采砂對淮河蚌埠段河勢穩(wěn)定與防洪安全影響分析

摘要：

河道無序采砂導致淮河蚌埠段河床發(fā)生劇烈變化，為了分析采砂對該段河勢穩(wěn)定和河道防洪安全的影響，開展了蚌埠段河道采砂影響研究?；诤拥浪程匦浴⒑哟惭葑円?guī)律，通過現(xiàn)場觀測、理論分析和數(shù)值計算等方法，從堤防灘地、水文測站、水利工程、橋梁管線等方面對河道采砂影響進行了評估，并提出了淮河蚌埠段河道安全保護范圍。結果表明：① 淮河干流蚌埠閘至沫河口段2008年以前自然演變緩慢，河床較為穩(wěn)定，而2008年以后無序采砂造成了河床劇烈變化，且長時間內(nèi)難以自然修復；② 采砂坑具有數(shù)量多、深度大、邊坡陡且極不穩(wěn)定等特性，易導致斷面滑動、河道不平整影響水文測驗，危害防洪安全以及其他涉河設施安全和管理；③ 根據(jù)河道管理要求，淮河干流蚌埠閘至沫河口段河道兩堤范圍內(nèi)，需要進行保護的區(qū)域面積占總面積的95%以上，即淮河蚌埠段河道已無可采砂區(qū)域，需將其劃定為禁止采砂區(qū)。研究成果可為淮河采砂規(guī)劃、河道保護管理和工程治理提供參考。

關 鍵 詞：

河道采砂； 河床演變； 河勢變化； 防洪安全； 蚌埠段； 淮河

中圖法分類號： TV131

文獻標志碼： A

DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2023.03.003

0 引 言

安徽省淮河河道采砂始于20世紀80年代后期，至90年代后期已形成一定的規(guī)模，2000年以后濫采亂挖現(xiàn)象日趨嚴重?；春娱_采的砂石大部分為遠古年代沉積的地層砂，而且由于河道狹窄彎曲，險段多，濫采亂挖易造成灘地塌陷，嚴重影響堤防安全和河勢穩(wěn)定。

關于河道采砂影響的研究，涉及河床演變［1-2］、采砂管理［3-4］、河湖生態(tài)［5-6］、航道整治［7-8］ 、防洪安全［9-10］等諸多方面，采用方法主要為原型觀測資料分析、物理模型試驗和數(shù)值模擬方法。楊興菊等［11］通過實測資料分析了人工采砂對蚌浮段河床演變的影響；陳曉宏［12］、韓龍喜［13］等分析了采砂對近珠江三角洲河道水文情勢、河床特征、口門延伸及河口萎縮等的影響；毛野等［14-15］采用河工模型試驗的方法研究了大規(guī)模采砂對河床局部變形及河段變形的極限影響；賴永輝等［16-17］構建了采砂河段二維水動力數(shù)學模型，可以精細地模擬和描述采砂河流中的水沙運動變化情況。以上研究多數(shù)從某一方面進行深入分析，理論性較強，而對具體河道采砂影響的綜合性分析不多，難以直接應用于河道管理和工程治理。

為了保障淮河干流河勢穩(wěn)定和防洪安全，基于河道水沙特性及自然沖淤演變規(guī)律，通過現(xiàn)場觀測、理論分析和數(shù)值計算等方法，評估了采砂對該段河道河勢和涉河設施的影響。研究成果對于淮河采砂規(guī)劃和加強采砂管理具有較大的意義，也可以為河道保護管理和工程治理提供參考。

1 河段概況

淮河干流蚌埠閘至沫河口段河長約28 km，是蚌埠市的城中河，為順直微彎河段，現(xiàn)狀堤距為750～1 780 m。河段上游為蚌埠閘水利樞紐，左岸為淮北大堤，右岸為蚌埠城市圈堤、方邱湖防洪堤，是保護淮北平原和蚌埠市的主要防洪屏障。吳家渡水文站位于蚌埠閘下游8 km處，是淮河防洪重要控制節(jié)點。此外，還分布了龍子湖等13座排澇站，解放路淮河大橋等8座跨河大橋，以及眾多碼頭、管線、取水口等。

近年來，淮河濫采亂挖現(xiàn)象嚴重，相關部門已經(jīng)采取一系列工程和非工程措施，遏制了非法采砂，處理了險工險段，保障了河道安全，但是無序的偷采活動仍然造成了嚴重后果?；春痈闪靼霾汉佣沃鞑圩兓瘎×?，部分斷面急劇下切，出現(xiàn)多個深坑，深泓變化劇烈，岸坡變陡、失穩(wěn)，多處灘地出現(xiàn)崩退現(xiàn)象，局部河段灘地寬度不足20 m。局部深坑導致部分河段水流紊亂，對所涉及淮河干流堤防、水利工程、水文測站、港口橋梁、過河管線、水運航道等方面產(chǎn)生了不同程度的影響?；春影霾憾魏拥篮觿菁爸饕こ涛恢靡妶D1。

吳家渡水文站位于蚌埠閘下游8 km處，其水沙資料可以反映蚌埠閘至沫河口段河道的來水來沙情況?；?950～2016年吳家渡長系列水沙資料，從徑流量的統(tǒng)計結果（見圖2）可知：吳家渡水文站多年平均徑流量為264億m3，不同年代徑流量總體呈隨機變化特征，無明顯增加或減少的趨勢。從泥沙的統(tǒng)計結果（見圖3）可知：吳家渡站多年平均輸沙量為773萬t，多年平均含沙量為0.27 kg/m3，各年代平均輸沙量及含沙量隨時間推移均呈明顯遞減趨勢。2000年之后，含沙量基本維持在0.10～0.20 kg/m3，未來一段時間內(nèi)仍然處于少沙期［18］。

2 采砂對河勢穩(wěn)定的影響

2.1 河床自然演變規(guī)律

淮河干流蚌埠閘至沫河口段河道在2008年之前采砂量較少，河床沖淤主要為自然演變結果。采用1971～2008年實測地形計算河道沖淤量及其分布，結果表明：灘地表現(xiàn)為微淤或沖淤基本平衡狀態(tài)，淤積

總量524萬m3，平均每年淤積1.07 cm；主槽表現(xiàn)為沖刷，沖刷幅度較小，沖刷總量1 522萬m3，平均每年沖刷2.63 cm?；春觾砂兜谭赖男拗购樗s束在兩堤之間，有利于河勢控制和河道發(fā)育，平面形態(tài)基本穩(wěn)定，在上游來水、來沙條件不發(fā)生較大變化的情況下，淮河干流中游河道在未來一段時期內(nèi)仍將保持較穩(wěn)定的狀態(tài)。

2.2 采砂對河床演變的影響

2.2.1 地形法沖淤計算

2008～2015年蚌埠閘至沫河口段河道采砂量巨大，河段主槽河床出現(xiàn)多個深坑，局部河段灘地寬度減少，主槽寬度增加。采用2008年和2016年兩次實測地形圖對河道近期變化進行詳細分析，見圖4。河段總長約28 km，下切較為嚴重的河段長度約9 km，占總河長的1/3；小蚌埠段切灘工程位置灘地略有回淤，信家灣灘地大量崩塌，導致主槽局部抬高；其他區(qū)域河床高程變化較小，高程變化基本在0.5 m以內(nèi)。采砂坑具體分布于蚌埠閘下游2 km處、大慶路橋、吳家渡水文站、解放路橋、長淮衛(wèi)橋以及信家灣至沫河口段等位置，局部下切10 m以上，其中信家灣附近下切深度接近20 m。2016年河道容積（計算高程為22 m，包括全部主槽和灘地）相對2008年增加了約3 600萬m3，其中6處深坑容積變化約3 500萬m3，其他區(qū)域容積變化較小，有沖有淤。

2.2.2 輸沙法沖淤計算

為了和地形法沖淤結果進行對比分析，選取2008～2016水沙資料，進行輸沙法計算。該段河道水沙進口控制站為吳家渡站，河段下游有小柳巷站，可以作為水沙出口控制站。2008～2016年間，吳家渡站總輸沙量2 100萬t，約1 400萬m3，年均輸沙量233萬t，約155萬m3。吳家渡至小柳巷段河道長110 km，累計沖刷量約為120萬t，約80萬m3。輸沙法計算表明：蚌埠段來沙量較小，河床沖淤基本平衡，局部微沖，沖刷量較小。輸沙法計算的沖刷量遠小于地形法的容積變化量，

且在現(xiàn)有的水沙條件下，長時間內(nèi)河床難以自然修復。

2.3 水文斷面分析

1971～2015年吳家渡斷面灘槽位置保持穩(wěn)定，灘地基本保持穩(wěn)定，深槽偏右岸，主槽發(fā)生兩次顯著下切，主槽演變主要分為兩大階段。

第一階段：1971～2009年，其間經(jīng)歷了1975，1982，1991，2003年和2007年較大洪水，但斷面河底高程并沒有因為大洪水發(fā)生突變，自然狀態(tài)下，主槽一直保持穩(wěn)定，略有下切，深泓年平均下切約0.05 m。

第二階段：2010～2015年，與第一階段相比，主槽變化較大，河底高程下切至-4.2～-10.3 m之間，主槽斷面面積擴大較多，斷面圖見圖5。2014年10 m水位以下河槽面積與2012年相比，增大了70%，而2014年吳家渡站實測最大流量為3 320 m3/s，屬于中小洪水年份，不會造成大規(guī)模沖刷，而非法采砂導致斷面劇烈變化，進而造成大規(guī)模沖刷。

3 采砂對防洪安全的影響

3.1 堤防灘地穩(wěn)定分析

依據(jù)GB 50286-2013《堤防工程設計規(guī)范》中有關滲流及滲透穩(wěn)定計算的規(guī)定，對現(xiàn)狀堤防及岸坡抗滑穩(wěn)定進行技術分析，計算方法采用畢肖普法計算，計算工況為設計洪水位。選取典型斷面對堤防和灘地抗滑穩(wěn)定性進行分析，即蚌埠閘與大橋路橋之間（D1）、解放路橋下游（D2）、鄭家渡鐵路橋上游（D3）和蚌埠至五河高速路橋上游（D4），原河段斷面和采砂后河道灘地坡面穩(wěn)定性對比結果見表1。

根據(jù)規(guī)范要求，對于1級堤防正常運用條件下抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)為1.25。計算結果表明：原河道斷面穩(wěn)定系數(shù)均大于抗滑穩(wěn)定系數(shù)，河道斷面是穩(wěn)定的；采砂后斷面邊坡變陡，砂層裸露，斷面穩(wěn)定系數(shù)顯著降低，小于抗滑穩(wěn)定系數(shù)，不滿足抗滑穩(wěn)定要求，斷面可能發(fā)生滑動。

3.2 水文測驗數(shù)據(jù)影響分析

蚌埠段吳家渡水文站設立于1913年，是淮河中游重要控制站，是國家Ⅰ類水文站，主要監(jiān)控蚌埠段淮河干流水量，其測量精度為一類的基本閘壩站。主要監(jiān)測項目有水位、流量、含沙量、降雨量、蒸發(fā)量、懸移質(zhì)輸沙率、水質(zhì)、土壤墑情和輔助氣象等，為省、市、縣各級防汛抗旱部門提供重要水文數(shù)據(jù)。

由前述分析可知，水文斷面附近河道地形不穩(wěn)定，河道不平整，出現(xiàn)明顯的不良流態(tài)，增加了測驗難度和測驗誤差，主要表現(xiàn)在：① 枯水時期，水文測量斷面面積增加較多，顯著改變了測流斷面流速，導致河道流速低于傳統(tǒng)轉子流速儀最小量程，流向不穩(wěn)定，測驗幾乎無法開展；② 使用ADCP測流時，測流斷面河道底部有較大深坑，受斷面不平整及河道停船影響，走航式多普勒流速儀的多次測量數(shù)據(jù)存在差異，導致數(shù)據(jù)不穩(wěn)定，給測驗帶來難度；③ 在河道流速較低時，整個河道流態(tài)紊亂，各點流速流向無規(guī)則脈動，隨機性很大，除了水平方面的“紊流”，斷面垂直方向也存在“漩渦”，使測量流速不一致，導致斷面測驗流量跳動較大，增加測驗難度和數(shù)據(jù)誤差；④ 大洪水時期，斷面突然擴大，導致灘地出現(xiàn)大面積回流，難以準確測量斷面流量，且水位流量關系發(fā)生變化，流量誤差顯著增加，水面橫向比降大，給相關防汛部門調(diào)度決策帶來困擾［19］。

3.3 涉水建筑物安全分析

3.3.1 防洪工程

蚌埠段河道局部灘地崩退，主槽急劇下切對水工建筑及其他涉河建筑產(chǎn)生不利影響，形成險工險段，增加防汛壓力，如蚌埠閘閘下護坡和海漫、淮河堤防、部分取水口及排澇溝等。

蚌埠閘位于淮河干流，是淮河中游大型水利樞紐工程，具有防洪、灌溉、航運、水力發(fā)電、交通、旅游等綜合功能。近些年，蚌埠閘下游1 500～2 500 m出現(xiàn)一個較大的采砂坑，2008年河床高程在7.5～8.5 m左右，2016年河床高程降至-2.0～-5.5 m，采砂坑最大深度約14 m。護坡下部土方掏空，造成護坡塌陷；蚌埠閘下海漫下游的采砂坑邊坡失穩(wěn)，沙坑不斷向上游延伸，導致海漫末端被損壞，影響其消能防沖效果。如果任由采砂活動繼續(xù)進行，發(fā)生大洪水時，可能危及護坡、閘下海漫和消力池安全，甚至閘室安全。

淮北大堤鄭家渡段，灘地局部已至坡腳，水涯線位置已形成陡坎，岸坡主體大面積整體下墜，灘地岸唇均有不同程度的后退，局部岸唇距堤腳距離不足20 m，部分水面以上坡比僅為1∶0.5～1∶1.5，并有持續(xù)發(fā)展的趨勢。

3.3.2 橋梁管線

從2008年和2016年地形比較可以看出，大慶路、解放路和長淮衛(wèi)淮河公路橋上、下游河段河床高程變化較大。以解放路淮河公路橋為例，2008年橋墩附近主槽河床高程為7～8 m，2016年橋墩附近主槽河床高程為-3～8 m，平均下切6 m，局部下切深度10 m以上，且分布極不均勻；橋下游更是形成高程-10 m的深坑，高程變化見圖6。采砂導致橋梁上下游河床劇烈下切，引起橋墩位置沖刷和邊坡失穩(wěn)，向上、下游及兩岸發(fā)展，造成橋墩墩臺基底埋置深度不足，影響橋梁安全；橋下流態(tài)紊亂，斷面流速分布差異較大，嚴重影響通航安全；橋墩處河底高程差別較大，進一步加劇了沖刷。

3.4 其他方面影響分析

（1） 灘地砂場嚴重阻水，影響防洪安全。沿淮砂堆場眾多，大多數(shù)沿外河灘地順岸布置，每年汛前清除灘地砂堆場都是防汛部門的一個難題?；春友雌诤樗畞韯菅该?，水位陡漲，有些砂堆場無法及時清除，留在河道內(nèi)占據(jù)行洪斷面，影響淮河防洪安全。

（2） 航道堵塞流態(tài)惡化，影響航運安全。采砂船集中某一地點卸砂作業(yè)，占據(jù)了航道，造成航道堵塞，過往船只無法通行。局部河段地形劇烈變化，過流斷面面積突變，進而使河道水動力軸線出現(xiàn)擺動、局部回流和流速偏大等不良流態(tài)，也影響航運安全。

（3） 淮河水體嚴重污染，破壞生態(tài)環(huán)境。非法采砂船以柴油為動力，造成水體石油類污染急劇增加；采砂人員排放的生活廢棄物、垃圾，也嚴重污染水體；采砂作業(yè)還造成周邊水體渾濁、透明度降低、硫酸鹽濃度和pH升高。

（4） 影響在建和規(guī)劃工程的設計與施工。蚌五高速橋址處灘地出現(xiàn)崩退，橋墩附近出現(xiàn)大面積坍塌，迫使設計和施工單位臨時改變橋墩施工工藝，進行大面積的灘地護岸工程，影響橋梁施工。蚌埠市延安路過河通道工程原規(guī)劃為隧道工程，由于擬建隧道處河道下切嚴重，河床高程由5～7 m下切至最深處-11 m左右，增加了隧道埋深，也增加了兩岸的接線困難，隧道方案無法進行，只能改為橋梁方案。

4 河道安全范圍確定

根據(jù)河道管理要求中灘地（堤防）、港口橋梁、水利樞紐建筑物、水文站點、閘門泵站等保護范圍，繪制蚌埠段河道安全采砂區(qū)域見圖7。結果表明：淮河干流蚌埠閘至沫河口段河道兩堤范圍內(nèi)，需要進行保護區(qū)域面積占總面積的95%以上，即該段河道內(nèi)任何區(qū)域的采砂及其他破壞河床活動，均可能影響涉河工程設施安全和日常管理，影響河勢穩(wěn)定，危害防洪安全。

5 結 論

（1） 淮河蚌埠段河道自然演變緩慢，灘地基本穩(wěn)定，主槽微沖，沖刷幅度較??；而采砂導致局部河床劇烈變化，出現(xiàn)多處深坑和崩岸現(xiàn)象，其影響遠大于自然演變，且河道天然來沙量少，長時間內(nèi)該段河床難以得到自然修復。

（2） 淮河蚌埠段河道采砂坑分布較多，且深度大、邊坡陡、極不穩(wěn)定，已經(jīng)影響河道灘地和堤防穩(wěn)定，危害防洪安全。此外，河床劇烈變化增加吳家渡水文站測驗難度和數(shù)據(jù)誤差，影響防洪調(diào)度；采砂坑對橋梁、管線、碼頭等涉水建筑物安全產(chǎn)生不利影響，增加日常運行管理難度。

（3） 淮河蚌埠段河道已經(jīng)沒有可采砂區(qū)域，建議將其劃定為禁止采砂區(qū)，并加強該段河道、橋梁、管線、航道、碼頭等防洪及其他涉水工程設施的觀測和維護；進一步強化河段的采砂管理，嚴格杜絕非法采砂，并對危害防洪安全的部位加強治理。

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（編輯：謝玲嫻）

Impact of sand mining on river regime stability and flood control safety in Bengbu section of Huaihe River

BEN Peng1，2，LU Meining3，LU Haitian1，2，PENG Liang1，2

（1.Water Resources Research Institute of Anhui Province and Huaihe River Commission of MWR，Hefei 230000，China； 2.Anhui Province Key Laboratory of Water Conservancy and Water Resources，Hefei 230000，China； 3.Jiangsu Hongze Lake Water Conservancy Project Management Office，Huai′an 223100，China）

Abstract：

Disorderly sand mining in rivers leads to drastic changes in the riverbed of Bengbu section of the Huaihe River.In order to analyze the impact of sand mining on river regime stability and river flood control safety in this section，the impact of sand mining in Bengbu section was studied.Based on the characteristics of water and sediment in the river channel and the law of river bed evolution，the impact of river sand mining was evaluated from the aspects of embankments and beaches，hydrological stations，water conservancy projects，bridges and pipelined，etc.And the range of river channel needed to be protected in Bengbu section was proposed.The results show that：① Before 2008，the natural evolution of the section from Bengbu Gate to Mohekou，the main stream of the Huaihe River，was slow and the riverbed was relatively stable.After 2008，the disorderly sand mining caused drastic changes in the riverbed，and it was difficult to recover naturally for a long time.② Sand pits have the characteristics of large number，large depth，steep slope and extremely unstable，which can easily lead to section sliding and uneven riverbed，affecting the hydrological test work，endangering the safety of flood control and the management of other river-related facilities.③ According to the requirements of river management，within the scope of the two embankments of mainstream from Bengbu Gate to Mohekou Section，the area to be protected accounts for more than 95% of the total area，that is，there is no sand-mining area in the Bengbu section of the Huaihe River，so it is required to be designated as a sand mining prohibited area.The research results can provide a basis for sand mining planning，river channel protection management and water conservancy project management in Huaihe River.

Key words：

river sand mining；riverbed evolution；river regime change；flood control safety；Bengbu section；Huaihe River