河道異常淤積的成因分析與減淤建議

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 現狀分析

常州市運北片防洪包圍圈覆蓋了常州主城區,京杭大運河橫貫城區東西,城區北部有德勝河、澡港河等連通長江,城區內以老運河、關河為中心,向外輻射有澡港、北塘河等骨干水系,但是城區內部河網連通程度弱,斷頭浜較多,數量有50 余條（含涵管鏈接河道類型）。

近年受厄爾尼諾現象頻發困擾,防洪局勢較為緊張,常州市對河道行洪能力加強了關注。根據2019 年閘站河道斷面觀測發現：北塘河樞紐和橫塘河北樞紐上下游均發生異常淤積現象,以往河道斷面的年度淤積差值在0.1 m左右,2019 年末差值擴大到0.6 m～1.5 m。2020 年3 月,利用測深裝置沿澡港河東支、永匯河、老澡港河等河道中心線進行測量更是發現：澡港河東支自北向南,在永匯河交叉口上游500 m范圍內淤積厚度為0.5 m,自永匯河交叉口向下游淤積厚度則高達1.5 m左右；澡港河——東支河之間淤積厚度也首次達到1.5 m左右,澡港河東支交叉口向東至高速橋下淤積厚底更是達到2 m；老澡港河東支交叉口向上游200 m范圍內,淤積厚度為0.5m,與北塘河交叉口向上游300 m處淤積厚度卻達到2m；北塘河與老澡港河交叉口向東200 m范圍內淤積厚度為0.5 m,在澡港河東支交叉口附近淤積厚度則為0.6 m～1.5 m。其中,最為嚴重的流段是北塘河交叉口向南,橫塘河北樞紐下游200 m范圍內平均淤積厚度高達2.0 m左右,繼續往南后淤積逐漸減少至1.0 m～1.5 m。具體情況見圖1,藍色段淤積厚度為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 年淮河流域均發生過洪水災害,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、丘陵區的水土流失問題未得到及時關注,由此造成的地區泥沙輸送、沉積問題嚴重性遠超預計。

參考淮河流域河道淤積的案列,運北片異常淤積現象近幾年日漸凸顯,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變角度探尋淤積成因。運北片現階段斷面勘測結果顯示：淤積嚴重的河段都是以河道交叉口為起點,淤積厚度由此與上游發生明顯變化,因此預判：超淤發生流段流經區域的水土流失情況異常,流失土壤隨徑流進入河道,引發河道超淤；或者人為因素改變了水流形態,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,導致短時強暴雨發生頻率提高、次雨量增加,直接引發產匯流過程中水土流失加重。根據水系分布可以將防洪包圍圈劃分為14 個區塊,分別計算區塊集水面積的綜合徑流系數,由此分析部分流道超淤現象是否由異常水土流失引發。

圖2 防域洪排澇區劃分示意圖

通過常州主城區用地規劃圖,對各類用地面積進行分類匯總,參考規劃圖所標注的不同下墊面條件的徑流系數表,為方便計算,選取平均值作為同類地的平均徑流系數。

表1 常州市主城區各類用地徑流系數[1]

表2 各區域不同下墊面面積及徑流系數統計表[2]

續表2

續表2

從表中可以看出,城西南童子河運河片和串新河南運河片綜合徑流系數較低,其他片區的綜合徑流系數集中在[0.64,0.68]。淤積嚴重地區集中在澡港河東支老澡港片、北塘河橫塘河片和橫塘河丁塘港片,這3個區域的綜合徑流系數不存在明顯高出其他片區的情況。雖然這3個區域的城市綠地面積占比較小,耕地面積又占比較大,可能會導致截留雨水能力有限。因此在相同雨量情況下產生的地面徑流將地表泥沙裹挾進入流道的概率也相對升高。但是根據長期規劃資料可知,不同片區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河道淤積厚度差異在近幾年明顯擴大。

2.2 淤積轉移

排除水土流失影響后,淤積轉移成為最有可能性的淤泥來源。2019年江邊機組引水量較往年增加,機引流量大、流速穩定增加,這可能會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算準確性較高,常州地區河網水流含沙量較低,適用該公式[3]：

式中：S為按體積比濃度計算的水流挾沙能力；k、m為系數；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影響因素復雜,變化幅度較大,m的取值可以定位在0～3之間；根據實測資料,含沙量較低的水流ω一般在0.0004 m/s～0.001 m/s。

統計2020 年12 月調水期間的平均水位數據,非汛期運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,下游以南運河、串新河樞紐為例,水位僅從3.16 m提升至3,19 m。根據2019 年以來的統計數據以及檢測流速,參考孔俊等針對長江水流律定的挾沙能力公式系數[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。整合調水期間河道流速的測量數據,經計算可知：淤積異常流段上游S值達到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域發生沉降,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移。河道交叉口水流形態復雜,分流后流速下降,被水流裹挾的泥沙粒子在此處發生沉積。當淤泥累計達到一定厚度后,從土質學分子力的角度分析,當黏粒含量較高的淤泥含水量也很高時,會導致淤泥表面附著力加大,這就會導致淤積嚴重流段的進一步加深淤積,形成惡性循環。

3 減淤建議

通過分析下游河道分叉口發生異常淤積的泥沙來源以及淤積成因,本文認為河道斷面測量是一項必須長期跟進的工作,既可及時掌控河道的淤積變化,為調整調、換水方案提供理論和數據支持,又可為后期研究積累實測資料,以便后期進一步量化分析各種影響因素對河道淤積的影響。

結合一線運行經驗,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）主城區換水期間,可通過適當開啟城區泵站加大下游段流速來幫助淤泥外排；（2）擴大綠化面積,加強施工工地和閑置土地管理,做好農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）淤泥達到一定厚度會加速后期淤積,所以河道應分段輪浚,對于目前淤積較為嚴重的流段要加強監管、加強清淤頻率,以免淤泥堆積阻礙行洪。