人工入海河口闸下引河减淤对策探讨

2020-01-11王文广

海河水利 2020年2期

王文广

（天津市水利勘测设计院，天津 300204）

自20世纪50年代起，为解决海河流域防洪排涝问题，在海河下游地区开挖了永定新河、独流减河、子牙新河、北排水河、南排水河、漳卫新河等多条骨干人工河道，分泄洪、涝水入海。各人工河道的入海口地处渤海湾淤泥质海岸，由于径流量减少，河口受潮汐动力控制，河口防潮闸下引河均存在泥沙淤积问题，导致河道泄流能力严重衰减，威胁下游地区防洪排涝安全。因此，闸下引河淤积及减淤问题，引起学者和专家的关注。通过永定新河、北排水河防潮闸下引河清淤设计分析，结合已有研究成果，笔者系统地提出人工入海河口闸下引河淤积机理和减淤对策措施，期望对类似河口整治有所帮助。

1 闸下引河淤积原因分析

径流和潮流是影响河口冲淤变化的动力条件。入海河口修建防潮闸，在挡潮蓄水、泄洪排涝、减缓闸上河道淤积等方面发挥着重要作用，但同时也改变了河口区的动力条件，容易造成防潮闸下引河淤积。据统计，河北省33座入海防潮闸中有16座闸下淤积严重，江苏省58座大中型防潮闸中有15座闸下淤积严重。闸下引河淤积主要原因有以下4个方面。

1.1 河口海域泥沙是闸下引河淤积主要来源

淤泥质河口外为广阔的淤泥质海滩，具有沙源丰富、岸坡平缓、水深较浅等特点。浅滩组成物质多为淤泥或杂以粉沙的淤泥。根据有关资料[1-3]，渤海湾海滩泥沙平均中值粒径为0.004～0.027 mm，岸边海水平均盐度一般为23‰～3.2‰，表层淤泥湿容重为1.04～1.55 kN/m3。这类泥沙在风浪作用下极易掀扬、悬移，在浅滩区形成浓度较高的含沙区，随潮流输移至河口水域，受防潮闸阻挡后，在闸下河道落淤，造成河口防潮闸下的近闸河段及开挖区的泥沙淤积。

1.2 风浪作用、潮波变形和反射是闸下引河淤积主要原因

细颗粒泥沙运动受到波浪、水流、盐度、温度等因素影响。海河流域各水系均汇入渤海湾，受山东半岛和辽东半岛的阻隔，外海的涌浪不易传入渤海湾内，因此渤海湾的波浪主要是由风引起的。当波浪由外海向岸滩运动时，随着水深减少，水底摩擦力影响显著，底层波速逐渐小于表层波速，波峰前倾，直至发生破碎。波浪破碎时集中释放出的能量掀动底部泥沙上扬、悬浮，使得潮水中的含沙量明显增大。潮波传入河道以后，在地形阻力的影响下发生变形和反射，波形由前进波向驻波特性转换。在河口建闸将使潮波变形加剧，并受闸门的阻挡潮波发生变形反射，驻波波形使潮位过程线与潮流过程线之间产生明显的相位差，使得高潮位增高和低潮位降低、涨潮历时缩短而涨潮流速加大和落潮历时加长而落潮流速减小，从而使涨潮带进的泥沙远大于落潮带出的泥沙，造成闸下河段淤积。根据全潮观测的涨落潮输沙量资料统计，子牙新河、青静黄排水渠入海口涨落潮历时比值平均值为0.75，平均涨潮流速比落潮流速大5～6倍，涨潮时水流挟沙量比落潮时大3～6倍[4]。因此，风浪作用、潮波变形和反射是闸下引河淤积主要原因。

1.3 入海径流量和潮流量减少是闸下引河淤积重要因素

对于淤泥质河口而言，径流是维持河口生命的动力条件，径流可减缓涨潮流速、增加落潮流速，当径流达到某一量值（平衡流量）时，落潮输沙能力就超过涨潮输沙能力，在涨潮期河口落淤的泥沙全部带出，还能将携带的流域上中游地区的泥沙全部带出，从而使河口维持相对稳定的形态。海河流域各河系径流具有年际丰枯悬殊、年内分配集中的特点，受气候变化和人类活动影响，自20世纪70年代以来，海河流域年径流量呈不断减少的趋势。在河口建闸后，上游径流受到控制，汛期将多余洪、涝水排放，非汛期则蓄水灌溉、养殖，入海径流锐减，致使闸下引河淤积加重。当无径流下泄时，闸下引河淤积将进一步发展，河槽最终淤平至高潮位，河口渐变为海滩。由于防潮闸截断了上溯至潮区界的潮流量，河口区纳潮容量相对变小，造成落潮平均流量相应减少，落潮挟沙能力下降，加剧了涨落潮不平衡输沙。因此，入海径流和潮流量的减少是闸下引河淤积的重要因素。

1.4 风暴潮加剧闸下引河淤积

对于渤海湾河口外浅滩而言，在无风或小风天气里，海域含沙量较低，沿岸高含沙带宽度较窄；而在风浪较大的天气里（风力5级以上，风速大于8.0 m/s），特别是大风或强风所造成的风浪对于底部泥沙悬扬起着非常重要的作用，近岸水域含沙量增高，高含沙带宽度明显变宽。根据1992年6月22—23日河口断面观测资料，涨潮至平潮时，在无风情况下，永定新河河口口门处平均含沙量为0.309 kg/m3，但在风速为9 m/s时平潮期的含沙量为2.138 kg/m3，含沙量增加了近6倍。1997年5月24—25日，大潮观测的前一天遇到8～16 m/s的大风，持续约4 h，在桩号65+000—76+000观测到河底1.5～2 m厚浮泥层随涨潮水流向河口内流动。这表明，风暴潮易造成闸下引河快速淤积。

2 人工入海河口闸下引河冲淤特性

人工河道主要功能是分泄洪水或排除涝水，下泄径流集中且年际变化大，难以有足够水量保证河口冲淤平衡，因此闸下引河呈逐年淤积加重趋势。根据建闸位置，将闸下引河分为长引河和短引河，其冲淤变化有所不同。

2.1 短引河冲淤特性

短引河的建闸位置在河口段的下段，距离入海口门很近，以潮流为主要动力。短引河纳潮量小，潮波反射强烈，具有淤积短、淤积速度先快后慢、总淤积量小的特点。根据海河闸下河道淤积研究成果[5]，闸下短引河淤积变化发展可分为2个阶段：第一阶段，首先闸首淤积且淤积厚度最大，然后自闸前向闸下游逐渐递减，闸下淤积剖面呈明显的三角形形状；第二阶段，随着闸下引河河内淤积泥面逐渐抬升，淤积厚度自闸下向河口也逐渐加大，引河断面逐渐缩小，由窄深式渐变为宽浅式，以适应新情况下的径流量和潮量，在这一阶段，淤积速度随着淤积厚度的增加逐渐变慢。如果建闸后全年闭闸断流，那么几乎没有下泄径流，致使闸下引河回淤加重。若不采取措施，则闸下河底泥面可淤积至高潮位，甚至将其全部淤平，闸门不能启动，严重影响行洪排涝。

2.2 长引河冲淤特性

长引河的建闸位置在径流段或在径流与潮流作用相当的过渡段，一般长度大于10 km，长者达数十公里，以径流为主要动力。长引河纳潮量大，在闸下一定距离内潮波变形大，涨、落潮流速均较小，回淤量增多。根据涨落潮平均流速沿程变化，由防潮闸至口门分为淤积段、冲淤平衡段、冲刷段。淤积段发生在闸下附近河段，具有淤积初期回淤速度快、淤积体向下游逐渐递减的特点。冲淤平衡段较短，是淤积段向冲刷段过渡河段。冲刷段通常出现在近口门河段，由于该段河道涨落潮流速较大，挟沙能力强，形成对河床的冲刷，在较长的一段时间内，河口靠引河进出潮水冲刷，可暂时能保持宽而较深的断面。随着淤积的发展，淤积段逐渐向下游移动，冲刷段会逐渐缩短、消失，最终转化为淤积段。当淤积发展至河道口门后，淤积段向外海发展的速度显著降低，严重淤积段向河口口门发展的速度加快，直至闸下引河趋于全面淤平，失去行洪排涝能力。

3 减淤措施

3.1 人工河道治理

3.1.1 闸下引河

（1）闸下引河长度及平面布置。人工河道径流量小且不稳定，闸下引河应采用短引河，但引河长度不宜过短，否则潮波反射强烈，淤积强度大，同时下泄水流挟沙冲刷也需要一定流程，才能达到较好的冲沙效果。闸下引河过长又会导致总淤积量增大，冲沙流量和用水量也相应增大。根据青静黄排水渠的水力冲沙减淤实践，短引河长度控制在2 km左右，可较好解决闸下引河淤积问题。在闭闸条件下，闸下引河呈现“小潮小淤、大潮大淤、风暴潮骤淤”的特点。因此，人工入海河口的闸下引河应避免直通入海，其轴线应与强风暴潮的主风向呈较大的夹角，模仿自然河道微弯斜向入海，利用岸滩阻隔含沙量高的潮水直接入河淤积闸下。此外，入海口门处适当放宽，增加纳潮量。

（2）闸下引河断面。为增加闸下引河纳潮量、增大主槽流速、提高水流挟沙能力、畅通入海通道，闸下引河横断面形式宜采用深槽、导堤组成的复式断面。导堤和深槽均应避免突然收缩和扩大，以避免入射潮波剧烈损耗引起河床冲淤。导堤的堤距应能满足在平均低高潮位时常遇洪涝水（一般以3～5 a一遇为宜）顺利下泄要求，堤顶高程略低于平均高潮位[6]。由于水流的挟沙能力与流速2～3次方成正比，而与水深成反比，窄深式河槽具有单宽流量大、流速大、挟沙能力强的特点；同时，河槽回淤量小，河槽应采用窄深式河槽。为减小河槽回淤量，其纵坡与海滩纵坡保持一致。入海口门以下设置潜式导堤，延伸至风浪破碎带以外的含沙量较低的深水区，约至4～5 m等深线，涨潮含沙量约0.005 kg/mm3[7]，切断由风浪引起的海滩泥沙补给源，减少涨潮或风暴潮挟带进引河的泥沙量。

3.1.2 闸上河道

（1）多河串通共用同一入海口。为解决防洪排涝问题，经20世纪六七十年代治理海河后，海河流域运东地区形成了多条人工河道并行分流汇入渤海湾的局面，而且还存在多条人工河道经同一区域附近入海的现象，如北排水河、沧浪渠、捷地减河于岐口附近入海，南排水河、黄浪渠在南排河镇附近入海。为增加河口入海径流，可利用滨海地区的潮沟，因势利导，开挖南北向连通河道，经同一口门入海。

（2）连通滨海洼地，滞蓄洪涝水。人工河道的径流特点是非汛期基本没有径流，汛期峰高量小。滨海地区天然洼地众多，可因地制宜地对其加以改造成为人工湿地或滞蓄水库，并与人工河道相互连通。汛期，利用滨海洼地滞蓄洪涝水，既可调节径流削峰除害，又可改善滨海地区生态景观，还为非汛期河口水力冲沙提供水源保障。

3.2 人工冲淤

3.2.1 水力冲淤

（1）利用洪涝水冲淤。海河流域的径流主要集中在汛期，合理利用有限的径流，在保证防汛安全前提条件下，择机开闸泄流进行冲沙减淤[8]，对于流域内人工河道至关重要。首先，在行洪排涝期间，针对闸下引河的淤积特点，调控防潮闸下泄流量，大潮大放、小潮小放；其次，针对潮流特点，选择低高潮开闸冲淤。在一般情况下，低高潮与高高潮相比，低高潮后落差较大，潮位落到最低，落潮流速较大，选择大潮汛的低高潮开闸，能利用较大的势能，从而增加冲淤效果，同时还可以顶住下一个潮差较大的涨潮。另外，落潮顺风多冲、逆风少冲和涨潮时预先以清顶浑等冲淤方法都是人工河道入海口水力冲淤值得借鉴的方法。

（2）蓄水冲淤。对非汛期尚有一定径流汇入的人工河道，如永定新河、独流减河，可利用河道蓄水，抬高防潮闸上水位，利用较高的水头差择机开闸泄水冲淤。利用水头差开闸冲淤，可增加瞬时流速，加大瞬时流量。根据有关冲淤试验研究[8]，最佳水头差在0.8～1.0 m，每次冲淤2～3 h，能冲走闸下1 km内淤泥，连续冲淤效果差，间隔时间至少2～3 d。

（3）纳潮冲淤。纳潮冲淤是利用海潮涨到高位时泥沙在海水中絮凝沉降很快的特性，使潮水表层以下一定水深的水中分离出含沙量小的清水层，通过挡潮闸的上、下扉门控制，闸上河道纳入表层清水，作为落潮时开闸放水的水源。纳潮冲淤是解决河口水力冲淤水源不足的有效方法，但对于黏性泥沙有一定局限性，难以冲刷沉积时间达2 d以上的黏性泥沙，常与机船拖淤相结合进行人工冲淤。鉴于潮汐水流泥沙运动的复杂性，建议在有条件的建闸河口进行纳潮冲淤试验，取得可靠的试验数据后再进行实施。

3.2.2 机械清淤

（1）机船拖淤。机船拖淤是在落潮或开闸下泄时借助机械的搅动，在同样的水力条件下，原来未能启动的床面泥沙启动、悬浮，使落潮或下泄径流携带更多的泥沙向海扩散。该项技术始于20世纪60年代江苏省苏北里下河“四港”闸下港道维护，是动力机船和耙具装置的结合运用[8，9]。经不断改进与创新，机船拖淤经历了单面齿耙、双面齿耙、掺气型和改进掺气型4个阶段，对于水深浅的短引河效果更佳。机船拖淤需依靠落潮或开闸下泄水流输送泥沙，因此水源是必不可少的条件。通过机船拖淤作业，可实现浚深河槽、拓宽河槽、切除边滩等目的，经在海河、子牙新河等短引河河口应用，效果非常明显。

（2）机船挖淤。机船挖淤是采用挖泥船挖除水下淤泥，挖泥船有抓斗式、铲斗式、链斗式、绞吸式等多种类型。常用于闸下引河清淤的挖泥船是绞吸式挖泥船，它是利用吸水管前端围绕吸水管装设的旋转绞刀装置，将河底泥沙进行切割和搅动，再经吸泥管将绞起的泥沙物料，借助强大的泵力，输送到泥沙物料堆积场；它的挖泥、运泥、卸泥等工作过程可以一次连续完成，作业时不需开闸泄水，具有成本低、效率高的优势，不足之处是需要规划排泥场；主要用于清除闸下附近淤积较重河段、切滩、汛前开槽等。