長(zhǎng)江上游采砂分布及破壞灘群恢復(fù)能力模擬研究*

肖 毅， 張帥帥， 楊勝發(fā)， 李文杰

(重慶交通大學(xué)， 國家內(nèi)河航道整治工程中心， 重慶400074)

長(zhǎng)江上游河道位于山區(qū)[1]， 宜賓—宜昌砂石總量約1 530 萬t[2]。 隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展對(duì)砂石需求的不斷增加， 20 世紀(jì)以來長(zhǎng)江上游的采砂活動(dòng)更為頻繁， 引起河道局部過水面積增大， 采砂斷面水流流速減小， 致使采砂河段發(fā)生泥沙淤積， 減少了下游河道的來沙量[3]。 值得注意的是， 長(zhǎng)江上游的卵石灘群采砂尤為突出， 導(dǎo)致邊灘高差巨變， 其作用遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過河道自身調(diào)整與航道整治工程。 目前， 采砂對(duì)河道演變的影響主要集中于采砂坑的水流結(jié)構(gòu)[4-5]、 輸沙變化[6-7]、 生態(tài)環(huán)境[8-9]等方面， 而對(duì)其在長(zhǎng)江上游的分布及對(duì)卵石灘群演變和長(zhǎng)江上游航道的影響等的研究仍然較為缺乏。 因此， 開展長(zhǎng)江上游采砂分布及卵石灘群邊灘采砂恢復(fù)能力的研究十分迫切。

本文基于2007 年以來的水沙地形資料， 對(duì)長(zhǎng)江上游宜賓—重慶涪陵段采砂的時(shí)空分布進(jìn)行分析， 并采用已構(gòu)建的平面二維水沙數(shù)值模型對(duì)典型卵石邊灘恢復(fù)過程進(jìn)行模擬， 試圖為采砂對(duì)長(zhǎng)江上游卵石灘群邊灘再造的認(rèn)識(shí)提供數(shù)據(jù)支持。

1 長(zhǎng)江上游采砂特性分析

1.1 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)來源

長(zhǎng)江上游宜賓—重慶涪陵段總長(zhǎng)約為508 km，包括巫木樁—占磧子、 江津—?jiǎng)僦袎巍?白沙—溫中壩、 東溪口、 羊石盤—上白沙、 叉魚磧—神背嘴、 冰盤磧—火焰磧、 納溪—井口、 二龍口—香爐灘、 銅鼓灘—宜賓大橋、 九龍灘—寸灘、 寸灘—木 洞、 木 洞—長(zhǎng) 壽、 長(zhǎng) 壽—涪 陵 等 水 道(圖1)。 該段分別于2007 年和2016 年進(jìn)行了水下地形的測(cè)量， 測(cè)圖比例為1∶2 000， 為研究采砂分布及數(shù)量提供了數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

圖1 長(zhǎng)江宜賓—涪陵段灘面變化特征參數(shù)

1.2 宜賓—涪陵2007—2016 年采砂統(tǒng)計(jì)

長(zhǎng)江上游河道基本處于沖淤交替的平衡狀態(tài)，一般不會(huì)發(fā)生地形的劇烈調(diào)整。 根據(jù)2007—2016 年長(zhǎng)江上游宜賓—涪陵段的地形， 對(duì)比區(qū)間的地形變化， 若邊灘出現(xiàn)不規(guī)則劇烈沖刷， 且形成3 m以上的深坑或?yàn)┟嫫茐模?則可認(rèn)定為人工采砂。灘面變化特征參數(shù)見表1。 采砂造成河道地形變化量約為3.95 億m3； 單個(gè)采砂坑采砂量500 萬m3以上有17 個(gè)， 整個(gè)河段超過100 萬m3的采砂坑約為108 個(gè)(圖2)。 人工采砂可致卵石灘面破壞，其邊灘上下高差可達(dá)40 m， 大量的卵石灘、 磧消失， 河床大幅下切。 而大量人工堆砂又造成局部的劇烈抬升。

表1 宜賓—涪陵灘面變化特征參數(shù)

圖2 采砂數(shù)量統(tǒng)計(jì)

考慮三峽工程的回水影響至江津， 分別統(tǒng)計(jì)了宜賓—江津、 江津—涪陵段的采砂數(shù)量(圖3)。宜賓—江津的采砂體積為2.34 億m3， 三峽水庫的變動(dòng)回水區(qū)江津—涪陵河道采砂造成地形變化量約為1.61 億m3。 宜賓—江津段主要為銅鼓灘—宜賓大橋水道、 納溪—井口水道以及冰盤磧—火焰磧水道， 采砂量分別達(dá)到0.48 億、 0.36 億、0.56 億m3， 而江津—涪陵的主要采砂段集中在烏木樁—占磧子與寸灘—木洞水道， 采砂量分別為0.56 億、 0.55 億m3。

圖3 宜賓—涪陵采砂分布

2 卵石灘群采砂區(qū)恢復(fù)過程模擬

2.1 平面二維水沙數(shù)值模型

本研究所采用的水沙數(shù)學(xué)模型的構(gòu)建與驗(yàn)證見文獻(xiàn)[10]。 水流模塊采用ADI 有限差分法求解，除了連續(xù)方程中對(duì)時(shí)間偏導(dǎo)項(xiàng)采用向前差分、 動(dòng)量方程中對(duì)流項(xiàng)采用一階迎風(fēng)和中心差分格式組合外(QUICK 格式)， 其余各項(xiàng)均采用中心差分格式； 泥沙模塊采用類似求解方法， 對(duì)流項(xiàng)中采用一階迎風(fēng)格式。

2.2 典型卵石灘段采砂區(qū)恢復(fù)過程模擬

選取長(zhǎng)江上游典型卵石灘段東溪口作為研究對(duì)象。 該水道位于上游航道里程806.0～816.0 km， 集險(xiǎn)、 急、 淺、 彎多種礙航特征， 至2017 年采砂面積約為400 萬m2， 最大采砂深度約10 m(圖4)。前述所構(gòu)建的二維水沙數(shù)學(xué)模型已對(duì)該段的沖淤演變過程進(jìn)行了驗(yàn)證。 本研究主要是模擬東溪口段卵石邊灘采砂區(qū)的恢復(fù)過程， 計(jì)算地形采用2017 年2 月測(cè)圖， 采用2008—2017 系列年水沙資料， 預(yù)測(cè)時(shí)限為10 a。

圖4 東溪口水道實(shí)測(cè)采砂坑變化

該采砂區(qū)域各預(yù)測(cè)年份沖淤面積占比如表2所示。 隨著時(shí)間的增加， 淤積區(qū)域有所增大， 但整體增幅較慢， 淤積面積大約為7.3 萬m2， 占整個(gè)采砂區(qū)面積的0.2%左右。 沖刷區(qū)面積呈波動(dòng)變化， 總體呈現(xiàn)減小趨勢(shì)， 其比值約為整個(gè)區(qū)域的0.001%。 可見， 該采砂區(qū)域未來再造過程主要以淤積為主， 局部呈現(xiàn)少許沖刷。

表2 預(yù)測(cè)的采砂區(qū)再造過程沖淤面積隨時(shí)間占比

圖5 為該河段采砂區(qū)未來10 a 預(yù)測(cè)的累計(jì)淤積、 沖刷過程: 各年份淤積量整體呈減小趨勢(shì)，10 a 區(qū)域淤積量達(dá)1.1 萬m3、 2.9 萬t， 約為累計(jì)采砂量的0.12%。 由于系列年中包含大水少沙年份， 因而在6 ～8 a 間沖刷量為以往2 倍， 但其總量與淤積量相比仍然較小， 僅占其1.8%左右。

圖5 采砂區(qū)域累計(jì)沖淤量

圖6 為該水道采砂區(qū)未來10 a 的沖淤變化。預(yù)測(cè)4 a 地形變化如圖6a) 所示， 靠近航槽一側(cè)采砂區(qū)域沖淤變化較為明顯， 整體呈現(xiàn)淤積趨勢(shì)，越靠近航槽淤積量越大， 其淤積高度在0.05 ～0.15 m， 最大輸沙部位發(fā)生在采砂區(qū)域與航槽交界處。 預(yù)測(cè)6 a 采砂區(qū)域大體趨勢(shì)與預(yù)測(cè)4 a 相近， 淤積區(qū)向采砂區(qū)左岸延伸， 在采砂區(qū)靠近航槽部分淤積量增大， 最大淤積高度達(dá)0.3 m， 同樣在靠近航槽一側(cè)上游出現(xiàn)沖刷， 沖深0.05 ～0.25 m，如圖6b)所示。

預(yù)測(cè)8 a 和10 a 沖淤變化如圖6c)、 d)所示，隨著時(shí)間的推移， 沖深加大， 預(yù)測(cè)8 a 最大沖深可達(dá)0.5 m， 向采砂區(qū)域右岸淤積逐漸減小， 在航槽交界處上游仍持續(xù)沖刷， 沖刷深度可達(dá)0.35 m。預(yù)測(cè)10 a 在淤積持續(xù)增厚的基礎(chǔ)上， 采砂區(qū)下游區(qū)域開始出現(xiàn)淤積， 在采砂區(qū)與航槽交界處出現(xiàn)大范圍強(qiáng)淤積， 其淤積厚度平均在0.4 m 左右，最大值約為0.55 m， 而采砂區(qū)上游邊界處沖刷較之前并無太大變化。

圖6 采砂區(qū)未來10 a 再造過程預(yù)測(cè)

綜上可知， 該采砂區(qū)主要表現(xiàn)為由靠近航槽一側(cè)逐步回淤， 淤積范圍逐步向采砂區(qū)域內(nèi)部延伸至采砂區(qū)下游， 采砂區(qū)左岸部分并無明顯變化， 即采砂區(qū)的存在會(huì)對(duì)航槽回淤產(chǎn)生一定的影響， 但采砂區(qū)恢復(fù)過程較慢， 總體來看對(duì)航道的影響程度有限。

3 結(jié)論

1)至2016 年， 長(zhǎng)江上游宜賓—重慶涪陵段的采砂總量約為3.95 億m3， 主要集中于銅鼓灘—宜賓大橋、 納溪—井口、 冰盤磧—火焰磧， 烏木樁—占磧子與寸灘—木洞水道， 共計(jì)為2.51 億m3。 大量的人工采砂導(dǎo)致磧壩或邊灘被開采得高低不平，破壞了部分卵石灘段的灘面， 引起局部河床地貌的改變， 因而可能對(duì)不同水位期的航道維護(hù)管理帶來不利影響。

2)以長(zhǎng)江上游東溪口河段為例， 灘面破壞后的采砂區(qū)恢復(fù)過程較為緩慢。 采砂區(qū)與航槽交界處出現(xiàn)強(qiáng)淤積， 淤積厚度平均0.40 m， 最大值約為0.55 m。 相較于采砂坑實(shí)際采砂厚度10 m，10 a的最大恢復(fù)淤積量?jī)H為0.50 m， 考慮上游的梯級(jí)水庫的聯(lián)合調(diào)度運(yùn)行， 砂卵石的來量將進(jìn)一步減少， 而床面的卵石存量有限， 初步認(rèn)為大部分采砂坑基本無法恢復(fù)。