入海河口閘下河道泥沙淤積危害評估研究

高祥宇，竇希萍，朱明成

(南京水利科學研究院河流海岸研究所，江蘇南京 210029)

我國1.8萬km大陸岸線和1.4萬 km島嶼岸線上，分布著大小入海河口約1 800多個［1］，僅長度在100 km以上的入海河流就有63條之多。入海河流的流域面積總計達431.2萬km2，占全國陸地總面積的44.9%，由入海河口注入海洋的年徑流總量達18 152.4億m3，占全國河川年徑流總量的69.8%。河口大多是繁榮富庶之地，自20世紀50年代以來，為解決河口地區農業用水和防止土地鹽堿化，修建了許多擋潮閘擋潮御海、蓄淡灌溉、排洪除澇以及防臺抗暴等。目前我國入海河口300多個已修建擋潮閘。圖1為江蘇沿海和海河流域入海河口建閘分布示意圖。入海河口修建擋潮閘后改變了河口區的潮波運動，徑流與潮流之間的能量平衡都將重新調整，陸相來沙和海相來沙都受到不同程度的阻擋，閘上閘下都將發生不同程度的泥沙淤積。河道的嚴重淤積將使擋潮閘不能正常發揮其功能并帶來一些危害，如削弱河口的泄洪能力，使防洪排澇的功能逐年降低，影響上游的排灌環境，惡化下游的通航條件，威脅水閘的正常運行等，經常投入一些工程措施來減小河道淤積帶來的危害。對于閘下河道的淤積問題研究淤積的原因和清淤減淤的措施較多［2-20］，淤積的主要原因為建閘后潮波變形、泥沙主要來源發生變化、不平衡輸沙增強等，清淤減淤措施主要為機械清淤、水力沖淤、氣動清淤、爆破清淤和采用一些工程措施防淤減淤。而其危害程度如何用指標衡量，目前研究較少。通過閘下河道淤積造成洪澇災害風險評估，來探討閘下河道淤積危害程度。

圖1 入海河口建閘分布示意Fig.1 Distribution diagram of sluices built in estuaries

1 海河流域和蘇北沿海閘下河道淤積情況及排水能力變化

入海河口的泥沙可分為砂質和泥質兩大類，砂質河口通常閘下河道淤積較輕，淤泥質河口閘下河道泥沙淤積嚴重［21］。海河流域和江蘇蘇北沿海大部分入海河口處于淤泥質岸灘，閘下河道淤積十分突出。表1為海河流域處于淤泥質海岸的主要入海河口閘下河道淤積情況。永定新河在10年期間閘下河道淤積總量就達到4 736萬m3。表2為蘇北里下四港年淤積量統計表，可以看出與建閘初相比，四港年淤積總量都在4 000萬m3左右。由于閘下河道發生不同程度的淤積，有的河口甚至接近淤死。淤積使河口河床抬高，過流斷面減小，過流能力降低，排水能力減小。表3為海河流域主要建閘河流的排水能力變化表，閘下河道的平均過流能力比設計過流能力下降60%以上(除獨流減河外)。表4為蘇北里下四港排水能力變化表，閘下河道淤積后，四港排水能力下降約在40%左右。

閘下河道淤積使河床變淺削弱過流能力，并使閘上水位壅高，淤積過厚還會影響到閘門啟閉，嚴重威脅入海河流流經區域的防洪安全，使抗災風險增大。

表1 海河流域主要入海河口閘下河道淤積情況Tab.1 Sediment deposition downstream of the sluice in Haihe River estuary

表2 蘇北里下四港年淤積量(每年汛后)統計表Tab.2 Yearly sediment deposition of four river(every year after the flood season)at Lixia Area in Northern Jiangsu

表3 海河流域主要建閘河流的排水能力變化表Tab.3 Drainage capacity changes of sluice built rivers in Haihe River basin

表4 蘇北里下四大港排水能力變化表Tab.4 Drainage capacity changes of four rivers at Lixia Area in Northern Jiangsu

2 風險評估指標

入海河口擋潮閘的主要功能是防潮和排澇，擋潮閘閘下淤積危害評估主要針對由于閘下河道淤積造成集水區域的洪澇無法及時排出以及由于風暴潮導致閘下淤積加重洪水帶來的災害，通過分析自然災害特征(致災因子的強度與頻率)、承災體易損性(人口密度和經濟發展水平等)和抗災能力，評價擋潮閘閘下淤積危害。

以建閘河口集水區域為基本分析單元，依據擋潮閘所在海岸類型指數(C)、設計泄洪流量指數(Q)，擋潮閘泄流能力變化指數(D)、擋潮閘位置指數(S)、暴雨洪澇發生強度指數(F)、暴雨洪澇災害頻率指數(Ff)、風暴潮強度指數(S)、風暴潮發生頻率指數(Sf)、承災體經濟承災能力指數(E)、人口(相對)脆弱性指數(R)和水災(相對)脆弱性指數(W)等11個指標對擋潮閘閘下河道淤積造成危害進行分析。

2.1 評估指數數值選取

2.1.1 擋潮閘所在海岸類型指數(C)

根據擋潮閘所在海岸類型，可分為淤泥質海岸、粉砂淤泥質海岸和粉砂質海岸3種類型，分別賦以C不同的值，淤泥質海岸為1.0，粉砂淤泥質海岸為0.7，粉砂質海岸為0.3。

2.1.2 設計泄洪流量指數(Q)

按照各建閘河口設計泄洪流量，設計流量 ＜500 m3/s，500～1 000 m3/s，1 000～2 000 m3/s，2 000～3 000 m3/s，＞3 000 m3/s分別賦值0.2，0.4，0.6，0.8，1.0。

2.1.3 擋潮閘泄流能力變化指數(D)

根據建閘河口閘下河道淤積程度，按照排水能力減小＜20%，20% ～40%，40% ～60%，60% ～80%和＞80%等幾種情況進行分類，分別賦值0.2，0.4，0.6，0.8和1.0代表泄流能力指數情況。

式中:D該區域擋潮閘泄流能力指數，di為區域內某一擋潮閘的排水能力指數，K為該區域擁有的擋潮閘個數。

2.1.4 擋潮閘位置指數(S)

根據擋潮閘位置可分支流河閘、短引河閘，(閘下港道長度2～3 km)和長引河閘分別賦值0.1，0.6和1.0。

2.1.5 暴雨洪澇發生強度指數(F)

暴雨是指降水強度很大的雨。依照全國統一的劃分標準，日降雨量50.0～99.9 mm稱為暴雨;日降雨量達到100.0～249.9 mm稱為大暴雨;日降雨量≥250.0 mm稱為特大暴雨。利用全國年最大三天降雨量等值線圖［22］，作為暴雨洪澇災害發生強度的依據。一般情況下，三天降雨量(p)小于30 mm時不大可能引發洪水，而大于200 mm時基本上都會引發洪水［23］。采用階梯狀隸屬函數，求暴雨洪澇發生強度指數(F):

2.1.6 暴雨洪澇災害發生頻率指數(Ff)

當某區域有1/3的地方出現洪澇災害時，記該區域出現一次小澇，當有1/3～2/3的地方出現暴雨洪澇災害時，記一次中澇，當2/3以上的區域出現暴雨洪澇災害時，記大澇一次。統計近年該區域的小澇、中澇、大澇災害出現的次數，各種等級的暴雨洪澇災害發生的頻率為各種等級總發生次數除以統計年數，然后再把這3種暴雨洪澇災害指標統計出的發生頻率進行平均后所得值作為該區域暴雨洪澇災害發生頻率。

式中:r1i表示第i年某區域出現小澇的次數，r2i表示第i年某區域出現中澇的次數，r3i表示第i年某區域出現大澇的次數，N為統計年數。

2.1.7 風暴潮發生強度指數(S)

目前我國還沒有統一的風暴潮強度的定量指標。熱帶氣旋強度按中心附近地面最大平均風速可分為臺風、強熱帶風暴、熱帶風暴和熱帶低壓，按照熱帶氣旋相同劃分則可分為四個等級［24］，分別賦予值1，2，3，4。風暴潮強度按下式計算:

式中:S為某區域的風暴潮強度，Si是該區域某一次風暴潮發生強度，M為統計年份內風暴潮次數。2.1.8 風暴潮發生頻率指數(Rf)

式中:r1i表示第i年出現臺風引起風暴的次數，r2i表示第i年出現強熱帶風暴潮的次數，r3i表示第i年出現熱帶風暴潮的次數，r4i表示第i年出現熱帶低壓風暴潮的次數，M為風暴潮統計年數，Rf為該區域的風暴潮發生頻率。

2.1.9 承災體經濟承災能力指數(E)

承災體經濟承災能力指數的含義是指發生暴雨洪澇災害時某區域單位面積上可能遭受損失的經濟總量，即該區域內單位面積上的生產總值。

式中:E表示某區域的承災體經濟承災能力指數(億元/km2)，G表示發生暴雨洪澇災害時該區域內經濟總量(某區域生產總值(GDP)的平均值)(萬億元);A為該區域的國土面積(萬km2)。E客觀反映了該區域暴雨洪澇災害可能造成的損失程度和分布情況。

2.1.10 人口(相對)易損性指數(R)

將成災人口與受災人口的比值做為衡量人口(相對)易損性的標準。

式中:pi是統計年內該區域成災人口。Qi為該區域的受災人口數。N為統計年份，該指標客觀反映了某區域人口對暴雨洪澇災害的敏感性。

2.1.11 水災(相對)易損性指數(W)

用每年洪澇災害的成災面積與受災面積的比值衡量區域面對自然水災的(相對)易損性。

式中:W表示水災(相對)易損性指數，Ai為某區域第i年由暴雨洪澇災害所造成成災面積，Bi為某區域第i年由暴雨洪澇災害所造成受災面積，N為統計年份，間接反映了該區域防御暴雨洪澇災害的能力。

2.2 典型區域擋潮閘閘下淤積易損性分析

依據上述各項擋潮閘閘下淤積易損性指標的計算方法和公式，計算得到海河流域和江蘇里下四河擋潮閘下淤積易損性分析指標的值(見表5)。

表5 閘下淤積易損性分析指標Tab.5 Vulnerability analysis indicators of deposition downstream of the sluices

3 閘下淤積綜合風險指標的計算及分級

在對各項風險指標進行數值處理的基礎上，對不同的指標給出相應的權重，構成綜合體現閘下淤積造成洪澇災害危害程度的風險指數:

式中:i為評價閘下河道淤積造成危害風險的指標標號，X'ij為第i個指標第j個建閘河道閘下淤積和河流影響區域的數值，ai為某項指標的權重，p為影響閘下淤積危害程度的指標個數，p=11，ai=(0.03，0.01，0.35，0.01，0.1，0.05，0.1，0.05，0.1，0.1，0.1)，將已求出的各區域 X'1j、X'2j、X'3j、X'4j、X'5j、X'6j、X'7j、X'8j、X'9j、X'10j、X'11j代入綜合風險指數計算公式(9)中，即可得到各閘下淤積綜合風險指標值，見表6。

表6 閘下淤積綜合風險指標值Tab.6 Integrated risk indicator values of deposition downstream of the sluices

通過計算海河流域和江蘇里下四河閘下河道淤積綜合風險指標，按閘下淤積危害可能造成洪災程度可分為五級，分別為極輕危害、輕危害、中危害、較重危害和重危害，危害程度對應綜合風險指標(見表7)。

表7 閘下港道淤積危害級別對應綜合風險指標Tab.7 Corresponding integrated risk indicators of deposition hazard level downstream of the sluice

采用5級分區法將閘下河道淤積綜合風險指數劃分為極輕危害、輕危害、中危害、較重危害和重危害，對應閘下河道淤積程度可分為輕度淤積、一般淤積、相對嚴重淤積、嚴重淤積和淤廢，等級劃分標準見表8。

按照閘下河道淤積綜合風險指標區劃危害級別與淤積程度可以看出，海河流域的海河閘和永定河閘閘下港道淤積危害程度較重，泥沙淤積為嚴重淤積;獨流減河閘下淤積危害程度為中，泥沙淤積為相對嚴重淤積。江蘇里下四河的射陽河閘和黃沙港閘閘下淤積危害程度為較重，泥沙淤積為嚴重淤積;新洋港閘和斗龍港閘閘下淤積危害程度為中，泥沙淤積為相對嚴重淤積。

表8 閘下淤積程度區劃及對應綜合風險指標Tab.8 Division and corresponding integrated risk indicators of deposition downstream of the sluice

4 結語

采用擋潮閘入海河口所處海岸類型、設計泄洪流量、泄流能力變化、擋潮閘位置、所處區域暴雨洪澇發生強度、暴雨洪澇災害頻率、風暴潮強度、風暴潮發生頻率、承災體經濟承災能力、人口(相對)脆弱性指數(R)和水災(相對)脆弱性指數(W)等11個指標進行綜合分析，將入海河口閘下河道淤積危害劃分為極輕危害、輕危害、中危害、較重危害和重危害，對應閘下河道淤積程度可分為輕度淤積、一般淤積、相對嚴重淤積、嚴重淤積和淤廢5種程度。

選取的入海河口閘下河道泥沙淤積危害評估指標僅僅是針對洪澇災害來考慮的，而且基本都是選取的歷史資料和定性估量的數據，使得評估結果還不能全面、準確地反映危害程度，要使其具有更高使用性和可操作性還需要做進一步的研究和探討。

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