无序挖沙对河流及设计最低通航水位的影响

丁坚 李安中

摘 要：根据在冲积性河流中大量无序挖沙，对河床、排水、排沙的变化分析，揭示了其对航道防洪等所产生的问题，着重阐明了长年挖沙使枯水期水面逐年下降，严重影响到航道的建设和维护标准的控制；研究表明，由于来水流量不受挖沙影响，多年保持稳定的特点，确定以流量为样本进行保证率统计，再结合相关成水位，确定设计最低通航水位是合理可行的，符合规范保证率指标的要求。

关键词：河流；挖沙；保证率；流量；水位

1 问题的提出

1.1 河道挖沙现状

随着我国城镇发展基本建设的需要，河道挖沙已成为冲积河流中的一种普遍现象。目前我国许多地区的河流，如长江、汉江、湘江、闽江、东江、西江、澜沦江、珠江三角洲河网，均发生大量人工挖沙现象，沿河边滩及主航槽中均见有挖沙船在作业。如闽江高准濑河段2～3Km的范围内，就停泊多艘链斗式挖泥船在作业，边挖边弃，筛选后的弃料形成星罗棋布的石堆，阻碍航道；南昌下游西河吴城镇水域就停泊了200多艘挖沙船，一昼夜就装运了300多船沙石，约计15万吨。改变了航道枯水位基本稳定的特性。根据分析，珠江三角洲河网原以缓慢淤积为主，年淤积约为800～1000万m3。由于八十年代以来大规模人工挖沙，至1999年共取走10.44亿m3泥沙，相当于珠江三角洲河网100多年的淤积量，从本质上改变了河网平衡的特性。

1.2 无序挖沙引起的连锁反应

无序挖沙，直接破坏着河床平衡，改变河势，使主流变迁，威胁护岸防洪等，对航运的危害也极明显的，设计最低通航水位年年变，航道水流条件恶化现象，屡见不鲜。

2 无序挖沙对河道的影响

2.1 对河势的影响

持续不断的挖沙，破坏了经过多年自然调整取得的排水、排沙与河床平衡的状态：冲积河流的河床形态、尺度是河流来水来沙与河床相互调整的结果。在天然情况下，通常是相对稳定的，当水、沙、河床三者有一方变化必然会引起三者之间的相应调整，以达到新的平衡。如闽江福州北港河段在90年代中期因城市建设，开始大量从河中取沙，河床断面扩大，阻力减少，大大增加了北港落潮流量，使河道出现严重的冲刷状态，加剧北港河床不断下降，造成恶性循环，到98年6月23日大洪水时实测北港分流量已由原来的25.20%增大到29.88%，严重威胁到福州市主城区的安全。

改变了水网中河床的冲淤特性：从河网地区来看，大规模挖掘河沙，可以改变整个河网的演变特性。长期以来，珠江三角洲河道原以缓慢淤积为主，年淤积量约为800～1000万m3。由于大规模人工采沙，至1999年已在三角洲河道取走了约10.44亿m3的泥沙，这相当于珠江三角洲河道100多年来的自然来沙淤积量，使得珠江三角洲河床从淤积为主的性质转变为以冲刷为主的性质。

改变了河型：将单一河道挖成分汊河段，如赣江南昌大桥河段，左岸红角洲大边滩，左岸红角洲基本上不过水，主航道走右侧靠南昌市主城区，航道平顺。自2000年以来在边滩上大量挖沙，南昌大桥下游，将洲体左侧挖开，使2条丁坝成为江心洲，水原右侧主航道下口淤浅碍航，使船只下行过南昌大桥需左转90°，跨河后又右转90°，靠左岸下行，完全破坏了原顺直下行再逐步过渡到左侧的走向，使单一河段成为分汊河段，丁坝根部成了卡口。

改变了分流比：因汊道内取沙，引起两汊分流比变化。如江西赣江南昌河段经过八一大桥后，分成东西两河，西河为入鄱阳湖的主水道，在西河挖沙，东河未挖造成东河分流愈来愈少，严重时枯水期东河杨家滩断流。闽江福州河段为南北港分汊河道，当地称南北港，洪水分流比早期约为75%：25%，北港按此设防，但自93年以后北港大量挖沙，目前，洪水期穿行福州市的北港分流比已达30%，大大增加了福州市防洪威胁。

2.2 对堤防的影响

河槽中挖沙使水位在同流量下明显下降。如北江石角以上为长年径流河段，1999年以后因挖沙下降了0.55m；北江清远站水位下降了0.88m；东江河源站下降了1.59m；汉江襄阳站下降了1.18；赣江外洲站2003年比未挖沙的1983年下降了1.45m等。从收集到的资料可以看出枯水水位一般下降0.5～1.5m左右；造成有关河段比降增大，流速流向改变，淘刷堤岸，出现新的险工河段，威胁防洪安全。

闽江北港在90年代挖沙使河床降低4～5m，分流量增大，流速增加，严重淘刷两岸防洪堤，福州市江滨路一带开裂前移，江滨路是建在防洪大堤上的，直接造成大堤垮塌的危险，当地政府采取深层灌浆，沿堤脚抛石等一系列措施抢险。在洪山桥上游出现多处大堤坍塌事故，使得北港全线紧张。

2.3 对航运的影响

因挖沙人为改变河底高程和过水面积，在挖沙严重河段将改变主流位置，如赣江南昌八一大桥河段，由于挖沙，将左边滩变成深泓，原单一水道变成分汊水道，左汊成为主航道。使同流量的水位逐年下降，其下降值与沙量成正比。水位与流量的对应关系改变了，从而使原定的设计最低通航水位与通航保证率就不匹配了，原统计的保证率都将改变，必须重新计算，但水位是逐年下降的，是个不稳定因素，无法用历史系列的水文资料来统计，所以往往无法确定。若仍坚持用原设计最低通航水位为航行基准水位，通航保证率将大大降低，降低了航道等级，应当指出，以建筑材料为主的挖沙是以河床泥沙粒径为标准来选择挖沙地点的，对一些不需要的沙石到处抛弃，造成低水期，航槽水流分散，航道淤塞，致使航运恶化。为此在挖沙河段研究设计最低通航水位是当务之急。

3 水位下降与挖沙的关系

3.1 枯水位下降与河床降低的关系

在普遍挖沙的河段，因挖沙使河床降低。如赣江市汊至外洲河段1997～2003年的6年中挖沙2200万m3，河床下降1.45m，枯水水位下降1.03m左右；汉江白家湾至襄阳河段，挖沙1600万m3，河床降低1.2m，水位下降1.0m；闽江福州河段南港上段，河底降低约2.0m，水面降低0.54m，因是宽浅河型水面下降较小；广东东江惠阳～博罗河段90年代河床下降1.44m，枯水水面降低1.05m；云南澜沧江景洪大沙坝挖沙、使上游景洪港河段河床降低0.74m，水位下降0.62m，港址河窄，河床下降，水位下降反应更为敏感。

由以上实际观测、试验等资料显示，挖沙降低河床高程将直接反映了设计最低通航水位时水面下降，窄深单一河段水面下降较大，宽浅漫滩河段水面下降的较小。这些说明，水位下降值与河型及挖沙部位有关。

3.2 水位下降与挖沙部位的关系

水位下降与河床降低为非单值关系，它与挖沙量有关，挖沙越多，水位下降的也越多，但也与挖沙部位有一定的关系。当河床稳定时，不同年份的水位～流量关系是稳定的，设计最小通航流量下的设计最低通航水位也是稳定的，往往以此控制河底高程来满足航道等级所规定的航道尺度。若在主河道中挖沙，使航道在枯水时期水面降落明显，到洪水谩滩后，水面降落就不明显。如湘潭站水位在大流量时期，多年水位流量关系曲线变化不明显，但到枯水时期水面逐年下跌，在整治流量Q=700m3/s时，2000年水位值为28.6m，到2004年为27.9m下降了0.7m（扣除湖水顶托期）。若挖沙主要在枯水位裸露的边滩上进行，所引起的水位～流量关系曲线的变化，主要在中洪水时期，如闽江南港挖沙主要在桔园洲边滩上挖，6年来挖了1600万m3，该河段边滩2004年比1998年河底高程下降了2.2m，但枯水400m3/s时水流归槽，而枯水断面无大变化，所以水位值仅下降了0.20～0.54m，大流量时，与未挖前同流量比较则下降1.0m多。由水流～流量关系曲线可以看出，挖沙部位不同将在不同流量级产生较大的水位降落。在主河槽中挖沙，水位降落主要反映在中枯水时，水流归槽后水位降落，若在边滩上挖沙，则反映在高水准水位降落。当主槽中挖沙量大时，小流量时水位明显下降，会造成相邻上游河段水面比降加大。甚至造成溯源冲刷，东江惠阳以上河段就出现这情况。在宽浅河段上采沙，造成大流量时比降增大。形成多条串沟、乱流，对航道也十分不利。

4 设计最低通航水位确定方法分析

4.1 确定设计最低通航水位的基本思路

河床上挖沙，首先受到影响的是水位降低，从水位～流量关系曲线可明显看出逐年下降的趋势。随着挖沙量增大，1996年以后，水位逐年下降的速率也因而加大，每年平均下降20cm左右。

人为挖沙破坏了输沙平衡，进出该河段的输沙条件也会发生变化，可能产生冲刷或溯源冲刷，造成河床在不断演变中，不可能再由河床形态过水断面计算设计最低通航水位。再从流量、水位、流速、比降等因素考虑，挖沙后除流量因素稳定外，其他水力因子均随挖沙而变，如表1所示，东江博罗站不同年份系列的平均流量均在750m3/s左右，说明河流的流域面积不变，上游无大支流改道、调水、或

大型水利工程等，该河道的来水量基本上是稳定的。东江80年代后大量挖沙，河床已明显下降了1.2m，但统计多年平均流量为778m3/s，与无挖沙影响的1951年～1980年统计的流量759m3/s无大差别。其他赣江、汉江等均是此规律。而依惯例按历年水位过程线，进行保证率统计则偏差十分明显，当选取的水位系列的年很愈长，则统计的水位特征值愈高，因将挖沙前的高河床时水位值统计在内，掩盖了采沙后河床降低的影响，与实际不符，若仅用近年水位资料，因系列太短，又不能进行保证率统计，所以抓住流量这个稳定的基本要素，作为统计样本与逐年水位相关的思路，是解决挖沙河流设计最低通航水位的合理途径。

4.2 各计算方法介绍

4.2.1 按规范要求以水位为样本进行综合历时曲线法或保证率频率法统计，以等级航道规定的保证率、频率确定设计最低通航水位，并不断补充最近年份的资料调整设计水位值。该方法比较适用于挖沙量不大，水位下降的变化不明显的情况下。比较好的做法是经分析判断将早期年份的资料删除，保留近15～20年的水文资料，即去旧纳新，使统计出的水位值更接近当前河床实际。

4.2.2 采用年保证率比较确定。挖沙河段河床年年下切，水位～流量关系曲线也年年变，由相关图所示三水站逐年水面线下降，各年都可以按年保证率确定一个设计水位，点绘各年设计水位过程线，找出设计水位下降的规律，按其下降速率就可以确定今年下调水位值，只需将前几年逐年水保证率值求出，点绘过程线，延长至当今年求出设计水位值。该方法在挖沙量较大河段可以运用，唯此法讲不清综合历时保证率是多少，但还比较适用。

4.2.3 根据水位降落值与挖沙量或河底降低值与水位降落值相关确定。在以上文中曾分析枯水位下降值与河床平均降低值的比例关系，对每类河型或挖沙主要部位不同，河床降低值与水位降落值的比例关系是不同的，若能找出该河段的相关规律，则每年根据新测地形图算出河床平均高程与去年的差值就可以确定设计水位向下调整值，再根据当年水位H～流量Q关系资料，求得今年设计水位的下降值。此法要求具有该河段近几年实测地形图、相应中枯水期某级流量的水面线及近年H～Q关系曲线才能求出所需水位值。

参考文献

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[5]GB50139-2004.内河通航标准[S].

作者简介：丁坚（1960，11-），汉族，南京市人，河海大学海岸灾害及防护教育部重点实验室，研究生，高级工程师，研究方向：港口及近海工程。

李安中（1934，8-），汉族，山东泰安人，河海大学海岸灾害及防护教育部重点实验室，教授，研究方向：港口及近海工程。