北江干流近十年河道演變及原因分析

秦蓓蕾，田 甜，程香菊，劉 莉，章宇達

(1.廣東省水利電力勘測設計研究院有限公司，廣東 廣州 510635；2.華南理工大學 土木與交通學院，廣東 廣州 510641)

北江興衰，關乎粵北興衰。作為珠江的第二大支流，北江是清遠、韶關等粵北地區(qū)經濟發(fā)展的水上動脈，更是兩市與珠江三角洲地區(qū)乃至港澳地區(qū)連接的唯一航道，被譽為粵北地區(qū)的黃金水道[1]。隨著近十年廣東省雙轉移戰(zhàn)略的實施，發(fā)達地區(qū)產業(yè)加速向粵東西北梯度轉移，人們在北江各河段的資源開發(fā)活動日益增多，各河段的來水來沙條件發(fā)生了重大變化，河道也經歷著劇烈調整。同時，河道的演變又影響著北江流域居民的生產和生活。但已有的北江干流河道演變分析幾乎停留在十年前，王偉等[2]對北江干流水道老鴉洲—新沙洲河段1999—2007年實測資料進行了河床演變分析；譚超等[3]對北江下游石角河段2004—2007年實測地形資料分析了河床演變特征；代春輝等[4]對北江下游清遠—三水河口2004年實測地形分析了推移質輸沙空間分布。因此，非常有必要開展北江干流近十年的河道演變分析。本文根據(jù)北江干流2011年和2020年實測河道地形資料，從河床高程、深泓高程、河相系數(shù)以及河床容積變化等方面著手，定量分析了北江干流近十年河道演變規(guī)律，并分析了河道演變的主要驅動因子，為航道整治、采砂、土地利用等規(guī)劃提供技術支撐，為國家和廣東省相關部門決策提供科學依據(jù)。

1 河道分段及應用測圖概況

結合水利樞紐工程的建設情況、規(guī)劃河段邊界特征等因素，將北江干流劃分為6個分段，2011年和2020年測圖采取統(tǒng)一的河段樁號，以韶關(湞江、武江匯合口)為起點、思賢滘為終點。各河段應用到的測圖概況和6個分段的樁號范圍見表1，北江干流分段見圖1。

表1 河演分析測圖應用概況

圖1 北江干流分段示意

2 近十年河道演變分析

根據(jù)2011年和2020年北江干流河道地形資料以及平灘水位(按照2011年地形和50%頻率洪水條件計算的水位作為平灘水位)，計算出各樁號對應的河床平均高程(85高程基準)、深泓高程、河相系數(shù)以及相鄰兩斷面間的河床容積。

2.1 河床平均高程和深泓高程變化

北江干流6條河段的河床平均高程和深泓高程變化見圖2。2011—2020年，韶關—孟洲壩樞紐河段和孟洲壩樞紐—濛里樞紐河段普遍淤積；濛里樞紐—白石窯樞紐河段沖淤交替，總體表現(xiàn)為輕微沖刷；白石窯樞紐—飛來峽樞紐河段和飛來峽樞紐—清遠樞紐河段的河床高程和深泓高程普遍下切；清遠樞紐—思賢滘河段沖淤交替，總體表現(xiàn)為輕微沖刷。

圖2 各河段河床平均高程和深泓高程情況

2.2 河相系數(shù)變化

圖3 各河段平均河相系數(shù)變化

2.3 河床容積變化

北江干流6條河段河床容積變化見圖4。2011—2020年，韶關—濛里樞紐2條河段(圖4中①、②)的河床容積均減小，減小幅度依次為23.1%、17.2%，表明這2條河段處于淤積狀態(tài)；濛里樞紐至思賢滘4條河段(圖4中③～⑥)的河床容積均增加，增加幅度依次為0.9%、13.5%、9.0%和0.9%，表明這4條河段均處于沖刷狀態(tài)，其中濛里樞紐—白石窯樞紐、清遠樞紐—思賢滘河段的沖刷幅度較小，白石窯樞紐—飛來峽樞紐河段沖刷幅度最大，這與2011年以來可采砂河段均位于濛里樞紐—清遠水利樞紐河段基本匹配。

圖4 各河段河床容積變化

2.4 河道沖淤分布

根據(jù)北江干流2011和2020年測量斷面數(shù)據(jù)(250 km河道共270個斷面)繪制出兩個年份的河道地形，再利用ArcGIS獲得河道地形高程差(2020年減2011年)，即2011—2020年北江干流沖淤分布，見圖5。由圖5可知，韶關—濛里樞紐河段普遍淤積，濛里樞紐—白石窯樞紐河段沖淤交替，白石窯樞紐—飛來峽樞紐河段和飛來峽樞紐—清遠樞紐河段普遍沖刷，清遠樞紐—思賢滘河段上半段普遍沖刷，下半段沖淤交替。以上結果與利用河床平均高程、深泓高程、河床容積變化分析得到的各河段沖淤情況相同。

圖5 北江干流沖淤分布

為了解北江干流河床形態(tài)變化規(guī)律，選取代表淤積和沖刷兩種變化的典型橫斷面1和2(圖6)。典型橫斷面1位于韶關—孟洲壩樞紐河段樁號9+000處，2011—2020年，斷面主槽位置無變化，河床整體上抬，淤積幅度在3～5 m；典型橫斷面2位于飛來峽樞紐—清遠樞紐河段樁號157+000處，2011—2020年，左岸有沖有淤，距左岸350 m范圍內河道沖淤變化不明顯，距右岸550 m范圍內沖刷明顯，沖刷幅度大多在4～7 m。

圖6 典型橫斷面

3 河道演變原因分析

3.1 采砂影響

隨著政府對采砂業(yè)的監(jiān)管力度不斷加強，廣東省水利廳出臺的采砂控制規(guī)劃以及河砂開采計劃等資料顯示：2011—2020年，北江采砂主要集中在清遠市，韶關市歷年采砂較少，肇慶、佛山、廣州境內均禁采；韶關市境內北江干流自2011年以來已實施的采區(qū)僅有1個，即烏石采區(qū)，采砂量40萬m3；清遠市境內北江干流自2011年以來已實施的采區(qū)共16個，合計采砂量共843.4萬m3[5]。

近十年的河床演變分析中，采砂較少的韶關—濛里樞紐2條河段(韶關市境內)均處于淤積狀態(tài)；采砂較多的濛里樞紐—清遠水利樞紐3條河段(清遠市境內)均處于沖刷狀態(tài)，其中采區(qū)數(shù)量最多的白石窯樞紐—飛來峽樞紐河段河床變化最大，河床容積增加了13.5%；禁采的清遠水利樞紐—思賢滘河段(佛山市境內)的河床變化很小，河床容積僅增加了0.9%。以上分析表明河道采砂是影響河床變化的重要因素。

3.2 建庫和水土流失影響

水庫的建立會破壞天然河流的水沙條件及河床形態(tài)的相對平衡狀態(tài)，庫區(qū)流速降低導致上游河流帶入水庫的泥沙逐漸淤積，同時出庫水流帶有未充分消耗的余能，使得壩下游河道發(fā)生沖刷現(xiàn)象[6]。

自20世紀90年代，北江干流先后建設了孟洲壩、白石窯、飛來峽、濛里和清遠水利樞紐。北江干流梯級樞紐運行初期(2000—2005年)，根據(jù)干流主要控制水文站實測資料估算，北江梯級樞紐綜合年均攔沙率約為14.37%[7]?？紤]清遠水利樞紐建成后梯級水庫庫容變化以及徑流量變化情況，運用北江干流梯級水庫綜合攔沙率修正式計算，2012—2016年北江干流梯級樞紐綜合攔沙率約為12.8%，與實測值較為吻合。在庫區(qū)采砂區(qū)及開采量受到限制的條件下，庫區(qū)泥沙淤積量與采砂量基本平衡，北江干流梯級樞紐水庫攔沙率將在較長時間內維持現(xiàn)狀水平。

北江干流水沙主要來自橫石以上的武江、湞江，自20世紀80年代起，隨著各種水土保持措施的實施，北江流域大范圍水土流失的情況明顯減少，對北江含沙量影響變小。

3.3 航道整治影響

自20世紀80年代，北江下游進行了一系列航道整治工程，一般采用支汊控流，通過整治丁壩的修建，重新調整河道泥沙沖淤的部位，使中枯水水位流量集中在整治的航槽內，這勢必造成壩田淤積、主航槽沖刷。

作為珠江的第二大支流，北江是粵北地區(qū)與珠江三角洲地區(qū)乃至港澳地區(qū)連接的唯一航道。為促進區(qū)域協(xié)調發(fā)展，完善粵北地區(qū)綜合交通運輸體系，進一步發(fā)揮水路運輸經濟優(yōu)勢，廣東省設立北江航道擴能升級工程，整治航道252 km、全線5處樞紐新建7座1 000噸級船閘、新建7座橋梁、加固14座橋梁通航孔防撞以及配套的機電工程等，目前工程大部分已完成。北江航道擴能升級工程是人類對自然河道進行干預的活動，對河道演變有著一定的影響。譚超等[8]針對清遠水利樞紐新建二線船閘對北江下游河勢穩(wěn)定的影響進行了試驗研究，結果表明：工程建設對該河段總體河勢穩(wěn)定的影響不顯著，但壩下左側長丁壩完全拆除對樞紐與爛柴洲之間河段的河勢穩(wěn)定將造成一定的影響。

3.4 國家及地方政策影響

近幾十年來，北江河道在大規(guī)模人類活動影響下，水沙特性、泥沙輸運及河床演變發(fā)生變化，對堤壩防護、泄洪安全、水生態(tài)安全等產生重要影響。為進一步加強河道管理，維護河勢穩(wěn)定，國家及地方都給予了高度的重視。

在國家及廣東省相關政策指導下，科學合理規(guī)劃采砂方案、水土保持方案及航道整治方案等，順應河床演變趨勢，將整治河道與采砂疏浚河道有機地結合起來，可除害興利，在一定時期內和一定程度上改善航道條件，既有利于促進社會經濟的發(fā)展，又有利于河道整治工作。

4 結語

1)分析2011年和2020年北江干流河床平均高程、深泓高程、河床容積以及河道沖淤分布，得出結論：近十年來，北江干流韶關—濛里樞紐河段普遍淤積；濛里樞紐—白石窯樞紐河段沖淤交替，總體表現(xiàn)為輕微沖刷；白石窯樞紐—清遠水利樞紐河段普遍沖刷，其中白石窯樞紐—飛來峽樞紐河段沖刷幅度較大；清遠水利樞紐—思賢滘河段沖淤交替，總體表現(xiàn)為輕微沖刷。

2)2011—2020年，韶關—濛里樞紐2條河段的平均河相系數(shù)均在增加，增加幅度依次為6.1%和3.5%；濛里樞紐—思賢滘4條河段的平均河相系數(shù)均在減小，減小幅度依次為5.9%、10.4%、7.9%和1.9%。

3)近年來，影響北江干流河道演變的因素主要包括采砂、水利樞紐建設、航道整治工程以及國家和地方政策。2010—2020年，按廣東省采砂規(guī)劃，采砂較少的韶關—濛里樞紐河段處于淤積狀態(tài)；采砂較多的濛里樞紐—清遠水利樞紐河段處于沖刷狀態(tài)；禁采的清遠水利樞紐—思賢滘河段的河床變化甚微，表明河道采砂是影響河床變化的重要因素。