不同频率洪水作用下闽江下游采砂规划对河道演变的影响

魏志洪

(福州城建设计研究院有限公司，福建 福州 350001)

闽江是福建省最大的河流，流域面积为60992km2，沙洲、边滩等地貌发育。近年来，随着闽江上游河流梯级开发电站，河道水力条件和泥沙运动发生改变[1]。20纪90年代，闽江下游(即水口电站至闽江入海口)开始大量采砂(流域水系见图1)。由于当时福州及其周边城市的基础建设迅速发展，且部分周边地区严禁采砂，所以闽江砂石的需求量急剧增加。由于闽江砂质优良、价钱低廉，在经济利益的驱动下，各类采砂船遍及闽江下游河段，在无规划、无总量控制的情况下，形成滥采乱挖局面。据有关部门统计，闽江每年采砂量约为2000万～3000万m3。

图1 闽江下游流域水系

福州市政府为正确引导闽江下游采砂良性发展，不断出台相关文件，打击非法采砂行业发展，保护闽江下游正常采砂，使闽江河道采砂由杂乱无序逐渐向规范有序转变，非法采砂基本得到控制。

1 闽江下游洪水及泥沙补给分析

1.1 洪水分析

1.2 泥沙补给分析

闽江下游多年平均泥沙补给量为244.33万m3，水口水电站修建后闽江下游来水没有显著性差异，但对来沙有显著性差异。在这种差异的作用下，闽江下游河道原有的水沙平衡遭到破坏，河道河势发生明显变化[3]。

由1993—2013年竹岐站实测水沙资料可知[4]：来沙量最大的年份为2010年，为881万m3，其次为2006年的501万m3，第三为1998年的488万m3。因此，本次模型计算时，选用2010年水沙系列作为代表，截取2010年汛期实测出库流量大于3000m3/s水沙系列中的部分资料和对应的潮位过程作为模型的控制边界。多沙工况下水口水电站流量过程及琯头站对应潮位过程同水动力工况下边界保持一致。竹岐站各年实测来水来沙资料见图2。

图2 竹岐水文站1950—2013年来水来沙分布情况

2 河道采砂规划

2.1 规划总体布置

根据《闽江下游福州段2018—2020年河道采砂规划报告》，闽江下游河道整治规划范围为闽江下游河道总长93km河段，一共规划19个禁采区，5个可采区，3个保留区。

设置可采区主要是为了合理利用境内的河沙资源，确保各方面正常运行。保留区是指在河道管理范围内采砂具有不确定性，或是在可采区内有冲刷加深趋势或已开采过量，需要对采砂可行性进行进一步论证的区域。

2.2 规划控制可采量

规划可采区的采砂量纳入建筑砂料年度采砂控制总量，确定2018—2020年规划期内闽江下游3年采砂控制总量为391.1万m3，其中闽清段为34.7万m3，闽侯段为356.4万m3。具体规划情况见表1。

表1 2018—2020年闽江下游河道规划采砂量

3 河道演变影响研究

在闽江下游河道资料的基础上建立模型。模型研究范围与采砂规划范围一致，上游边界选取水口大坝断面，下游边界选取马尾罗星塔断面，总长93km。模型河道地形采用各次采砂规划实测地形(罗零高程系统)，单元数为17635，节点数为32919。采用冻结法处理干湿边交替，湿水深取0.100m，淹没水深取0.050m，干水深取0.005m。

通过以上模型对闽江下游河道在遭遇到5年一遇、20年一遇、50年一遇以及100年一遇4种不同频率洪水时，河道采砂规划前后河床断面的冲淤变化进行影响研究。具体见图3～图6。

图3 遭遇5年一遇洪水采砂前后河床典型断面冲淤变化

图4 遭遇20年一遇洪水采砂前后河床典型断面冲淤变化

图5 遭遇50年一遇洪水采砂前后河床典型断面冲淤变化

图6 遭遇100年一遇洪水采砂前后河床典型断面冲淤变化

典型断面河床冲淤变化研究表明，在白河江河段可采区、埕头河段可采区、沙白头河段可采区、马坑河段可采区、唐举河段可采区，河道下切严重，采砂量越大其河床冲淤变化越大。在马坪河段保留区、大目埕河段保留区、竹岐河段保留区，采砂前后典型断面河床冲淤变化不大。

由于可采区河道采砂导致河床下切，过水面积增大，采砂前后的淤积能力产生变化，采砂量越多，变化值越大。由于河道中间流速较快，两岸滩地流速较慢，两岸的淤积能力比河道中间的淤积能力高。在保留区，同样表现为两岸的淤积能力比河道中间的淤积能力高，但采砂前后断面变化不大，表明采砂活动对保留区的冲淤变化影响较小。在不同的流量条件下，采砂前后冲淤变化差值随流量增加而逐渐减小，5年一遇洪水流量条件下采砂前后冲淤变化值最大，100年一遇洪水流量条件下采砂前后冲淤变化值最小。

4 结 论

a.针对闽江下游河道遭遇到5年一遇、20年一遇、50年一遇以及100年一遇4种不同频率洪水情况时，通过模型对采砂规划前后洪峰时的河床冲淤及断面流速进行研究，揭示了在不同频率洪水作用下，闽江下游河道采砂规划对河道演变的规律。

b.洪水流量越大，采砂前后河床冲淤变化值越小；洪水流量越小，采砂前后河床冲淤变化值越大。河道采砂导致的河床冲刷变化影响范围主要集中在可采区，对保留区影响较小。造成这种影响的主要原因是河道来沙量较少，河道淤积能力较弱，采砂活动对河床冲刷能力的影响较大，可采区河道下切明显。

c.由于河道采砂，在可采区内采砂坑范围从上游向下游扩展，不断淘刷河床与堤岸交界处，使冲刷范围加剧、扩大。尤其是采砂坑横向变化，范围的扩大可能危及两岸堤防安全。同时，根据有关水文资料统计，水口水电站建成后闽江来水量无明显变化，但来沙量却大幅减少，加上河道曾因大规模的采砂使刷深明显，河床下切严重。河道来沙量降低，河道冲刷能力上升，河床持续下切，河道防洪能力下降。

d.模型研究表明，采砂规划可采区对洪峰流速与河床的冲淤变化影响显著。闽江下游河段，河势相对复杂，涉河建筑物众多[5]。现有闽江下游河道下切严重，河沙开采已接近饱和，建议下一阶段，闽江下游河道不再设置可采区，尽量减少采砂规划对河道进行的干扰，使其自主补充沙源，自我调节，休养生息。