蔡志良，莊 楊，蔣 益，李一如

（常州市城市防洪工程管理處,江蘇 常州 213000）

1 現(xiàn)狀分析

常州市運(yùn)北片防洪包圍圈覆蓋了常州主城區(qū),京杭大運(yùn)河橫貫城區(qū)東西,城區(qū)北部有德勝河、澡港河等連通長江,城區(qū)內(nèi)以老運(yùn)河、關(guān)河為中心,向外輻射有澡港、北塘河等骨干水系,但是城區(qū)內(nèi)部河網(wǎng)連通程度弱,斷頭浜較多,數(shù)量有50 余條（含涵管鏈接河道類型）。

近年受厄爾尼諾現(xiàn)象頻發(fā)困擾,防洪局勢較為緊張,常州市對河道行洪能力加強(qiáng)了關(guān)注。根據(jù)2019 年閘站河道斷面觀測發(fā)現(xiàn)：北塘河樞紐和橫塘河北樞紐上下游均發(fā)生異常淤積現(xiàn)象,以往河道斷面的年度淤積差值在0.1 m左右,2019 年末差值擴(kuò)大到0.6 m～1.5 m。2020 年3 月,利用測深裝置沿澡港河?xùn)|支、永匯河、老澡港河等河道中心線進(jìn)行測量更是發(fā)現(xiàn)：澡港河?xùn)|支自北向南,在永匯河交叉口上游500 m范圍內(nèi)淤積厚度為0.5 m,自永匯河交叉口向下游淤積厚度則高達(dá)1.5 m左右；澡港河——東支河之間淤積厚度也首次達(dá)到1.5 m左右,澡港河?xùn)|支交叉口向東至高速橋下淤積厚底更是達(dá)到2 m；老澡港河?xùn)|支交叉口向上游200 m范圍內(nèi),淤積厚度為0.5m,與北塘河交叉口向上游300 m處淤積厚度卻達(dá)到2m；北塘河與老澡港河交叉口向東200 m范圍內(nèi)淤積厚度為0.5 m,在澡港河?xùn)|支交叉口附近淤積厚度則為0.6 m～1.5 m。其中,最為嚴(yán)重的流段是北塘河交叉口向南,橫塘河北樞紐下游200 m范圍內(nèi)平均淤積厚度高達(dá)2.0 m左右,繼續(xù)往南后淤積逐漸減少至1.0 m～1.5 m。具體情況見圖1,藍(lán)色段淤積厚度為0.5 m,綠色段淤積厚度為1.5 m,黑色段淤積厚度為2 m。

圖1 淤積嚴(yán)重河段示意圖

2 成因分析

資料記載1991 年和2003 年淮河流域均發(fā)生過洪水災(zāi)害,究其原因,行洪通道淤積是造成淮河大水的主要原因之一。經(jīng)分析淮河流域河道淤塞的原因主要有2 方面：（1）流域中上游修建有大量的水庫和塘壩,造成泥沙就近沉積或沿程滯留；（2）可耕種土地、丘陵區(qū)的水土流失問題未得到及時(shí)關(guān)注,由此造成的地區(qū)泥沙輸送、沉積問題嚴(yán)重性遠(yuǎn)超預(yù)計(jì)。

參考淮河流域河道淤積的案列,運(yùn)北片異常淤積現(xiàn)象近幾年日漸凸顯,可以基本排除地勢地形的作用,主要從泥沙來源與沉淀方式的轉(zhuǎn)變角度探尋淤積成因。運(yùn)北片現(xiàn)階段斷面勘測結(jié)果顯示：淤積嚴(yán)重的河段都是以河道交叉口為起點(diǎn),淤積厚度由此與上游發(fā)生明顯變化,因此預(yù)判：超淤發(fā)生流段流經(jīng)區(qū)域的水土流失情況異常,流失土壤隨徑流進(jìn)入河道,引發(fā)河道超淤；或者人為因素改變了水流形態(tài),干擾了河道泥沙自然積累的過程。

2.1 水土流失

厄爾尼諾氣候頻發(fā),導(dǎo)致短時(shí)強(qiáng)暴雨發(fā)生頻率提高、次雨量增加,直接引發(fā)產(chǎn)匯流過程中水土流失加重。根據(jù)水系分布可以將防洪包圍圈劃分為14 個(gè)區(qū)塊,分別計(jì)算區(qū)塊集水面積的綜合徑流系數(shù),由此分析部分流道超淤現(xiàn)象是否由異常水土流失引發(fā)。

圖2 防域洪排澇區(qū)劃分示意圖

通過常州主城區(qū)用地規(guī)劃圖,對各類用地面積進(jìn)行分類匯總,參考規(guī)劃圖所標(biāo)注的不同下墊面條件的徑流系數(shù)表,為方便計(jì)算,選取平均值作為同類地的平均徑流系數(shù)。

表1 常州市主城區(qū)各類用地徑流系數(shù)[1]

表2 各區(qū)域不同下墊面面積及徑流系數(shù)統(tǒng)計(jì)表[2]

續(xù)表2

續(xù)表2

從表中可以看出,城西南童子河運(yùn)河片和串新河南運(yùn)河片綜合徑流系數(shù)較低,其他片區(qū)的綜合徑流系數(shù)集中在[0.64,0.68]。淤積嚴(yán)重地區(qū)集中在澡港河?xùn)|支老澡港片、北塘河橫塘河片和橫塘河丁塘港片,這3個(gè)區(qū)域的綜合徑流系數(shù)不存在明顯高出其他片區(qū)的情況。雖然這3個(gè)區(qū)域的城市綠地面積占比較小,耕地面積又占比較大,可能會(huì)導(dǎo)致截留雨水能力有限。因此在相同雨量情況下產(chǎn)生的地面徑流將地表泥沙裹挾進(jìn)入流道的概率也相對升高。但是根據(jù)長期規(guī)劃資料可知,不同片區(qū)之間的用地差異長期存在,由此判斷水土流失帶來的泥沙不足以促使片區(qū)河道淤積厚度差異在近幾年明顯擴(kuò)大。

2.2 淤積轉(zhuǎn)移

排除水土流失影響后,淤積轉(zhuǎn)移成為最有可能性的淤泥來源。2019年江邊機(jī)組引水量較往年增加,機(jī)引流量大、流速穩(wěn)定增加,這可能會(huì)將位于永匯河上游的澡港河和東支河的淤積物沖至下游,下游河道交叉口分流后,流量、流速下降,泥沙在交叉口開始沉淀,造成下游段淤積。

圖3 城區(qū)主要河道引水后的流速示意圖

張瑞瑾公式對低含沙量水流計(jì)算準(zhǔn)確性較高,常州地區(qū)河網(wǎng)水流含沙量較低,適用該公式[3]：

式中：S為按體積比濃度計(jì)算的水流挾沙能力；k、m為系數(shù)；V為水流的垂線平均流速,m/s；g為重力加速度,m/s2；h為水深,m；ω為泥沙顆粒沉,m/s。其中,k影響因素復(fù)雜,變化幅度較大,m的取值可以定位在0～3之間；根據(jù)實(shí)測資料,含沙量較低的水流ω一般在0.0004 m/s～0.001 m/s。

統(tǒng)計(jì)2020 年12 月調(diào)水期間的平均水位數(shù)據(jù),非汛期運(yùn)北片平均水位一般在3.16 m～3.30 m左右,上下游水位差異不大,但是調(diào)水期間上游以新閘、澡港河南樞紐水位為例,水位從3,16 m、3,18 m提升至3.27 m、3.31 m,下游以南運(yùn)河、串新河樞紐為例,水位僅從3.16 m提升至3,19 m。根據(jù)2019 年以來的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)以及檢測流速,參考孔俊等針對長江水流律定的挾沙能力公式系數(shù)[4],將張瑞瑾公式中的k取值定為0.317,m的值定為0.44；ω取值0.0008 m/s。整合調(diào)水期間河道流速的測量數(shù)據(jù),經(jīng)計(jì)算可知：淤積異常流段上游S值達(dá)到0.415,下游受斷頭浜、引水分流等因素影響,流速降低明顯,S值取值為[0.0037,0.0482）,因此,在引水期間,在上游河道流量、流速提高明顯,水流沖擊作用下流往下游的泥沙在流速降低區(qū)域發(fā)生沉降,加重了下游流段淤積。

綜上所述,水土流失固然是河道淤積的成因之一,但對于流道的異常淤積現(xiàn)象而言,并非主因,異常淤積的泥沙來源更有可能是上游河道淤積的轉(zhuǎn)移。河道交叉口水流形態(tài)復(fù)雜,分流后流速下降,被水流裹挾的泥沙粒子在此處發(fā)生沉積。當(dāng)淤泥累計(jì)達(dá)到一定厚度后,從土質(zhì)學(xué)分子力的角度分析,當(dāng)黏粒含量較高的淤泥含水量也很高時(shí),會(huì)導(dǎo)致淤泥表面附著力加大,這就會(huì)導(dǎo)致淤積嚴(yán)重流段的進(jìn)一步加深淤積,形成惡性循環(huán)。

3 減淤建議

通過分析下游河道分叉口發(fā)生異常淤積的泥沙來源以及淤積成因,本文認(rèn)為河道斷面測量是一項(xiàng)必須長期跟進(jìn)的工作,既可及時(shí)掌控河道的淤積變化,為調(diào)整調(diào)、換水方案提供理論和數(shù)據(jù)支持,又可為后期研究積累實(shí)測資料,以便后期進(jìn)一步量化分析各種影響因素對河道淤積的影響。

結(jié)合一線運(yùn)行經(jīng)驗(yàn),可以有針對性的采取以下措施,以期減輕下游主干河道的異常淤積：（1）主城區(qū)換水期間,可通過適當(dāng)開啟城區(qū)泵站加大下游段流速來幫助淤泥外排；（2）擴(kuò)大綠化面積,加強(qiáng)施工工地和閑置土地管理,做好農(nóng)田水土保持工作減少水土流失,也是減淤工作的重要組成部分；（3）淤泥達(dá)到一定厚度會(huì)加速后期淤積,所以河道應(yīng)分段輪浚,對于目前淤積較為嚴(yán)重的流段要加強(qiáng)監(jiān)管、加強(qiáng)清淤頻率,以免淤泥堆積阻礙行洪。