韓江高陂樞紐至東山樞紐段河床演變及治理效果研究

王建軍, 楊云平, 李曉星, 王晨陽, 徐俊鋒

(交通運輸部天津水運工程科學研究所 工程泥沙交通運輸行業重點實驗室, 天津300456)

近年來，隨著流域社會經濟發展對航運的需求增加，急需進一步提高航道尺度。對于韓江下游河道而言，國內學者在徑流豐枯、周期性演化[1-5]、泥沙輸移量[6]等方面開展了大量研究工作，闡明了流域水沙輸移規律及其成因。在河道沖淤方面：1989—2008年期間，韓江上下游呈現不同的沖淤變化趨勢，上游河段呈淤積趨勢，而下游河段呈沖刷趨勢，并預計今后一段時期內，總體上仍將維持現有河勢[7]；1960—1998年期間韓江下游及三河洲區域河床沖刷主要是人工無序挖砂所致[8]；采砂活動已使得留隍站平均水位下降了0.6 m，也會對生態環境產生影響[9-10]。在通航條件上：利用1974—2006年資料，計算了不穩定流及河床下切條件下的韓江干流航道設計最低通航水位[11]，并發現潮安站最低通航水位增加30%，北江、西江等均降低30%左右[12]。韓江中下游存在大量的采砂活動，對通航水位產生明顯影響[13]。隨著韓江干流樞紐工程建設，通航水位得到一定改善，給航道水深提高帶來了有利條件。近期，廣東省航道局啟動了“韓江三河壩至潮州港航道擴能升級工程”項目，通過必要的工程措施，將全線航道等級提升為1 000 t級(或500 t級)。已有研究成果總結了河道演變、設計水位變化，隨著航運需求增加，需進一步研究河道沖淤變化、航道水深進一步提高的可能性，為航道擴能升級工程論證工作提供支撐。

本研究收集了2002—2017年期間5套地形圖，分析了河道沖淤量、斷面及深泓變化，利用平面二維數學模型手段，研究確定了韓江高陂樞紐至東山樞紐段的設計最低和最高水位，并模擬計算了整治工程實施后航道條件變化，論證航道水深提高的技術可行性。

1 研究區域河道及航道概況

1.1 河道概況

韓江發源于廣東省紫金縣七星崠，梅江為主干流，由西南向東北流經五華、興寧、梅縣至大埔的三河壩與汀江匯合后稱韓江，而后折向南流，經豐順、潮州、澄海、汕頭等縣市，于汕頭、澄海兩市匯入南海(圖1a)。主要支流有汀江、五華水、寧江、石窟河和梅潭河，干流全長約470 km，流域集水面積約30 112 km2。韓江三河壩以上稱為上游，三河壩至潮州竹竿山為中游，竹竿山以下為下游，至潮州市進入韓江三角洲河網區，分為東溪、西溪、北溪，由下游五閘入海。本文研究區域為韓江高陂樞紐至東山樞紐河段，河段全長約37 km (圖1b)。

a) 韓江流域 b)高陂樞紐—東山樞紐圖1 韓江流域和中游高陂樞紐至東山樞紐河道位置及斷面

1.2 航道及樞紐運行狀態

三河壩至廣濟橋段已按V級航道整治建設，同時河段已建東山樞紐、潮洲樞紐，在建高陂樞紐，規劃建設有葛布樞紐，已建船閘有東山船閘、南溪橋閘、東里橋閘。廣東省航道局于近期啟動了“韓江三河壩至潮州港航道擴能升級工程”項目，擬在現行航道基礎上，通過新建船閘或改建、改造已有樞紐船閘和航道整治、改造(改建、重建)不能滿足通航凈空尺度要求的橋梁等措施，將研究河段航道等級提升為1 000 t級(或500 t級)航道。

高陂樞紐以防洪、供水為主，兼顧發電和航運等綜合性水利樞紐，于2015年10月開工建設，預計2021年投入使用。高陂樞紐正常蓄水位38.65 m，發電最低運行水位30.65 m，供水最低運行水位28.65 m。高陂水利樞紐配套建設1座Ⅳ級船閘，船閘有效尺度2.00 m×18.00 m×3.05 m。

東山樞紐于2006年9月動工興建，一期圍堰于2006年10月成功合攏。東山樞紐為徑流式電站，原則上不對徑流進行調節，樞紐正常蓄水位為26.15 m，其調度運行方式：①上游來水流量Q≤1 567 m3/s(6臺機組滿發流量)時，攔河閘門全部關閉，維持正常蓄水位26.15 m運行，上游來水全部供電站發電；②上游來水量1 567 m3/s

2 河道演變分析

2.1 河道沖淤變化

以枯水位為對象，統計高陂樞紐至東山樞紐段枯水位以下的河槽容積，進一步計算得到河床沖淤量(表1、圖2)，河床沖淤特點為：2002年9月至2008年11月期間河床總淤積量為38.50×104m3，年均淤積量為6.43×104m3/a；2008年11月至2015年11月期間河床為沖刷趨勢，總沖刷量為452.20×104m3，年均沖刷量為64.60×104m3/a；2015年11月至2017年11月期間河床仍維持沖刷趨勢，總沖刷量為804.00×104m3，年均沖刷量402.00×104m3/a。整體上，高陂樞紐至東山樞紐河段由淤積轉為沖刷，且沖刷強度為增大趨勢，枯水河槽的沖刷，有利于航道水深的改善與提升。

表1 高陂樞紐至東山樞紐河段河道沖淤量

注：表中沖淤量和沖淤厚度中正值表示淤積，負值表示沖刷

注：a) 2002年9月至2008年11月 b) 2008年11月至2015年11月 c) 2015年11月至2017年11月圖2 高陂樞紐至東山樞紐河段的河道沖淤分布

2.2 深泓變化

繪制高陂樞紐至東山樞紐段河道深泓變化(圖3)，分析表明：2002年9月至2017年11月期間高陂樞紐至東山樞紐河段深泓縱向整體為下切趨勢，平均下切深度為1.15 m，最大下切深度為5.2 m，其中2008年11月至2017年11月、2015年11月至2017年11月期間平均下切分別為0.75、0.65 m。

a) 深泓變化

b) 深泓累計下切值圖3 高陂樞紐至東山樞紐段縱向深泓變化

2.3 斷面變化

高陂樞紐至東山樞紐河段選取6個代表斷面(圖4)，從深泓變化上看，斷面沖淤幅度較大。各斷面變化特點為：3號斷面位置為整體沖刷；7號斷面凸岸側淤積，凹岸側以沖刷為主；12號斷面2002年9月至2008年11月期間為左淤右沖，2008年11月至2015年11月期間為左沖右淤，基本遵循天然河道的演變規律，2015年11月至2017年11月期間左沖，右側變化相對較小；16號斷面2002年9月至2008年11月期間沖淤變化不大，2008年11月至2017年11月期間斷面單向沖刷，最大沖刷深度達10 m以上；19號斷面處于微彎段，2009年9月至2017年11月期間整體表現為凸岸淤積凹岸沖刷的特點；23號斷面處于順直段，整體以沖刷為主，深泓游右擺較為明顯。

a) 3號斷面(彎道段)

b) 7號斷面(彎道段)

c) 12號斷面(彎道段)

d) 16號斷面(彎道段)

e) 19號斷面(彎道段)圖4 斷面變化

f) 23號斷面(彎道段)續圖4 斷面變化

3 航道條件分析

設計水位、通航水深、河道沖淤及治理效果等，均采用平面二維水流泥沙數學模型，泥沙模型包含了懸移質和推移質，模型建立過程及驗證見文獻[14]。

3.1 最低、最高通航水位計算

高陂水利樞紐10 a一遇洪水流量為11 130 m3/s，樞紐恢復天然河道行洪狀態。東山樞紐10 a一遇洪水流量11 381 m3/s，樞紐恢復天然河道行洪狀態。依據GB 50139—2014《內河通航標準》相關內容，樞紐上、下游設計最高通航水位分別采用10 a一遇的天然洪水位，即高陂樞紐下游設計最高通航水位為39.38 m。高陂樞紐正常蓄水位為38.65 m，較10 a一遇洪水位低。因此，高陂樞紐下游的設計最高通航水位為39.38 m。東山樞紐正常蓄水位為26.15 m，10 a一遇洪水流量為11 381 m3/s，根據二維數學模型計算，相應東山樞紐上游水位為26.62 m，較樞紐正常蓄水位高。因此，東山樞紐上游設計最高通航水位為26.62 m (圖5)。

東山樞紐壩上航道設計最低通航水位：東山樞紐正常蓄水位為26.15 m。通過統計東山樞紐近年來發電放水的消落水位基本在0.50 m以內，因此，東山樞紐壩上航道設計最低通航水位考慮發電放水消落0.50 m，即25.65 m。高陂水利樞紐壩下航道設計最低通航水位：通過數學模型計算，采用高陂水利樞紐下游保證率P=95%日最小流量(Q=98 m3/s)與東山樞紐壩上航道設計最低通航水位37.45 m組合推算，為25.84 m。根據調查資料，近年來東山樞紐蓄水位最低值為22.65 m。另據數學模型計算，當上游來流量為3 000 m3/s，樞紐敞泄，樞紐上游水位為19.13 m。因此，東山樞紐上游庫區河段設計通航水位應取流量3 000 m3/s敞泄時水位和東山樞紐最低運行水位中的低值。

圖5 高陂樞紐至東山樞紐段最低最高通航水位計算

3.2 航道水深分析

最低通航水位下水深不足2.5 m的河段主要集中在高陂壩下至高陂大橋，該段為高陂樞紐壩下河段，水深大多在1.5～2.0 m(圖6)；高陂大橋至東山樞紐河段為東山樞紐庫區河段，水深條件較好，最低通航水位下水深基本在3.0 m以上，滿足設計航道尺度要求。

圖6 高陂樞紐至東山樞紐河段設計航線位置水深

4 航道整治工程及效果分析

4.1 整治工程方案介紹

高陂樞紐至東山樞紐河段整治工程類型為疏浚、丁壩拆修及新建(表2)，其中疏浚量為1.34×105m3，疏浚位置主要在高陂樞紐至高陂田家炳大橋區域，其中田家炳大橋附近疏浚區域較為集中。疏浚量計算起始地形時間為2017年11月，超挖0.3 m，邊坡1∶3。丁壩修復和新建均按300 t級航道整治時丁壩的設計參數進行整治，整治寬度從125 m調整至160 m。根據韓江300 t 級航道整治時丁壩結構設計，修復后的丁壩采用梯形斷面如下。

a) 丁壩壩身頂寬1.6 m，壩頭長10.0 m，頂寬2.6 m，迎水坡1∶1.25，背水坡1∶1.5，丁壩頂縱坡取1∶200，壩頭向河坡取1∶3。

b) 壩根護岸長度。上游長15 m，下游長25 m，設計水位+0.5 m以下為拋石護腳，護腳棱體頂寬2.0 m，外坡1∶1.5，以上為拋筑塊石，厚0.5 m，河岸自然邊坡略加整理平順，護坡護至壩根頂高程以上1.0 m。

c) 丁壩高程。高陂樞紐至三洲村河段，壩頂高程為設計水位以上1.5 m。舊丁壩修復主要集中高陂樞紐至三洲村河段和東山樞紐壩下至蔗溪口河段，共計修復丁壩148座。

4.2 計算條件

收集了2010—2017年潮安水文站的水沙資料，多年平均徑流量為244.8×108m3，多年平均流量775.8 m3/s，多年平均輸沙量568.2×104t (表3)。2016年徑流量為466.4×108m3，接近多年平均徑流量的2倍，考慮到大水年份河床沖淤變化較大，選取2016年為大水年份。2012年徑流量為237.5×108m3，其徑流條件與多年平均值接近，為平水年計算條件；2015年徑流量為205.6×108m3，為小水年。

4.3 整治工程對流態的影響

圖7為不同流量級下工程前后航中線位置流速變化情況，結果表明：整治工程實施后，各流量級下，設計航道內沿程縱向流速總體呈增加趨勢，橫向流速呈減小趨勢；各設計流量下，設計航道中線位置縱向流速增幅0.04～0.28 m/s，橫向流速減幅0.01～0.14 m/s；隨著流量增加，工程前后流速變化越來越小。

表2 高陂樞紐至東山樞紐段航道整治工程信息

表3 潮安站2010—2017年來水來沙情況

a) Q = 810 m3/s圖7 工程前后典型流量條件下航槽流速變化

b) Q =1 567 m3/s

c) Q =7 501 m3/s

d) Q = 9 423 m3/s續圖7 工程前后典型流量條件下航槽流速變化

4.4 整治工程對航道水深影響分析

航道整治工程集中在高陂樞紐至三洲村區段，工程內容為丁壩修復與新建。以2017年11月地形為基礎，測圖疏浚量為13.4×104m3，考慮丁壩新建及修復工程，疏浚后經歷大水年、平水年和小水年后的回淤量分別為2.7×104、1.1×104、0.6×104m3，回淤率分別為20.1%、8.2%和4.5%。從不同代表水文年河床沖淤變化看，經歷大水年、平水年及小水年航道最大沖刷深度分別為2.47、1.86、0.85 m (圖8)。從不同代表水文年后設計航道內水深變化看，高陂樞紐至東山樞紐河段設計水位下2.5 m航深能夠保持貫通，并滿足規劃航道尺度要求。

a) 河道沖刷深度

b) 航道條件變化圖8 航道整治工程后河道沖刷深度及航道水深變化

5 結論

本文研究了2002—2017年韓江高陂樞紐至東山樞紐段河道沖淤量、深泓及斷面等變化，運用平面二維數學模型手段，計算確定了最低、最高通航設計水位，并核查了不同水深航道條件，模擬計算了工程初步效果。主要結論如下。

a) 高陂樞紐至東山樞紐段河床由淤積逐漸轉為沖刷，深泓平均下切深度為1.15 m，2015—2017年與2008—2015年比較，沖刷強度略有增大。

b) 運用平面二維數學模型手段，考慮樞紐運行方式，計算得到高陂樞紐下游近壩段最低、最高通航水位分別為25.84、39.38 m，東山樞紐上游最底、最高通航水位分別為19.13、26.62 m。

c) 最低通航水位下水深不足2.5 m區段在高陂壩下至高陂大橋，水深集中在1.5～2.0 m；高陂大橋至東山樞紐河段為東山樞紐庫區河段，水深條件較好，最低通航水位下水深基本在3.0 m以上。

d) 高陂樞紐至東山樞紐河段整治工程類型為疏浚、丁壩拆修及新建，數學模型計算表明，工程后航道水深滿足2.5 m要求。

在研究過程中，航槽內雖無不良流態，但局部流速最大位置集中在彎曲段，建議進行船舶模型試驗，并進一步優化船舶操作規程。