河道异常淤积的成因分析与减淤建议

蔡志良，庄 杨，蒋 益，李一如

（常州市城市防洪工程管理处,江苏 常州 213000）

1 现状分析

常州市运北片防洪包围圈覆盖了常州主城区,京杭大运河横贯城区东西,城区北部有德胜河、澡港河等连通长江,城区内以老运河、关河为中心,向外辐射有澡港、北塘河等骨干水系,但是城区内部河网连通程度弱,断头浜较多,数量有50 余条（含涵管链接河道类型）。

近年受厄尔尼诺现象频发困扰,防洪局势较为紧张,常州市对河道行洪能力加强了关注。根据2019 年闸站河道断面观测发现：北塘河枢纽和横塘河北枢纽上下游均发生异常淤积现象,以往河道断面的年度淤积差值在0.1 m左右,2019 年末差值扩大到0.6 m～1.5 m。2020 年3 月,利用测深装置沿澡港河东支、永汇河、老澡港河等河道中心线进行测量更是发现：澡港河东支自北向南,在永汇河交叉口上游500 m范围内淤积厚度为0.5 m,自永汇河交叉口向下游淤积厚度则高达1.5 m左右；澡港河——东支河之间淤积厚度也首次达到1.5 m左右,澡港河东支交叉口向东至高速桥下淤积厚底更是达到2 m；老澡港河东支交叉口向上游200 m范围内,淤积厚度为0.5m,与北塘河交叉口向上游300 m处淤积厚度却达到2m；北塘河与老澡港河交叉口向东200 m范围内淤积厚度为0.5 m,在澡港河东支交叉口附近淤积厚度则为0.6 m～1.5 m。其中,最为严重的流段是北塘河交叉口向南,横塘河北枢纽下游200 m范围内平均淤积厚度高达2.0 m左右,继续往南后淤积逐渐减少至1.0 m～1.5 m。具体情况见图1,蓝色段淤积厚度为0.5 m,绿色段淤积厚度为1.5 m,黑色段淤积厚度为2 m。

图1 淤积严重河段示意图

2 成因分析

资料记载1991 年和2003 年淮河流域均发生过洪水灾害,究其原因,行洪通道淤积是造成淮河大水的主要原因之一。经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库和塘坝,造成泥沙就近沉积或沿程滞留；（2）可耕种土地、丘陵区的水土流失问题未得到及时关注,由此造成的地区泥沙输送、沉积问题严重性远超预计。

参考淮河流域河道淤积的案列,运北片异常淤积现象近几年日渐凸显,可以基本排除地势地形的作用,主要从泥沙来源与沉淀方式的转变角度探寻淤积成因。运北片现阶段断面勘测结果显示：淤积严重的河段都是以河道交叉口为起点,淤积厚度由此与上游发生明显变化,因此预判：超淤发生流段流经区域的水土流失情况异常,流失土壤随径流进入河道,引发河道超淤；或者人为因素改变了水流形态,干扰了河道泥沙自然积累的过程。

2.1 水土流失

厄尔尼诺气候频发,导致短时强暴雨发生频率提高、次雨量增加,直接引发产汇流过程中水土流失加重。根据水系分布可以将防洪包围圈划分为14 个区块,分别计算区块集水面积的综合径流系数,由此分析部分流道超淤现象是否由异常水土流失引发。

图2 防域洪排涝区划分示意图

通过常州主城区用地规划图,对各类用地面积进行分类汇总,参考规划图所标注的不同下垫面条件的径流系数表,为方便计算,选取平均值作为同类地的平均径流系数。

表1 常州市主城区各类用地径流系数[1]

表2 各区域不同下垫面面积及径流系数统计表[2]

续表2

续表2

从表中可以看出,城西南童子河运河片和串新河南运河片综合径流系数较低,其他片区的综合径流系数集中在[0.64,0.68]。淤积严重地区集中在澡港河东支老澡港片、北塘河横塘河片和横塘河丁塘港片,这3个区域的综合径流系数不存在明显高出其他片区的情况。虽然这3个区域的城市绿地面积占比较小,耕地面积又占比较大,可能会导致截留雨水能力有限。因此在相同雨量情况下产生的地面径流将地表泥沙裹挟进入流道的概率也相对升高。但是根据长期规划资料可知,不同片区之间的用地差异长期存在,由此判断水土流失带来的泥沙不足以促使片区河道淤积厚度差异在近几年明显扩大。

2.2 淤积转移

排除水土流失影响后,淤积转移成为最有可能性的淤泥来源。2019年江边机组引水量较往年增加,机引流量大、流速稳定增加,这可能会将位于永汇河上游的澡港河和东支河的淤积物冲至下游,下游河道交叉口分流后,流量、流速下降,泥沙在交叉口开始沉淀,造成下游段淤积。

图3 城区主要河道引水后的流速示意图

张瑞瑾公式对低含沙量水流计算准确性较高,常州地区河网水流含沙量较低,适用该公式[3]：

式中：S为按体积比浓度计算的水流挟沙能力；k、m为系数；V为水流的垂线平均流速,m/s；g为重力加速度,m/s2；h为水深,m；ω为泥沙颗粒沉,m/s。其中,k影响因素复杂,变化幅度较大,m的取值可以定位在0～3之间；根据实测资料,含沙量较低的水流ω一般在0.0004 m/s～0.001 m/s。

统计2020 年12 月调水期间的平均水位数据,非汛期运北片平均水位一般在3.16 m～3.30 m左右,上下游水位差异不大,但是调水期间上游以新闸、澡港河南枢纽水位为例,水位从3,16 m、3,18 m提升至3.27 m、3.31 m,下游以南运河、串新河枢纽为例,水位仅从3.16 m提升至3,19 m。根据2019 年以来的统计数据以及检测流速,参考孔俊等针对长江水流律定的挟沙能力公式系数[4],将张瑞瑾公式中的k取值定为0.317,m的值定为0.44；ω取值0.0008 m/s。整合调水期间河道流速的测量数据,经计算可知：淤积异常流段上游S值达到0.415,下游受断头浜、引水分流等因素影响,流速降低明显,S值取值为[0.0037,0.0482）,因此,在引水期间,在上游河道流量、流速提高明显,水流冲击作用下流往下游的泥沙在流速降低区域发生沉降,加重了下游流段淤积。

综上所述,水土流失固然是河道淤积的成因之一,但对于流道的异常淤积现象而言,并非主因,异常淤积的泥沙来源更有可能是上游河道淤积的转移。河道交叉口水流形态复杂,分流后流速下降,被水流裹挟的泥沙粒子在此处发生沉积。当淤泥累计达到一定厚度后,从土质学分子力的角度分析,当黏粒含量较高的淤泥含水量也很高时,会导致淤泥表面附着力加大,这就会导致淤积严重流段的进一步加深淤积,形成恶性循环。

3 减淤建议

通过分析下游河道分叉口发生异常淤积的泥沙来源以及淤积成因,本文认为河道断面测量是一项必须长期跟进的工作,既可及时掌控河道的淤积变化,为调整调、换水方案提供理论和数据支持,又可为后期研究积累实测资料,以便后期进一步量化分析各种影响因素对河道淤积的影响。

结合一线运行经验,可以有针对性的采取以下措施,以期减轻下游主干河道的异常淤积：（1）主城区换水期间,可通过适当开启城区泵站加大下游段流速来帮助淤泥外排；（2）扩大绿化面积,加强施工工地和闲置土地管理,做好农田水土保持工作减少水土流失,也是减淤工作的重要组成部分；（3）淤泥达到一定厚度会加速后期淤积,所以河道应分段轮浚,对于目前淤积较为严重的流段要加强监管、加强清淤频率,以免淤泥堆积阻碍行洪。