人工入海河口閘下引河減淤對(duì)策探討

王文廣

（天津市水利勘測(cè)設(shè)計(jì)院，天津 300204）

自20世紀(jì)50年代起，為解決海河流域防洪排澇問(wèn)題，在海河下游地區(qū)開(kāi)挖了永定新河、獨(dú)流減河、子牙新河、北排水河、南排水河、漳衛(wèi)新河等多條骨干人工河道，分泄洪、澇水入海。各人工河道的入?？诘靥幉澈秤倌噘|(zhì)海岸，由于徑流量減少，河口受潮汐動(dòng)力控制，河口防潮閘下引河均存在泥沙淤積問(wèn)題，導(dǎo)致河道泄流能力嚴(yán)重衰減，威脅下游地區(qū)防洪排澇安全。因此，閘下引河淤積及減淤問(wèn)題，引起學(xué)者和專家的關(guān)注。通過(guò)永定新河、北排水河防潮閘下引河清淤設(shè)計(jì)分析，結(jié)合已有研究成果，筆者系統(tǒng)地提出人工入海河口閘下引河淤積機(jī)理和減淤對(duì)策措施，期望對(duì)類似河口整治有所幫助。

1 閘下引河淤積原因分析

徑流和潮流是影響河口沖淤變化的動(dòng)力條件。入海河口修建防潮閘，在擋潮蓄水、泄洪排澇、減緩閘上河道淤積等方面發(fā)揮著重要作用，但同時(shí)也改變了河口區(qū)的動(dòng)力條件，容易造成防潮閘下引河淤積。據(jù)統(tǒng)計(jì)，河北省33座入海防潮閘中有16座閘下淤積嚴(yán)重，江蘇省58座大中型防潮閘中有15座閘下淤積嚴(yán)重。閘下引河淤積主要原因有以下4個(gè)方面。

1.1 河口海域泥沙是閘下引河淤積主要來(lái)源

淤泥質(zhì)河口外為廣闊的淤泥質(zhì)海灘，具有沙源豐富、岸坡平緩、水深較淺等特點(diǎn)。淺灘組成物質(zhì)多為淤泥或雜以粉沙的淤泥。根據(jù)有關(guān)資料[1-3]，渤海灣海灘泥沙平均中值粒徑為0.004～0.027 mm，岸邊海水平均鹽度一般為23‰～3.2‰，表層淤泥濕容重為1.04～1.55 kN/m3。這類泥沙在風(fēng)浪作用下極易掀揚(yáng)、懸移，在淺灘區(qū)形成濃度較高的含沙區(qū)，隨潮流輸移至河口水域，受防潮閘阻擋后，在閘下河道落淤，造成河口防潮閘下的近閘河段及開(kāi)挖區(qū)的泥沙淤積。

1.2 風(fēng)浪作用、潮波變形和反射是閘下引河淤積主要原因

細(xì)顆粒泥沙運(yùn)動(dòng)受到波浪、水流、鹽度、溫度等因素影響。海河流域各水系均匯入渤海灣，受山東半島和遼東半島的阻隔，外海的涌浪不易傳入渤海灣內(nèi)，因此渤海灣的波浪主要是由風(fēng)引起的。當(dāng)波浪由外海向岸灘運(yùn)動(dòng)時(shí)，隨著水深減少，水底摩擦力影響顯著，底層波速逐漸小于表層波速，波峰前傾，直至發(fā)生破碎。波浪破碎時(shí)集中釋放出的能量掀動(dòng)底部泥沙上揚(yáng)、懸浮，使得潮水中的含沙量明顯增大。潮波傳入河道以后，在地形阻力的影響下發(fā)生變形和反射，波形由前進(jìn)波向駐波特性轉(zhuǎn)換。在河口建閘將使潮波變形加劇，并受閘門的阻擋潮波發(fā)生變形反射，駐波波形使潮位過(guò)程線與潮流過(guò)程線之間產(chǎn)生明顯的相位差，使得高潮位增高和低潮位降低、漲潮歷時(shí)縮短而漲潮流速加大和落潮歷時(shí)加長(zhǎng)而落潮流速減小，從而使?jié)q潮帶進(jìn)的泥沙遠(yuǎn)大于落潮帶出的泥沙，造成閘下河段淤積。根據(jù)全潮觀測(cè)的漲落潮輸沙量資料統(tǒng)計(jì)，子牙新河、青靜黃排水渠入?？跐q落潮歷時(shí)比值平均值為0.75，平均漲潮流速比落潮流速大5～6倍，漲潮時(shí)水流挾沙量比落潮時(shí)大3～6倍[4]。因此，風(fēng)浪作用、潮波變形和反射是閘下引河淤積主要原因。

1.3 入海徑流量和潮流量減少是閘下引河淤積重要因素

對(duì)于淤泥質(zhì)河口而言，徑流是維持河口生命的動(dòng)力條件，徑流可減緩漲潮流速、增加落潮流速，當(dāng)徑流達(dá)到某一量值（平衡流量）時(shí)，落潮輸沙能力就超過(guò)漲潮輸沙能力，在漲潮期河口落淤的泥沙全部帶出，還能將攜帶的流域上中游地區(qū)的泥沙全部帶出，從而使河口維持相對(duì)穩(wěn)定的形態(tài)。海河流域各河系徑流具有年際豐枯懸殊、年內(nèi)分配集中的特點(diǎn)，受氣候變化和人類活動(dòng)影響，自20世紀(jì)70年代以來(lái)，海河流域年徑流量呈不斷減少的趨勢(shì)。在河口建閘后，上游徑流受到控制，汛期將多余洪、澇水排放，非汛期則蓄水灌溉、養(yǎng)殖，入海徑流銳減，致使閘下引河淤積加重。當(dāng)無(wú)徑流下泄時(shí)，閘下引河淤積將進(jìn)一步發(fā)展，河槽最終淤平至高潮位，河口漸變?yōu)楹?。由于防潮閘截?cái)嗔松纤葜脸眳^(qū)界的潮流量，河口區(qū)納潮容量相對(duì)變小，造成落潮平均流量相應(yīng)減少，落潮挾沙能力下降，加劇了漲落潮不平衡輸沙。因此，入海徑流和潮流量的減少是閘下引河淤積的重要因素。

1.4 風(fēng)暴潮加劇閘下引河淤積

對(duì)于渤海灣河口外淺灘而言，在無(wú)風(fēng)或小風(fēng)天氣里，海域含沙量較低，沿岸高含沙帶寬度較窄；而在風(fēng)浪較大的天氣里（風(fēng)力5級(jí)以上，風(fēng)速大于8.0 m/s），特別是大風(fēng)或強(qiáng)風(fēng)所造成的風(fēng)浪對(duì)于底部泥沙懸揚(yáng)起著非常重要的作用，近岸水域含沙量增高，高含沙帶寬度明顯變寬。根據(jù)1992年6月22—23日河口斷面觀測(cè)資料，漲潮至平潮時(shí)，在無(wú)風(fēng)情況下，永定新河河口口門處平均含沙量為0.309 kg/m3，但在風(fēng)速為9 m/s時(shí)平潮期的含沙量為2.138 kg/m3，含沙量增加了近6倍。1997年5月24—25日，大潮觀測(cè)的前一天遇到8～16 m/s的大風(fēng)，持續(xù)約4 h，在樁號(hào)65+000—76+000觀測(cè)到河底1.5～2 m厚浮泥層隨漲潮水流向河口內(nèi)流動(dòng)。這表明，風(fēng)暴潮易造成閘下引河快速淤積。

2 人工入海河口閘下引河沖淤特性

人工河道主要功能是分泄洪水或排除澇水，下泄徑流集中且年際變化大，難以有足夠水量保證河口沖淤平衡，因此閘下引河呈逐年淤積加重趨勢(shì)。根據(jù)建閘位置，將閘下引河分為長(zhǎng)引河和短引河，其沖淤變化有所不同。

2.1 短引河沖淤特性

短引河的建閘位置在河口段的下段，距離入海口門很近，以潮流為主要?jiǎng)恿Α６桃蛹{潮量小，潮波反射強(qiáng)烈，具有淤積短、淤積速度先快后慢、總淤積量小的特點(diǎn)。根據(jù)海河閘下河道淤積研究成果[5]，閘下短引河淤積變化發(fā)展可分為2個(gè)階段：第一階段，首先閘首淤積且淤積厚度最大，然后自閘前向閘下游逐漸遞減，閘下淤積剖面呈明顯的三角形形狀；第二階段，隨著閘下引河河內(nèi)淤積泥面逐漸抬升，淤積厚度自閘下向河口也逐漸加大，引河斷面逐漸縮小，由窄深式漸變?yōu)閷挏\式，以適應(yīng)新情況下的徑流量和潮量，在這一階段，淤積速度隨著淤積厚度的增加逐漸變慢。如果建閘后全年閉閘斷流，那么幾乎沒(méi)有下泄徑流，致使閘下引河回淤加重。若不采取措施，則閘下河底泥面可淤積至高潮位，甚至將其全部淤平，閘門不能啟動(dòng)，嚴(yán)重影響行洪排澇。

2.2 長(zhǎng)引河沖淤特性

長(zhǎng)引河的建閘位置在徑流段或在徑流與潮流作用相當(dāng)?shù)倪^(guò)渡段，一般長(zhǎng)度大于10 km，長(zhǎng)者達(dá)數(shù)十公里，以徑流為主要?jiǎng)恿?。長(zhǎng)引河納潮量大，在閘下一定距離內(nèi)潮波變形大，漲、落潮流速均較小，回淤量增多。根據(jù)漲落潮平均流速沿程變化，由防潮閘至口門分為淤積段、沖淤平衡段、沖刷段。淤積段發(fā)生在閘下附近河段，具有淤積初期回淤速度快、淤積體向下游逐漸遞減的特點(diǎn)。沖淤平衡段較短，是淤積段向沖刷段過(guò)渡河段。沖刷段通常出現(xiàn)在近口門河段，由于該段河道漲落潮流速較大，挾沙能力強(qiáng)，形成對(duì)河床的沖刷，在較長(zhǎng)的一段時(shí)間內(nèi)，河口靠引河進(jìn)出潮水沖刷，可暫時(shí)能保持寬而較深的斷面。隨著淤積的發(fā)展，淤積段逐漸向下游移動(dòng)，沖刷段會(huì)逐漸縮短、消失，最終轉(zhuǎn)化為淤積段。當(dāng)淤積發(fā)展至河道口門后，淤積段向外海發(fā)展的速度顯著降低，嚴(yán)重淤積段向河口口門發(fā)展的速度加快，直至閘下引河趨于全面淤平，失去行洪排澇能力。

3 減淤措施

3.1 人工河道治理

3.1.1 閘下引河

（1）閘下引河長(zhǎng)度及平面布置。人工河道徑流量小且不穩(wěn)定，閘下引河應(yīng)采用短引河，但引河長(zhǎng)度不宜過(guò)短，否則潮波反射強(qiáng)烈，淤積強(qiáng)度大，同時(shí)下泄水流挾沙沖刷也需要一定流程，才能達(dá)到較好的沖沙效果。閘下引河過(guò)長(zhǎng)又會(huì)導(dǎo)致總淤積量增大，沖沙流量和用水量也相應(yīng)增大。根據(jù)青靜黃排水渠的水力沖沙減淤實(shí)踐，短引河長(zhǎng)度控制在2 km左右，可較好解決閘下引河淤積問(wèn)題。在閉閘條件下，閘下引河呈現(xiàn)“小潮小淤、大潮大淤、風(fēng)暴潮驟淤”的特點(diǎn)。因此，人工入海河口的閘下引河應(yīng)避免直通入海，其軸線應(yīng)與強(qiáng)風(fēng)暴潮的主風(fēng)向呈較大的夾角，模仿自然河道微彎斜向入海，利用岸灘阻隔含沙量高的潮水直接入河淤積閘下。此外，入?？陂T處適當(dāng)放寬，增加納潮量。

（2）閘下引河斷面。為增加閘下引河納潮量、增大主槽流速、提高水流挾沙能力、暢通入海通道，閘下引河橫斷面形式宜采用深槽、導(dǎo)堤組成的復(fù)式斷面。導(dǎo)堤和深槽均應(yīng)避免突然收縮和擴(kuò)大，以避免入射潮波劇烈損耗引起河床沖淤。導(dǎo)堤的堤距應(yīng)能滿足在平均低高潮位時(shí)常遇洪澇水（一般以3～5 a一遇為宜）順利下泄要求，堤頂高程略低于平均高潮位[6]。由于水流的挾沙能力與流速2～3次方成正比，而與水深成反比，窄深式河槽具有單寬流量大、流速大、挾沙能力強(qiáng)的特點(diǎn)；同時(shí)，河槽回淤量小，河槽應(yīng)采用窄深式河槽。為減小河槽回淤量，其縱坡與海灘縱坡保持一致。入?？陂T以下設(shè)置潛式導(dǎo)堤，延伸至風(fēng)浪破碎帶以外的含沙量較低的深水區(qū)，約至4～5 m等深線，漲潮含沙量約0.005 kg/mm3[7]，切斷由風(fēng)浪引起的海灘泥沙補(bǔ)給源，減少漲潮或風(fēng)暴潮挾帶進(jìn)引河的泥沙量。

3.1.2 閘上河道

（1）多河串通共用同一入?？?。為解決防洪排澇問(wèn)題，經(jīng)20世紀(jì)六七十年代治理海河后，海河流域運(yùn)東地區(qū)形成了多條人工河道并行分流匯入渤海灣的局面，而且還存在多條人工河道經(jīng)同一區(qū)域附近入海的現(xiàn)象，如北排水河、滄浪渠、捷地減河于岐口附近入海，南排水河、黃浪渠在南排河鎮(zhèn)附近入海。為增加河口入海徑流，可利用濱海地區(qū)的潮溝，因勢(shì)利導(dǎo)，開(kāi)挖南北向連通河道，經(jīng)同一口門入海。

（2）連通濱海洼地，滯蓄洪澇水。人工河道的徑流特點(diǎn)是非汛期基本沒(méi)有徑流，汛期峰高量小。濱海地區(qū)天然洼地眾多，可因地制宜地對(duì)其加以改造成為人工濕地或滯蓄水庫(kù)，并與人工河道相互連通。汛期，利用濱海洼地滯蓄洪澇水，既可調(diào)節(jié)徑流削峰除害，又可改善濱海地區(qū)生態(tài)景觀，還為非汛期河口水力沖沙提供水源保障。

3.2 人工沖淤

3.2.1 水力沖淤

（1）利用洪澇水沖淤。海河流域的徑流主要集中在汛期，合理利用有限的徑流，在保證防汛安全前提條件下，擇機(jī)開(kāi)閘泄流進(jìn)行沖沙減淤[8]，對(duì)于流域內(nèi)人工河道至關(guān)重要。首先，在行洪排澇期間，針對(duì)閘下引河的淤積特點(diǎn)，調(diào)控防潮閘下泄流量，大潮大放、小潮小放；其次，針對(duì)潮流特點(diǎn)，選擇低高潮開(kāi)閘沖淤。在一般情況下，低高潮與高高潮相比，低高潮后落差較大，潮位落到最低，落潮流速較大，選擇大潮汛的低高潮開(kāi)閘，能利用較大的勢(shì)能，從而增加沖淤效果，同時(shí)還可以頂住下一個(gè)潮差較大的漲潮。另外，落潮順風(fēng)多沖、逆風(fēng)少?zèng)_和漲潮時(shí)預(yù)先以清頂渾等沖淤方法都是人工河道入海口水力沖淤值得借鑒的方法。

（2）蓄水沖淤。對(duì)非汛期尚有一定徑流匯入的人工河道，如永定新河、獨(dú)流減河，可利用河道蓄水，抬高防潮閘上水位，利用較高的水頭差擇機(jī)開(kāi)閘泄水沖淤。利用水頭差開(kāi)閘沖淤，可增加瞬時(shí)流速，加大瞬時(shí)流量。根據(jù)有關(guān)沖淤試驗(yàn)研究[8]，最佳水頭差在0.8～1.0 m，每次沖淤2～3 h，能沖走閘下1 km內(nèi)淤泥，連續(xù)沖淤效果差，間隔時(shí)間至少2～3 d。

（3）納潮沖淤。納潮沖淤是利用海潮漲到高位時(shí)泥沙在海水中絮凝沉降很快的特性，使潮水表層以下一定水深的水中分離出含沙量小的清水層，通過(guò)擋潮閘的上、下扉門控制，閘上河道納入表層清水，作為落潮時(shí)開(kāi)閘放水的水源。納潮沖淤是解決河口水力沖淤水源不足的有效方法，但對(duì)于黏性泥沙有一定局限性，難以沖刷沉積時(shí)間達(dá)2 d以上的黏性泥沙，常與機(jī)船拖淤相結(jié)合進(jìn)行人工沖淤。鑒于潮汐水流泥沙運(yùn)動(dòng)的復(fù)雜性，建議在有條件的建閘河口進(jìn)行納潮沖淤試驗(yàn)，取得可靠的試驗(yàn)數(shù)據(jù)后再進(jìn)行實(shí)施。

3.2.2 機(jī)械清淤

（1）機(jī)船拖淤。機(jī)船拖淤是在落潮或開(kāi)閘下泄時(shí)借助機(jī)械的攪動(dòng)，在同樣的水力條件下，原來(lái)未能啟動(dòng)的床面泥沙啟動(dòng)、懸浮，使落潮或下泄徑流攜帶更多的泥沙向海擴(kuò)散。該項(xiàng)技術(shù)始于20世紀(jì)60年代江蘇省蘇北里下河“四港”閘下港道維護(hù)，是動(dòng)力機(jī)船和耙具裝置的結(jié)合運(yùn)用[8，9]。經(jīng)不斷改進(jìn)與創(chuàng)新，機(jī)船拖淤經(jīng)歷了單面齒耙、雙面齒耙、摻氣型和改進(jìn)摻氣型4個(gè)階段，對(duì)于水深淺的短引河效果更佳。機(jī)船拖淤需依靠落潮或開(kāi)閘下泄水流輸送泥沙，因此水源是必不可少的條件。通過(guò)機(jī)船拖淤作業(yè)，可實(shí)現(xiàn)浚深河槽、拓寬河槽、切除邊灘等目的，經(jīng)在海河、子牙新河等短引河河口應(yīng)用，效果非常明顯。

（2）機(jī)船挖淤。機(jī)船挖淤是采用挖泥船挖除水下淤泥，挖泥船有抓斗式、鏟斗式、鏈斗式、絞吸式等多種類型。常用于閘下引河清淤的挖泥船是絞吸式挖泥船，它是利用吸水管前端圍繞吸水管裝設(shè)的旋轉(zhuǎn)絞刀裝置，將河底泥沙進(jìn)行切割和攪動(dòng)，再經(jīng)吸泥管將絞起的泥沙物料，借助強(qiáng)大的泵力，輸送到泥沙物料堆積場(chǎng)；它的挖泥、運(yùn)泥、卸泥等工作過(guò)程可以一次連續(xù)完成，作業(yè)時(shí)不需開(kāi)閘泄水，具有成本低、效率高的優(yōu)勢(shì)，不足之處是需要規(guī)劃排泥場(chǎng)；主要用于清除閘下附近淤積較重河段、切灘、汛前開(kāi)槽等。

4 結(jié)論

（1）受徑流不足和潮流不平衡輸沙的共同影響，以潮流動(dòng)力為主的人工入海河口的閘下引河淤積是必然趨勢(shì)。因此，閘下引河應(yīng)采用短引河，既可減少河口淤積總量，又能降低河口清淤成本。

（2）應(yīng)從河道治理和工程管理入手，綜合施策，工程措施和非工程措施結(jié)合，才能以較低的費(fèi)用維持人工入海河口暢通，保障防洪排澇安全。

（3）由于河口水動(dòng)力條件非常復(fù)雜，河口整治方案應(yīng)結(jié)合數(shù)學(xué)模擬計(jì)算成果綜合分析確定，以達(dá)到最佳工程效果。

（4）水力沖淤和機(jī)械清淤相結(jié)合是維持人工入海河口暢通的主要手段。