鰲江流域采砂活動對河流及涉水工程的影響分析

倪立建,蔡德迪

(1.平陽縣鰲江流域綜合治理辦公室,浙江 平陽 325400;2.平陽縣水利局,浙江 平陽 325400)

1 鰲江流域采砂現(xiàn)狀分析

1.1 砂石分布現(xiàn)狀

砂石資源作為工程建設所需的主要資源,隨著社會經(jīng)濟建設的快速發(fā)展,其需求量日益增加。河流作為砂石資源的重要來源,越來越受到人們的重視。

鰲江是浙江省的八大水系之一,流域總面積為1 580.4 km2,干流全長90 km。鰲江流域砂石資源大多分布在鰲江中游段(順溪—水頭)及各條支流,主要是順溪、岳溪、懷溪、鬧村溪、鳳臥溪等,鳳臥溪出口以下河道中砂石分布量較少。

鰲江中游段土層地質自上而下依次為卵石混細砂層、圓礫夾細砂層、卵石混粗砂層、卵石夾漂石層、含碎石粉質黏土、塊石。各層描述:①卵石混細砂層:層厚1.0～4.5 m,卵石粒徑不均,中細砂含量在40%;②圓礫夾細砂層:層厚1.3～5.4 m,圓礫平均粒徑 1～2 cm,含量略大于50%,零星夾卵石,填充物為中細砂,含量40%;③卵石混粗砂層:層厚1.6～6.4 m,卵石粒徑2～5 cm,含量60%～70%;④卵石夾漂石層:層厚0.40～7.35m,卵石粒徑5～8 cm,填充物為砂礫石。

從土層地質情況來看,可用砂石資源基本蘊含在河床表層1～10 m范圍內。根據(jù)埭頭水文站統(tǒng)計分析,鰲江中游多年平均徑流量為5.15億m3,其多年平均流量為16.33 m3/s,多年平均輸砂量為6.8萬t,多年平均來水含砂量為0.132 kg/m3。

1.2 砂石開采情況及存在的問題

前些年,在鰲江流域中河道采砂規(guī)模呈迅速擴大趨勢,無序開采現(xiàn)象屢禁不止。砂石開采主要呈以下特點:①在開采種類上,以砂、卵石為主;②開采方式上有旱采和水采,以旱采為主;③在開采規(guī)模上,可采范圍小,規(guī)模不大;④在開采時間上,開采期長;⑤開采者以個人為主,管理難度大。

據(jù)統(tǒng)計,2000—2005年期間鰲江中游砂石開采量在30萬m3(不包括洪水沖運的砂石量),平均開采約5萬m3/a,而其多年平均輸砂量為6.8萬t(合約4.25萬m3),開采量大于輸砂量。由于采區(qū)范圍小,開采速度快,砂石資源在短時間內被采完。而形成的采砂坑在洪水的作用下迅速淤積,又為下一次砂石開采提供來源。這樣持續(xù)開采引起了河床下降,造成防洪堤堤腳外露,危及堤防安全。部分河床形態(tài)因為采砂受到嚴重改變,影響到水流流態(tài)及流向。因此,鰲江流域的采砂活動對河勢穩(wěn)定和涉水工程安全的影響十分嚴重。

2 采砂對河勢穩(wěn)定的影響

采砂對河勢穩(wěn)定的影響主要體現(xiàn)在河段河床面下降和局部河段主流改道等。

2.1 河流演變特點

根據(jù)鰲江的測量資料,并結合實地調查分析,鰲江中游段在非洪水期河勢基本穩(wěn)定,河道漫灘部分沒有出現(xiàn)太大的沖淤變化,基本保持沖淤平衡的趨勢。平面狀態(tài)主要表現(xiàn)在局部的凸岸淤積,凹岸沖刷。河道沖刷主要集中于河道正常水位以下的主河道部分,主河道水面線以下河床總體呈較大的降低,水深加大,水面寬度變窄等。臺風洪水期河段演變影響較大,由于河床比降較大,洪水呈山區(qū)河流特性,因而洪水暴漲陡落,水流沖擊力大,上段河道沖刷嚴重,下段部分河道淤積。

2.2 采砂對河床下降的影響

從輸沙平衡角度分析,采砂活動對河床演變過程的影響主要是破壞了原有的輸沙平衡,并逐漸達到新的平衡過程。水流挾沙力為水流的輸砂能力,它與上游來水的含砂率比較,可以判斷河流的沖淤情況。

式中:K為系數(shù);V為流速,m/s;g為重力加速度,9.81m/s2;R為水力半徑,m;ω為床沙質沉速,m/s;m為指數(shù)。

水流挾沙力主要與流速及水力半徑有關,由于采砂活動改變了河流的縱橫斷面幾何特性,使其水力要素及水流挾沙力發(fā)生變化。如上游來水含沙量不變,水流挾沙力增大,河床將會沖刷,反之產生淤積。對于挖沙形成的采砂坑,由于進口段比降加大,流速變急,水流挾沙力增大,在進口段形成沖刷;出口段水深加大,流速變緩,水流挾沙力減小,在出口段形成淤積。由于進口段緣口部位遭受水流沖蝕,上游水面線的跌落點將逐漸向上游移動,床面不斷沖蝕,采砂坑的范圍不斷向上延展,形成溯源沖刷。出口段由于淤積,采砂坑逐漸向上游回淤,使采砂坑尾部也逐漸向上推移。

采砂坑對溪流影響過程可以分為3個階段:第1階段為溯源沖刷階段,即來水入坑時跌落造成的急流不斷淘刷上游面造成坍塌,并不斷向上游發(fā)展;第2階段為過渡階段,該階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,河道通過沖淤調整,趨向于形成全河段坡降總體上較為一致;第3階段為河流天然演變階段,經(jīng)過沖淤調整,砂坑坡降已趨于平緩,河道演變接近正常的天然演變。

采砂坑形成后,可通過以上3個階段逐漸調整成天然狀態(tài)。但過度采砂不僅取走河床上的泥沙,使河床下降,而且河床下降后形成采砂坑,在上游形成溯源沖刷,在下游形成淤積。而淤積的泥沙又再次被挖掉,使上游溯源沖刷不斷加大,下一河段的來砂又處于不飽和狀態(tài),如此下去,河道全線形成了普遍沖刷狀態(tài),從而造成河床全線下降。

2.3 采砂對局部河段主流改道的影響

主支流匯合口、河流彎道往往是砂石資源富集的區(qū)域,但也是對河勢影響較為顯著的河段。在這些河段,由于橫向環(huán)流的存在,砂石容易在匯合口的兩側邊灘、彎道的凸岸形成大量淤積。對該類河道進行采砂疏浚,對增大行洪斷面、降低水面線有一定作用,但容易造成溪流改道,影響該河段的河勢穩(wěn)定。

在彎道凸岸采砂,如對凸岸邊灘采砂過量,邊灘變深,主槽向凸岸移動,縮短了彎道長度,水流直沖凹岸下游河段,造成下游塌岸,岸線后退。由于受水流直沖,彎道頂沖點同時向下游移動,造成彎道下移,彎道河勢改變。因此對于在彎道采砂,要認真論證,對其開采范圍及高程要嚴格控制,在做好疏浚的同時不能影響其河勢穩(wěn)定。

在匯合口兩側邊灘采砂,如開采深度過深,使主槽位置改變,支流對主流的頂沖點發(fā)生了變化,造成主流頂沖點河段沖刷深度加大,岸線后退,影響其河勢穩(wěn)定。如開采范圍過大,支流邊灘遭大量削減,造成主流倒灌入侵支流,使原來不受頂沖的河段受到水流直沖,支流頂沖段沖刷深度加大,岸線后退,影響其河勢穩(wěn)定。因此對于匯合口采砂,要嚴格控制,認真論證,如非必要則不予開采。

3 采砂對涉水工程的影響

水閘、堰壩、橋梁上下游也是砂石容易淤積的部位。在水閘、堰壩、橋梁上下游及靠近防洪堤、公路路基的河段采砂,將會對這些工程安全產生危害。一方面采砂后由于沖刷,造成河床下降,水流橫向次生流發(fā)生變化,掏空建筑物基礎,危及其安全;另一方面采砂后改變主流方向,甚至水流直沖工程建筑物或堤岸,危及其安全。鰲江中游蒲潭、堰壩由于受下游過度采砂影響,加大了其上、下游的水頭差,造成下游護坦、消力池的淘刷甚至破壞。因此對有涉水工程設施的河段應控制開采范圍及深度,做到不影響工程安全及河勢穩(wěn)定。但在堰壩上游適量采砂,對恢復因淤積而減少的庫容,增加其灌溉面積及效益有一定幫助。

在論證采砂對涉水工程設施的影響時,先要靜態(tài)估算由于采砂坑引起的河道地形及水力參數(shù)等的變化,如濕周、過水面積、水力半徑等;再要動態(tài)分析由于挾沙力、輸沙率及水流頂沖點變化對該段河道演變的影響,分析河流的沖刷演變過程,得出最不利的影響參數(shù);然后根據(jù)改變后的地形及水力參數(shù)進行邊坡穩(wěn)定、消能、防沖等方面的復核,最后根據(jù)復核結果對其影響進行綜合評價。

4 采砂區(qū)規(guī)劃

采砂除了對河勢穩(wěn)定、涉水工程有影響外,還對防洪、航運、水生態(tài)、城市景觀等有影響。因此采砂區(qū)規(guī)劃要從有利于防洪、河勢穩(wěn)定及生態(tài)環(huán)境保護等要求出發(fā),對河道采砂進行通盤考慮,合理制定年度開采計劃,對砂石開采管理實行“統(tǒng)一規(guī)劃,分步實施,近遠期結合”的原則,使砂石開采循序漸進,做到河道采砂與流域治理有機結合。

4.1 禁采區(qū)的劃定

對禁采區(qū)的劃定,可分為一級禁采區(qū)和二級禁采區(qū)(保留區(qū))2大類。一級禁采區(qū)是河道采砂對河勢穩(wěn)定、防洪安全、水環(huán)境保護、擬建或在建工程以及一些重要設施有直接影響的河段和水域,主要包括水源保護區(qū)、旅游風景保護區(qū)范圍、溪堤堤腳、公路路基保護范圍內、堰壩、橋梁下游保護范圍、水文測驗河段保護范圍、其他基礎設施等范圍,這類區(qū)域不得列為可采區(qū)。二級禁采區(qū) (保留區(qū))是河道采砂對河勢穩(wěn)定、防洪安全、通航安全、水環(huán)境保護等有可能產生影響的水域以及河勢正處于變化中的河段或水域,這類區(qū)域應隨河道防洪建設和河道治理以及河勢變化的趨勢確定能否列為可采區(qū)。

4.2 可采區(qū)的劃定

對于可采區(qū)的劃定,應視其是否服從河勢穩(wěn)定、防洪安全、通航安全、水環(huán)境保護的要求確定,確保其在開采過程中保證沿岸工農業(yè)設施的正常運行。

可采區(qū)一般設置在灘地較寬、容易淤積的河段。如有需要疏浚的河段,應優(yōu)先考慮?？刹蓞^(qū)邊界線應順水流線,與邊灘平緩連接。開采高程根據(jù)采區(qū)上下游深泓線和邊灘高程綜合確定,開采深度從邊灘向主槽逐漸減小,可采用階梯布置。

5 結 語

針對目前采砂活動屢禁不止的情況,應從采砂規(guī)劃出發(fā),根據(jù)采砂活動對河流的影響程度,科學劃定可采區(qū)和禁采區(qū),加強對小流域的治理和對采砂活動的管理,做到采砂及其管理與流域治理相結合,在充分利用自然資源的同時,保護好我們的生態(tài)環(huán)境。