肖 毅， 张帅帅， 杨胜发， 李文杰

(重庆交通大学， 国家内河航道整治工程中心， 重庆400074)

长江上游河道位于山区[1]， 宜宾—宜昌砂石总量约1 530 万t[2]。 随着经济发展对砂石需求的不断增加， 20 世纪以来长江上游的采砂活动更为频繁， 引起河道局部过水面积增大， 采砂断面水流流速减小， 致使采砂河段发生泥沙淤积， 减少了下游河道的来沙量[3]。 值得注意的是， 长江上游的卵石滩群采砂尤为突出， 导致边滩高差巨变， 其作用远远超过河道自身调整与航道整治工程。 目前， 采砂对河道演变的影响主要集中于采砂坑的水流结构[4-5]、 输沙变化[6-7]、 生态环境[8-9]等方面， 而对其在长江上游的分布及对卵石滩群演变和长江上游航道的影响等的研究仍然较为缺乏。 因此， 开展长江上游采砂分布及卵石滩群边滩采砂恢复能力的研究十分迫切。

本文基于2007 年以来的水沙地形资料， 对长江上游宜宾—重庆涪陵段采砂的时空分布进行分析， 并采用已构建的平面二维水沙数值模型对典型卵石边滩恢复过程进行模拟， 试图为采砂对长江上游卵石滩群边滩再造的认识提供数据支持。

1 长江上游采砂特性分析

1.1 基础数据来源

长江上游宜宾—重庆涪陵段总长约为508 km，包括巫木桩—占碛子、 江津—胜中坝、 白沙—温中坝、 东溪口、 羊石盘—上白沙、 叉鱼碛—神背嘴、 冰盘碛—火焰碛、 纳溪—井口、 二龙口—香炉滩、 铜鼓滩—宜宾大桥、 九龙滩—寸滩、 寸滩—木 洞、 木 洞—长 寿、 长 寿—涪 陵 等 水 道(图1)。 该段分别于2007 年和2016 年进行了水下地形的测量， 测图比例为1∶2 000， 为研究采砂分布及数量提供了数据基础。

图1 长江宜宾—涪陵段滩面变化特征参数

1.2 宜宾—涪陵2007—2016 年采砂统计

长江上游河道基本处于冲淤交替的平衡状态，一般不会发生地形的剧烈调整。 根据2007—2016 年长江上游宜宾—涪陵段的地形， 对比区间的地形变化， 若边滩出现不规则剧烈冲刷， 且形成3 m以上的深坑或滩面破坏， 则可认定为人工采砂。滩面变化特征参数见表1。 采砂造成河道地形变化量约为3.95 亿m3； 单个采砂坑采砂量500 万m3以上有17 个， 整个河段超过100 万m3的采砂坑约为108 个(图2)。 人工采砂可致卵石滩面破坏，其边滩上下高差可达40 m， 大量的卵石滩、 碛消失， 河床大幅下切。 而大量人工堆砂又造成局部的剧烈抬升。

表1 宜宾—涪陵滩面变化特征参数

图2 采砂数量统计

考虑三峡工程的回水影响至江津， 分别统计了宜宾—江津、 江津—涪陵段的采砂数量(图3)。宜宾—江津的采砂体积为2.34 亿m3， 三峡水库的变动回水区江津—涪陵河道采砂造成地形变化量约为1.61 亿m3。 宜宾—江津段主要为铜鼓滩—宜宾大桥水道、 纳溪—井口水道以及冰盘碛—火焰碛水道， 采砂量分别达到0.48 亿、 0.36 亿、0.56 亿m3， 而江津—涪陵的主要采砂段集中在乌木桩—占碛子与寸滩—木洞水道， 采砂量分别为0.56 亿、 0.55 亿m3。

图3 宜宾—涪陵采砂分布

2 卵石滩群采砂区恢复过程模拟

2.1 平面二维水沙数值模型

本研究所采用的水沙数学模型的构建与验证见文献[10]。 水流模块采用ADI 有限差分法求解，除了连续方程中对时间偏导项采用向前差分、 动量方程中对流项采用一阶迎风和中心差分格式组合外(QUICK 格式)， 其余各项均采用中心差分格式； 泥沙模块采用类似求解方法， 对流项中采用一阶迎风格式。

2.2 典型卵石滩段采砂区恢复过程模拟

选取长江上游典型卵石滩段东溪口作为研究对象。 该水道位于上游航道里程806.0～816.0 km， 集险、 急、 浅、 弯多种碍航特征， 至2017 年采砂面积约为400 万m2， 最大采砂深度约10 m(图4)。前述所构建的二维水沙数学模型已对该段的冲淤演变过程进行了验证。 本研究主要是模拟东溪口段卵石边滩采砂区的恢复过程， 计算地形采用2017 年2 月测图， 采用2008—2017 系列年水沙资料， 预测时限为10 a。

图4 东溪口水道实测采砂坑变化

该采砂区域各预测年份冲淤面积占比如表2所示。 随着时间的增加， 淤积区域有所增大， 但整体增幅较慢， 淤积面积大约为7.3 万m2， 占整个采砂区面积的0.2%左右。 冲刷区面积呈波动变化， 总体呈现减小趋势， 其比值约为整个区域的0.001%。 可见， 该采砂区域未来再造过程主要以淤积为主， 局部呈现少许冲刷。

表2 预测的采砂区再造过程冲淤面积随时间占比

图5 为该河段采砂区未来10 a 预测的累计淤积、 冲刷过程: 各年份淤积量整体呈减小趋势，10 a 区域淤积量达1.1 万m3、 2.9 万t， 约为累计采砂量的0.12%。 由于系列年中包含大水少沙年份， 因而在6 ～8 a 间冲刷量为以往2 倍， 但其总量与淤积量相比仍然较小， 仅占其1.8%左右。

图5 采砂区域累计冲淤量

图6 为该水道采砂区未来10 a 的冲淤变化。预测4 a 地形变化如图6a) 所示， 靠近航槽一侧采砂区域冲淤变化较为明显， 整体呈现淤积趋势，越靠近航槽淤积量越大， 其淤积高度在0.05 ～0.15 m， 最大输沙部位发生在采砂区域与航槽交界处。 预测6 a 采砂区域大体趋势与预测4 a 相近， 淤积区向采砂区左岸延伸， 在采砂区靠近航槽部分淤积量增大， 最大淤积高度达0.3 m， 同样在靠近航槽一侧上游出现冲刷， 冲深0.05 ～0.25 m，如图6b)所示。

预测8 a 和10 a 冲淤变化如图6c)、 d)所示，随着时间的推移， 冲深加大， 预测8 a 最大冲深可达0.5 m， 向采砂区域右岸淤积逐渐减小， 在航槽交界处上游仍持续冲刷， 冲刷深度可达0.35 m。预测10 a 在淤积持续增厚的基础上， 采砂区下游区域开始出现淤积， 在采砂区与航槽交界处出现大范围强淤积， 其淤积厚度平均在0.4 m 左右，最大值约为0.55 m， 而采砂区上游边界处冲刷较之前并无太大变化。

图6 采砂区未来10 a 再造过程预测

综上可知， 该采砂区主要表现为由靠近航槽一侧逐步回淤， 淤积范围逐步向采砂区域内部延伸至采砂区下游， 采砂区左岸部分并无明显变化， 即采砂区的存在会对航槽回淤产生一定的影响， 但采砂区恢复过程较慢， 总体来看对航道的影响程度有限。

3 结论

1)至2016 年， 长江上游宜宾—重庆涪陵段的采砂总量约为3.95 亿m3， 主要集中于铜鼓滩—宜宾大桥、 纳溪—井口、 冰盘碛—火焰碛， 乌木桩—占碛子与寸滩—木洞水道， 共计为2.51 亿m3。 大量的人工采砂导致碛坝或边滩被开采得高低不平，破坏了部分卵石滩段的滩面， 引起局部河床地貌的改变， 因而可能对不同水位期的航道维护管理带来不利影响。

2)以长江上游东溪口河段为例， 滩面破坏后的采砂区恢复过程较为缓慢。 采砂区与航槽交界处出现强淤积， 淤积厚度平均0.40 m， 最大值约为0.55 m。 相较于采砂坑实际采砂厚度10 m，10 a的最大恢复淤积量仅为0.50 m， 考虑上游的梯级水库的联合调度运行， 砂卵石的来量将进一步减少， 而床面的卵石存量有限， 初步认为大部分采砂坑基本无法恢复。