韩江高陂枢纽至东山枢纽段河床演变及治理效果研究

2019-10-17王建军杨云平李晓星王晨阳徐俊锋

人民珠江 2019年9期

王建军, 杨云平, 李晓星, 王晨阳, 徐俊锋

(交通运输部天津水运工程科学研究所工程泥沙交通运输行业重点实验室, 天津300456)

近年来，随着流域社会经济发展对航运的需求增加，急需进一步提高航道尺度。对于韩江下游河道而言，国内学者在径流丰枯、周期性演化[1-5]、泥沙输移量[6]等方面开展了大量研究工作，阐明了流域水沙输移规律及其成因。在河道冲淤方面：1989—2008年期间，韩江上下游呈现不同的冲淤变化趋势，上游河段呈淤积趋势，而下游河段呈冲刷趋势，并预计今后一段时期内，总体上仍将维持现有河势[7]；1960—1998年期间韩江下游及三河洲区域河床冲刷主要是人工无序挖砂所致[8]；采砂活动已使得留隍站平均水位下降了0.6 m，也会对生态环境产生影响[9-10]。在通航条件上：利用1974—2006年资料，计算了不稳定流及河床下切条件下的韩江干流航道设计最低通航水位[11]，并发现潮安站最低通航水位增加30%，北江、西江等均降低30%左右[12]。韩江中下游存在大量的采砂活动，对通航水位产生明显影响[13]。随着韩江干流枢纽工程建设，通航水位得到一定改善，给航道水深提高带来了有利条件。近期，广东省航道局启动了“韩江三河坝至潮州港航道扩能升级工程”项目，通过必要的工程措施，将全线航道等级提升为1 000 t级(或500 t级)。已有研究成果总结了河道演变、设计水位变化，随着航运需求增加，需进一步研究河道冲淤变化、航道水深进一步提高的可能性，为航道扩能升级工程论证工作提供支撑。

本研究收集了2002—2017年期间5套地形图，分析了河道冲淤量、断面及深泓变化，利用平面二维数学模型手段，研究确定了韩江高陂枢纽至东山枢纽段的设计最低和最高水位，并模拟计算了整治工程实施后航道条件变化，论证航道水深提高的技术可行性。

1 研究区域河道及航道概况

1.1 河道概况

韩江发源于广东省紫金县七星岽，梅江为主干流，由西南向东北流经五华、兴宁、梅县至大埔的三河坝与汀江汇合后称韩江，而后折向南流，经丰顺、潮州、澄海、汕头等县市，于汕头、澄海两市汇入南海(图1a)。主要支流有汀江、五华水、宁江、石窟河和梅潭河，干流全长约470 km，流域集水面积约30 112 km2。韩江三河坝以上称为上游，三河坝至潮州竹竿山为中游，竹竿山以下为下游，至潮州市进入韩江三角洲河网区，分为东溪、西溪、北溪，由下游五闸入海。本文研究区域为韩江高陂枢纽至东山枢纽河段，河段全长约37 km (图1b)。

a) 韩江流域 b)高陂枢纽—东山枢纽图1 韩江流域和中游高陂枢纽至东山枢纽河道位置及断面

1.2 航道及枢纽运行状态

三河坝至广济桥段已按V级航道整治建设，同时河段已建东山枢纽、潮洲枢纽，在建高陂枢纽，规划建设有葛布枢纽，已建船闸有东山船闸、南溪桥闸、东里桥闸。广东省航道局于近期启动了“韩江三河坝至潮州港航道扩能升级工程”项目，拟在现行航道基础上，通过新建船闸或改建、改造已有枢纽船闸和航道整治、改造(改建、重建)不能满足通航净空尺度要求的桥梁等措施，将研究河段航道等级提升为1 000 t级(或500 t级)航道。

高陂枢纽以防洪、供水为主，兼顾发电和航运等综合性水利枢纽，于2015年10月开工建设，预计2021年投入使用。高陂枢纽正常蓄水位38.65 m，发电最低运行水位30.65 m，供水最低运行水位28.65 m。高陂水利枢纽配套建设1座Ⅳ级船闸，船闸有效尺度2.00 m×18.00 m×3.05 m。

东山枢纽于2006年9月动工兴建，一期围堰于2006年10月成功合拢。东山枢纽为径流式电站，原则上不对径流进行调节，枢纽正常蓄水位为26.15 m，其调度运行方式：①上游来水流量Q≤1 567 m3/s(6台机组满发流量)时，拦河闸门全部关闭，维持正常蓄水位26.15 m运行，上游来水全部供电站发电；②上游来水量1 567 m3/s

2 河道演变分析

2.1 河道冲淤变化

以枯水位为对象，统计高陂枢纽至东山枢纽段枯水位以下的河槽容积，进一步计算得到河床冲淤量(表1、图2)，河床冲淤特点为：2002年9月至2008年11月期间河床总淤积量为38.50×104m3，年均淤积量为6.43×104m3/a；2008年11月至2015年11月期间河床为冲刷趋势，总冲刷量为452.20×104m3，年均冲刷量为64.60×104m3/a；2015年11月至2017年11月期间河床仍维持冲刷趋势，总冲刷量为804.00×104m3，年均冲刷量402.00×104m3/a。整体上，高陂枢纽至东山枢纽河段由淤积转为冲刷，且冲刷强度为增大趋势，枯水河槽的冲刷，有利于航道水深的改善与提升。

表1 高陂枢纽至东山枢纽河段河道冲淤量

注：表中冲淤量和冲淤厚度中正值表示淤积，负值表示冲刷

注：a) 2002年9月至2008年11月 b) 2008年11月至2015年11月 c) 2015年11月至2017年11月图2 高陂枢纽至东山枢纽河段的河道冲淤分布

2.2 深泓变化

绘制高陂枢纽至东山枢纽段河道深泓变化(图3)，分析表明：2002年9月至2017年11月期间高陂枢纽至东山枢纽河段深泓纵向整体为下切趋势，平均下切深度为1.15 m，最大下切深度为5.2 m，其中2008年11月至2017年11月、2015年11月至2017年11月期间平均下切分别为0.75、0.65 m。

a) 深泓变化

b) 深泓累计下切值图3 高陂枢纽至东山枢纽段纵向深泓变化

2.3 断面变化

高陂枢纽至东山枢纽河段选取6个代表断面(图4)，从深泓变化上看，断面冲淤幅度较大。各断面变化特点为：3号断面位置为整体冲刷；7号断面凸岸侧淤积，凹岸侧以冲刷为主；12号断面2002年9月至2008年11月期间为左淤右冲，2008年11月至2015年11月期间为左冲右淤，基本遵循天然河道的演变规律，2015年11月至2017年11月期间左冲，右侧变化相对较小；16号断面2002年9月至2008年11月期间冲淤变化不大，2008年11月至2017年11月期间断面单向冲刷，最大冲刷深度达10 m以上；19号断面处于微弯段，2009年9月至2017年11月期间整体表现为凸岸淤积凹岸冲刷的特点；23号断面处于顺直段，整体以冲刷为主，深泓游右摆较为明显。

a) 3号断面(弯道段)

b) 7号断面(弯道段)

c) 12号断面(弯道段)

d) 16号断面(弯道段)

e) 19号断面(弯道段)图4 断面变化

f) 23号断面(弯道段)续图4 断面变化

3 航道条件分析

设计水位、通航水深、河道冲淤及治理效果等，均采用平面二维水流泥沙数学模型，泥沙模型包含了悬移质和推移质，模型建立过程及验证见文献[14]。

3.1 最低、最高通航水位计算

高陂水利枢纽10 a一遇洪水流量为11 130 m3/s，枢纽恢复天然河道行洪状态。东山枢纽10 a一遇洪水流量11 381 m3/s，枢纽恢复天然河道行洪状态。依据GB 50139—2014《内河通航标准》相关内容，枢纽上、下游设计最高通航水位分别采用10 a一遇的天然洪水位，即高陂枢纽下游设计最高通航水位为39.38 m。高陂枢纽正常蓄水位为38.65 m，较10 a一遇洪水位低。因此，高陂枢纽下游的设计最高通航水位为39.38 m。东山枢纽正常蓄水位为26.15 m，10 a一遇洪水流量为11 381 m3/s，根据二维数学模型计算，相应东山枢纽上游水位为26.62 m，较枢纽正常蓄水位高。因此，东山枢纽上游设计最高通航水位为26.62 m (图5)。

东山枢纽坝上航道设计最低通航水位：东山枢纽正常蓄水位为26.15 m。通过统计东山枢纽近年来发电放水的消落水位基本在0.50 m以内，因此，东山枢纽坝上航道设计最低通航水位考虑发电放水消落0.50 m，即25.65 m。高陂水利枢纽坝下航道设计最低通航水位：通过数学模型计算，采用高陂水利枢纽下游保证率P=95%日最小流量(Q=98 m3/s)与东山枢纽坝上航道设计最低通航水位37.45 m组合推算，为25.84 m。根据调查资料，近年来东山枢纽蓄水位最低值为22.65 m。另据数学模型计算，当上游来流量为3 000 m3/s，枢纽敞泄，枢纽上游水位为19.13 m。因此，东山枢纽上游库区河段设计通航水位应取流量3 000 m3/s敞泄时水位和东山枢纽最低运行水位中的低值。

图5 高陂枢纽至东山枢纽段最低最高通航水位计算

3.2 航道水深分析

最低通航水位下水深不足2.5 m的河段主要集中在高陂坝下至高陂大桥，该段为高陂枢纽坝下河段，水深大多在1.5～2.0 m(图6)；高陂大桥至东山枢纽河段为东山枢纽库区河段，水深条件较好，最低通航水位下水深基本在3.0 m以上，满足设计航道尺度要求。

图6 高陂枢纽至东山枢纽河段设计航线位置水深

4 航道整治工程及效果分析

4.1 整治工程方案介绍

高陂枢纽至东山枢纽河段整治工程类型为疏浚、丁坝拆修及新建(表2)，其中疏浚量为1.34×105m3，疏浚位置主要在高陂枢纽至高陂田家炳大桥区域，其中田家炳大桥附近疏浚区域较为集中。疏浚量计算起始地形时间为2017年11月，超挖0.3 m，边坡1∶3。丁坝修复和新建均按300 t级航道整治时丁坝的设计参数进行整治，整治宽度从125 m调整至160 m。根据韩江300 t 级航道整治时丁坝结构设计，修复后的丁坝采用梯形断面如下。

a) 丁坝坝身顶宽1.6 m，坝头长10.0 m，顶宽2.6 m，迎水坡1∶1.25，背水坡1∶1.5，丁坝顶纵坡取1∶200，坝头向河坡取1∶3。

b) 坝根护岸长度。上游长15 m，下游长25 m，设计水位+0.5 m以下为抛石护脚，护脚棱体顶宽2.0 m，外坡1∶1.5，以上为抛筑块石，厚0.5 m，河岸自然边坡略加整理平顺，护坡护至坝根顶高程以上1.0 m。

c) 丁坝高程。高陂枢纽至三洲村河段，坝顶高程为设计水位以上1.5 m。旧丁坝修复主要集中高陂枢纽至三洲村河段和东山枢纽坝下至蔗溪口河段，共计修复丁坝148座。

4.2 计算条件

收集了2010—2017年潮安水文站的水沙资料，多年平均径流量为244.8×108m3，多年平均流量775.8 m3/s，多年平均输沙量568.2×104t (表3)。2016年径流量为466.4×108m3，接近多年平均径流量的2倍，考虑到大水年份河床冲淤变化较大，选取2016年为大水年份。2012年径流量为237.5×108m3，其径流条件与多年平均值接近，为平水年计算条件；2015年径流量为205.6×108m3，为小水年。

4.3 整治工程对流态的影响

图7为不同流量级下工程前后航中线位置流速变化情况，结果表明：整治工程实施后，各流量级下，设计航道内沿程纵向流速总体呈增加趋势，横向流速呈减小趋势；各设计流量下，设计航道中线位置纵向流速增幅0.04～0.28 m/s，横向流速减幅0.01～0.14 m/s；随着流量增加，工程前后流速变化越来越小。

表2 高陂枢纽至东山枢纽段航道整治工程信息

表3 潮安站2010—2017年来水来沙情况

a) Q = 810 m3/s图7 工程前后典型流量条件下航槽流速变化

b) Q =1 567 m3/s

c) Q =7 501 m3/s

d) Q = 9 423 m3/s续图7 工程前后典型流量条件下航槽流速变化

4.4 整治工程对航道水深影响分析

航道整治工程集中在高陂枢纽至三洲村区段，工程内容为丁坝修复与新建。以2017年11月地形为基础，测图疏浚量为13.4×104m3，考虑丁坝新建及修复工程，疏浚后经历大水年、平水年和小水年后的回淤量分别为2.7×104、1.1×104、0.6×104m3，回淤率分别为20.1%、8.2%和4.5%。从不同代表水文年河床冲淤变化看，经历大水年、平水年及小水年航道最大冲刷深度分别为2.47、1.86、0.85 m (图8)。从不同代表水文年后设计航道内水深变化看，高陂枢纽至东山枢纽河段设计水位下2.5 m航深能够保持贯通，并满足规划航道尺度要求。