拖淤工程在渤海湾泥质河口的应用分析

杨艳霞,柴树松

(1.河北省南运河河务管理处,河北 沧州 061001;2.沧州水利工程处,河北 沧州 061001)

1 渤海湾泥质河口概况[1]

渤海湾海岸线冀津段自河北省南堡以西直至山东省黄河河口的长度约385 km,均为泥质海岸。沿岸分布着多条入海河道,均为海河流域的行洪骨干河道,承担着重要的防洪减灾任务,是北京、天津及周围交通、能源基础设施、华北油田的重要防洪保障。入海河道在渤海湾形成约20个入海河口,由于这些河口是海陆双相河口,口外浅海滩涂广阔,有的宽达 10余 km。由于渤海湾口外海水较浅,海底坡度平缓,平均小于2.5/10000,形成大量的泥沙补给源。补给泥沙的颗粒较细,属典型的淤泥质类型。这种细颗粒泥沙进入水体后,不易落淤,而以浮泥形式运动,随潮流的涨落而往复挟带。随着近年来枯水年份的增多和上游水利工程的不断兴建,各河道入海径流日益减少,有的甚至于长时间断流。这对河口的涨潮消能和落潮加能作用已经非常微弱,在潮汐作用下,大量泥沙的不断落淤使入海河口均发生了严重的淤积,造成河道行洪能力严重衰减,河口淤积成为影响防洪安全的重大隐患。

2 泥质河口的治理措施分析[2]

对泥质河口淤积的治理,国内外一些科研和河口管理单位进行了不同清淤措施的实践研究和对比分析,推广的措施主要包括挖泥船(链斗式挖泥船、耙吸式挖泥船、绞吸式挖泥船)清淤、在河口修建导流阻沙堤、纳潮冲淤及机船拖淤等几种清淤方式。在渤海湾泥质河口大多采用绞吸式挖泥船清淤和机船拖淤清淤措施,对防治河道挡潮闸下的淤积均取得明显效果。

绞吸式挖泥船清淤是采用绞吸船将淤泥吸起后通过排泥管道将清除的淤泥排放至排泥场沉淀,这种清淤方式虽然成本较高,但是由于排泥场淤泥沉淀后可为城镇建设和开发提供土地,具有较大的经济效益。不过,随着滩涂开发面积逐年增加,可供排泥的空闲地越来越少,使绞吸式挖泥船清淤受到很大的限制。机船拖淤的机理是当退潮动力较弱不能将涨潮落淤的泥沙扬起时,利用机船或机船带耙具的动力设施将落淤的泥沙搅动扬起,使落潮流由次饱和输沙变为超饱和输沙,从而达到清除淤泥的目的。机船拖淤无需排泥场,不受场地限制,操作简单易行,成本仅为绞吸式挖泥船清淤成本的三分之一左右,尤其是结合汛期泄流,拖淤效果更好。多年的实践表明,拖淤是一种成本低、见效快、简单可行的清淤措施。

3 拖淤工程方案选择分析

机船拖淤包括利用自然落潮时的纯拖淤、利用上游有径流下泄时的冲淤加拖淤方式(称之为拖加冲)。通过近30年在各河口的实验及实践,在上游有弃水下泄情况下的拖加冲效果最好;在上游径流很小或无径流下泄的情况下,纯拖淤对短引河清淤效果也十分明显。

3.1 纯拖淤

纯拖淤是近 20年在北方河口应用最多的方法,是在闸门关闭的情况下拖淤工程船利用其高速旋转的螺旋浆使河床淤泥破碎、悬浮,由落潮水流把其中一部分悬沙带出河口扩散出去的方法。表 1、表 2是子牙新河、青静黄在闭闸条件下观测到的自然涨落潮过程中断面平均输沙率(即断面平均含沙量乘断面平均流量)[3]。

表1 无拖淤措施状态下的平均输沙率(子牙新河主槽闸下 1+300)

表2 纯拖淤状态下涨落潮平均输沙量对比

表1观测数据表明,在无任何拖淤措施的情况下一次涨落潮中,涨落潮断面平均输沙率比值分别为 3.4和3.2。这表明每次涨潮进入河道的泥沙有约三分之二以上的悬浮泥沙要落淤下来不能被挟带回海中。表2、表 3观测数据表明在有机船拖淤时,断面平均输沙率有了很大的提高,落潮挟沙能力也成倍增长,可见在自然潮汐条件下的纯拖淤效果还是很明显的。

表3 纯拖淤措施状态下的平均输沙率(子牙新河主槽闸下 1+300)

3.2 拖加冲

利用上游弃水结合拖淤(称之为拖加冲)的方法解决闸下引河淤积,其效果较无弃水下泄时更为明显。但随着经济的快速发展,入海径流量日趋减少,而机船拖淤在有水流下泄时效果显著,为解决上游无径流下泄的矛盾,可选择适当河口建设蓄泄水建筑物以拦蓄地表径流和上游弃水集中下泄。这样一来需要资金较多,拖淤成本增加,推广有一定的困难。目前多是仅在汛期利用汛期弃水进行拖淤施工。表 4为子牙新河利用弃水拖加冲拖淤方式 1+300断面处平均输沙率的观测数据[3]。根据表 4与表 1、表 3的观测数据对比可知,在利用上游径流条件下的拖加冲方式拖淤时,断面平均含沙量和断面平均输沙率较上游无水情况下的纯拖淤方式有相当大的提高,清淤效果非常明显。

表4 拖加冲拖淤方式下断面平均输沙率(子牙新河主槽闸下 1+300)

3.3 拖淤工具的选择

拖淤工具的作用是直接松动、搅起床面泥沙使其离开河床底部,并希望将淤泥能扩散到上层水体。经过多年的实践运用,在渤海湾泥质河口一直使用的有以下4种拖淤工具。

1)平动式耙具。这种耙具是最早在泥质河口使用的拖淤耙具,耙齿制作为三角形。其牵引长度长短对拖淤效果影响不大,制作简单,方便实用,适宜在泥质较软的河床,拖淤效果较好。

2)开边耙。开边耙包括三角形开边耙和犁式开边耙2种形式。三角形开边耙在底边一端安设犁头,另一端安设与水流成45°角的固定舵板(劈水板),船体行进时的水流作用于舵板,产生横向分力推动耙具靠近河岸,犁头切削河床逐渐开宽。该耙具效果较好,适用于泥质较软的河床。犁式耙具是在长1.5 m、宽0.8 m用三角铁焊接的长方形框架中,安设4个犁头,其中一个犁按相反方向安设,耙具前进中产生不平衡作用,将耙具推向岸边起到开边作用。但该耙具的扬动作用较小,适用于硬泥质河床,与其它耙具配合使用效果较好。

3)滚动式耙具。由船体牵引时耙具滚动,由本身自重(自重250 kg)将铁铲插入土中,带出泥沙,借滚动产生的离心力使泥沙悬扬扩散到河槽中。此种耙具制作复杂,效果较好,适于河床质地较硬的情况。

4)船体本身。船体快速前进时,推进器的轮叶旋转作用于水流产生急剧扰动,将床底泥沙翻起。另外,船体的行进使船前水面雍高,推进器又将附近水量向后排出,形成船前船后均比船尾附近水面高出约 1 m,水头两次冲击河岸,在岸坡上造成顺水流方向的涡流,急剧淘刷河岸。当水深不大时,机船本身就能拖深和扩宽河床,效果较好。

4 结语

综上所述,在入海河口防洪工程投资匮乏,拖淤经费紧张的情况下,利用纯拖淤或拖加冲方式的机船拖淤清淤是解决河口淤积投资少、见效快的有效办法,清淤效果还是十分明显的,能在一定程度上缓解入海河口淤积的问题,为京津冀地区的防洪减灾提供保障。但由于拖淤工程比较适用于淤泥质河口清淤,对于河口内的陈年固结性泥沙还必须投入足量资金使用机械方法疏浚(挖泥船、高压射流泵等),确保河道行洪安全。

[1]王志民.海河流域水资源管理研究 [M].天津：天津科学技术出版社,2001,35-122.

[2]董振山,韩清波.海河河口清淤整治工程应用研究 [J].海河水利,1996,5-17.

[3]朱保良.海河流域入海河口挡潮闸纳潮冲淤中间试验子牙新河河口纳潮冲淤加拖淤实验研究报 [M].北京：中国水利水电出版社,1996：22-37.