錢塘江河口泥沙特性及河床沖淤研究

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(qiáng)潮河口，潮強(qiáng)流急，涌潮洶涌，河道寬淺，海域來(lái)沙豐富，泥沙易沖易淤，河床沖淤變化劇烈，主槽擺動(dòng)頻繁．錢塘江河口特殊的水動(dòng)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(jìn)入了新的時(shí)代，取得了顯著的成績(jī)［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(yùn)動(dòng)非常復(fù)雜，還有許多問(wèn)題需要進(jìn)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(duì)泥沙輸移的影響、河床演變規(guī)律，以及河床沖淤對(duì)水動(dòng)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(zhǎng)282 km(圖1)．根據(jù)各段水動(dòng)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(zhǎng)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(zhǎng)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(diǎn);澉浦以下口外海濱段，習(xí)稱杭州灣，長(zhǎng)85 km，以潮流作用為主，河床相對(duì)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(kù)建成后，對(duì)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(guò)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(dá)到最大，澉浦站多年平均潮差達(dá)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(jìn)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(kù)建庫(kù)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(lái)沙很少，多年平均含沙量在0．25 kg/m3以下．隨著上游水庫(kù)建設(shè)和植被的好轉(zhuǎn)，流域來(lái)沙呈減小趨勢(shì)．據(jù)推算，1980年以來(lái)聞家堰以上陸域來(lái)沙量年平均約340萬(wàn)t，澉浦以上陸域來(lái)沙量約422萬(wàn)t．錢塘江河口泥沙主要來(lái)自海域，澉浦?jǐn)嗝嫫骄辈钕聺q潮輸沙量約500萬(wàn)t，大潮(潮差約8 m)時(shí)可達(dá)1 000萬(wàn)t．因此，澉浦?jǐn)嗝?個(gè)潮的輸沙量大于流域來(lái)沙1年的輸沙量．

2．1 含 沙 量

根據(jù)實(shí)測(cè)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(cāng)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(qiáng)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(guò)后數(shù)分鐘至數(shù)十分鐘內(nèi)，最大垂線平均流速澉浦?jǐn)嗝鏋? m/s左右，在尖山至鹽官河段達(dá)到最大，達(dá)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(shí)測(cè)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(diǎn)．除閘口外，最大含沙量均在100～101量級(jí)，最大為65．8 kg/m3;而最小含沙量則在10－2～100量級(jí)，最小為0．022 kg/m3．各站最大、最小含沙量之比至少在1個(gè)量級(jí)以上，大多為2個(gè)量級(jí)，最多可相差3個(gè)量級(jí)．

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(shì)，其原因可能與近20年來(lái)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(shí)測(cè)資料(共398個(gè)點(diǎn)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(guò)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(jì)算河床沖淤量時(shí)，還需根據(jù)各站的實(shí)測(cè)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(shí)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(shí)測(cè)資料確定水流挾沙能力經(jīng)驗(yàn)公式中的挾沙系數(shù)K時(shí)，應(yīng)選用水流挾沙處于飽和狀態(tài)時(shí)的資料．鑒于閘口站落潮流歷時(shí)長(zhǎng)，落潮流期間的水力條件和泥沙因子隨時(shí)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(gè)月的落潮流期間和洪水漲落過(guò)程中變化平緩時(shí)段的實(shí)測(cè)資料，求得潮流挾沙能力經(jīng)驗(yàn)公式中的K值［5］:大潮時(shí)為7，小潮和洪水時(shí)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(guò)量綱分析和敏感性分析，并通過(guò)實(shí)測(cè)資料率定，得到挾沙能力公式

2．4 泥沙起動(dòng)流速公式

對(duì)于河口泥沙起動(dòng)流速，一般認(rèn)為要明顯小于相同粒徑的河流泥沙起動(dòng)流速，其原因可能與河口的水動(dòng)力特點(diǎn)、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(yùn)，致密實(shí)程度較河流低;漲、落交替，流路隨時(shí)變化，泥沙易在有利于滑動(dòng)或滾動(dòng)的方向起動(dòng);漲、落急時(shí)段流速梯度顯著增加，尤其是強(qiáng)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(shí)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(xì)且水深較大時(shí)，對(duì)于河口泥沙起動(dòng)流速，各家公式的計(jì)算值往往比實(shí)際值要大［10］．

為此，采用水槽試驗(yàn)結(jié)果(試驗(yàn)?zāi)嗌硺颖局兄盗紻為0．004～0．069 mm，試驗(yàn)水深0．17～0．35 m，起動(dòng)流速介于0．21～0．88 m/s，代表小水深值)和實(shí)測(cè)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(dòng)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(dòng)力的相互作用

錢塘江河口為沖淤性強(qiáng)潮河口，水動(dòng)力條件變化大，河床主要由粉砂組成，起動(dòng)流速小，泥沙易沖易淤．錢塘江河口的水動(dòng)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(duì)水動(dòng)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(zhǎng)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(zhǎng);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(shí)測(cè)資料統(tǒng)計(jì)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(fù)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(cāng)河段全線發(fā)生沖刷，沖刷幅度為34%～157%，平均為88%．洪水過(guò)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(jìn)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(cè)圖與7月測(cè)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(shí)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(cè)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(shuō)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(duì)水動(dòng)力的反作用

水動(dòng)力條件對(duì)河床沖淤起著決定性作用，反過(guò)來(lái)河床沖淤面貌對(duì)水動(dòng)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(duì)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(shí)低潮位抬高，潮差減小，潮流動(dòng)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，從而潮差減小．

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(duì)泥沙輸移的影響

錢塘江河口涌潮河段的含沙量觀測(cè)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(cè)資料分析涌潮對(duì)泥沙輸移的影響．2007年10月水文測(cè)驗(yàn)大潮汛期間，在蓋北至閘口涌潮河段利用岸邊潮位站進(jìn)行了表層含沙量取樣觀測(cè)，涌潮到達(dá)后1 h內(nèi)每隔10 min取樣1次，其余時(shí)間每隔半小時(shí)或1 h取樣1次．表2為該次實(shí)測(cè)涌潮前后沿程表層平均含沙量統(tǒng)計(jì)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(dá)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(shí)測(cè)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(guò)程．可見，含沙量變化過(guò)程與流速變化基本同步，在涌潮到達(dá)后1 h內(nèi)含沙量達(dá)到極值，在落急時(shí)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(guò)后，由于流速紊動(dòng)急劇，漲潮時(shí)段存在2個(gè)含沙量峰值，但小潮汛期間，因流速較小，無(wú)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(gè)含沙量峰值．

從第1個(gè)潮周期變化過(guò)程可見，涌潮到達(dá)前(02:49)落潮含沙量為1．6 kg/m3，涌潮過(guò)后(02:50)水流迅速?gòu)穆涑绷鬓D(zhuǎn)為漲潮流，含沙量急劇增大到10．0 kg/m3，2 min后(02:52)達(dá)到第1個(gè)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(dòng)強(qiáng)度減弱，含沙量又快速回落，約半小時(shí)后(03:21)含沙量達(dá)到漲潮過(guò)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(dá)到第2個(gè)峰值15．8 kg/m3，且其值大于第1個(gè)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(dá)到最大值2．60 m/s，3 min后(08:40)含沙量達(dá)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(dá)到最小值．

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

從幾次觀測(cè)結(jié)果來(lái)看，在強(qiáng)涌潮河段，大、中潮涌潮期間最大含沙量基本在101量級(jí)，而落潮期最大含沙量均小于10 kg/m3．說(shuō)明錢塘江涌潮河段不同于一般的潮汐河口，涌潮對(duì)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(jì)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(jī)理之一［13］．

5 結(jié)語(yǔ)

(1)錢塘江河口潮強(qiáng)流急，涌潮洶涌．海域來(lái)沙豐富，澉浦?jǐn)嗝?個(gè)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(diǎn)．針對(duì)錢塘江河口泥沙特點(diǎn)，建立了泥沙挾沙能力公式和泥沙起動(dòng)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(duì)水動(dòng)力反作用很大．洪水期，河床沖刷，河床容積擴(kuò)大，洪水位下降;同時(shí)，低潮位下降，潮差增大，進(jìn)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(duì)泥沙輸移影響很大，是錢塘江河口大沖大淤的機(jī)理之一．涌潮不但流速大，并且紊動(dòng)劇烈，挾沙能力極大，高紊動(dòng)涌潮水流沖刷河床，引起含沙量劇增，在1個(gè)潮周期內(nèi)最大含沙量出現(xiàn)在涌潮時(shí)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劇．

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