潘存鴻，曾 劍，唐子文，史英標(biāo)

(浙江省水利河口研究院，浙江 杭州 310020)

錢塘江河口為世界著名的強潮河口，潮強流急，涌潮洶涌，河道寬淺，海域來沙豐富，泥沙易沖易淤，河床沖淤變化劇烈，主槽擺動頻繁．錢塘江河口特殊的水動力條件和泥沙條件，決定了不同于其他潮汐河口的泥沙輸移．1949年后，錢塘江河口泥沙輸移和河床演變研究進入了新的時代，取得了顯著的成績［1－9］，宏觀上基本搞清了錢塘江河口泥沙輸移和河床演變規(guī)律，但錢塘江河口水沙運動非常復(fù)雜，還有許多問題需要進一步研究．本文在前人研究的基礎(chǔ)上，探討了錢塘江河口段泥沙特性、涌潮對泥沙輸移的影響、河床演變規(guī)律，以及河床沖淤對水動力的巨大反作用．

1 錢塘江河口概況

錢塘江富春江電站以下為感潮河段，即錢塘江河口，長282 km(圖1)．根據(jù)各段水動力條件和河床演變特性的差異，將錢塘江河口分為3段:富春江電站至聞家堰為近口段，長75 km，以徑流作用為主，河床基本穩(wěn)定;聞家堰至澉浦為河口段，長122 km，受徑流與潮流共同作用，河床沖淤劇烈，是本文研究的重點;澉浦以下口外海濱段，習(xí)稱杭州灣，長85 km，以潮流作用為主，河床相對穩(wěn)定．

錢塘江(富春江電站)多年平均徑流量952 m3/s，年際分布不均，年內(nèi)分配呈單峰型，3—6月(或4—7月)為豐水期，徑流量占全年的70%左右．1960年新安江水庫建成后，對徑流的影響較大，豐水期徑流減少20．6%，枯水期增加22．3%(見圖2)．

圖1 錢塘江河口Fig．1 Qiantang estuary

東海潮波傳入錢塘江河口過程中，因受錢塘江河口杭州灣喇叭形平面形狀的影響，潮波能量集中，潮差增大，在杭州灣灣頂澉浦附近達到最大，澉浦站多年平均潮差達5．57 m，歷史最大潮差9．0 m．乍浦以上，存在錢塘江沙坎，水深急劇減小，淺水效應(yīng)顯著，潮波進一步變形，終在澉浦以上的尖山河段形成舉世聞名的涌潮．澉浦以上，除高潮位繼續(xù)抬高外，低潮位急劇抬高，且幅度大于高潮位抬高，因此向上游潮差減小(圖3)，至閘口多年平均潮差只有0．46 m［5］．

圖2 新安江水庫建庫前后月平均流量變化 Fig．2 Variation of month average discharge before and after construction of Xinanjiang reservoir

圖3 錢塘江河口沙坎和沿程平均高低潮位變化Fig．3 Sandbar and variation of average high and low tide levels in Qiantang estuary

2 錢塘江河口泥沙特性

錢塘江流域來沙很少，多年平均含沙量在0．25 kg/m3以下．隨著上游水庫建設(shè)和植被的好轉(zhuǎn)，流域來沙呈減小趨勢．據(jù)推算，1980年以來聞家堰以上陸域來沙量年平均約340萬t，澉浦以上陸域來沙量約422萬t．錢塘江河口泥沙主要來自海域，澉浦斷面平均潮差下漲潮輸沙量約500萬t，大潮(潮差約8 m)時可達1 000萬t．因此，澉浦斷面1個潮的輸沙量大于流域來沙1年的輸沙量．

2．1 含 沙 量

根據(jù)實測資料分析，錢塘江河口澉浦以下的杭州灣平均含沙量一般在1～3 kg/m3;七堡以上含沙量也大多在1～3 kg/m3(圖4)．最大含沙量區(qū)位于澉浦至倉前河段，其中尤以曹娥江口至鹽官河段含沙量為最大．

圖4 錢塘江河口段最大和最小含沙量沿程分布Fig．4 Variation in maximum and minimum sediment concentrations along the estuary reach of the Qiantang River

錢塘江河口曹娥江匯入口至鹽官河段潮強流急，涌潮洶涌．在涌潮河段，漲潮最大流速一般出現(xiàn)在涌潮過后數(shù)分鐘至數(shù)十分鐘內(nèi)，最大垂線平均流速澉浦斷面為4 m/s左右，在尖山至鹽官河段達到最大，達5 m/s以上．往上游，流速逐漸減小，七堡最大流速降至2．5 m/s左右．錢塘江河口最大含沙量區(qū)與最大流速區(qū)基本相符，圖4為2007年10月實測最大和最小含沙量沿程分布．由圖可知，最大含沙量位于大缺口下游，與該段流速較大有關(guān)外，還與水深較小有關(guān)．錢塘江河口含沙量除最大含沙量量值較大外，還存在含沙量變化幅度大的特點．除閘口外，最大含沙量均在100～101量級，最大為65．8 kg/m3;而最小含沙量則在10－2～100量級，最小為0．022 kg/m3．各站最大、最小含沙量之比至少在1個量級以上，大多為2個量級，最多可相差3個量級．

2．2 泥沙粒徑

圖5 中值粒徑沿程變化Fig．5 Variation in median diameters along the estuary reach of the Qiantang River

圖5 為錢塘江河口段懸沙和底沙的中值粒徑沿程變化．底沙平均中值粒徑為0．055 mm，明顯大于懸沙平均中值粒徑0．023 mm．從上游到下游，懸沙中值粒徑變化不大，但底沙中值粒徑有明顯增大趨勢，其原因可能與近20年來近口段和河口段上游段大規(guī)模采沙有關(guān)．

2．3 挾沙能力公式

2．3．1 半潮平均挾沙能力公式 20世紀(jì)60年代初，根據(jù)錢塘江河口段各站實測資料(共398個點據(jù))，得到半潮平均挾沙能力公式［5］:

式中:ˉS為半潮平均挾沙能力;K為系數(shù);V為流速;H為水深．其復(fù)相關(guān)系數(shù)R=0．88，均方差σ=0．29．

式(1)為錢塘江河口半潮平均挾沙能力公式的基本形式，但由于錢塘江河口段的漲潮過程線形狀，以及漲、落潮含沙量等因素有明顯差異，因而同一站的漲、落潮輸沙系數(shù)Kf和Ke有較大差異，不同站Kf(或Ke)也有明顯差異．因此，應(yīng)用半潮平均輸沙模型計算河床沖淤量時，還需根據(jù)各站的實測資料應(yīng)用式(1)結(jié)構(gòu)形式分別求得各站的Kf和Ke值，才能較好地與實際相符．

2．3．2 潮流挾沙能力公式 錢塘江河口潮流挾能力公式仍采用式(1)．依照水流挾沙能力的定義，根據(jù)實測資料確定水流挾沙能力經(jīng)驗公式中的挾沙系數(shù)K時，應(yīng)選用水流挾沙處于飽和狀態(tài)時的資料．鑒于閘口站落潮流歷時長，落潮流期間的水力條件和泥沙因子隨時間變化緩慢，水流挾沙情況可視為接近飽和狀態(tài)．選用閘口連續(xù)半個月的落潮流期間和洪水漲落過程中變化平緩時段的實測資料，求得潮流挾沙能力經(jīng)驗公式中的K值［5］:大潮時為7，小潮和洪水時為5，因此得到錢塘江河口潮流挾沙能力公式S*為:

考慮懸沙沉速ω的錢塘江河口潮流挾沙能力公式為［5］:

近期，通過量綱分析和敏感性分析，并通過實測資料率定，得到挾沙能力公式

2．4 泥沙起動流速公式

對于河口泥沙起動流速，一般認為要明顯小于相同粒徑的河流泥沙起動流速，其原因可能與河口的水動力特點、泥沙特性有關(guān)．河口泥沙因徑流與潮汐交互作用，上、下游往返搬運，致密實程度較河流低;漲、落交替，流路隨時變化，泥沙易在有利于滑動或滾動的方向起動;漲、落急時段流速梯度顯著增加，尤其是強潮河口，產(chǎn)生由當(dāng)?shù)丶铀俣纫鸬母郊討?yīng)力;垂向流速分布隨時變化，與河流中近底層流速總是小于中、上層的情況不同．因此，當(dāng)粒徑較細且水深較大時，對于河口泥沙起動流速，各家公式的計算值往往比實際值要大［10］．

為此，采用水槽試驗結(jié)果(試驗?zāi)嗌硺颖局兄盗紻為0．004～0．069 mm，試驗水深0．17～0．35 m，起動流速介于0．21～0．88 m/s，代表小水深值)和實測資料分析值(代表大水深值)，以大水深條件下擬合精度較高的張瑞瑾公式為框架，得到錢塘江河口泥沙起動流速公式［11］:

式中:γs為泥沙重度;γ為水的重度．

3 錢塘江河口泥沙沖淤與水動力的相互作用

錢塘江河口為沖淤性強潮河口，水動力條件變化大，河床主要由粉砂組成，起動流速小，泥沙易沖易淤．錢塘江河口的水動力條件和泥沙條件決定了河口河床具有大沖大淤和易沖易淤的特性．不同于其他潮汐河口，錢塘江河口水深淺，河床沖淤幅度大，河床沖淤變化對水動力條件具有巨大的反作用．

3．1 上段洪沖潮淤，下段洪淤潮沖，大沖大淤

河口段是徑流與潮流相互作用、相互消長的區(qū)域．洪水期，河口段先從上游發(fā)生沖刷，隨著洪水的增大，沖刷逐漸下移，泥沙隨洪水(落潮流)帶向下游，導(dǎo)致河口下游段淤積．枯水期，河口上游段受潮流作用控制，漲潮輸沙量大于落潮輸沙量，導(dǎo)致河床上游段淤積、下游段沖刷．因錢塘江河口漲、落潮輸沙量較大，從而造成了大沖大淤的河床演變特性．

錢塘江河口段上段(鹽官以上)具有明顯的洪沖潮淤特征．年際變化為豐水年河床沖刷，枯水年河床淤積;年內(nèi)變化為豐水期(3—7月)河床沖刷，枯水期(10月至次年2月)河床淤積．洪水(包括洪峰流量和洪量)和初始河床地貌主要決定了河床沖刷量和沖刷位置．洪峰流量和洪量越大，沖刷量越大，沖刷河段越長;初始河床容積越小，即河床水深小，在同樣洪峰流量和洪量作用下，沖刷量越大．沙坎是錢塘江河口段最重要的地貎單元，它的演變可以代表河口段縱向演變特征．根據(jù)多年實測資料統(tǒng)計分析，得到河床不沖不淤流量Qc與沙坎頂部平均高程Z0的關(guān)系式為Qc=4 168．7Z－1．230，表明Qc與Z0為負相關(guān)，即沙坎頂部高程越高，不沖不淤流量越?。?/p>

表1為1997年“7．9”(7月9日)洪水前(4月)和洪水后(7月)以及11月河床容積沖淤變化．由表可知，洪水后閘口至老鹽倉河段全線發(fā)生沖刷，沖刷幅度為34%～157%，平均為88%．洪水過后，一方面上游徑流量減小;另一方面因河床沖刷，低潮位下降，潮差增大，進潮量增大，向上游凈輸沙量增大，從而引起河床迅速回淤，11月測圖與7月測圖比較，淤積量占4—7月沖刷量的50%～69%，平均為57%．因此，河床大沖以后是大淤，大沖是大淤的前提，沒有大沖，也就沒有大淤．事實上，該年4月至洪水前因上游徑流量偏估，洪水前的河床比4月測圖的河床容積還要小，所以表1中洪水引起的河床沖刷量還要大．

表1 1997年河床容積沖淤變化Tab．1 Erosion and deposition change of riverbed volume in 1997

圖6為1997年4—7月和7—11月沿程沖淤量．由圖可明顯看出河口段河床沿程沖淤變化規(guī)律，大致以鹽官為界，上、下段沖淤恰好相反，4—7月上段沖、下段淤;7—11月上段淤、下段沖，而閘口至澉浦河段總沖淤量基本接近．說明河口段上、下段之間大量的泥沙交換決定了河床大沖大淤的特征．

3．2 河床沖淤對水動力的反作用

水動力條件對河床沖淤起著決定性作用，反過來河床沖淤面貌對水動力條件也有重要的影響．河床容積越大，洪水位越低，反之洪水位越高．在同樣洪峰流量條件下，閘口洪水位可相差1 m以上．如1995年6月(洪峰流量14 000 m3/s)和1997年7月(洪峰流量12 500 m3/s)2次洪水，洪峰流量相當(dāng)于5年一遇，但因河道容積相差較大，閘口洪水位差1．22 m．同樣，在相同洪水位下，洪峰流量可相差3倍．如1983年7月洪峰流量12 100 m3/s，1955年6月洪峰流量29 000 m3/s，2次洪水上游洪峰流量相差近3倍，但因河道容積相差3倍多，閘口洪水位僅相差0．08 m．

圖6 1997年4—7月和7—11月沿程沖淤量Fig．6 Siltation/scouring amount from April to July and from July to November in 1997

河床沖淤對潮汐的影響也很大．河口段下端澉浦潮汐受河床沖淤影響很小，曹娥江匯入口以上河段潮汐明顯受河床沖淤影響，特別是低潮位影響最為明顯，河床淤積時低潮位抬高，潮差減小，潮流動力減弱．圖7為澉浦站和閘口站1997年月平均潮差變化．由圖可知，澉浦站月平均潮差變化很小，而閘口站月平均潮差變化很大，“7．9”洪水前河床淤積嚴(yán)重，低潮位高，潮差小;“7．9”洪水后河床沖刷，低潮位下降，潮差增大;10月以后河床回淤，低潮位抬高，從而潮差減?。?/p>

圖7 澉浦站和閘口站1997年月平均潮差變化Fig．7 Variation in month average tidal ranges at Ganpu and Yanguan stations in 1997

4 涌潮對泥沙輸移的影響

錢塘江河口涌潮河段的含沙量觀測非常困難，缺乏系統(tǒng)泥沙資料，現(xiàn)根據(jù)僅有的幾次含沙量觀測資料分析涌潮對泥沙輸移的影響．2007年10月水文測驗大潮汛期間，在蓋北至閘口涌潮河段利用岸邊潮位站進行了表層含沙量取樣觀測，涌潮到達后1 h內(nèi)每隔10 min取樣1次，其余時間每隔半小時或1 h取樣1次．表2為該次實測涌潮前后沿程表層平均含沙量統(tǒng)計結(jié)果．由表可知，盡管蓋北站還沒有涌潮，但漲潮流速已較大，漲潮后含沙量明顯增大，并在1 h后達到最大含沙量10．60 kg/m3;曹娥江匯入口以上的涌潮河段，除閘口最大含沙量出現(xiàn)在涌潮后20 min外，其余各站最大含沙量均出現(xiàn)在涌潮后10 min［12］．

表2 涌潮前后沿程實測表層含沙量Tab．2 Measured surface sediment concentration before and after tidal bore along the River kg/m3

圖8為2010年10月鹽官站連續(xù)3 d同步流速和含沙量每分鐘變化過程．可見，含沙量變化過程與流速變化基本同步，在涌潮到達后1 h內(nèi)含沙量達到極值，在落急時刻也存在含沙量峰值，但峰值明顯小于漲潮峰值．在大、中潮期間涌潮過后，由于流速紊動急劇，漲潮時段存在2個含沙量峰值，但小潮汛期間，因流速較小，無論是漲潮還是落潮含沙量峰值均明顯降低，并且由于沒有涌潮，漲潮期只存在1個含沙量峰值．

從第1個潮周期變化過程可見，涌潮到達前(02:49)落潮含沙量為1．6 kg/m3，涌潮過后(02:50)水流迅速從落潮流轉(zhuǎn)為漲潮流，含沙量急劇增大到10．0 kg/m3，2 min后(02:52)達到第1個峰值14．5 kg/m3，以后隨著流速增速減緩甚至流速減小，水流紊動強度減弱，含沙量又快速回落，約半小時后(03:21)含沙量達到漲潮過程的最小值1．5 kg/m3，然后隨著流速的振蕩增大，含沙量也相應(yīng)地振蕩增大，約20 min后(03:43)達到第2個峰值15．8 kg/m3，且其值大于第1個峰值，再后隨著流速的振蕩減小，含沙量也隨之振蕩降低．03:57后含沙量急劇降低，至05:47漲潮轉(zhuǎn)為落潮前含沙量維持在2．7 kg/m3左右．轉(zhuǎn)流后，落潮流速逐漸增大，相應(yīng)地含沙量也緩緩振蕩增大，至08:37落潮流速達到最大值2．60 m/s，3 min后(08:40)含沙量達到落潮最大值6．7 kg/m3，以后隨著落潮流速的減小，含沙量也振蕩降低，基本上在漲潮(涌潮)前達到最小值．

圖8 鹽官站流速和含沙量變化過程Fig．8 Variation in velocity and sediment concentration at Yanguan station

從幾次觀測結(jié)果來看，在強涌潮河段，大、中潮涌潮期間最大含沙量基本在101量級，而落潮期最大含沙量均小于10 kg/m3．說明錢塘江涌潮河段不同于一般的潮汐河口，涌潮對泥沙輸移、河床演變有著較大的影響，挾帶高含沙量的涌潮水流促使下游泥沙向上游輸移，使得漲落潮輸沙更加不平衡．根據(jù)計算結(jié)果分析，鹽官斷面漲潮輸沙量是落潮輸沙量的2～3倍，從而在枯水期加劇了河口上游的淤積．涌潮是錢塘江河口大沖大淤的機理之一［13］．

5 結(jié)語

(1)錢塘江河口潮強流急，涌潮洶涌．海域來沙豐富，澉浦斷面1個潮的輸沙量大于流域1年的輸沙量;錢塘江河口泥沙主要由粉沙組成，懸沙、底沙平均中值粒徑分別為0．023和0．055 mm，易沖易淤;錢塘江河口含沙量隨潮汐變化，具有漲潮含沙量大于落潮、大潮大于小潮和變化幅度大等特點．針對錢塘江河口泥沙特點，建立了泥沙挾沙能力公式和泥沙起動公式．

(2)錢塘江河口河床具有大沖大淤、洪沖潮淤特性，河床沖淤對水動力反作用很大．洪水期，河床沖刷，河床容積擴大，洪水位下降;同時，低潮位下降，潮差增大，進潮量增大，涌潮增大，向上游凈輸沙量增大，從而引起枯水期的更大淤積．因此，河床大沖以后是大淤．

(3)涌潮對泥沙輸移影響很大，是錢塘江河口大沖大淤的機理之一．涌潮不但流速大，并且紊動劇烈，挾沙能力極大，高紊動涌潮水流沖刷河床，引起含沙量劇增，在1個潮周期內(nèi)最大含沙量出現(xiàn)在涌潮時段，涌潮造成錢塘江河口大含沙量區(qū)．挾帶大含沙量的涌潮水流促使下游泥沙向上游輸移，使得漲落潮輸沙更加不平衡，導(dǎo)致平水期和枯水期河口上游淤積加?。?/p>

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