西江干流广东段近期输沙变化趋势研究

赖国友，刘宏坤，文 丽

(广东省水利电力勘测设计研究院有限公司，广东 广州 510635)

0 引言

西江是珠江流域的主流，全长2075km，流域集水面积35.31万km2，占珠江流域面积的77.8%，年径流量和输沙量分别占珠江的73%和88%[1]，其水沙变化直接影响着珠江的水沙变化[2]。开展西江干流广东段近期输沙变化趋势及对河道演变影响，对该河道保护与治理具有重要意义。目前已有多位学者对西江干流水沙变化进行了研究，并取得了一定成果，如潘玉敏[3]利用梧州、古榄、官良和高要4个水文站的实测泥沙资料，分析了悬移质泥沙不同时段的特征值，估算整个河段天然状态下的泥沙沉积量；赖天锃等[4]对1960-2010年西江流域梧州-高要段水沙进行全面分析；朱颖洁[5]运用Mann-Kendall秩相关、线性趋势回归检验等方法对西江梧州段水沙时空演变特征进行分析；李海彬等[6]在分析西江近60年输沙量特性变化的基础上，根据库区泥沙淤积及控制站水沙实测资料，运用Brune拦沙率方法，估算干支流梯级水库拦沙量，提出西江水库群拦沙率修正式，并预测在建和拟建水库运行后西江输沙量变化趋势；万家全[7]选取西江干流迁江站、大湟江口站、梧州站、高要站1957-2016年的年径流量与年输沙量数据，采用Mann-Kendall检验法、5年滑动检验法、累积距平法进行定量与定性分析，同时使用模拟退火算法进行非线性回归分析，得出西江流域干流年径流量和年输沙量的变化规律。上述研究主要是分析了西江干流20世纪50、60年代以来水沙的变化规律，以及人类活动对其造成的影响。本文将采用近期的水沙资料分析西江干流广东段泥沙沉积及河道演变特性，结合该河段首次开展的河砂储量勘察，以及河床下切危害调查，对西江干流广东段河砂管理及河道治理提出应对措施[8-10]。

1 河道概况

西江水系是珠江流域的主流。上游南盘江发源于云南省沾益县马雄山，至梧州会桂江后始称西江，此后流入广东省肇庆市封开县，向东流经肇庆、云浮至佛山三水的思贤滘与北江相通后进入珠江三角洲网河区，其中，南盘江、红水河两段为上游；黔江、浔江两段为中游；西江段为下游；主要支流有北盘江、柳江、郁江、桂江、贺江、罗定江和新兴江。西江流域绝大部分在云南、贵州、广西等省(区)内。从源头至思贤滘干流长2075km，流域集雨面积353120km2，年均径流量2330亿m3。广东省境内西江干流自广西梧州、广东封开边界至广东三水思贤滘，经过云浮、肇庆2个地级市共8个县区，河段长208km，流域面积17960km2，年均降雨量1577mm，年均产流量仅149.6亿m3，控制站高要站实测流量最大55000m3/s，最小-2930m3/s。广东省境内西江干流堤防总长189.5km，保护农田58.2万亩，保护人口152.7万人，堤防防洪标准为10～50年一遇。西江干流自上游南盘江云鹏水电站开始往下游，已建和在建梯级依次有云鹏、天生桥一级、天生桥二级、平班、龙滩、岩滩、大化、百龙滩、乐滩、桥巩、大藤峡、长洲，梯级正常蓄水库容336.78亿m3，总装机容量1448.9万kW，西江干流梯级开发情况见表1。

表1 西江干流梯级开发情况

2 河道输沙变化情况

2.1 主要水文站概况

西江干流主要的水文站有梧州站和高要站，梧州站位于广东与广西交界处，是西江进入我省的控制站，高要站位于高要市，是重点水文站，两站对水位、流量、泥沙都有测验。支流有贺江的古榄站、罗定江的官良站、新兴江的腰古站，除腰古站只有水位、流量测验外，其余两站均有水位、流量、泥沙测验。除贺江古榄站1995年以后无泥沙测验资料外，各站采用的资料到2018年。西江流域干、支流主要水文控制站见表2。

表2 西江流域主要水文控制站表

2.2 输沙特性分析

2.2.1水沙年际变化

根据广东省水文局水文监测成果，西江干流及主要支流主要水文控制站的含沙量和输沙量统计成果见表3，年均流量及悬移质输沙量过程线如图1-2所示。由此可以看出，西江泥沙主要来自广西以上，西江干流梧州站1956-2018年多年平均含沙量0.257kg/m3，多年平均输沙量5284万t；西江干流高要站多年平均含沙量0.257kg/m3，多年平均输沙量5781万t。干流高要站年输沙量较大的年份出现在1994、1983等年份，1983年历史最大输沙量13100万t；小沙年为2011、2018等年份，2018年历史最小输沙量为805万t。

图1 干流水文站年均径流量及悬移质输沙量过程线图

图2 支流水文站年均径流量及悬移质输沙量过程线图

表3 主要水文站含沙量、输沙量统计成果表

由表3和图1-2可以看出，1999年以前干流梧州和高要站系列相对比较稳定，各系列均值变化不大，2000年以后系列均值减小幅度较大，梧州站和高要站2000-2018年多年平均年输沙量分别为1931万、2357万t，仅占1999年以前的29%和32.2%。贺江古榄站和罗定江官良站两站不同系列的变化相对比较大，特别是贺江古榄站，1956-1979年多年平均输沙量141万t，1980-1994年多年平均输沙量58.4万t，前者是后者的2.4倍。由于罗定江流域是我省水土流失的较严重的地区，官良站的输沙模数比较大，2000年以后官良站年输沙量有所减小，2000-2018年多年平均年输沙量为67.8万t，仅占1959-1999年的46.4%。三角洲马口站1999年以前年均输沙量为7347万t，2000年以后年均输沙量有所下降，为2312万t，为1999年以前的31.5%。

从输沙量的年际变化还可以看出，干流梧州站与高要站的变化规律基本一致，两站年过程线走势基本相同，这是因为两站位于整个流域的下游，集雨面积较大，相距较近，区间面积占集雨面积的比例较小。古榄和官良站的年际变化很大，系列一致性差，这与人类活动有密切联系。

2.2.2径流与泥沙关系

由各站年均径流量及悬移质输沙量过程线图可以看出，西江干支流的输沙量与其径流量有密切关系，一般丰水年也是丰沙年，枯水年则是少沙年。由各站输沙量和径流的年过程线图可以明显看出，随着年径流的变大或变小，输沙量也相应的变大或变小，且输沙量的年际变化要大于径流的年际变化。

2.2.3泥沙补给分析

2.2.3.1 悬移质泥沙

对于干支流泥沙资料相对完整的西江干流河段，利用输沙平衡原理进行规划河段悬移质泥沙沉积量估算，泥沙沉积量计算公式可表示为：

Ws=W干流+W支流+W区间-W输出

(1)

式中，Ws-规划河段悬移质泥沙沉积量；W干流-干流输入控制站多年平均悬移质输沙量；W支流-主要支流多年平均悬移质输沙量；W区间-主要支流之外的区间多年平均悬移质输沙量；W输出-干流输出控制站多年平均悬移质输沙量。以上度量单位均为万t。

若干支流控制站断面处有水文站，上述参数直接按相应水文站点输沙量取值；若控制站断面处无水文站，干支流控制断面输沙量根据距其最近水文站的输沙模数和控制断面以上流域面积进行计算。

2.2.3.2 推移质泥沙

根据一般的研究，河流的推移质输沙量与悬移质输沙量有一定的比例关系(推悬比，用β表示)。由于西江干流没有推移质泥沙观测资料，推悬比根据河流类型按表4确定，推移质泥沙补给量计算公式可表示为：

Wt=Ws×β

(2)

表4 推移质与悬移质输沙量比值关系

悬移质泥沙沉积量Ws和推移质泥沙沉积量Wt之和为规划河段泥沙沉积量，即泥沙补给量。

2.2.3.3 泥沙补给量计算结果

分别按式(1)、(2)计算西江干流广东河段悬移质和推移质泥沙沉积量。根据河段干、支流控制站点位置关系，干流输入控制站W干流取梧州站多年平均悬移质输沙量；W支流计算方法：支流输入控制站主要有贺江古榄站、罗定江官良站、新兴江腰古站，其中古榄站、官良站为水文站，悬移质输沙量根据控制站实测输沙模数与流域集水面积进行推算；新兴江腰古站为水位站，悬移质输沙量根据距其最近的干流控制站输沙模数与流域集水面积进行推算；根据各站控制输沙模数与支流流域面积的乘积计算得出支流悬移质输沙量。W区间按梧州站、高要站两站输沙模数平均值和区间集水面积(不含主要支流)乘积计算；W输出取思贤滘多年平均悬移质输沙量，按高要站输沙模数与思贤滘口以上流域面积乘积计算。推移质则根据表4所列的β值，考虑到本河段位于整个流域的下游，而且在进入广东之前有长洲枢纽的拦沙作用，因此干流上控制断面β值取0.05，其他支流及西江干流区间β值取0.1。湿沙容重一般是1.6～1.7t/m3，本文湿沙容重取1.65t/m3估算。

根据前文分析，2000年以后西江干流下游水文站年均悬移质输沙量明显减少，同时考虑到2004年长洲水利枢纽实现外江截流，因此本次采用研究河段各站2000-2018年多年平均输沙量进行泥沙沉积量计算，按照上述方法得出，西江干流广东河段多年平均泥沙沉积量约为-249万t，换算成体积为-151万m3，见表5。从计算结果来看，2000年以后由于来沙量明显减少，西江干流河段整体已处于冲刷状态。

表5 西江干流广东段2000-2018年年均泥沙沉积量计算成果

2.2.3.4 原因分析

2000年以来梧州和高要两站悬移质输沙量减少的主要原因：一是上游来水量减少，2003-2007年均为连续枯水年；二是西江上游广西境内多项大、中型水库的建设，梯级水库的修建在造福人类的同时也会破坏河流的相对平衡，使得下游河道的水沙过程发生变异[6]，2003-2016年水库群年平均拦沙约为4577.2万，拦沙率为77.11%[7]，减少了下游泥沙的供给；三是由于河道采砂活动，使输往下游的沙量减少；四是流域水土保持工作加强，进入河道的泥沙也减少。古榄站70年代后的输沙量只有60、70年代的42%，减小非常明显，初步分析可能与广西境内建有龟石、合面狮等多宗大、中型水库截留了部分泥沙有关。

3 近期河道演变分析

由于西江干流大量采砂活动主要集中在2000年以后，本次收集了西江干流2004、2005、2010、2014、2020年的河道地形资料，分析河道演变情况。各河段河床容积及冲淤变化见表6。

表6 西江干流河床容积及冲淤变化情况 单位：万m3

(1)河床平均高程变化

2004-2014年省界至肇庆大桥四条河段的河床平均高程普遍下切，下切幅度依次为1.24、2.22、3.06、2.71m。2014-2020年，省界至罗旁河段的河床平均高程普遍下切，平均下切幅度为0.17m；罗旁至肇庆大桥3条河段的河床平均高程表现为淤积，平均淤积厚度依次为0.94、0.12、0.67m。

2005-2010年，肇庆大桥至思贤滘河段河床平均高程冲淤交替，冲刷和淤积量相差不大；2010-2020年，肇庆大桥至思贤滘河段河床平均高程冲淤交替，总体表现为淤积，平均淤积厚度为0.26m。

(2)深泓高程变化

2004-2014年省界至肇庆大桥四条河段的深泓高程普遍下切，下切幅度依次为2.12、2.61、2.06、3.76m。2014、2020年，省界至罗旁河段的深泓高程下切，平均下切幅度为0.75m；罗旁至肇庆大桥3条河段的深泓高程表现为淤积，平均淤积厚度依次为1.64、0.09、1.51m。

2005-2010年，肇庆大桥至思贤滘河段深泓高程冲淤交替，整体呈现下切之势，平均下切幅度为0.31m；2010-2020年，肇庆大桥至思贤滘深泓高程冲淤交替，整体表现为淤积，平均淤积厚度为0.4m。

(3)河床冲淤变化

2004-2014年，省界至肇庆大桥四条河段的河床容积均在增大，增大幅度分别为9.78%、12.22%、18.01%、15.84%，表明4段河段冲刷比淤积更显著，合计冲刷量为31756.1万m3。

2014-2020年，省界至罗旁河段河床容积增大，罗旁至肇庆大桥3条河段的河床容积均减小，变化率依次为3.53%、-1.39%、-0.71%、-1.25%，表明省界至罗旁河段冲刷比淤积更显著，罗旁至肇庆大桥3条河段淤积比冲刷更显著；但从冲淤量整体来看，省界至肇庆大桥河段整体仍处于冲刷状态，冲刷量为404.4万m3，较2014年之前河道下切幅度大幅减小。

2005-2010年，肇庆大桥至思贤滘河段的河床容积在增大，增大幅度为2.81%，表明此河段冲刷比淤积更显著，累计冲刷1914.3万m3。2010-2020年，肇庆大桥至思贤滘河段的河床容积在减少，减小幅度为0.82%，表明此河段淤积比冲刷更显著，累计淤积量为572.7万m3。表明2010年以后，此河段已转为淤积状态。

4 河砂储量

4.1 估算方法

本次河砂储量的计算思路如下：以2020年实测地形和地质勘察为基础，首先确定河砂开采范围并结合开采控制高程采用断面法计算理论最大河砂储量，然后结合河床砂质情况确定折减系数，在理论最大河砂储量基础上乘以折减系数计算出河砂实际储量。河砂开采应服从防洪安全、水环境与水生态保护河势稳定、通航安全的要求，不能给防洪、供水、水环境与水生态、河势、通航等带来明显的不利影响。结合西江干流的实际情况，本次理论最大河砂储量计算的开采范围按距离两岸堤防堤脚或岸坡坡脚线50m、开挖边坡1：5控制，确保堤防及岸坡安全。考虑避免对堤岸及航道安全、河势稳定造成不利影响，开采深度不宜过大，开采控制高程按河道断面平滩水位下的河床平均高程控制。除此之外，针对钻孔揭露河床质情况，非砂质河床河段不计算储量，同时结合钻孔揭露砂层厚度情况，对储量计算控制高程进行调整，使控制高程不低于砂层底高程。

4.2 储量计算结果

为摸查广东省内西江干流可用砂的含量，本次布置钻孔39个，并采用浅地层剖面测量、侧扫声纳测量手段，39个地质桩孔河床质基本情况见表7。

表7 钻孔分布及河床质基本情况

西江干流界首至高要段总长度158km，2021-2025年划定河道禁采区长113.5km，非禁采区长44.5km[9]，剖出235个河道断面，按禁采区和非禁采区统计，西江干流界首至高要段禁采区内河砂储量合计4672万m3，非禁采区内河砂储量合计995万m3，河段储量总计5667万m3；按不同河段分段统计，西江干流河砂主要位于省界至罗旁河段，尤其是省界下丁坝坝田区河砂较多，其下由于多年采砂，储量已相对较少。按不同河段分段统计河砂储量见表8。

表8 西江干流不同河段河砂储量统计表 单位：万m3

5 结论

(1)从广东省内西江干流及支流主要水文控制站1956-2018年多年平均水沙变化分析成果看，2000年以后西江干流下游水文站年均悬移质输沙量明显减少，多年平均泥沙沉积量约为-249万t，河床大幅下切，河床容积增大明显，浅滩消失，堤岸冲刷下切严重，危及两岸堤防安全，2018年西江干流堤防险工段共计32处，总长29.94km[10]，应在险段位置布置丁坝等促淤工程。

(2)西江干流界首至高要段河砂储量总计只有5667万m3，主要集中在上游段，对偌大西江而言，已是几近枯竭，且泥沙补给量已出现负值，河道总体呈冲刷状态，所以建议对西江干流河砂长期实施全面禁采，各级人民政府应当组织水利、公安、交通、地矿等有关部门严格依法查处西江干流上的非法采砂活动。

(3)本文采用黄进等人20世纪70、80年代在北江测验推算总结出的推悬比计算河道推移质的输移量，没有对西江干流进行实测，因此无法精确计算泥沙补给量。

(4)本次在分析河砂储量时未能通过测量C14的放射性确定泥沙沉积年代，无法很好分析河床演变过程。