闽江下游河道多年平均泥沙补给量分析

(福州市水利水电开发公司，福建 福州　350001)

1　流域概况

闽江是福建省的第一大河流，也是福建省的母亲河，发源于闽赣交界的武夷山脉，水口水电站以下河段为闽江下游，流经闽清、闽侯、福州市区的南北港、亭江以后，河流北支经连江长门，南支经长乐梅花入东海。闽江流经36个县(市)，全长541km，流域面积为60992km2，多年平均年径流量为620亿m3。其中，福建省境内面积为59922km2，占流域面积的98.2%，闽江分为上游、中游、下游三段，水口水电站以下称为闽江下游，闽江下游水系如图1所示。

图1　闽江下游流域水系

华东地区最大的水电站水口水电站(1993年4月竣工)位于闽清县境内的闽江干流上，坝址控制流域面积为52438km2，占闽江全流域面积的86%。竹岐水文站为闽江下游干流最主要的控制站，位于闽侯县境内的闽江干流上，控制流域面积为54500km2。

闽江下游最大的支流大樟溪流域面积为4843km2，大樟溪干流修建有多个水电站，其中已建最后一级水电站为界竹口水电站(2013年6月下闸蓄水)，控制流域面积3447km2，永泰(清水壑)水文站为大樟溪上最主要的水文控制站，位于永泰县城关大樟溪干流上，控制流域面积为4034km2。

2　闽江下游河道泥沙来源与补给

2.1　泥沙来源

闽江流域属于南方湿润地区，植被较好，土壤的侵蚀作用以水力侵蚀为主。河道泥沙来源主要有两个因素，分别是流域内水土流失、河流的河岸侵蚀等[1]。闽江下游河道的泥沙来源主要为水口水电站以上干支流及下游两岸支流汇入的泥沙。

当闽江流域局部河段的水沙条件或河床边界发生较大变化，水流挟沙力处于非饱和状态时，河道发生河岸崩塌、床面冲刷，泥沙被水流挟运至其下游堆积，这部分床沙是其下游河段的泥沙来源[2]。此外，向闽江倾倒的煤灰、矿物废物和垃圾等，这些流失的泥土或废料也将转化为床沙中的粗颗粒部分而成为泥沙的另一个来源。

2.2　泥沙补给

随水口水电站、界竹口水电站的修建，改变了闽江流域原有的输沙条件，大坝上游库区发生淤积，下游河床由于“清水下泄”会发生冲刷。由于大坝的拦截作用，水库控制流域面积以上产生的全部推移质和部分悬移质都被拦截于大坝上游。

由于蓄水初期水库的泥沙淤积，下泄水流的含沙量减少，为满足下泄水流挟沙能力的要求，便从河床上冲起泥沙，直至达到饱和状态之后，河床冲刷才会停止。水库运行后期，当库区淤积基本上达到相对平衡阶段时，库区河道恢复原来天然河道性质，则下泄水流所挟带的泥沙数量，也恢复到原来的天然情况。河床由于之前遭受冲刷使得挟沙能力下降，将发生自上而下的淤积。

对闽江下游竹岐水文站1950—2013年来水来沙观测数据进行假设检验分析，明确水口水电站修建对闽江下游来沙影响存在显著性差异[3]。

2.3　泥沙运动

泥沙在水流作用下会产生各种运动。泥沙按其在水流中的运动状态，可分为推移质和悬移质。推移质是指受拖曳力作用沿河床滚动、滑动或跳跃前进的泥沙；悬移质是指受重力作用和水流紊动作用悬浮在水中随水流前进的泥沙。在一定水流条件下，这两种泥沙可以互相转化。

根据河海大学2005年编制的《闽江下游福州河段防洪岸线局部调整数学模型》，造床泥沙分界粒径为0.1mm。从各河段泥沙颗粒试验成果分析可知，粒径小于0.075mm的数量大约占15%，这部分悬移质粉沙基本不沉积于河道而直接入海。粒径在0.075～0.25mm的数量大约占25%，这部分悬移质粉细沙，部分造河床(大于0.1mm)，部分入海(小于0.1mm)，按内插法分析，入海悬移质粉细沙的数量约为3.6%。按此分析结果，闽江入海的河水携带走粒径小于0.1mm的泥沙约占输沙量的18.6%。

3　闽江下游泥沙补给计算

3.1　计算方法

河道泥沙补给量为河道输沙量减去河道入海泥沙量。河道输沙量主要包括河道推移质输沙量和悬移质输沙量。河道泥沙补给计算公式如下：

(1)

(2)

(3)

河道多年平均悬移质输沙量多采用水文监测泥沙资料。对于缺少监测资料的河道，多年平均悬移质输沙量可采用侵蚀模数计算法，其公式如下：

(4)

F——流域面积,km2。

考虑到闽江流域目前还没有开展河道推移质泥沙监测，多年平均推移质输沙量计算参考多年平均悬移质输沙量计算，其公式如下：

(5)

式中β——推移质输沙量和悬移质输沙量的比值，参考《估算河道推移质输沙量的数学模型》成果，取15%。

本文分析河道泥沙补给量的主要目的是为闽江下游河道采沙规划提供依据，输沙量单位原本为万t，考虑与采沙规划单位一致，将输沙量单位按照泥沙悬移质密度1.3 万t/万m3，换算为万m3。

3.2　闽江下游(不含大樟溪流域)泥沙补给

竹岐水文站为闽江下游干流最主要控制站，位于闽侯县境内的闽江干流上，控制流域面积54500km2，有详实的泥沙观测资料。2013年《中国河流泥沙公报》公布竹歧水文站1950—2010年多年平均年输沙模数为107 t/km2(82.31m3/km2)[4]。

水口水电站的修建(水口水电站在1993年4月竣工)使得水口水电站以上全部推移质和大部分悬移质被拦于水库之内。故竹歧水文站多年平均年悬移质输沙量采用1993—2013年竹歧水文站的多年平均观测资料236.17万t(181.67万m3)。

闽江下游(不含大樟溪流域)泥沙补给计算，水口水电站至竹歧水文站推移质(通过悬移质推算)、竹歧水文站至长门入海口输沙量采用输沙模数计算；水口水电站以上悬移质、水口水电站至竹歧水文站悬移质直接采用竹歧水文站观测资料计算。

闽江下游(不含大樟溪流域)输沙量主要组成部分如图2所示。

图2　闽江下游(不含大樟溪流域)输沙量组成

水口水电站至竹歧水文站之间流域面积为2062km2， 根据式(4)、式(5)得到该段河道产生的多年平均悬移质输沙量为16.97万m3，多年平均推移质输沙量为2.55万m3。

竹歧水文站监测断面以上多年平均悬移质输沙量包括水口水电站至竹歧水文站之间流域面积产生的全部悬移质输沙量和水口水电站以上流域面积产生的部分悬移质输沙量。竹歧水文站监测断面以上推移质输沙量主要为水口水电站至竹歧水文站之间流域面积产生的。所以，竹歧水文站断面以上产生的多年平均悬移质输沙量为181.67万m3，多年平均推移质输沙量为2.55万m3。

竹歧水文站至闽江河道入海口(长门)之间流域面积为1 649km2(不含大樟溪流域)，根据式(4)、式(5)得到该段河道产生的多年平均悬移质输沙量为13.57万m3，多年平均推移质输沙量为2.04万m3。

竹歧水文站至闽江河道入海口(不含大樟溪流域)输沙量包括竹歧水文站监测断面以上产生的输沙量和竹歧水文站至闽江河道入海口之间流域面积(不含大樟溪流域)产生的输沙量。所以，水口水电站至闽江河道入海口(不含大樟溪流域)多年平均输沙量为199.82万m3，根据式(3)得到入海的河水携带走泥沙约为37.17万m3，根据式(1)得到该段河道多年平均泥沙补给量为162.66万m3。

沉沙与流速有直接关系，流速越快，沉沙越少，流速越慢，沉沙越多，而流速与断面面积成反比关系，在水深与宽度相差悬殊的情况下，断面面积与河道宽度接近成正比关系，所以河道越宽，沉沙越多，河道越窄，沉沙越少。因此采用长度与宽度加权平均法计算各河段河道沉沙补给量比较符合实际情况。竹歧水文站至闽江河道入海口河道总长为72km，河道面积约78.0km2，可推算出每平方千米河道泥沙补给量为2.09万m3。

水口水电站至竹歧水文站之间河道输沙量比较复杂，主要包括水口水电站至竹歧水文站之间流域面积产生的全部输沙量和水口水电站以上流域面积产生的部分悬移质输沙量。该次考虑根据下游每平方千米河道泥沙补给量为2.09万m3，继续向上游推求水口水电站至竹歧水文站之间河段泥沙补给量。

闽江下游河道在淮安分南北港，北港绕南台岛北面，穿过福州市区，河道相对窄深；南港绕南台岛南侧，河道相对宽浅；南北港河道在马尾汇合后，进入通海河段，最后经长门入海。南北港河道洪水期分流比7∶3，因为泥沙输送与水量呈正相关，所以闽江下游南北港泥沙补给量也考虑按照洪水期分流比7∶3推算分配。

3.3　大樟溪流域泥沙补给

永泰(清水壑)水文站为大樟溪流域最主要控制站，控制流域面积4034km2，有详实的泥沙观测资料。2013年《中国河流泥沙公报》公布永泰(清水壑)水文站1952—2010年多年平均年悬移质输沙量为54.3万t(41.77万m3)，多年平均年输沙模数为135t/km2(103.85m3/km2)[5]。界竹口水电站的修建(界竹口水电站在2013年6月下闸蓄水)使得界竹口水电站以上的推移质被全部拦于水库内。界竹口水电站下闸蓄水时间距现在比较接近，永泰(清水壑)水文站在界竹口水电站下闸蓄水之后多年平均年悬移质输沙量计算年限序列不足，不宜直接使用以上水口水电站计算方法。因此，大樟溪流域泥沙补给计算，采用输沙模数进行计算。

大樟溪流域输沙量主要组成部分如图3所示。

图3　大樟溪流域输沙量组成

大樟溪流域向外流域引水工程有德化县的龙门滩引水、福清市的一都溪引水、仙游县的九仙溪引水、莆田市的金钟引水。据调研，以上四处引水工程由于管理的原因，实际运行引水量较小，且引水主要为水库面层清水。引水总量占整个大樟溪流域总来水量比例较低，对永泰(清水壑)水文站悬移质输沙量影响有限。本文河道泥沙补给分析主要是为闽江下游河道采沙规划提供依据，因此，忽略引水对大樟溪流域下游河口泥沙补给影响。

界竹口水电站至永泰(清水壑)水文站之间流域面积为3447km2，根据式(4)、式(5)得到该段河道产生的多年平均悬移质输沙量为35.80万m3，多年平均推移质输沙量为5.37万m3。界竹口水电站的下泄沙量按多年平均悬移质的三分之一考虑,即界竹口水电站以上流域面积产生的河道多年平均输沙量为11.93万m3。

界竹口水电站至大樟溪闽江汇合口(六十份村)流域面积为1396km2，根据式(4)、式(5)得到该段河道产生的多年平均悬移质输沙量为14.50万m3，多年平均推移质输沙量为2.17万m3。

大樟溪汇入闽江下游南港河道输沙量包括界竹口水电站以上流域面积产生的输沙量和界竹口水电站至大樟溪闽江汇合口(六十份村)之间流域面积产生的输沙量。所以，大樟溪汇入闽江下游南港河道多年平均输沙量为28.60万m3，根据式(3)计算得出入海的河水携带走泥沙约为5.32万m3，根据式(1)得到大樟溪汇入闽江下游南港河道多年平均泥沙补给量为23.28万m3。

同样采用长度与宽度加权平均法计算各河段泥沙补给量。大樟溪闽江汇合口至闽江河道入海口河道总长为45km，河道面积约50.4km2，可推算出大樟溪闽江汇合口以下闽江河道每平方千米泥沙补给量为0.46万m3。

3.4　闽江下游泥沙补给

闽江下游河道多年平均泥沙补给量包括闽江主河道多年平均泥沙补给量和支流大樟溪汇入闽江多年平均泥沙补给量，结果见下表。

闽江下游河道多年平均泥沙补给量估算表

4　结论与建议

a.闽江下游多年平均泥沙补给量为244.33万m3，其中闽江主河道多年平均泥沙补给量为221.05万m3，支流大樟溪汇入闽江河道多年平均泥沙补给量为23.28万m3。该结论可为闽江下游采沙规划提供依据。

b.根据1996年12月、1998年9月、2004年11月、2008年5月、2011年11月、2014年12月实测闽江下游的地形资料，闽江下游河道整体上是以冲刷为主，河道下切明显，部分河段的刷深已经威胁到河道两岸的岸坡稳定及防洪安全[6]。闽江下游河道泥沙补给量较少，河道下切明显，建议闽江下游全面禁止河沙开采。

c.建议有关单位严厉打击闽江下游非法采沙，加大对闽江下游河道岸坡和防洪工程的巡查力度，发现问题及时采取相应的解决措施。

d.目前福建省各水文站还没有推移质输沙量监测资料，如果条件允许，建议开展河道推移质输沙量的监测。

[1]付声衍.建溪流域输沙特性分析与河道输沙沉积量估算[J].水利科技,2014(2)：13-15.

[2]屈明洋,李陶.牡丹江干流中下游河道泥沙补给分析[J].黑龙江水利科技,2013，10(41)：38-40.

[3]魏志洪,陈勇亮,罗淑钦.水口水电站修建对闽江下游来水来沙影响假设检验分析[J].水利科技,2015(4)：66-69.

[4]王新宏,陈尧隆,田峰巍.估算河道推移质输沙量的数学模型[J].水利学报,1998(s1):99-102.

[5]中华人民共和国水利部.中国河流泥沙公报2013[M].北京：中国水利水电出版社，2014.

[6]魏志洪,罗淑钦.格宾挡墙加雷诺护垫在锦江园护岸加固中的应用[J].水利科技, 2015(1)：46-48.