韩江三河坝-潮州供水枢纽段河道冲淤规律及成因分析*

杨云平, 王建军, 李晓星, 徐俊锋, 王义安

(工程泥沙交通运输行业重点实验室∥交通运输部天津水运工程科学研究所，天津 300456)

近几十年来，极端自然条件和人类活动严重影响了河床变形[1]。人类活动导致的扰动往往会迅速加速或改变自然过程和趋势，从而导致河道调整的时间尺度缩短[2]。对于韩江下游河道而言，国内学者侧重于径流丰枯、周期性演化[3-7]、泥沙输移量[8]等方面开展了相关研究工作，明确了流域水、沙输移规律及其成因。在河道冲淤方面：1989～2008年期间，韩江上下游呈现不同的冲淤变化趋势，上游河段呈淤积趋势，而下游河段呈冲刷趋势，并预计今后一段时期内，总体上仍将维持现有河势[9]；1960～1998年期间韩江下游及三河洲区域河床冲刷主要是人工无序挖砂所致[10]；采砂活动已使得榴煌站平均水位下降了0.6 m[11]，也会对生态环境产生影响[11-12]。在通航水位方面：利用1974～2006年资料，计算了不稳定流及河床下切条件下的韩江干流航道设计最低通航水位[13]，并发现潮安站最低通航水位增加约30%，北江、西江等均降低30%左右的特点[14]。准确把握历史时期及近期河道、航道演变规律，是河势控制与航道整治工程取得预期效果的前提，只有摸清其调整的成因，其整治措施才更有针对性，治理效果才能事半功倍。随着韩江干流枢纽工程的建设，通库区航水深得到一定改善，给航道水深的提高带来了有利条件。近期，广东省航道局启动了“韩江三河坝至潮州港航道扩能升级工程”项目，拟在现行航道基础上，通过新建船闸或改建、改造已有枢纽船闸和航道整治、改造(改建、重建)不能满足通航净空尺度要求的桥梁等措施，将研究河段航道等级提升为1 000 t级(或500 t级)航道。已有研究成果总结了河库的近期(2008年以前)冲淤演变，为支撑航道扩能升级工程的论证工作，仍需进一步开展韩江下游河床冲淤规律及其成因进行研究。

本文收集了2002～2017年期间8套地形图，系统分析了河道冲淤量、断面及深泓变化，基于河道泥沙输移平衡关系，结合河道采砂量分析，确定了韩江三河坝-潮州供水枢纽段河道冲淤的主控因素，为航道扩能升级工程提供支撑。

1 研究区域及资料

1.1 研究区域

韩江发源于广东省紫金县的七星岽，梅江为主干流，由西南向东北流经五华、兴宁、梅县至大埔的三河坝与汀江汇合后称韩江，而后折向南流，经丰顺、潮州、澄海、汕头等县市，于汕头、澄海两市汇入南海(图1a)。本文研究区域为韩江三河坝-潮州供水枢纽河段，位于韩江下游，河道全长约116 km，其中三河坝-高陂枢纽段约28 km，高陂枢纽-东山枢纽段约37 km，东山枢纽-潮州供水枢纽段约51 km(图1b)。

1.2 资料

收集了2002～2017年期间共8套地形资料，用于分析断面、深泓及河道冲淤变化，其中选取2002年5～9月、2008年11～12月、2015年11月和2017年11月地形计算河床冲淤量(表1)。

2 三河坝-潮州供水枢纽段深泓及断面变化

2.1 河道断面变化

三河坝-潮州供水枢纽河段的河床选取6个代表断面，从深泓变化上看，断面的冲淤幅度较大。各断面变化特点为(图2)：8#断面2002～2008年期间为左淤右冲，基本遵循天然河道的演变规律，2008～2015年期间断面普遍冲刷，2015～2017年期间断面右侧单向冲刷；10#断面2002～2008年、2008～2015年和2015～2017年期间均为冲刷趋势；26#断面2002～2008年期间为左淤右冲，2008～2015年期间为左冲右淤，基本遵循天然河道的演变规律，2015～2017年期间左冲，右侧变化相对较小；30#断面2002～2008年期间冲淤变化不大，2008～2017年期间断面单向冲刷，最大冲刷深度达10 m以上；44#断面2002～2008年期间为左淤右冲，2008～2017年期间右侧整体冲刷趋势，最大冲刷深度达5.0 m以上；50#断面2002～2012年期间为单向下切趋势，2012～2015～2017年期间经历了淤积转为冲刷的过程。整体上，2008年以前断面形态变化基本遵循自然河流的演变规律，2008年以来河道局部冲深明显，并表现为单向冲刷的特点。

图1 韩江中下游河道位置图及断面选取(据文献[8])Fig.1 Location map and section selection of the lower reaches of Hanjiang River

序号测量时间地形范围研究内容12002年5～9月三河坝-潮州供水枢纽断面、深泓、冲淤量及强度22005年5月高陂枢纽-东山枢纽断面、深泓32008年11～12月三河坝-归湖镇断面、深泓、冲淤量及强度42010年3月三河坝-高陂枢纽,东山枢纽-归湖镇断面、深泓52012年11月东山枢纽-归湖镇断面、深泓62013年12月东山枢纽-归湖镇断面、深泓72015年11月三河坝-潮州供水枢纽断面、深泓、冲淤量及强度82017年11月三河坝-归湖镇断面、深泓、冲淤量及强度

2.2 深泓变化

绘制三河坝-潮州供水枢纽段的河道深泓变化图(图3)，分析表明：2002～2017年期间三河坝-高陂枢纽河段的深泓纵向整体为下切趋势，河段平均下切深度为1.92 m，其中2008～2017、2015～2017年期间分别下切1.19 m和0.11 m；2002～2017年期间高陂枢纽-东山枢纽河段深泓纵向整体为下切趋势，河段平均下切深度为1.15 m，最大下切深度为5.2 m，其中2008～2017年、2015～2017年平均下切深度分别为0.75 m和0.65 m；2002～2017年期间，东山枢纽-潮州供水枢纽河段深泓纵向整体为下切趋势，河段平均下切深度为5.38 m，最大下切深度为12.5 m，其中2008～2017年、2015～2017年期间平均下切深度分别为4.37 m和0.97 m(东山枢纽-归湖镇)。

3 三河坝-潮州供水枢纽段河道冲淤变化及成因

3.1 三河坝-高陂枢纽河段冲淤分析

三河坝-高陂枢纽河段河床冲淤变化特点为(表2，图4)：2002～2008年期间河段总淤积量为12.8×104m3，平均淤积厚度为0.012 m；2008～2015年期间河床大幅冲刷，总冲刷量为538.2×104m3，平均冲刷深度为0.71 m；2015～2017年期间河床仍延续冲刷趋势，总冲刷量为49.2×104m3，平均冲刷深度为0.15 m。整体上，三河坝-高陂枢纽河段由淤积转为冲刷，并继续维持冲刷趋势。

图2 三河坝-潮州供水枢纽河段代表断面变化Fig.2 Represents the change of section in Sanhe Dam-Chaozhou Water Supply Project

图3 三河坝-潮州供水枢纽河段纵向深泓变化Fig.3 The longitudinal thalweg change in Sanhe Dam-Chaozhou Water Supply Project Section

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

1)表中冲淤量和冲淤厚度，正值表示淤积，负值表示冲刷

图4 2008～2017年三河坝-高陂枢纽河段冲淤量及累计冲淤量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 高陂枢纽-东山枢纽河段冲淤分析

高陂枢纽-东山枢纽河段冲淤变化特点为(表3，图5)：2002～2008年期间河床总淤积量为38.5×104m3，河段平均淤积厚度为0.04 m；2008～2015年期间河床为冲刷趋势，总冲刷量为452.2×104m3，平均冲刷深度为0.56 m；2015～2017年期间河床仍维持冲刷趋势，总冲刷量为804×104m3，河段平均冲刷深度为0.95 m。整体上，高陂枢纽-东山枢纽河段由淤积转为冲刷，且冲刷幅度有增大趋势。

3.3 东山枢纽-潮州供水枢纽河段冲淤分析

东山枢纽-潮州供水枢纽河段冲淤变化特点为(表4，图6)：2002～2008年期间河床总冲刷量为1 759×104m3，平均冲刷深度为1.98 m，其中冲刷幅度最大的位置在归湖韩江特大桥下游，最大冲深达11 m；2008～2015年期间河床总冲刷量为1 584×104m3，平均冲刷深度为1.75 m。其中东山枢纽-归湖韩江特大桥区间以冲刷为主，归湖韩江特大桥下游淤积为主；2015～2017年期间河床总冲刷量为624×104m3，平均冲刷深度为0.57 m。整体上，东山枢纽-潮州供水枢纽河段为冲刷趋势，冲刷强度较大。

表3 高陂枢纽-东山枢纽河段河床冲淤量Table 3 The sediment erosion-accumulation in Gaobei-Dongshan hydro-junction

图5 2008～2017年高陂枢纽-东山枢纽冲淤量及累计冲淤量变化Fig.5 The amount of scouring and deposition and the cumulative amount of deposition in Gaobei-Dongshan hydro-junction during 2008～2017

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

图6 2008～2017年东山枢纽-归湖河段冲淤量及累计冲淤量变化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 冲淤成因分析

在自然河流演变过程中，水沙条件是引起河床冲淤的主要因素。随着人类活动的增加，枢纽工程的建设改变了水沙输移过程，或快或慢的改变了河床冲淤速度。采砂活动直接使得河床局部陡然增深，在冲淤图上出现不均匀冲刷坑。为了进一步探讨韩江中下游河床冲淤的成因，主要从河道区间泥沙输移平衡角度出发，计算区间泥沙输移量和采砂量，明确河床冲淤的主控因素。

收集了2008～2015年横山站、溪口站和潮安水文站的输沙量资料，利用泥沙冲淤平衡方法计算自然条件下的河床冲淤量。2009～2015年期间，横山站、溪口站和潮安站输沙总量分别为654×104t、137.8×104t和872×104t(图7a)，即三河坝-潮州供水枢纽河段自然条件下的河床冲刷量为80.2×104t，取泥沙淤积物干容重值为1.30 t/m3，采用输沙量方法得到的河床冲刷量为61.7×104m3。2008～2015年期间广东省水利厅公布的韩江规划采砂资料，此期间规划采砂总量为740.9×104m3(图7b)。

图7 2008～2015年期间韩江主要水文站输沙量及河道采砂量Fig.7 The sediment transport and the amount of sand in the main hydrological stations of Hanjiang during 2008～2015

实测资料分析表明，2008～2015年期间三河坝-归湖河段的总冲刷量为2574.2×104m3，河床自然冲刷量为61.7×104m3，规划采砂量为740.9×104m3。河床自然冲刷占总冲刷量的比例为2.39%，采砂占的比例为28.78%。其余部分是无序采砂及航道整治工程作用产生的河床冲刷量。采砂活动的结果使得河床的河槽容积增加，增加河床冲刷量。航道整治工程作用使得工程影响区域的河床冲刷，冲刷的泥沙在向上游或下游输移过程中，淤积不完全集中在航槽内，使得航槽冲刷。若是在水文站附近实施航道整治工程，也可能会影响自然条件的冲刷量，从输沙量平衡方法计算的自然冲刷量的量值上看，这一作用是较小的。综上分析认为，韩江干流三河坝-归湖河段的河床冲刷下切主要是由河床采砂引起的。

4 结 论

本文通过对2002～2017年韩江三河坝-潮州供水枢纽河段河道冲淤量、深泓及断面的分析，基于泥沙输移与河床冲淤关系，结合河道采砂活动，明确了引起近期河床冲淤变化的主控因素，取得的主要结论为：

1)河道深泓上，三河坝-高陂枢纽、高陂枢纽-东山枢纽及东山枢纽-潮州供水枢纽河段均为下切趋势，2002～2017年期间河床平均下切分别为1.92、1.15和5.38 m。断面形态变化由自然演变特点，转变为以全断面冲刷为主要形式。

2)2002～2008年期间韩江三河坝-东山枢纽河段略有淤积，2008～2017年期间为冲刷趋势，其中三河坝-高陂枢纽冲刷强度减小，高陂枢纽-东山枢纽河段冲刷强度增加。2002～2008年、208～2015年及2015～2017年期间，东山枢纽-潮州供水枢纽河段河道均冲刷，且冲刷强度先减小后增大。

3)基于河段区间泥沙输移平衡理论，计算了河道区间泥沙补给量，结合河道采砂量，分析认为韩江干流三河坝-归湖河段的河床冲刷下切主要是由河床采砂引起的。