有沖有淤，沖刷基本在2 m以內(nèi)。

3-a 1999年—2003年 3-b 2003年—2007年 3-c 2007年—2011年 3-d 2011年—2015年 3-e 2015年—2020年圖3 1999年—2020年河床沖淤平面分布圖

Fig.3 Plane distribution map of riverbed erosion and silting from 1999 to 2020圖4 深泓線平面圖Fig.4 Plan of the deep horizon圖5 深泓線縱斷面Fig.5 Longitudinal section of the deep heave line

4 淺灘沖淤變化

閩江河口區(qū)有6處礙航淺灘，依據(jù)淺灘特點(diǎn)，以長(zhǎng)門口為界，可分為長(zhǎng)門內(nèi)淺灘和長(zhǎng)門外淺灘。圖6為淺灘附近河道斷面圖。

長(zhǎng)門內(nèi)有大嶼、新豐、中沙三處淺灘，特點(diǎn)為：河床斷面寬，漲落潮分離，上下深槽交錯(cuò)，中間沙埂斜臥航道，淺灘屬沙咀型交錯(cuò)淺灘。河床為沙質(zhì)，汛期淤積，汛后淺灘略有沖刷。

長(zhǎng)門外有馬祖印、內(nèi)沙、外沙三處淺灘，特點(diǎn)為：河床斷面寬，左右基本無(wú)邊界約束，水流分散，淺段長(zhǎng)，淺灘無(wú)明顯上下深槽，是陸地向海洋延伸而出現(xiàn)的沙埂，河床為沙質(zhì)，汛期淤積，洪峰流量在20 000 m2/s以上時(shí)，淤積更多，枯季略有沖刷，淺灘河床斷面大，淺灘呈攔門沙型。

(1)大嶼淺灘。

大嶼淺灘河段白巖潭、大嶼西側(cè)牛礁臨近水域沖刷較大。6-a斷面：白巖潭臨近水深自2014年刷深劇烈，2020年較2014年6 a間最大刷深達(dá)22 m，2020年較2019年深槽最大刷深達(dá)10 m，變化劇烈。6-b斷面：大嶼淺灘右岸20 a來基本保持穩(wěn)定，河道中心牛礁附近自2003年后刷深較明顯，2011年較2003年大片淺灘水域刷深8～14 m，2020年較2011年局部水域刷深約15 m。

(2)新豐淺灘。

新豐淺灘作為潮汐河口汊道分流口淺灘，淺灘成因可能為河道出閩安峽谷后河床急聚展寬，增寬約54%，河道分汊，水流分散，流速降低，泥沙落淤。梅花水道口沖刷，使主流南偏，造成上下深槽交錯(cuò)加大，過渡段變長(zhǎng)，水深變淺。6-c斷面：2003年—2017年沖刷較明顯，河道中部淺灘逐年下切，總體刷深約3～7 m，兩岸地形相對(duì)穩(wěn)定。下游至瑯岐閩江大橋水域河道中部沖刷明顯，兩側(cè)邊灘較為穩(wěn)定，1999年—2020年總體刷深基本在2 m以內(nèi)。

(3)中沙淺灘。

中沙淺灘作為潮汐河道卡口上游交錯(cuò)淺灘。淺灘成因可能為長(zhǎng)門卡口壅水，航道北側(cè)礁盤阻水影響；上游、下游深槽交錯(cuò)，漲、落潮流路分離，航槽過渡段流速變小。6-d斷面：琯頭附近水深2003年相對(duì)1999年有局部淤積，北岸淤積厚度將近3 m，2007年后5 m等深線開始逐步萎縮，逐年沖刷，2020年較2007年刷深約7.6 m。南岸瑯岐作業(yè)區(qū)下游總體沖刷，上游側(cè)航道與南岸之間水域呈現(xiàn)淤積現(xiàn)象，最大淤積厚度達(dá)6 m。

(4)馬祖印淺灘。

馬祖印淺灘屬潮汐河口卡口下游分汊型淺灘。6-e斷面：封鎖線卡口下游出現(xiàn)深槽并逐年刷深，2011年—2014年期間刷深較明顯，最大刷深約8 m，2014年后水深基本保持穩(wěn)定，范圍逐漸擴(kuò)大?？诟浇?999年—2020年總體刷深最大值15.8 m。

6-a 大嶼上游淺灘斷面圖 6-b 大嶼下游淺灘斷面圖

6-c 新豐淺灘斷面圖 6-d 中沙淺灘斷面圖

6-e 馬祖印淺灘斷面圖 6-f 內(nèi)沙淺灘斷面圖

6-g 外沙淺灘斷面圖圖6 淺灘附近河道斷面圖Fig.6 Section of the river near the shoal

(5)內(nèi)沙淺灘。

內(nèi)沙淺灘是閩江河口內(nèi)攔江沙。淺灘成因可能為淺灘河床斷面寬闊，尤其出芭蕉尾后是半無(wú)限邊界。熨斗水道分流，使水流分散，內(nèi)沙航道流速減少，泥沙易淤。熨斗水道與川石水道的漲潮相位差，使熨斗水道漲潮流頂托川石水道漲潮流致使泥沙易在內(nèi)段落淤。另外鹽淡水的混合與泥沙的絮凝作用造成外段漲落潮流路不一致。6-f斷面：粗蘆島西風(fēng)石附近深槽向口外發(fā)展，自二期整治工程竣工以來，內(nèi)沙淺灘的5 m深槽基本維持貫通的狀態(tài)，2007年閩江口攔門沙增深工程實(shí)施后，閩江通海航道至2012年從未進(jìn)行過維護(hù)疏浚，2014年—2020年芭蕉尾附近出現(xiàn)10 m深槽并逐年發(fā)展。

(6)外沙淺灘。

外沙是閩江入海航道最后一個(gè)淺灘，為外攔門沙。外沙淺灘海域?qū)掗?，左右無(wú)邊界約束，整治工程實(shí)施難度較大，只能靠疏浚維護(hù)水深。6-g斷面：2003年—2020年外沙段航槽兩側(cè)有沖有淤，整體基本保持穩(wěn)定。

5 結(jié)論

本文基于閩江河口1999年—2020年實(shí)測(cè)水沙、地形資料，通過對(duì)1950年—2020年來水來沙、1999年—2020年河床演變情況、深泓線橫向縱向變動(dòng)、6個(gè)淺灘斷面等資料分析，研究了閩江通海航道及外沙、內(nèi)沙、馬祖印、中沙等淺灘近些年的沖淤演變規(guī)律及其主要影響因素，具體結(jié)論如下：

(1)上游來沙大幅度減少是引起河道河床大幅下切的主要因素，河道人為無(wú)序采砂是導(dǎo)致河道整體大幅下切演變的重要人為因素，整治工程對(duì)河床的演變也起到一定作用。

(2)1999年—2020年測(cè)圖顯示：閩江通海航道總體沖刷，馬尾至粗蘆島航段刷深較大，河床總體平均刷深約4.6 m，平均沖刷強(qiáng)度0.22 m/a，近5 a平均沖刷強(qiáng)度0.19 m/a，內(nèi)外沙航段變化幅度較小，近5 a平均沖刷強(qiáng)度0.07 m/a。

(3)1999年—2020年深泓線、淺灘縱橫斷面圖顯示：深泓線平面擺動(dòng)幅度不大，整體基本呈全線下切狀態(tài)、整個(gè)河段深泓高程平均下降8.8 m，白潭頭臨近水域最大刷深達(dá)30 m，大嶼牛礁臨近水域最大刷深32.56 m，松門臨近水域最大刷深25.7 m，松門至亭江碼頭區(qū)域普遍刷深較大，最大刷深約26 m；亭江至琯頭臨近水域刷深普遍在5 m以內(nèi)，局部刷深較大，最大約12 m；琯頭至金牌門區(qū)域除金牌門臨近水域刷深較大，最大刷深28 m，其余區(qū)域大部分刷深在5 m及以下；金牌門至馬祖印航段最大刷深位于YSC潛壩附近，最大刷深約32 m，其余區(qū)域刷深基本在10 m以內(nèi)；內(nèi)沙段刷深基本在5 m以內(nèi)，外沙段水深較為穩(wěn)定，有沖有淤，沖刷基本在2 m以內(nèi)。

(4)航道通航條件?，F(xiàn)閩江通海航道上大嶼淺灘，新豐淺灘、中沙淺灘均已消失，馬祖印淺灘也逐漸萎縮，整個(gè)河道經(jīng)過整治后通航條件得到改善，現(xiàn)閩江通海航道整體通航條件較好，除內(nèi)外沙航段需要定期進(jìn)行維護(hù)疏浚，其余航段水深均能滿足通航要求。