楊云平, 王建軍, 李曉星, 徐俊鋒, 王義安

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

近幾十年來，極端自然條件和人類活動嚴重影響了河床變形[1]。人類活動導致的擾動往往會迅速加速或改變自然過程和趨勢，從而導致河道調整的時間尺度縮短[2]。對于韓江下游河道而言，國內學者側重于徑流豐枯、周期性演化[3-7]、泥沙輸移量[8]等方面開展了相關研究工作，明確了流域水、沙輸移規(guī)律及其成因。在河道沖淤方面：1989～2008年期間，韓江上下游呈現(xiàn)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(xiàn)有河勢[9]；1960～1998年期間韓江下游及三河洲區(qū)域河床沖刷主要是人工無序挖砂所致[10]；采砂活動已使得榴煌站平均水位下降了0.6 m[11]，也會對生態(tài)環(huán)境產生影響[11-12]。在通航水位方面：利用1974～2006年資料，計算了不穩(wěn)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[13]，并發(fā)現(xiàn)潮安站最低通航水位增加約30%，北江、西江等均降低30%左右的特點[14]。準確把握歷史時期及近期河道、航道演變規(guī)律，是河勢控制與航道整治工程取得預期效果的前提，只有摸清其調整的成因，其整治措施才更有針對性，治理效果才能事半功倍。隨著韓江干流樞紐工程的建設，通庫區(qū)航水深得到一定改善，給航道水深的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，擬在現(xiàn)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。已有研究成果總結了河庫的近期(2008年以前)沖淤演變，為支撐航道擴能升級工程的論證工作，仍需進一步開展韓江下游河床沖淤規(guī)律及其成因進行研究。

本文收集了2002～2017年期間8套地形圖，系統(tǒng)分析了河道沖淤量、斷面及深泓變化，基于河道泥沙輸移平衡關系，結合河道采砂量分析，確定了韓江三河壩-潮州供水樞紐段河道沖淤的主控因素，為航道擴能升級工程提供支撐。

1 研究區(qū)域及資料

1.1 研究區(qū)域

韓江發(fā)源于廣東省紫金縣的七星崠，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)。本文研究區(qū)域為韓江三河壩-潮州供水樞紐河段，位于韓江下游，河道全長約116 km，其中三河壩-高陂樞紐段約28 km，高陂樞紐-東山樞紐段約37 km，東山樞紐-潮州供水樞紐段約51 km(圖1b)。

1.2 資料

收集了2002～2017年期間共8套地形資料，用于分析斷面、深泓及河道沖淤變化，其中選取2002年5～9月、2008年11～12月、2015年11月和2017年11月地形計算河床沖淤量(表1)。

2 三河壩-潮州供水樞紐段深泓及斷面變化

2.1 河道斷面變化

三河壩-潮州供水樞紐河段的河床選取6個代表斷面，從深泓變化上看，斷面的沖淤幅度較大。各斷面變化特點為(圖2)：8#斷面2002～2008年期間為左淤右沖，基本遵循天然河道的演變規(guī)律，2008～2015年期間斷面普遍沖刷，2015～2017年期間斷面右側單向沖刷；10#斷面2002～2008年、2008～2015年和2015～2017年期間均為沖刷趨勢；26#斷面2002～2008年期間為左淤右沖，2008～2015年期間為左沖右淤，基本遵循天然河道的演變規(guī)律，2015～2017年期間左沖，右側變化相對較小；30#斷面2002～2008年期間沖淤變化不大，2008～2017年期間斷面單向沖刷，最大沖刷深度達10 m以上；44#斷面2002～2008年期間為左淤右沖，2008～2017年期間右側整體沖刷趨勢，最大沖刷深度達5.0 m以上；50#斷面2002～2012年期間為單向下切趨勢，2012～2015～2017年期間經歷了淤積轉為沖刷的過程。整體上，2008年以前斷面形態(tài)變化基本遵循自然河流的演變規(guī)律，2008年以來河道局部沖深明顯，并表現(xiàn)為單向沖刷的特點。

圖1 韓江中下游河道位置圖及斷面選取(據(jù)文獻[8])Fig.1 Location map and section selection of the lower reaches of Hanjiang River

序號測量時間地形范圍研究內容12002年5～9月三河壩-潮州供水樞紐斷面、深泓、沖淤量及強度22005年5月高陂樞紐-東山樞紐斷面、深泓32008年11～12月三河壩-歸湖鎮(zhèn)斷面、深泓、沖淤量及強度42010年3月三河壩-高陂樞紐,東山樞紐-歸湖鎮(zhèn)斷面、深泓52012年11月東山樞紐-歸湖鎮(zhèn)斷面、深泓62013年12月東山樞紐-歸湖鎮(zhèn)斷面、深泓72015年11月三河壩-潮州供水樞紐斷面、深泓、沖淤量及強度82017年11月三河壩-歸湖鎮(zhèn)斷面、深泓、沖淤量及強度

2.2 深泓變化

繪制三河壩-潮州供水樞紐段的河道深泓變化圖(圖3)，分析表明：2002～2017年期間三河壩-高陂樞紐河段的深泓縱向整體為下切趨勢，河段平均下切深度為1.92 m，其中2008～2017、2015～2017年期間分別下切1.19 m和0.11 m；2002～2017年期間高陂樞紐-東山樞紐河段深泓縱向整體為下切趨勢，河段平均下切深度為1.15 m，最大下切深度為5.2 m，其中2008～2017年、2015～2017年平均下切深度分別為0.75 m和0.65 m；2002～2017年期間，東山樞紐-潮州供水樞紐河段深泓縱向整體為下切趨勢，河段平均下切深度為5.38 m，最大下切深度為12.5 m，其中2008～2017年、2015～2017年期間平均下切深度分別為4.37 m和0.97 m(東山樞紐-歸湖鎮(zhèn))。

3 三河壩-潮州供水樞紐段河道沖淤變化及成因

3.1 三河壩-高陂樞紐河段沖淤分析

三河壩-高陂樞紐河段河床沖淤變化特點為(表2，圖4)：2002～2008年期間河段總淤積量為12.8×104m3，平均淤積厚度為0.012 m；2008～2015年期間河床大幅沖刷，總沖刷量為538.2×104m3，平均沖刷深度為0.71 m；2015～2017年期間河床仍延續(xù)沖刷趨勢，總沖刷量為49.2×104m3，平均沖刷深度為0.15 m。整體上，三河壩-高陂樞紐河段由淤積轉為沖刷，并繼續(xù)維持沖刷趨勢。

圖2 三河壩-潮州供水樞紐河段代表斷面變化Fig.2 Represents the change of section in Sanhe Dam-Chaozhou Water Supply Project

圖3 三河壩-潮州供水樞紐河段縱向深泓變化Fig.3 The longitudinal thalweg change in Sanhe Dam-Chaozhou Water Supply Project Section

年份沖淤量/(104m3)年均沖淤量/(104m3·a-1)平均沖淤幅度/m2002～2008+12.8+2.13+0.0122008～2015-538.2-76.88-0.7102015～2017-49.2-24.60-0.150

1)表中沖淤量和沖淤厚度，正值表示淤積，負值表示沖刷

圖4 2008～2017年三河壩-高陂樞紐河段沖淤量及累計沖淤量Fig.4 The amount of scouring and deposition and the cumulative amount of deposition in Sanhe Dam-Gaobei hydro-junction during 2008～2017

3.2 高陂樞紐-東山樞紐河段沖淤分析

高陂樞紐-東山樞紐河段沖淤變化特點為(表3，圖5)：2002～2008年期間河床總淤積量為38.5×104m3，河段平均淤積厚度為0.04 m；2008～2015年期間河床為沖刷趨勢，總沖刷量為452.2×104m3，平均沖刷深度為0.56 m；2015～2017年期間河床仍維持沖刷趨勢，總沖刷量為804×104m3，河段平均沖刷深度為0.95 m。整體上，高陂樞紐-東山樞紐河段由淤積轉為沖刷，且沖刷幅度有增大趨勢。

3.3 東山樞紐-潮州供水樞紐河段沖淤分析

東山樞紐-潮州供水樞紐河段沖淤變化特點為(表4，圖6)：2002～2008年期間河床總沖刷量為1 759×104m3，平均沖刷深度為1.98 m，其中沖刷幅度最大的位置在歸湖韓江特大橋下游，最大沖深達11 m；2008～2015年期間河床總沖刷量為1 584×104m3，平均沖刷深度為1.75 m。其中東山樞紐-歸湖韓江特大橋區(qū)間以沖刷為主，歸湖韓江特大橋下游淤積為主；2015～2017年期間河床總沖刷量為624×104m3，平均沖刷深度為0.57 m。整體上，東山樞紐-潮州供水樞紐河段為沖刷趨勢，沖刷強度較大。

表3 高陂樞紐-東山樞紐河段河床沖淤量Table 3 The sediment erosion-accumulation in Gaobei-Dongshan hydro-junction

圖5 2008～2017年高陂樞紐-東山樞紐沖淤量及累計沖淤量變化Fig.5 The amount of scouring and deposition and the cumulative amount of deposition in Gaobei-Dongshan hydro-junction during 2008～2017

年份沖淤量/(104m3)年均沖淤量/(104m·a-1)平均沖淤幅度/m2002～2008-1759.0-293.17-1.982008～2015-1584.0-226.29-1.752015～2017-624.0-312.00-0.57

圖6 2008～2017年東山樞紐-歸湖河段沖淤量及累計沖淤量變化Fig.6 The amount of scouring and deposition and the cumulative amount of deposition in Dongshan hydro-junction-Guihu section during 2008～2017

3.4 沖淤成因分析

在自然河流演變過程中，水沙條件是引起河床沖淤的主要因素。隨著人類活動的增加，樞紐工程的建設改變了水沙輸移過程，或快或慢的改變了河床沖淤速度。采砂活動直接使得河床局部陡然增深，在沖淤圖上出現(xiàn)不均勻沖刷坑。為了進一步探討韓江中下游河床沖淤的成因，主要從河道區(qū)間泥沙輸移平衡角度出發(fā)，計算區(qū)間泥沙輸移量和采砂量，明確河床沖淤的主控因素。

收集了2008～2015年橫山站、溪口站和潮安水文站的輸沙量資料，利用泥沙沖淤平衡方法計算自然條件下的河床沖淤量。2009～2015年期間，橫山站、溪口站和潮安站輸沙總量分別為654×104t、137.8×104t和872×104t(圖7a)，即三河壩-潮州供水樞紐河段自然條件下的河床沖刷量為80.2×104t，取泥沙淤積物干容重值為1.30 t/m3，采用輸沙量方法得到的河床沖刷量為61.7×104m3。2008～2015年期間廣東省水利廳公布的韓江規(guī)劃采砂資料，此期間規(guī)劃采砂總量為740.9×104m3(圖7b)。

圖7 2008～2015年期間韓江主要水文站輸沙量及河道采砂量Fig.7 The sediment transport and the amount of sand in the main hydrological stations of Hanjiang during 2008～2015

實測資料分析表明，2008～2015年期間三河壩-歸湖河段的總沖刷量為2574.2×104m3，河床自然沖刷量為61.7×104m3，規(guī)劃采砂量為740.9×104m3。河床自然沖刷占總沖刷量的比例為2.39%，采砂占的比例為28.78%。其余部分是無序采砂及航道整治工程作用產生的河床沖刷量。采砂活動的結果使得河床的河槽容積增加，增加河床沖刷量。航道整治工程作用使得工程影響區(qū)域的河床沖刷，沖刷的泥沙在向上游或下游輸移過程中，淤積不完全集中在航槽內，使得航槽沖刷。若是在水文站附近實施航道整治工程，也可能會影響自然條件的沖刷量，從輸沙量平衡方法計算的自然沖刷量的量值上看，這一作用是較小的。綜上分析認為，韓江干流三河壩-歸湖河段的河床沖刷下切主要是由河床采砂引起的。

4 結 論

本文通過對2002～2017年韓江三河壩-潮州供水樞紐河段河道沖淤量、深泓及斷面的分析，基于泥沙輸移與河床沖淤關系，結合河道采砂活動，明確了引起近期河床沖淤變化的主控因素，取得的主要結論為：

1)河道深泓上，三河壩-高陂樞紐、高陂樞紐-東山樞紐及東山樞紐-潮州供水樞紐河段均為下切趨勢，2002～2017年期間河床平均下切分別為1.92、1.15和5.38 m。斷面形態(tài)變化由自然演變特點，轉變?yōu)橐匀珨嗝鏇_刷為主要形式。

2)2002～2008年期間韓江三河壩-東山樞紐河段略有淤積，2008～2017年期間為沖刷趨勢，其中三河壩-高陂樞紐沖刷強度減小，高陂樞紐-東山樞紐河段沖刷強度增加。2002～2008年、208～2015年及2015～2017年期間，東山樞紐-潮州供水樞紐河段河道均沖刷，且沖刷強度先減小后增大。

3)基于河段區(qū)間泥沙輸移平衡理論，計算了河道區(qū)間泥沙補給量，結合河道采砂量，分析認為韓江干流三河壩-歸湖河段的河床沖刷下切主要是由河床采砂引起的。