入海河口闸下河道泥沙淤积危害评估研究

2013-10-13高祥宇窦希萍朱明成

海洋工程 2013年5期

高祥宇，窦希萍，朱明成

(南京水利科学研究院河流海岸研究所，江苏南京 210029)

我国1.8万km大陆岸线和1.4万 km岛屿岸线上，分布着大小入海河口约1 800多个［1］，仅长度在100 km以上的入海河流就有63条之多。入海河流的流域面积总计达431.2万km2，占全国陆地总面积的44.9%，由入海河口注入海洋的年径流总量达18 152.4亿m3，占全国河川年径流总量的69.8%。河口大多是繁荣富庶之地，自20世纪50年代以来，为解决河口地区农业用水和防止土地盐碱化，修建了许多挡潮闸挡潮御海、蓄淡灌溉、排洪除涝以及防台抗暴等。目前我国入海河口300多个已修建挡潮闸。图1为江苏沿海和海河流域入海河口建闸分布示意图。入海河口修建挡潮闸后改变了河口区的潮波运动，径流与潮流之间的能量平衡都将重新调整，陆相来沙和海相来沙都受到不同程度的阻挡，闸上闸下都将发生不同程度的泥沙淤积。河道的严重淤积将使挡潮闸不能正常发挥其功能并带来一些危害，如削弱河口的泄洪能力，使防洪排涝的功能逐年降低，影响上游的排灌环境，恶化下游的通航条件，威胁水闸的正常运行等，经常投入一些工程措施来减小河道淤积带来的危害。对于闸下河道的淤积问题研究淤积的原因和清淤减淤的措施较多［2-20］，淤积的主要原因为建闸后潮波变形、泥沙主要来源发生变化、不平衡输沙增强等，清淤减淤措施主要为机械清淤、水力冲淤、气动清淤、爆破清淤和采用一些工程措施防淤减淤。而其危害程度如何用指标衡量，目前研究较少。通过闸下河道淤积造成洪涝灾害风险评估，来探讨闸下河道淤积危害程度。

图1 入海河口建闸分布示意Fig.1 Distribution diagram of sluices built in estuaries

1 海河流域和苏北沿海闸下河道淤积情况及排水能力变化

入海河口的泥沙可分为砂质和泥质两大类，砂质河口通常闸下河道淤积较轻，淤泥质河口闸下河道泥沙淤积严重［21］。海河流域和江苏苏北沿海大部分入海河口处于淤泥质岸滩，闸下河道淤积十分突出。表1为海河流域处于淤泥质海岸的主要入海河口闸下河道淤积情况。永定新河在10年期间闸下河道淤积总量就达到4 736万m3。表2为苏北里下四港年淤积量统计表，可以看出与建闸初相比，四港年淤积总量都在4 000万m3左右。由于闸下河道发生不同程度的淤积，有的河口甚至接近淤死。淤积使河口河床抬高，过流断面减小，过流能力降低，排水能力减小。表3为海河流域主要建闸河流的排水能力变化表，闸下河道的平均过流能力比设计过流能力下降60%以上(除独流减河外)。表4为苏北里下四港排水能力变化表，闸下河道淤积后，四港排水能力下降约在40%左右。

闸下河道淤积使河床变浅削弱过流能力，并使闸上水位壅高，淤积过厚还会影响到闸门启闭，严重威胁入海河流流经区域的防洪安全，使抗灾风险增大。

表1 海河流域主要入海河口闸下河道淤积情况Tab.1 Sediment deposition downstream of the sluice in Haihe River estuary

表2 苏北里下四港年淤积量(每年汛后)统计表Tab.2 Yearly sediment deposition of four river(every year after the flood season)at Lixia Area in Northern Jiangsu

表3 海河流域主要建闸河流的排水能力变化表Tab.3 Drainage capacity changes of sluice built rivers in Haihe River basin

表4 苏北里下四大港排水能力变化表Tab.4 Drainage capacity changes of four rivers at Lixia Area in Northern Jiangsu

2 风险评估指标

入海河口挡潮闸的主要功能是防潮和排涝，挡潮闸闸下淤积危害评估主要针对由于闸下河道淤积造成集水区域的洪涝无法及时排出以及由于风暴潮导致闸下淤积加重洪水带来的灾害，通过分析自然灾害特征(致灾因子的强度与频率)、承灾体易损性(人口密度和经济发展水平等)和抗灾能力，评价挡潮闸闸下淤积危害。

以建闸河口集水区域为基本分析单元，依据挡潮闸所在海岸类型指数(C)、设计泄洪流量指数(Q)，挡潮闸泄流能力变化指数(D)、挡潮闸位置指数(S)、暴雨洪涝发生强度指数(F)、暴雨洪涝灾害频率指数(Ff)、风暴潮强度指数(S)、风暴潮发生频率指数(Sf)、承灾体经济承灾能力指数(E)、人口(相对)脆弱性指数(R)和水灾(相对)脆弱性指数(W)等11个指标对挡潮闸闸下河道淤积造成危害进行分析。

2.1 评估指数数值选取

2.1.1 挡潮闸所在海岸类型指数(C)

根据挡潮闸所在海岸类型，可分为淤泥质海岸、粉砂淤泥质海岸和粉砂质海岸3种类型，分别赋以C不同的值，淤泥质海岸为1.0，粉砂淤泥质海岸为0.7，粉砂质海岸为0.3。

2.1.2 设计泄洪流量指数(Q)

按照各建闸河口设计泄洪流量，设计流量＜500 m3/s，500～1 000 m3/s，1 000～2 000 m3/s，2 000～3 000 m3/s，＞3 000 m3/s分别赋值0.2，0.4，0.6，0.8，1.0。

2.1.3 挡潮闸泄流能力变化指数(D)

根据建闸河口闸下河道淤积程度，按照排水能力减小＜20%，20% ～40%，40% ～60%，60% ～80%和＞80%等几种情况进行分类，分别赋值0.2，0.4，0.6，0.8和1.0代表泄流能力指数情况。

式中:D该区域挡潮闸泄流能力指数，di为区域内某一挡潮闸的排水能力指数，K为该区域拥有的挡潮闸个数。

2.1.4 挡潮闸位置指数(S)

根据挡潮闸位置可分支流河闸、短引河闸，(闸下港道长度2～3 km)和长引河闸分别赋值0.1，0.6和1.0。

2.1.5 暴雨洪涝发生强度指数(F)

暴雨是指降水强度很大的雨。依照全国统一的划分标准，日降雨量50.0～99.9 mm称为暴雨;日降雨量达到100.0～249.9 mm称为大暴雨;日降雨量≥250.0 mm称为特大暴雨。利用全国年最大三天降雨量等值线图［22］，作为暴雨洪涝灾害发生强度的依据。一般情况下，三天降雨量(p)小于30 mm时不大可能引发洪水，而大于200 mm时基本上都会引发洪水［23］。采用阶梯状隶属函数，求暴雨洪涝发生强度指数(F):

2.1.6 暴雨洪涝灾害发生频率指数(Ff)

当某区域有1/3的地方出现洪涝灾害时，记该区域出现一次小涝，当有1/3～2/3的地方出现暴雨洪涝灾害时，记一次中涝，当2/3以上的区域出现暴雨洪涝灾害时，记大涝一次。统计近年该区域的小涝、中涝、大涝灾害出现的次数，各种等级的暴雨洪涝灾害发生的频率为各种等级总发生次数除以统计年数，然后再把这3种暴雨洪涝灾害指标统计出的发生频率进行平均后所得值作为该区域暴雨洪涝灾害发生频率。

式中:r1i表示第i年某区域出现小涝的次数，r2i表示第i年某区域出现中涝的次数，r3i表示第i年某区域出现大涝的次数，N为统计年数。

2.1.7 风暴潮发生强度指数(S)

目前我国还没有统一的风暴潮强度的定量指标。热带气旋强度按中心附近地面最大平均风速可分为台风、强热带风暴、热带风暴和热带低压，按照热带气旋相同划分则可分为四个等级［24］，分别赋予值1，2，3，4。风暴潮强度按下式计算:

式中:S为某区域的风暴潮强度，Si是该区域某一次风暴潮发生强度，M为统计年份内风暴潮次数。2.1.8 风暴潮发生频率指数(Rf)

式中:r1i表示第i年出现台风引起风暴的次数，r2i表示第i年出现强热带风暴潮的次数，r3i表示第i年出现热带风暴潮的次数，r4i表示第i年出现热带低压风暴潮的次数，M为风暴潮统计年数，Rf为该区域的风暴潮发生频率。

2.1.9 承灾体经济承灾能力指数(E)

承灾体经济承灾能力指数的含义是指发生暴雨洪涝灾害时某区域单位面积上可能遭受损失的经济总量，即该区域内单位面积上的生产总值。

式中:E表示某区域的承灾体经济承灾能力指数(亿元/km2)，G表示发生暴雨洪涝灾害时该区域内经济总量(某区域生产总值(GDP)的平均值)(万亿元);A为该区域的国土面积(万km2)。E客观反映了该区域暴雨洪涝灾害可能造成的损失程度和分布情况。

2.1.10 人口(相对)易损性指数(R)

将成灾人口与受灾人口的比值做为衡量人口(相对)易损性的标准。

式中:pi是统计年内该区域成灾人口。Qi为该区域的受灾人口数。N为统计年份，该指标客观反映了某区域人口对暴雨洪涝灾害的敏感性。

2.1.11 水灾(相对)易损性指数(W)

用每年洪涝灾害的成灾面积与受灾面积的比值衡量区域面对自然水灾的(相对)易损性。

式中:W表示水灾(相对)易损性指数，Ai为某区域第i年由暴雨洪涝灾害所造成成灾面积，Bi为某区域第i年由暴雨洪涝灾害所造成受灾面积，N为统计年份，间接反映了该区域防御暴雨洪涝灾害的能力。

2.2 典型区域挡潮闸闸下淤积易损性分析

依据上述各项挡潮闸闸下淤积易损性指标的计算方法和公式，计算得到海河流域和江苏里下四河挡潮闸下淤积易损性分析指标的值(见表5)。

表5 闸下淤积易损性分析指标Tab.5 Vulnerability analysis indicators of deposition downstream of the sluices

3 闸下淤积综合风险指标的计算及分级

在对各项风险指标进行数值处理的基础上，对不同的指标给出相应的权重，构成综合体现闸下淤积造成洪涝灾害危害程度的风险指数:

式中:i为评价闸下河道淤积造成危害风险的指标标号，X'ij为第i个指标第j个建闸河道闸下淤积和河流影响区域的数值，ai为某项指标的权重，p为影响闸下淤积危害程度的指标个数，p=11，ai=(0.03，0.01，0.35，0.01，0.1，0.05，0.1，0.05，0.1，0.1，0.1)，将已求出的各区域 X'1j、X'2j、X'3j、X'4j、X'5j、X'6j、X'7j、X'8j、X'9j、X'10j、X'11j代入综合风险指数计算公式(9)中，即可得到各闸下淤积综合风险指标值，见表6。

表6 闸下淤积综合风险指标值Tab.6 Integrated risk indicator values of deposition downstream of the sluices

通过计算海河流域和江苏里下四河闸下河道淤积综合风险指标，按闸下淤积危害可能造成洪灾程度可分为五级，分别为极轻危害、轻危害、中危害、较重危害和重危害，危害程度对应综合风险指标(见表7)。

表7 闸下港道淤积危害级别对应综合风险指标Tab.7 Corresponding integrated risk indicators of deposition hazard level downstream of the sluice

采用5级分区法将闸下河道淤积综合风险指数划分为极轻危害、轻危害、中危害、较重危害和重危害，对应闸下河道淤积程度可分为轻度淤积、一般淤积、相对严重淤积、严重淤积和淤废，等级划分标准见表8。

按照闸下河道淤积综合风险指标区划危害级别与淤积程度可以看出，海河流域的海河闸和永定河闸闸下港道淤积危害程度较重，泥沙淤积为严重淤积;独流减河闸下淤积危害程度为中，泥沙淤积为相对严重淤积。江苏里下四河的射阳河闸和黄沙港闸闸下淤积危害程度为较重，泥沙淤积为严重淤积;新洋港闸和斗龙港闸闸下淤积危害程度为中，泥沙淤积为相对严重淤积。

表8 闸下淤积程度区划及对应综合风险指标Tab.8 Division and corresponding integrated risk indicators of deposition downstream of the sluice

4 结语

采用挡潮闸入海河口所处海岸类型、设计泄洪流量、泄流能力变化、挡潮闸位置、所处区域暴雨洪涝发生强度、暴雨洪涝灾害频率、风暴潮强度、风暴潮发生频率、承灾体经济承灾能力、人口(相对)脆弱性指数(R)和水灾(相对)脆弱性指数(W)等11个指标进行综合分析，将入海河口闸下河道淤积危害划分为极轻危害、轻危害、中危害、较重危害和重危害，对应闸下河道淤积程度可分为轻度淤积、一般淤积、相对严重淤积、严重淤积和淤废5种程度。

选取的入海河口闸下河道泥沙淤积危害评估指标仅仅是针对洪涝灾害来考虑的，而且基本都是选取的历史资料和定性估量的数据，使得评估结果还不能全面、准确地反映危害程度，要使其具有更高使用性和可操作性还需要做进一步的研究和探讨。

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