不同頻率洪水作用下閩江下游采砂規(guī)劃對河道演變的影響

魏志洪

(福州城建設計研究院有限公司，福建 福州 350001)

閩江是福建省最大的河流，流域面積為60992km2，沙洲、邊灘等地貌發(fā)育。近年來，隨著閩江上游河流梯級開發(fā)電站，河道水力條件和泥沙運動發(fā)生改變[1]。20紀90年代，閩江下游(即水口電站至閩江入海口)開始大量采砂(流域水系見圖1)。由于當時福州及其周邊城市的基礎建設迅速發(fā)展，且部分周邊地區(qū)嚴禁采砂，所以閩江砂石的需求量急劇增加。由于閩江砂質優(yōu)良、價錢低廉，在經(jīng)濟利益的驅動下，各類采砂船遍及閩江下游河段，在無規(guī)劃、無總量控制的情況下，形成濫采亂挖局面。據(jù)有關部門統(tǒng)計，閩江每年采砂量約為2000萬～3000萬m3。

圖1 閩江下游流域水系

福州市政府為正確引導閩江下游采砂良性發(fā)展，不斷出臺相關文件，打擊非法采砂行業(yè)發(fā)展，保護閩江下游正常采砂，使閩江河道采砂由雜亂無序逐漸向規(guī)范有序轉變，非法采砂基本得到控制。

1 閩江下游洪水及泥沙補給分析

1.1 洪水分析

1.2 泥沙補給分析

閩江下游多年平均泥沙補給量為244.33萬m3，水口水電站修建后閩江下游來水沒有顯著性差異，但對來沙有顯著性差異。在這種差異的作用下，閩江下游河道原有的水沙平衡遭到破壞，河道河勢發(fā)生明顯變化[3]。

由1993—2013年竹岐站實測水沙資料可知[4]：來沙量最大的年份為2010年，為881萬m3，其次為2006年的501萬m3，第三為1998年的488萬m3。因此，本次模型計算時，選用2010年水沙系列作為代表，截取2010年汛期實測出庫流量大于3000m3/s水沙系列中的部分資料和對應的潮位過程作為模型的控制邊界。多沙工況下水口水電站流量過程及琯頭站對應潮位過程同水動力工況下邊界保持一致。竹岐站各年實測來水來沙資料見圖2。

圖2 竹岐水文站1950—2013年來水來沙分布情況

2 河道采砂規(guī)劃

2.1 規(guī)劃總體布置

根據(jù)《閩江下游福州段2018—2020年河道采砂規(guī)劃報告》，閩江下游河道整治規(guī)劃范圍為閩江下游河道總長93km河段，一共規(guī)劃19個禁采區(qū)，5個可采區(qū)，3個保留區(qū)。

設置可采區(qū)主要是為了合理利用境內的河沙資源，確保各方面正常運行。保留區(qū)是指在河道管理范圍內采砂具有不確定性，或是在可采區(qū)內有沖刷加深趨勢或已開采過量，需要對采砂可行性進行進一步論證的區(qū)域。

2.2 規(guī)劃控制可采量

規(guī)劃可采區(qū)的采砂量納入建筑砂料年度采砂控制總量，確定2018—2020年規(guī)劃期內閩江下游3年采砂控制總量為391.1萬m3，其中閩清段為34.7萬m3，閩侯段為356.4萬m3。具體規(guī)劃情況見表1。

表1 2018—2020年閩江下游河道規(guī)劃采砂量

3 河道演變影響研究

在閩江下游河道資料的基礎上建立模型。模型研究范圍與采砂規(guī)劃范圍一致，上游邊界選取水口大壩斷面，下游邊界選取馬尾羅星塔斷面，總長93km。模型河道地形采用各次采砂規(guī)劃實測地形(羅零高程系統(tǒng))，單元數(shù)為17635，節(jié)點數(shù)為32919。采用凍結法處理干濕邊交替，濕水深取0.100m，淹沒水深取0.050m，干水深取0.005m。

通過以上模型對閩江下游河道在遭遇到5年一遇、20年一遇、50年一遇以及100年一遇4種不同頻率洪水時，河道采砂規(guī)劃前后河床斷面的沖淤變化進行影響研究。具體見圖3～圖6。

圖3 遭遇5年一遇洪水采砂前后河床典型斷面沖淤變化

圖4 遭遇20年一遇洪水采砂前后河床典型斷面沖淤變化

圖5 遭遇50年一遇洪水采砂前后河床典型斷面沖淤變化

圖6 遭遇100年一遇洪水采砂前后河床典型斷面沖淤變化

典型斷面河床沖淤變化研究表明，在白河江河段可采區(qū)、埕頭河段可采區(qū)、沙白頭河段可采區(qū)、馬坑河段可采區(qū)、唐舉河段可采區(qū)，河道下切嚴重，采砂量越大其河床沖淤變化越大。在馬坪河段保留區(qū)、大目埕河段保留區(qū)、竹岐河段保留區(qū)，采砂前后典型斷面河床沖淤變化不大。

由于可采區(qū)河道采砂導致河床下切，過水面積增大，采砂前后的淤積能力產(chǎn)生變化，采砂量越多，變化值越大。由于河道中間流速較快，兩岸灘地流速較慢，兩岸的淤積能力比河道中間的淤積能力高。在保留區(qū)，同樣表現(xiàn)為兩岸的淤積能力比河道中間的淤積能力高，但采砂前后斷面變化不大，表明采砂活動對保留區(qū)的沖淤變化影響較小。在不同的流量條件下，采砂前后沖淤變化差值隨流量增加而逐漸減小，5年一遇洪水流量條件下采砂前后沖淤變化值最大，100年一遇洪水流量條件下采砂前后沖淤變化值最小。

4 結 論

a.針對閩江下游河道遭遇到5年一遇、20年一遇、50年一遇以及100年一遇4種不同頻率洪水情況時，通過模型對采砂規(guī)劃前后洪峰時的河床沖淤及斷面流速進行研究，揭示了在不同頻率洪水作用下，閩江下游河道采砂規(guī)劃對河道演變的規(guī)律。

b.洪水流量越大，采砂前后河床沖淤變化值越小；洪水流量越小，采砂前后河床沖淤變化值越大。河道采砂導致的河床沖刷變化影響范圍主要集中在可采區(qū)，對保留區(qū)影響較小。造成這種影響的主要原因是河道來沙量較少，河道淤積能力較弱，采砂活動對河床沖刷能力的影響較大，可采區(qū)河道下切明顯。

c.由于河道采砂，在可采區(qū)內采砂坑范圍從上游向下游擴展，不斷淘刷河床與堤岸交界處，使沖刷范圍加劇、擴大。尤其是采砂坑橫向變化，范圍的擴大可能危及兩岸堤防安全。同時，根據(jù)有關水文資料統(tǒng)計，水口水電站建成后閩江來水量無明顯變化，但來沙量卻大幅減少，加上河道曾因大規(guī)模的采砂使刷深明顯，河床下切嚴重。河道來沙量降低，河道沖刷能力上升，河床持續(xù)下切，河道防洪能力下降。

d.模型研究表明，采砂規(guī)劃可采區(qū)對洪峰流速與河床的沖淤變化影響顯著。閩江下游河段，河勢相對復雜，涉河建筑物眾多[5]。現(xiàn)有閩江下游河道下切嚴重，河沙開采已接近飽和，建議下一階段，閩江下游河道不再設置可采區(qū)，盡量減少采砂規(guī)劃對河道進行的干擾，使其自主補充沙源，自我調節(jié)，休養(yǎng)生息。