鳌江流域采砂活动对河流及涉水工程的影响分析

2012-10-16倪立建蔡德迪

浙江水利科技 2012年2期

关键词：河势采砂砂石

倪立建,蔡德迪

(1.平阳县鳌江流域综合治理办公室,浙江平阳 325400;2.平阳县水利局,浙江平阳 325400)

1 鳌江流域采砂现状分析

1.1 砂石分布现状

砂石资源作为工程建设所需的主要资源,随着社会经济建设的快速发展,其需求量日益增加。河流作为砂石资源的重要来源,越来越受到人们的重视。

鳌江是浙江省的八大水系之一,流域总面积为1 580.4 km2,干流全长90 km。鳌江流域砂石资源大多分布在鳌江中游段(顺溪—水头)及各条支流,主要是顺溪、岳溪、怀溪、闹村溪、凤卧溪等,凤卧溪出口以下河道中砂石分布量较少。

鳌江中游段土层地质自上而下依次为卵石混细砂层、圆砾夹细砂层、卵石混粗砂层、卵石夹漂石层、含碎石粉质黏土、块石。各层描述:①卵石混细砂层:层厚1.0～4.5 m,卵石粒径不均,中细砂含量在40%;②圆砾夹细砂层:层厚1.3～5.4 m,圆砾平均粒径 1～2 cm,含量略大于50%,零星夹卵石,填充物为中细砂,含量40%;③卵石混粗砂层:层厚1.6～6.4 m,卵石粒径2～5 cm,含量60%～70%;④卵石夹漂石层:层厚0.40～7.35m,卵石粒径5～8 cm,填充物为砂砾石。

从土层地质情况来看,可用砂石资源基本蕴含在河床表层1～10 m范围内。根据埭头水文站统计分析,鳌江中游多年平均径流量为5.15亿m3,其多年平均流量为16.33 m3/s,多年平均输砂量为6.8万t,多年平均来水含砂量为0.132 kg/m3。

1.2 砂石开采情况及存在的问题

前些年,在鳌江流域中河道采砂规模呈迅速扩大趋势,无序开采现象屡禁不止。砂石开采主要呈以下特点:①在开采种类上,以砂、卵石为主;②开采方式上有旱采和水采,以旱采为主;③在开采规模上,可采范围小,规模不大;④在开采时间上,开采期长;⑤开采者以个人为主,管理难度大。

据统计,2000—2005年期间鳌江中游砂石开采量在30万m3(不包括洪水冲运的砂石量),平均开采约5万m3/a,而其多年平均输砂量为6.8万t(合约4.25万m3),开采量大于输砂量。由于采区范围小,开采速度快,砂石资源在短时间内被采完。而形成的采砂坑在洪水的作用下迅速淤积,又为下一次砂石开采提供来源。这样持续开采引起了河床下降,造成防洪堤堤脚外露,危及堤防安全。部分河床形态因为采砂受到严重改变,影响到水流流态及流向。因此,鳌江流域的采砂活动对河势稳定和涉水工程安全的影响十分严重。

2 采砂对河势稳定的影响

采砂对河势稳定的影响主要体现在河段河床面下降和局部河段主流改道等。

2.1 河流演变特点

根据鳌江的测量资料,并结合实地调查分析,鳌江中游段在非洪水期河势基本稳定,河道漫滩部分没有出现太大的冲淤变化,基本保持冲淤平衡的趋势。平面状态主要表现在局部的凸岸淤积,凹岸冲刷。河道冲刷主要集中于河道正常水位以下的主河道部分,主河道水面线以下河床总体呈较大的降低,水深加大,水面宽度变窄等。台风洪水期河段演变影响较大,由于河床比降较大,洪水呈山区河流特性,因而洪水暴涨陡落,水流冲击力大,上段河道冲刷严重,下段部分河道淤积。

2.2 采砂对河床下降的影响

从输沙平衡角度分析,采砂活动对河床演变过程的影响主要是破坏了原有的输沙平衡,并逐渐达到新的平衡过程。水流挟沙力为水流的输砂能力,它与上游来水的含砂率比较,可以判断河流的冲淤情况。

式中:K为系数;V为流速,m/s;g为重力加速度,9.81m/s2;R为水力半径,m;ω为床沙质沉速,m/s;m为指数。

水流挟沙力主要与流速及水力半径有关,由于采砂活动改变了河流的纵横断面几何特性,使其水力要素及水流挟沙力发生变化。如上游来水含沙量不变,水流挟沙力增大,河床将会冲刷,反之产生淤积。对于挖沙形成的采砂坑,由于进口段比降加大,流速变急,水流挟沙力增大,在进口段形成冲刷;出口段水深加大,流速变缓,水流挟沙力减小,在出口段形成淤积。由于进口段缘口部位遭受水流冲蚀,上游水面线的跌落点将逐渐向上游移动,床面不断冲蚀,采砂坑的范围不断向上延展,形成溯源冲刷。出口段由于淤积,采砂坑逐渐向上游回淤,使采砂坑尾部也逐渐向上推移。

采砂坑对溪流影响过程可以分为3个阶段:第1阶段为溯源冲刷阶段,即来水入坑时跌落造成的急流不断淘刷上游面造成坍塌,并不断向上游发展;第2阶段为过渡阶段,该阶段水面坡降已不再受砂坑控制,但采砂坑坡降仍然比河道天然坡降陡,河道通过冲淤调整,趋向于形成全河段坡降总体上较为一致;第3阶段为河流天然演变阶段,经过冲淤调整,砂坑坡降已趋于平缓,河道演变接近正常的天然演变。

采砂坑形成后,可通过以上3个阶段逐渐调整成天然状态。但过度采砂不仅取走河床上的泥沙,使河床下降,而且河床下降后形成采砂坑,在上游形成溯源冲刷,在下游形成淤积。而淤积的泥沙又再次被挖掉,使上游溯源冲刷不断加大,下一河段的来砂又处于不饱和状态,如此下去,河道全线形成了普遍冲刷状态,从而造成河床全线下降。

2.3 采砂对局部河段主流改道的影响

主支流汇合口、河流弯道往往是砂石资源富集的区域,但也是对河势影响较为显著的河段。在这些河段,由于横向环流的存在,砂石容易在汇合口的两侧边滩、弯道的凸岸形成大量淤积。对该类河道进行采砂疏浚,对增大行洪断面、降低水面线有一定作用,但容易造成溪流改道,影响该河段的河势稳定。

在弯道凸岸采砂,如对凸岸边滩采砂过量,边滩变深,主槽向凸岸移动,缩短了弯道长度,水流直冲凹岸下游河段,造成下游塌岸,岸线后退。由于受水流直冲,弯道顶冲点同时向下游移动,造成弯道下移,弯道河势改变。因此对于在弯道采砂,要认真论证,对其开采范围及高程要严格控制,在做好疏浚的同时不能影响其河势稳定。

在汇合口两侧边滩采砂,如开采深度过深,使主槽位置改变,支流对主流的顶冲点发生了变化,造成主流顶冲点河段冲刷深度加大,岸线后退,影响其河势稳定。如开采范围过大,支流边滩遭大量削减,造成主流倒灌入侵支流,使原来不受顶冲的河段受到水流直冲,支流顶冲段冲刷深度加大,岸线后退,影响其河势稳定。因此对于汇合口采砂,要严格控制,认真论证,如非必要则不予开采。

3 采砂对涉水工程的影响

水闸、堰坝、桥梁上下游也是砂石容易淤积的部位。在水闸、堰坝、桥梁上下游及靠近防洪堤、公路路基的河段采砂,将会对这些工程安全产生危害。一方面采砂后由于冲刷,造成河床下降,水流横向次生流发生变化,掏空建筑物基础,危及其安全;另一方面采砂后改变主流方向,甚至水流直冲工程建筑物或堤岸,危及其安全。鳌江中游蒲潭、堰坝由于受下游过度采砂影响,加大了其上、下游的水头差,造成下游护坦、消力池的淘刷甚至破坏。因此对有涉水工程设施的河段应控制开采范围及深度,做到不影响工程安全及河势稳定。但在堰坝上游适量采砂,对恢复因淤积而减少的库容,增加其灌溉面积及效益有一定帮助。

在论证采砂对涉水工程设施的影响时,先要静态估算由于采砂坑引起的河道地形及水力参数等的变化,如湿周、过水面积、水力半径等;再要动态分析由于挟沙力、输沙率及水流顶冲点变化对该段河道演变的影响,分析河流的冲刷演变过程,得出最不利的影响参数;然后根据改变后的地形及水力参数进行边坡稳定、消能、防冲等方面的复核,最后根据复核结果对其影响进行综合评价。

4 采砂区规划

采砂除了对河势稳定、涉水工程有影响外,还对防洪、航运、水生态、城市景观等有影响。因此采砂区规划要从有利于防洪、河势稳定及生态环境保护等要求出发,对河道采砂进行通盘考虑,合理制定年度开采计划,对砂石开采管理实行“统一规划,分步实施,近远期结合”的原则,使砂石开采循序渐进,做到河道采砂与流域治理有机结合。

4.1 禁采区的划定

对禁采区的划定,可分为一级禁采区和二级禁采区(保留区)2大类。一级禁采区是河道采砂对河势稳定、防洪安全、水环境保护、拟建或在建工程以及一些重要设施有直接影响的河段和水域,主要包括水源保护区、旅游风景保护区范围、溪堤堤脚、公路路基保护范围内、堰坝、桥梁下游保护范围、水文测验河段保护范围、其他基础设施等范围,这类区域不得列为可采区。二级禁采区 (保留区)是河道采砂对河势稳定、防洪安全、通航安全、水环境保护等有可能产生影响的水域以及河势正处于变化中的河段或水域,这类区域应随河道防洪建设和河道治理以及河势变化的趋势确定能否列为可采区。