西江干流廣東段近期輸沙變化趨勢研究

賴國友，劉宏坤，文 麗

(廣東省水利電力勘測設計研究院有限公司，廣東 廣州 510635)

0 引言

西江是珠江流域的主流，全長2075km，流域集水面積35.31萬km2，占珠江流域面積的77.8%，年徑流量和輸沙量分別占珠江的73%和88%[1]，其水沙變化直接影響著珠江的水沙變化[2]。開展西江干流廣東段近期輸沙變化趨勢及對河道演變影響，對該河道保護與治理具有重要意義。目前已有多位學者對西江干流水沙變化進行了研究，并取得了一定成果，如潘玉敏[3]利用梧州、古欖、官良和高要4個水文站的實測泥沙資料，分析了懸移質(zhì)泥沙不同時段的特征值，估算整個河段天然狀態(tài)下的泥沙沉積量；賴天锃等[4]對1960-2010年西江流域梧州-高要段水沙進行全面分析；朱穎潔[5]運用Mann-Kendall秩相關、線性趨勢回歸檢驗等方法對西江梧州段水沙時空演變特征進行分析；李海彬等[6]在分析西江近60年輸沙量特性變化的基礎上，根據(jù)庫區(qū)泥沙淤積及控制站水沙實測資料，運用Brune攔沙率方法，估算干支流梯級水庫攔沙量，提出西江水庫群攔沙率修正式，并預測在建和擬建水庫運行后西江輸沙量變化趨勢；萬家全[7]選取西江干流遷江站、大湟江口站、梧州站、高要站1957-2016年的年徑流量與年輸沙量數(shù)據(jù)，采用Mann-Kendall檢驗法、5年滑動檢驗法、累積距平法進行定量與定性分析，同時使用模擬退火算法進行非線性回歸分析，得出西江流域干流年徑流量和年輸沙量的變化規(guī)律。上述研究主要是分析了西江干流20世紀50、60年代以來水沙的變化規(guī)律，以及人類活動對其造成的影響。本文將采用近期的水沙資料分析西江干流廣東段泥沙沉積及河道演變特性，結(jié)合該河段首次開展的河砂儲量勘察，以及河床下切危害調(diào)查，對西江干流廣東段河砂管理及河道治理提出應對措施[8-10]。

1 河道概況

西江水系是珠江流域的主流。上游南盤江發(fā)源于云南省沾益縣馬雄山，至梧州會桂江后始稱西江，此后流入廣東省肇慶市封開縣，向東流經(jīng)肇慶、云浮至佛山三水的思賢滘與北江相通后進入珠江三角洲網(wǎng)河區(qū)，其中，南盤江、紅水河兩段為上游；黔江、潯江兩段為中游；西江段為下游；主要支流有北盤江、柳江、郁江、桂江、賀江、羅定江和新興江。西江流域絕大部分在云南、貴州、廣西等省(區(qū))內(nèi)。從源頭至思賢滘干流長2075km，流域集雨面積353120km2，年均徑流量2330億m3。廣東省境內(nèi)西江干流自廣西梧州、廣東封開邊界至廣東三水思賢滘，經(jīng)過云浮、肇慶2個地級市共8個縣區(qū)，河段長208km，流域面積17960km2，年均降雨量1577mm，年均產(chǎn)流量僅149.6億m3，控制站高要站實測流量最大55000m3/s，最小-2930m3/s。廣東省境內(nèi)西江干流堤防總長189.5km，保護農(nóng)田58.2萬畝，保護人口152.7萬人，堤防防洪標準為10～50年一遇。西江干流自上游南盤江云鵬水電站開始往下游，已建和在建梯級依次有云鵬、天生橋一級、天生橋二級、平班、龍灘、巖灘、大化、百龍灘、樂灘、橋鞏、大藤峽、長洲，梯級正常蓄水庫容336.78億m3，總裝機容量1448.9萬kW，西江干流梯級開發(fā)情況見表1。

表1 西江干流梯級開發(fā)情況

2 河道輸沙變化情況

2.1 主要水文站概況

西江干流主要的水文站有梧州站和高要站，梧州站位于廣東與廣西交界處，是西江進入我省的控制站，高要站位于高要市，是重點水文站，兩站對水位、流量、泥沙都有測驗。支流有賀江的古欖站、羅定江的官良站、新興江的腰古站，除腰古站只有水位、流量測驗外，其余兩站均有水位、流量、泥沙測驗。除賀江古欖站1995年以后無泥沙測驗資料外，各站采用的資料到2018年。西江流域干、支流主要水文控制站見表2。

表2 西江流域主要水文控制站表

2.2 輸沙特性分析

2.2.1水沙年際變化

根據(jù)廣東省水文局水文監(jiān)測成果，西江干流及主要支流主要水文控制站的含沙量和輸沙量統(tǒng)計成果見表3，年均流量及懸移質(zhì)輸沙量過程線如圖1-2所示。由此可以看出，西江泥沙主要來自廣西以上，西江干流梧州站1956-2018年多年平均含沙量0.257kg/m3，多年平均輸沙量5284萬t；西江干流高要站多年平均含沙量0.257kg/m3，多年平均輸沙量5781萬t。干流高要站年輸沙量較大的年份出現(xiàn)在1994、1983等年份，1983年歷史最大輸沙量13100萬t；小沙年為2011、2018等年份，2018年歷史最小輸沙量為805萬t。

圖1 干流水文站年均徑流量及懸移質(zhì)輸沙量過程線圖

圖2 支流水文站年均徑流量及懸移質(zhì)輸沙量過程線圖

表3 主要水文站含沙量、輸沙量統(tǒng)計成果表

由表3和圖1-2可以看出，1999年以前干流梧州和高要站系列相對比較穩(wěn)定，各系列均值變化不大，2000年以后系列均值減小幅度較大，梧州站和高要站2000-2018年多年平均年輸沙量分別為1931萬、2357萬t，僅占1999年以前的29%和32.2%。賀江古欖站和羅定江官良站兩站不同系列的變化相對比較大，特別是賀江古欖站，1956-1979年多年平均輸沙量141萬t，1980-1994年多年平均輸沙量58.4萬t，前者是后者的2.4倍。由于羅定江流域是我省水土流失的較嚴重的地區(qū)，官良站的輸沙模數(shù)比較大，2000年以后官良站年輸沙量有所減小，2000-2018年多年平均年輸沙量為67.8萬t，僅占1959-1999年的46.4%。三角洲馬口站1999年以前年均輸沙量為7347萬t，2000年以后年均輸沙量有所下降，為2312萬t，為1999年以前的31.5%。

從輸沙量的年際變化還可以看出，干流梧州站與高要站的變化規(guī)律基本一致，兩站年過程線走勢基本相同，這是因為兩站位于整個流域的下游，集雨面積較大，相距較近，區(qū)間面積占集雨面積的比例較小。古欖和官良站的年際變化很大，系列一致性差，這與人類活動有密切聯(lián)系。

2.2.2徑流與泥沙關系

由各站年均徑流量及懸移質(zhì)輸沙量過程線圖可以看出，西江干支流的輸沙量與其徑流量有密切關系，一般豐水年也是豐沙年，枯水年則是少沙年。由各站輸沙量和徑流的年過程線圖可以明顯看出，隨著年徑流的變大或變小，輸沙量也相應的變大或變小，且輸沙量的年際變化要大于徑流的年際變化。

2.2.3泥沙補給分析

2.2.3.1 懸移質(zhì)泥沙

對于干支流泥沙資料相對完整的西江干流河段，利用輸沙平衡原理進行規(guī)劃河段懸移質(zhì)泥沙沉積量估算，泥沙沉積量計算公式可表示為：

Ws=W干流+W支流+W區(qū)間-W輸出

(1)

式中，Ws-規(guī)劃河段懸移質(zhì)泥沙沉積量；W干流-干流輸入控制站多年平均懸移質(zhì)輸沙量；W支流-主要支流多年平均懸移質(zhì)輸沙量；W區(qū)間-主要支流之外的區(qū)間多年平均懸移質(zhì)輸沙量；W輸出-干流輸出控制站多年平均懸移質(zhì)輸沙量。以上度量單位均為萬t。

若干支流控制站斷面處有水文站，上述參數(shù)直接按相應水文站點輸沙量取值；若控制站斷面處無水文站，干支流控制斷面輸沙量根據(jù)距其最近水文站的輸沙模數(shù)和控制斷面以上流域面積進行計算。

2.2.3.2 推移質(zhì)泥沙

根據(jù)一般的研究，河流的推移質(zhì)輸沙量與懸移質(zhì)輸沙量有一定的比例關系(推懸比，用β表示)。由于西江干流沒有推移質(zhì)泥沙觀測資料，推懸比根據(jù)河流類型按表4確定，推移質(zhì)泥沙補給量計算公式可表示為：

Wt=Ws×β

(2)

表4 推移質(zhì)與懸移質(zhì)輸沙量比值關系

懸移質(zhì)泥沙沉積量Ws和推移質(zhì)泥沙沉積量Wt之和為規(guī)劃河段泥沙沉積量，即泥沙補給量。

2.2.3.3 泥沙補給量計算結(jié)果

分別按式(1)、(2)計算西江干流廣東河段懸移質(zhì)和推移質(zhì)泥沙沉積量。根據(jù)河段干、支流控制站點位置關系，干流輸入控制站W(wǎng)干流取梧州站多年平均懸移質(zhì)輸沙量；W支流計算方法：支流輸入控制站主要有賀江古欖站、羅定江官良站、新興江腰古站，其中古欖站、官良站為水文站，懸移質(zhì)輸沙量根據(jù)控制站實測輸沙模數(shù)與流域集水面積進行推算；新興江腰古站為水位站，懸移質(zhì)輸沙量根據(jù)距其最近的干流控制站輸沙模數(shù)與流域集水面積進行推算；根據(jù)各站控制輸沙模數(shù)與支流流域面積的乘積計算得出支流懸移質(zhì)輸沙量。W區(qū)間按梧州站、高要站兩站輸沙模數(shù)平均值和區(qū)間集水面積(不含主要支流)乘積計算；W輸出取思賢滘多年平均懸移質(zhì)輸沙量，按高要站輸沙模數(shù)與思賢滘口以上流域面積乘積計算。推移質(zhì)則根據(jù)表4所列的β值，考慮到本河段位于整個流域的下游，而且在進入廣東之前有長洲樞紐的攔沙作用，因此干流上控制斷面β值取0.05，其他支流及西江干流區(qū)間β值取0.1。濕沙容重一般是1.6～1.7t/m3，本文濕沙容重取1.65t/m3估算。

根據(jù)前文分析，2000年以后西江干流下游水文站年均懸移質(zhì)輸沙量明顯減少，同時考慮到2004年長洲水利樞紐實現(xiàn)外江截流，因此本次采用研究河段各站2000-2018年多年平均輸沙量進行泥沙沉積量計算，按照上述方法得出，西江干流廣東河段多年平均泥沙沉積量約為-249萬t，換算成體積為-151萬m3，見表5。從計算結(jié)果來看，2000年以后由于來沙量明顯減少，西江干流河段整體已處于沖刷狀態(tài)。

表5 西江干流廣東段2000-2018年年均泥沙沉積量計算成果

2.2.3.4 原因分析

2000年以來梧州和高要兩站懸移質(zhì)輸沙量減少的主要原因：一是上游來水量減少，2003-2007年均為連續(xù)枯水年；二是西江上游廣西境內(nèi)多項大、中型水庫的建設，梯級水庫的修建在造福人類的同時也會破壞河流的相對平衡，使得下游河道的水沙過程發(fā)生變異[6]，2003-2016年水庫群年平均攔沙約為4577.2萬，攔沙率為77.11%[7]，減少了下游泥沙的供給；三是由于河道采砂活動，使輸往下游的沙量減少；四是流域水土保持工作加強，進入河道的泥沙也減少。古欖站70年代后的輸沙量只有60、70年代的42%，減小非常明顯，初步分析可能與廣西境內(nèi)建有龜石、合面獅等多宗大、中型水庫截留了部分泥沙有關。

3 近期河道演變分析

由于西江干流大量采砂活動主要集中在2000年以后，本次收集了西江干流2004、2005、2010、2014、2020年的河道地形資料，分析河道演變情況。各河段河床容積及沖淤變化見表6。

表6 西江干流河床容積及沖淤變化情況 單位：萬m3

(1)河床平均高程變化

2004-2014年省界至肇慶大橋四條河段的河床平均高程普遍下切，下切幅度依次為1.24、2.22、3.06、2.71m。2014-2020年，省界至羅旁河段的河床平均高程普遍下切，平均下切幅度為0.17m；羅旁至肇慶大橋3條河段的河床平均高程表現(xiàn)為淤積，平均淤積厚度依次為0.94、0.12、0.67m。

2005-2010年，肇慶大橋至思賢滘河段河床平均高程沖淤交替，沖刷和淤積量相差不大；2010-2020年，肇慶大橋至思賢滘河段河床平均高程沖淤交替，總體表現(xiàn)為淤積，平均淤積厚度為0.26m。

(2)深泓高程變化

2004-2014年省界至肇慶大橋四條河段的深泓高程普遍下切，下切幅度依次為2.12、2.61、2.06、3.76m。2014、2020年，省界至羅旁河段的深泓高程下切，平均下切幅度為0.75m；羅旁至肇慶大橋3條河段的深泓高程表現(xiàn)為淤積，平均淤積厚度依次為1.64、0.09、1.51m。

2005-2010年，肇慶大橋至思賢滘河段深泓高程沖淤交替，整體呈現(xiàn)下切之勢，平均下切幅度為0.31m；2010-2020年，肇慶大橋至思賢滘深泓高程沖淤交替，整體表現(xiàn)為淤積，平均淤積厚度為0.4m。

(3)河床沖淤變化

2004-2014年，省界至肇慶大橋四條河段的河床容積均在增大，增大幅度分別為9.78%、12.22%、18.01%、15.84%，表明4段河段沖刷比淤積更顯著，合計沖刷量為31756.1萬m3。

2014-2020年，省界至羅旁河段河床容積增大，羅旁至肇慶大橋3條河段的河床容積均減小，變化率依次為3.53%、-1.39%、-0.71%、-1.25%，表明省界至羅旁河段沖刷比淤積更顯著，羅旁至肇慶大橋3條河段淤積比沖刷更顯著；但從沖淤量整體來看，省界至肇慶大橋河段整體仍處于沖刷狀態(tài)，沖刷量為404.4萬m3，較2014年之前河道下切幅度大幅減小。

2005-2010年，肇慶大橋至思賢滘河段的河床容積在增大，增大幅度為2.81%，表明此河段沖刷比淤積更顯著，累計沖刷1914.3萬m3。2010-2020年，肇慶大橋至思賢滘河段的河床容積在減少，減小幅度為0.82%，表明此河段淤積比沖刷更顯著，累計淤積量為572.7萬m3。表明2010年以后，此河段已轉(zhuǎn)為淤積狀態(tài)。

4 河砂儲量

4.1 估算方法

本次河砂儲量的計算思路如下：以2020年實測地形和地質(zhì)勘察為基礎，首先確定河砂開采范圍并結(jié)合開采控制高程采用斷面法計算理論最大河砂儲量，然后結(jié)合河床砂質(zhì)情況確定折減系數(shù)，在理論最大河砂儲量基礎上乘以折減系數(shù)計算出河砂實際儲量。河砂開采應服從防洪安全、水環(huán)境與水生態(tài)保護河勢穩(wěn)定、通航安全的要求，不能給防洪、供水、水環(huán)境與水生態(tài)、河勢、通航等帶來明顯的不利影響。結(jié)合西江干流的實際情況，本次理論最大河砂儲量計算的開采范圍按距離兩岸堤防堤腳或岸坡坡腳線50m、開挖邊坡1：5控制，確保堤防及岸坡安全?？紤]避免對堤岸及航道安全、河勢穩(wěn)定造成不利影響，開采深度不宜過大，開采控制高程按河道斷面平灘水位下的河床平均高程控制。除此之外，針對鉆孔揭露河床質(zhì)情況，非砂質(zhì)河床河段不計算儲量，同時結(jié)合鉆孔揭露砂層厚度情況，對儲量計算控制高程進行調(diào)整，使控制高程不低于砂層底高程。

4.2 儲量計算結(jié)果

為摸查廣東省內(nèi)西江干流可用砂的含量，本次布置鉆孔39個，并采用淺地層剖面測量、側(cè)掃聲納測量手段，39個地質(zhì)樁孔河床質(zhì)基本情況見表7。

表7 鉆孔分布及河床質(zhì)基本情況

西江干流界首至高要段總長度158km，2021-2025年劃定河道禁采區(qū)長113.5km，非禁采區(qū)長44.5km[9]，剖出235個河道斷面，按禁采區(qū)和非禁采區(qū)統(tǒng)計，西江干流界首至高要段禁采區(qū)內(nèi)河砂儲量合計4672萬m3，非禁采區(qū)內(nèi)河砂儲量合計995萬m3，河段儲量總計5667萬m3；按不同河段分段統(tǒng)計，西江干流河砂主要位于省界至羅旁河段，尤其是省界下丁壩壩田區(qū)河砂較多，其下由于多年采砂，儲量已相對較少。按不同河段分段統(tǒng)計河砂儲量見表8。

表8 西江干流不同河段河砂儲量統(tǒng)計表 單位：萬m3

5 結(jié)論

(1)從廣東省內(nèi)西江干流及支流主要水文控制站1956-2018年多年平均水沙變化分析成果看，2000年以后西江干流下游水文站年均懸移質(zhì)輸沙量明顯減少，多年平均泥沙沉積量約為-249萬t，河床大幅下切，河床容積增大明顯，淺灘消失，堤岸沖刷下切嚴重，危及兩岸堤防安全，2018年西江干流堤防險工段共計32處，總長29.94km[10]，應在險段位置布置丁壩等促淤工程。

(2)西江干流界首至高要段河砂儲量總計只有5667萬m3，主要集中在上游段，對偌大西江而言，已是幾近枯竭，且泥沙補給量已出現(xiàn)負值，河道總體呈沖刷狀態(tài)，所以建議對西江干流河砂長期實施全面禁采，各級人民政府應當組織水利、公安、交通、地礦等有關部門嚴格依法查處西江干流上的非法采砂活動。

(3)本文采用黃進等人20世紀70、80年代在北江測驗推算總結(jié)出的推懸比計算河道推移質(zhì)的輸移量，沒有對西江干流進行實測，因此無法精確計算泥沙補給量。

(4)本次在分析河砂儲量時未能通過測量C14的放射性確定泥沙沉積年代，無法很好分析河床演變過程。