采砂工程对瓯江河口河势影响分析

李文丹，黄玉新，解鸣晓，阳志文 (交通运输部天津水运工程科学研究所 港口水工建筑技术国家工程实验室 工程泥沙交通行业重点实验室,天津 300456)

摘 要：文章通过自然条件分析以及经验证的二维潮流泥沙数值模拟计算等手段对两种采砂范围及不同采砂深度条件下，瓯江北口采砂工程对瓯江河口河势影响进行了综合分析并给出相应优化建议。

采砂工程对瓯江河口河势影响分析

李文丹，黄玉新，解鸣晓，阳志文 (交通运输部天津水运工程科学研究所 港口水工建筑技术国家工程实验室 工程泥沙交通行业重点实验室,天津 300456)

摘要：文章通过自然条件分析以及经验证的二维潮流泥沙数值模拟计算等手段对两种采砂范围及不同采砂深度条件下，瓯江北口采砂工程对瓯江河口河势影响进行了综合分析并给出相应优化建议。

采砂；河口河势；瓯江；数值模拟

1998年国家开始实施投资拉动政策，建筑市场陡然活跃，砂石料作为不可或缺的主要建筑材料，需求量猛增。同时，因周边国家和地区限制开采砂石或资源枯竭等原因，我国砂石出口量增长较快，其中大量的建筑用砂来自天然河道的开采。

采砂对河口河势稳定的影响问题比较复杂，以往研究成果表明[1]，采砂对河势影响的程度与开采部位、开采量、开采时间等因素有密切联系。河床具有自我修复能力，少量开采对河势的影响是有限的，甚至是有利的，但不受限制的采砂是可以影响到河势稳定的。

图1 工程方案示意图Fig.1 Sketch of the project scheme

温州地区的砂源主要有瓯江砂源、瓯江口砂源和外地砂源，其中瓯江砂源和瓯江口砂源所占比例较大。近几年瓯江可采砂量正在不断减少，现有几个砂源已不能满足市场需求，整体呈现供需不平衡的态势，因此，寻找新的采砂砂源地迫在眉睫。本研究中砂源主要为瓯江北口海域中沙和三角沙区域，均为敏感浅滩，砂源的开采将会对瓯江河口河势造成一定的影响，为有效地解决采砂的影响，需进行该项目潮流泥沙数模研究工作，为温州采砂工程论证提供技术支撑。

根据相关单位提供，采砂范围参见图1。其中，采砂范围一(方案一)位于北岛堤南侧乌仙头西侧浅滩水域(采砂深度分别为4 m和8 m)，采砂范围二(方案二)位于大门岛与灵霓大堤之间大片水域(采砂深度分别为3 m和7 m)。

1 水沙环境

1.1海岸地貌特点

拟设采砂区位于瓯江北口外侧水域。北侧为三角沙、小门岛、大门岛及沙头水道，南侧为灵昆岛、灵霓大堤和大霓屿，东侧状元岙和青山岛。

该水域滩槽交错分布，深槽和浅滩沙咀基本呈东西走向，与该水域的涨落潮流方向一致。瓯江出岐头后形成沙头水道和中水道两条落潮冲刷槽，而外海涨潮流自大门岛—状元岙之间下口进入该水域后塑造了黄大岙水道、重山水道等涨潮冲刷槽，涨落潮交汇之处形成中沙、重山沙咀等浅滩，由此在大门岛和霓屿岛之间形成黄大岙水道、中沙、青山岛西侧深槽重山沙咀、重山水道等滩槽相间分布的地貌格局。

图2 瓯江河口形势图Fig.2 River regime of the Oujiang estuary

1.2瓯江径流和输沙

瓯江是一个山溪性河流，径流和输沙量年际和年内都有较大的变化。据瓯江圩仁站1956～2004年和楠溪江石柱站1957～2004年实测资料统计：二站多年平均径流量分别为422.9 m3s和46.2 m3s，合计为469.1 m3s。圩仁站实测最大流量为22 800 m3s(1952年7月20日)，最小为10.6 m3s(1967年10月20日)，最大与最小年平均流量变化达3.4倍。径流量主要发生在3～8月(占全年的76.1%)，最大流量主要出现在6月份，最小流量出现在10月～翌年2月份枯水季，同月内最大流量与最小流量变化达3～23倍。

据圩仁和石柱站实测输沙量资料统计，瓯江多年平均年悬移质输沙量为205.1万t，年平均含沙量为0.131 kgm3，其中圩仁站为0.135 kgm3，石柱站为0.094 kgm3；年输沙量，最大为559.4万t(1975年)，最小为42.3万t(1979年)，其变化达到13倍。其推移质，按其为悬沙量的10%量级估算，也仅有20～50万t左右。

1.3潮汐潮流

该海域潮汐属正规半日潮类型。潮流属正规浅海半日潮流类型。为强潮海域，受制于地形基本呈往复流运动，涨落潮流速较大，且总体呈现落潮大于涨潮特点。

1.4含沙量

拟设采砂工程位于瓯江北口附近，流速较大，含沙量较高，悬沙物质类型为粉砂质粘土和粘土质粉砂。

1.5底质

工程海域粘土质粉砂占绝对优势，广泛分布在瓯江口外岛间水道、乐清湾、洞头洋及温州湾水域，其中值粒径基本在0.005～0.02 mm之间。细砂和中细砂主要分布在瓯江口内外、大小门岛周边及状元岙北侧深槽水域，其中值粒径基本在0.1～0.2 mm之间。粉砂质粘土分布在洞头峡-5 m深槽及洞头岛东侧深槽内，其中值粒径基本小于0.005 mm。粉砂和砂-粉砂-粘土分布在青山岛西侧、洞头岛东侧及洞头渔港深槽局部水域，其中值粒径基本在0.007～0.03 mm。

2 模型建立与验证

为拟合复杂岬湾、河口和堤线等细致边界，潮流数学模型中采用无结构三角形网格对计算域进行剖分，并采用大区域与局部模型嵌套方式进行计算，以消除模型范围过小带来的边界传入误差。

其中，大尺度模型为潮波传播模型，小尺度模型为计算模型，东至漩门湾，南至鳌江，东西距离约为75 km，南北距离约为60 km。大模型数学模型开边界由中国海潮汐预报软件给出[2]。小模型潮汐潮流开边界由大范围潮汐潮流数学模型提供。

采用三角形网格对工程海域进行剖分，在重点区域进行加密布置，保证计算精度要求。图3示意了局部模型网格剖分情况。

图3 网格示意图Fig.3 Sketch of grid mesh

为了验证模型的合理性，分别采用2015年3月和2015年9月两次瓯江口大规模水文全潮大、中、小潮测验资料对模型潮位、流速流向和含沙量分别进行了率定和验证。本次数模泥沙淤积验证主要采用中水道2005～2006年回淤资料进行验证。限于篇幅，考虑波浪作用的潮流泥沙数学模型理论及具体验证过程不在此赘述[3-5]。

3 瓯江河口河势影响分析

3.1主流线影响

图4分别给出了采砂工程实施前后，瓯江北口水质点在一个落潮过程中的运移轨迹线。结合工程实施前后流场图经分析可得：

(1)现状条件下，瓯江北口及口外附近水域涨落潮流态呈往复运动，流路与其地形分布相辅相成。涨潮时，涨潮流自外海由SE向NW向涨入，受大小门岛和状元岙岛等岛屿分流作用，分别沿各条水道，尤其是沙头水道和黄大岙水道—中水道向瓯江北口纳入。落潮时，水流基本为涨潮流的反方向，自瓯江北口向外海运动。

(2)整体上看，采砂工程均位于大小门岛—状元岙岛西侧河口区，因此，工程前后流态发生改变的区域同样集中在工程区附近水域，外海水域流速流向变化则较小。

(3)方案一实施后，沙头水道水流流速略有减弱，北岛堤北侧水域落潮流线略有南偏的趋势。采沙区及其南侧局部中水道水域流速有所减弱。

(4)方案二实施后，由于采砂范围较大，导致大门岛南侧河床过度下切，浅滩消失，水流有所变缓。而大小门岛北侧沙头水道流速大幅度减弱，瓯江北口—沙头水道主流线消失，基本改变了瓯江北口河口附近水流流态整体格局及主流线。

4-a现状 4-b方案一(下挖8 m) 4-c方案二(下挖7 m)

图4 水质点轨迹图
Fig.4 Track diagram of water point

3.2水动力变化

通过工程前后全潮平均流速差值等值线图分析可知：

(1)采砂方案一实施后，挖沙范围内水流流速有所减弱(-0.01～-0.25 ms)，上下游水域流速有所增加(0.01～0.35 ms)，南北两侧水域流速有所减弱(-0.01～-0.27 ms)。以流速变化0.03 ms为界，对瓯江北口和瓯江南口没有影响，沙头水道和三角沙水域流速略有减弱(-0.01～-0.10 ms)，大门岛乌仙头附近港区流速有所增加，挖沙南侧瓯江口进港航道局部航段流速有所减弱(-0.01～-0.27 ms)。

(2)采砂方案二实施后，对周围海域水动力影响范围较大，瓯江北口水流流速有所增加(0.01～0.10 ms)，南口水域流速有所减弱(-0.01～-0.15 ms)。大小门岛—状元岙西侧水域流速大幅减弱(-0.01～-0.60 ms)，状元岙北侧重山水道流速有所增加(0.01～0.40 ms)。

(3)采砂深度越深，附近水域水动力变化程度越大。

图5 平均流速差值等值线(工程后-工程前) Fig.5 Average current velocity difference distribution

3.3主要水道纳潮量

为分析采砂工程实施后对瓯江北口附近水域断面(图1)潮量的影响，根据潮流场变化进行工程前后大潮潮量统计。采用断面潮量计算方法，经统计分析，可看出：

(1)总体来看，采砂方案二实施后对瓯江北口附近河口各断面流量影响较大，瓯江北口—黄大岙水道(重山水道)水域贯通，北岛堤两侧分流比有所调整，采砂上下游断面纳潮量有所增加，最大可达 30%。沙头水道断面纳潮量减小在30%～140%。

(2)方案一实施后，断面流量随着挖沙深度增深变化越大。挖沙深度4 m情况下，上下游断面增加在2.8%以内，沙头水道断面减小7.1%以内。挖沙深度8 m情况下，上下游断面增加3.5%以内，沙头水道断面减小10.6%以内。

3.4泄洪条件下高潮位变化

本文同样计算实测大潮叠加100 a一遇泄洪流量(27 000 m3s)条件下，采砂方案实施后的最高高潮位变化情况。经分析可知：

(1)采砂方案一实施后，河口附近水域高潮位变化在0.01 m以内。

(2)采砂方案二实施后，高潮位变化基本呈“剪刀型”，采砂工程上游洪水水位有所下降(瓯江北口高潮位下降-0.01～-0.10 m)，下游洪水水位略有抬升(重山水道和黄大岙水道高潮位抬升0.01～0.03 m)。

3.5瓯江北口冲淤影响

图6 地形冲淤变化(方案一)Fig.6 Topography siltation and erosion(Scheme 1)

图6和图7分别给出了采砂工程实施后，瓯江北口附近水域在达到冲淤平衡状态下的冲淤分布(正为淤积，负为冲刷)。由图可知：

(1)总体来说，各采砂方案实施后海床冲淤与水动力变化相辅相成。流速增加水域地形有所冲深，流速减弱水域地形则有所抬高。两种方案实施后，采砂坑上下游水域呈冲刷状态，南北两侧水域呈淤积状态，且随着采砂坑采砂深度加深，附近水域地形冲淤变化幅度有所加大。

图7 地形冲淤变化(方案二)Fig.7 Topography siltation and erosion(Scheme 2)

(2)采砂方案一实施后，地形变化范围(以地形冲淤变化0.1 m为界)，向西影响至灵昆岛西侧，向东影响至黄大峡水道。影响最大水域为采砂区南侧瓯江进港航道局部拐弯航段，为淤积状态，局部最大淤厚0.98 m(下挖深度为4 m)和1.5 m(下挖深度为8 m)。

(3)采砂方案二实施后，整体破坏了瓯江北口附近河口水域深槽浅滩地形稳定性。采砂坑上下游水域(瓯江北口和重山水道)地形呈冲刷状态，大门岛北侧水域(三角沙和沙头水道)则呈现明显淤积状态。

4 结论

经本文研究：

(1)从采砂范围来看，方案一明显较方案二好。从采砂深度来看，下挖深度越深对周围环境影响越大。

(2)采砂方案二实施后，由于采砂区范围较大，河床过度下切，对瓯江北口河口河势、瓯江进港航道、深槽、浅滩水域水动力(潮位、潮量、流速流向)影响较大。导致瓯江北口—沙头水道主流线消失，基本改变了瓯江北口河口附近水流流态和浅滩深槽地形的整体格局。

(3)采砂方案一实施后，沙头水道呈淤积状态，达到冲淤平衡状态时，淤厚介于0.1～0.3 m(下挖4 m)和0.1～0.5 m(下挖8 m)。采砂区南侧瓯江进港航道局部航段地形呈淤积状态，达到冲淤平衡状态时(期间不整治疏浚)，淤厚介于0.1～0.98 m(下挖4 m)和0.1～1.5 m(下挖8 m)。

(4)从方案可实施性来看，方案一相对较优，除应关注沙头水道和瓯江进港航道局部航段淤积问题外，建议尽量减少沙坑开挖深度。方案二由于采砂范围较大，对周围敏感水域影响较大，不建议实施。

(5)建议针对采砂区平面布置方案一进行优化，尽量为沿水流走向的条带形并远离敏感深槽水道(航道)，以免分散水道水流导致其淤积。

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Study on influence of sand excavation project on Oujiang estuarine processes

LIWen-dan,HUANGYu-xin,XIEMing-xiao,YANGZhi-wen

(TianjinResearchInstituteforWaterTransportEngineering，NationalEngineeringLaboratoryforPortHydraulicConstructionTechnology,KeyLaboratoryofEngineeringSediment,MinistryofTransport,Tianjin300456,China)

Based on the analysis of hydrology & sediment environment and two-dimensional model of tidal current and sediment in the ocean area near the project, two schemes of sand excavation in range and depth were computed in this paper. The comprehensive research of the influence of sand excavation project on the river regime of the Oujiang estuary and the optimization suggestions were given in the end.

sand excavation;estuary regime; Oujiang river; numerical simulation

2016-07-04；

2017-07-27

中央级公益性科研院所基本科研业务费专项资金项目(TKS150207)；天津市自然科学基金青年项目(16JCQNJC06900)；中央级公益性科研院所基本科研业务费专项资金项目(TKS150211)

李文丹(1982-)，女，天津市人，副研究员，主要从事港口航道与海岸工程研究。

Biography：LI Wen-dan (1982-), female, associate professor.

TV 143;O 242.1

A

1005-8443(2017)05-0484-05