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        基于多期河床地形的閩江下游采砂問題分析

        2022-11-29 10:28:58趙樹林
        地下水 2022年6期
        關鍵詞:泥砂閩江河砂

        趙樹林

        (福州市水利水電開發(fā)公司,福建 福州 350001)

        0 引言

        閩江因其河砂資源豐富、砂質(zhì)優(yōu)良和價格低廉,是很好的建筑材料。上世紀90年代以來,在可觀的經(jīng)濟效益驅(qū)使下,開始大量采砂。

        河道采砂主要為采挖河床表層的床砂,而床砂是河道挾帶泥砂的水流與河床相互作用的產(chǎn)物。閩江本屬少砂河流,且隨著上游干支流水庫的不斷建設,特別是1993年來水口大壩建設后,流域上游大部分推移質(zhì)輸砂量遭遇大壩的攔截,閩江下游來砂量急劇減小。為保持河床沖淤平衡,每年可供開采的砂量極其有限。

        為避免濫采濫挖對閩江下游防洪、河勢和航運等帶來不利影響,2006年開始,閩江下游開始執(zhí)行采砂規(guī)劃,在科學規(guī)劃和合理安排的總框架下,進行合理開采,逐年降低規(guī)劃河砂開采量。然而通過近幾年閩江下游河床地形實測觀察,閩江下游河床下切情況雖略有改善,但仍較為嚴峻。

        過往針對閩江下游河道演變分析,多從河道深泓線、典型斷面和水位變化的角度分析[1]。本文通過多期閩江下游河道實測水下地形數(shù)據(jù),生成現(xiàn)狀河道平面二維彩圖,直觀展示河床深槽、淺灘情況;結(jié)合歷年規(guī)劃采區(qū)位置,生成河床高程變化平面二維彩圖,分析采砂對河道演變的影響。通過二維彩圖河床現(xiàn)狀及變化的分析,直觀準確地把握河道沖淤變化要點,更好反應當前河道采砂管理中的問題,并據(jù)此提出針對性的管理措施。

        1 研究區(qū)域概況

        1.1 河道概況

        閩江下游段(見圖1),上起閩清水口大壩,經(jīng)閩清縣、閩侯縣,在侯官分為南北港,南、北港匯合后向東北方向流至流經(jīng)閩安,在亭江又分南北2支,繞過瑯岐島,分別從長門水道和梅花水道注入臺灣海峽。閩江下游河段全長約126 km,從閩清雄江鎮(zhèn)至金剛腿斷面,流域面積約6 355 km2;年平均徑流量540億 m3,年均輸砂量525萬t,主要有大樟溪、梅溪、安仁溪等13條一級支流。

        1.2 河道采砂概況

        閩江下游河道大規(guī)模的采砂始于90年代。由于閩江砂質(zhì)優(yōu)良、價錢低廉,在無規(guī)劃、無總量控制的情況下,非法采砂現(xiàn)象屢禁不止,大量閩江優(yōu)質(zhì)砂運往東南亞國家地區(qū)及周邊省份,加上沿江河道大規(guī)模的吹砂造地和城市基建大量用砂,每年采砂大約在4 000~5 000萬 m3,大量采砂的結(jié)果,使得河床不斷刷深,影響河勢穩(wěn)定,給防洪安全、航運安全、水生態(tài)環(huán)境安全帶來影響。

        2006年以來閩江下游開始執(zhí)行采砂規(guī)劃,其后逐步發(fā)展為采砂規(guī)劃每3年修編一次。其中,2012-2020年間,閩江下游共完成3次采砂規(guī)劃。根據(jù)規(guī)劃成果,自2012年起,閩江下游段竹岐段段以南(包括閩江南港和北港)全線禁采,規(guī)劃可采區(qū)均分布于水口大壩至南北港匯合口之間。2012-2014年,規(guī)劃期內(nèi)閩江下游年度采砂控制總量為696萬 m3;2015-2017年,規(guī)劃期內(nèi)閩江下游年度采砂控制總量為580萬 m3;2018-2020年,規(guī)劃期內(nèi)閩江下游年度采砂控制總量為391.1萬 m3,規(guī)劃了白河江、埕頭、沙白頭、馬坑和唐舉共5個可采區(qū)。2018-2020年規(guī)劃可采區(qū)分布見圖1,各可采區(qū)規(guī)劃情況見表1。

        圖1 閩江下游2018-2020年規(guī)劃可采區(qū)分布圖

        1.3 河道泥砂補給概況

        閩江河砂資源較為豐富,每年洪水季節(jié)從上游沖刷而下,洪水挾帶的大量泥砂容易在流速小的地區(qū)沉積下來,長年累月在河段沿江岸形成心灘和邊灘。上游河段河灘、河岸發(fā)生岸崩塌、床面沖刷,泥砂被水流挾運在其下游堆積,這部分床砂是閩江下游河段的主要泥砂來源。

        根據(jù)歷年《中國河流泥沙公報》[2],水口大壩建成前后閩江來水量無明顯差異,但來砂量卻大幅減少。從1950-2020年竹岐站多年平均來砂量為525萬 t。其中1950-1992年間,竹岐站多年平均來砂量為717萬 t。大壩建成后,由于流速的減小、大壩的攔截,推移質(zhì)幾乎全部淤積于大壩之上。水口以下來砂主要由水口大壩以上懸移質(zhì),及下游區(qū)間的懸移質(zhì)和推移質(zhì)組成。1993-2020年間,竹岐站多年平均來砂量約230萬 t,僅為水口大壩建成前來砂量的32%。2012-2020年3輪采砂規(guī)劃9 a間,竹岐站平均來砂量每年僅188萬 t,竹岐站實測來砂與徑流見表2。

        表1 2018-2020年規(guī)劃可采區(qū)情況表

        表2 竹岐水文站實測來砂與徑流資料

        2 河道演變分析方法

        采用ArcGIS平臺,以閩江下游2014年、2017年和2020年共3期實測全河段水系地形數(shù)據(jù)為數(shù)據(jù)源,通過多種空間插值方法[3],生成河床地形柵格圖。從閩江下游全河段、規(guī)劃可采區(qū)和河床斷面三個空間尺度進行展示分析,分析內(nèi)容包括全河段二維河床地形、局部河段河床地形、河道深泓線。通過比較不同年份河床高程柵格數(shù)值,生成河床斷面地形變化圖。

        3 分析計算成果

        3.1 全河段沖淤變化

        本次閩江下游全河段河床沖淤變化采用2020年與2017年實測地形進行比較分析。其中竹岐以上河段為近年來主要開采河段,竹岐以下河段全線禁采。兩期河床地形比較結(jié)果顯示,竹岐以上河段整體呈下切趨勢,河床總方量減少920.4萬 m3,河床平均下切約0.44 m,僅唐舉和竹岐等局部河段略有淤積;竹岐以下河段河床基本穩(wěn)定,總方量增加138.2萬 m3,河床平均淤積深度約0.015 m。

        3.2 重點河段平面變化分析

        根據(jù)2017-2020年河床沖淤變化成果,選擇規(guī)劃可采區(qū)中采砂影響較大、沖淤變化明顯的河段進行展示(見圖2,沙白頭段河床變化不突出,本文僅附其余四個可采區(qū))。5個規(guī)劃可采區(qū)沖淤變化情況見表3。

        5個可采區(qū)在2018-2020年3 a間,河床變化情況。(1)白河江河段,河床整體略有下降,河段左岸上游段因丁壩作用,有一定淤積;河段右岸下游段為主要開采區(qū)域,河床有所下降。(2)埕頭河段,河床下切較為嚴重,河段右岸靠近岸灘部位出現(xiàn)較為明顯的長條形沖刷深槽,最大刷深4~7 m。(3)沙白頭河段,河床整體略有下降,河段右岸偏下游段有一定淤積。(4)馬坑河段,河床總體有一定下降,但刨除局部開采深坑,河段內(nèi)整體略有淤積。(5)唐舉河段,河床總體高程基本不變,河段局部有一定淤積。可采區(qū)2014-2017年河床沖淤情況詳見圖2,具體變化情況不再詳細說明。

        表3 2018-2020年度采砂規(guī)劃可采區(qū)沖淤情況表

        3.3 典型斷面對比分析

        在閩江下游河段,從2014年、2017年和2020年實測地形圖中,根據(jù)閩江下游河道采砂規(guī)劃監(jiān)測斷面位置共設置了40個斷面。在每個斷面中,以20 m間隔自動生成高程點,通過緩沖分析和疊加分析獲取每個高程點對應的2014年、2017年和2020年高程值,實現(xiàn)對河道高程的對比分析。本文僅列出可采區(qū)部分典型斷面,見圖3。

        在2017-2020年期間四個可采區(qū)沖淤情況(不含沙白頭可采區(qū)):(1)白河江河段,主要開采區(qū)域位于下游段,下游左岸深槽處略有刷深;(2)埕頭河段,主要開采區(qū)域位于右岸,右岸河床刷深最大達7 m;(3)馬坑河段,主要開采區(qū)位于上游右岸段,上游右岸河床刷深最大達10 m;(4)唐舉河段,主要開采區(qū)位于上游右岸段,開采區(qū)河床變化不大,下游段右岸略有淤積。經(jīng)歷了2003-2013年10 a劇烈下切后,南港河段總體上呈現(xiàn)較為穩(wěn)定態(tài)勢。

        3.4 泥砂補給計算

        根據(jù)歷年《中國河流泥沙公報》,閩江下游段有閩江竹岐、永泰(清水壑)水文站兩個站點的泥砂數(shù)據(jù),平均年輸砂模數(shù)分別為100和131 t/(年·km2),結(jié)合水口大壩、竹岐水文站以上控制流域面積和大樟溪流域面積(52 438、54 500和4 034 km2),閩江河砂入海量占比18.6%,閩江下游干流各河段水面面積等資料及數(shù)據(jù),計算可得閩江下游各河段來砂補給量:水口大壩至竹岐段來砂補給量約49.24萬 m3,竹岐至馬尾段來砂補給量約126.12萬 m3(其中大樟溪補給10.76萬 m3)。竹岐以上河段每km2淤積砂量1.76萬 m3,5個可采區(qū)河段總補給量合計15.84萬 m3。

        根據(jù)《中國河流泥沙公報》,2018-2020年3 a間竹岐站年均來砂量為218.3萬 m3,與水口大壩建成后竹岐站年均來砂量230.2萬 m3較為接近,3 a總泥砂補給量可近似取用前述計算成果。

        注:上面三組附圖左側(cè)為2014/2017/2020地形圖,右側(cè)為2017-2014年地形變化和2020-2017年地形變化圖。

        圖3 典型可采區(qū)3年度河床斷面變化情況

        3.5 成果分析

        (1)從閩江下游整個河段沖淤情況分析,河道總體呈刷深趨勢,竹岐以上河段河床平均沖刷下切約0.44 m;竹岐以下河段河床平均淤積深度約0.015 m。導致閩江下游河道刷深的原因雖然十分復雜,但仍可主要歸因于以下幾個方面:上游水口大壩的攔蓄造成大壩以上河床推移質(zhì)攔蓄在大壩上游;閩江流域水土保持情況日趨變好,水土流失產(chǎn)生河砂量減少;閩江河砂的開采。

        (2)從閩江下游幾個規(guī)劃可采區(qū)沖淤情況分析,除唐舉河段總體略有淤積外,幾個可采區(qū)均有較大刷深。其中埕頭馬坑河段可采區(qū),從河段沖淤變化圖上可以看出,刷深區(qū)域較為集中。由于采砂規(guī)劃已明確開采控制高程,而實際刷深區(qū)底高程遠低于規(guī)劃開采控制高程。本次分析可能存在主要兩個原因:(1)河段主要砂儲量集中于河段局部區(qū)域,區(qū)域外并無砂儲量,河砂開采時無法按原定控制高程獲取足量的河砂,開采時未按控制高程開采,河床刷深由采砂直接造成;(2)河段采砂造成河床地形、河勢變化,其后在水流的作用下不斷刷深。針對兩種刷深情況,建議在河道采砂期間,增加對河道監(jiān)測的頻次,發(fā)現(xiàn)異常應及時采取處理方案。

        (3)從泥砂開采與補給情況進行分析,閩江歷年主要開采河段位于竹岐以上河段,經(jīng)計算竹岐以上河段每年泥砂補給量為49.24萬 m3,其中5個可采區(qū)河段總補給量合計15.84萬 m3,而2018-2020年3 a一共規(guī)劃采砂總量391.1萬 m3,平均每年采砂130.37萬 m3。竹岐以上河段每年泥砂補給量小于每年開采量,因此河床仍將不斷刷深。目前閩江下游河道采砂量已逐年減少,但考慮來砂量遠小于開采量,建議下一步考慮對閩江下游河段禁止采砂。

        (4)從河床沖淤變化、泥砂補給和開采總量分析,閩江下游河段從水口至馬尾段,河床總方量3年共減少782.2萬 m3,3 a總泥砂補給量為526.08萬 m3,3 a規(guī)劃可采量為391.1萬 m3。綜上,仍有917.18萬 m3河砂流失在河段以外,如流入馬尾以下河段及大海,或非法采砂等。

        針對采砂管理問題,目前采砂工作由河段所在縣政府負責統(tǒng)一組織開采和監(jiān)管,通過招投標型式確定采砂船舶,設置采砂船舶許可證,建立采砂月報制度及河砂準運制度等,建立完善河砂采、運、堆、銷、用等五個環(huán)節(jié)監(jiān)管機制,確保河砂從出水到上岸再到市場“有蹤有循”。在動態(tài)監(jiān)測管理措施方面,現(xiàn)有如采砂船裝置GPS,建立電子地圖等,對非法采砂活動的監(jiān)控方式還較為落后。建議對閩江下游河段,布設河湖采砂智能監(jiān)控系統(tǒng)[4],采取如熱成像云臺日夜巡查、固定點位遠距離違法取證探頭裝置及無人機飛行抓拍等方式,讓河段全天候處于監(jiān)控中,逐步杜絕非法采砂現(xiàn)象。

        4 結(jié)語

        (1)采用ArcGIS平臺,以閩江下游2014年、2017年和2020年共3期實測地形數(shù)據(jù)為數(shù)據(jù)源,分析了2014-2017-2020年全河段二維河床地形、局部河段河床地形、河道深泓線。通過比較不同年份河床高程生成河床斷面地形變化圖。

        (2)以閩江下游江竹岐、永泰(清水壑)兩個站點的泥砂數(shù)據(jù),根據(jù)各節(jié)點流域面積及各河段水面面積等資料及數(shù)據(jù),計算各河段泥砂補給量。

        (3)根據(jù)河道演變分析成果,結(jié)合計算泥砂補給量、歷年閩江下游河砂開采量,從多方面進行分析。分析得出:河道總體呈刷深趨勢,竹岐以上河段河床平均沖刷下切約0.44 m;規(guī)劃幾個可采區(qū)多有較大刷深,刷深區(qū)域較為集中,底高程遠低于規(guī)劃開采控制高程;可采區(qū)泥砂補給量小于每年規(guī)劃開采量;除規(guī)劃開采量之外,仍有大量河砂流失在河段以外。

        (4)建議逐步禁止閩江下游河段采砂,并對閩江下游全河段布設河湖采砂智能監(jiān)控系統(tǒng)增強采砂監(jiān)管能力,有力打擊非法采砂現(xiàn)象。

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