椒江河口河床寬深比對水沙條件的響應分析

周鴻權(quán)，李伯根，顧裕兵，鞏 明，楊 輝

（1.國家海洋局 第二海洋研究所 工程海洋學重點實驗室，浙江 杭州 310012；2.浙江省電力設計院，浙江 杭州 310012）

0 引言

椒江河口位于浙江沿海中部，屬于典型的山溪性強潮河口。椒江支流永寧江上游于1962年修筑長潭水庫后，流域流量大幅減少，椒江河口海門港區(qū)及航道淤積較為嚴重，影響了航運能力和港口正常作業(yè)。這引起了港務管理部門、港口工程師及河口沉積地貌學者的關注。自20個世紀70年代以來，對椒江河口水文泥沙進行了多次調(diào)查研究，從河床淤積的角度，著重于河口形成過程［1］、沉積［1－2］、地貌特征［1］、水文泥沙特性［3－4］、港區(qū)航道淤積原因①海門港務管理局.長潭水庫對椒江航道產(chǎn)生的影響［R］.1990.、最大濁度帶形成機理［5］、懸沙質(zhì)量濃度分布規(guī)律［6－7］、高渾濁水混合過程［8］、泥躍層形成機理［9］、浮泥運動規(guī) 律［10］、河床 沖淤調(diào)整機理［11］等諸方面進行了大量的研究工作。但是，就椒江河床形態(tài)調(diào)整的動力機理到目前為止尚未有專門研究的報道。

感潮河口河床形態(tài)調(diào)整既要與流域來水來沙相適應，又要適應于海域動力泥沙的周期變化［12］，最終與雙向水沙條件、邊界條件等因素趨于動態(tài)平衡。河床形態(tài)調(diào)整的結(jié)果往往體現(xiàn)在縱剖面和橫斷面的形態(tài)變形，通常采用半經(jīng)驗半定量分析的河相關系［12－14］，分析河床形態(tài)變化特征。本文利用多年水文泥沙資料及較長期的水深地形資料，對不同年份的河床橫斷面寬深比與相應的流域來水來沙和潮動力因素進行回歸分析，探討椒江河口河床形態(tài)長周期調(diào)整對水沙條件的響應，這不但可以豐富山溪性強潮河口河床形態(tài)調(diào)整的認識，也對該類河口的航道整治、資源合理開發(fā)和可持續(xù)利用具有較重要的意義。

1 研究區(qū)概況

椒江流域是浙江沿海第三大流域，自河源至?？冢ㄅｎ^頸）全長190km，流域面積約為6 290km2［1］。上游永安溪發(fā)源于仙居牛塢尖，自西南向東北流，至臨海三江村與來自天臺的始豐溪匯合成靈江（干流），在三江口南岸納支流永寧江后稱椒江，經(jīng)海門、牛頭頸入浙江沿海中部臺州灣（東海）［11］（圖1）。據(jù)收集到的水深地形資料測量范圍，本文的研究區(qū)主要位于石仙婦下游至牛頭頸附近的河口段（圖1）。

椒江河口水體含沙量高［1，9］，2003年垂線平均含沙量大潮期大多超過8kg·m－3，小潮期為2～5kg·m－3，底層含沙量普遍超過10kg·m－3，實測底層最高含沙量達83.4kg·m－3②。

2 基礎資料和研究方法

圖1 椒江流域和研究區(qū)位置Fig.1 Location of the study area and Jiaojiang River Basin

椒江河口隱蔽條件較好，不易受外海波浪影響，主要受徑流和潮流的雙向水流作用［11］。徑流流量洪枯懸殊，洪水暴漲暴落［3］。據(jù)上游3個主要控制站1957—2005年間的徑流資料，永安溪最大洪峰流量為7 840m3·s－1，最小流量為0.27m3·s－1；始豐溪最大洪峰流量達4 850m3·s－1，最小流量僅為0.06 m3·s－1。徑流主要集中在汛期，梅汛期（5—6月）為主要輸水期，洪汛期（8—9月）為主要輸沙期，年內(nèi)輸水與輸沙不盡同步［3］。年際變化徑流量與輸沙量也不完全一致，豐（枯）水年未必多（少）沙年［3］。

椒江河口潮汐類型屬于非正規(guī)半日潮［4］，為強潮河口，潮差大，潮流強［1，9］。據(jù)海門水文站1952—2003年間實測潮位資料，多年平均潮差為4.02m，最大潮差可達6.87m。潮差自口外向口內(nèi)增加，在三江口為最大，向上游又減?。?］。2003年實測大潮期漲、落潮流最大流速為1.92和1.67m·s－1②浙江大學，臺州市港航管理局.椒江口內(nèi)航道2003年水文測驗報告［R］.2003.。

本研究收集了椒江口1962，1970，1977，1984，1990和1993—2003年共16個年份的歷史海圖和水深地形圖，利用GIS軟件對圖件數(shù)字化處理，并統(tǒng)一至北京54坐標系和理論最低潮面后進行內(nèi)插，建立不同年份水深地形數(shù)字高程模型（DEM），從這些模型中截取出椒江口10個典型橫斷面的水深數(shù)據(jù)（斷面位置如圖2所示），計算中潮位下的寬深比H），表征河口河床橫斷面形態(tài)。為便于分析，以1?！?＃橫斷面的平均寬深比代表彎曲河段河床形態(tài)，4?！?0＃橫斷面的平均寬深比代表順直河段河床形態(tài)，全部10個橫斷面的平均寬深比表征全河段河床形態(tài)。受水沙資料的限制，考慮到徑流流量與輸沙量的多年、季節(jié)變化并不同步，采用各年份水深地形測量的當月和前12個月的平均流量（單位：m3·s－1）和平均輸沙率（單位：kg·s－1）表征徑流作用，海門水文站漲潮平均潮差（單位：m）表征潮動力強度。利用Excel和SPSS軟件，分析椒江河口河床寬深比與水沙條件間的統(tǒng)計關系。

圖2 典型橫斷面位置示意Fig.2 Sketch map of typical transections

3 結(jié)果

3.1 河床寬深比長周期變化基本特征

椒江河口全河段平均寬深比計算結(jié)果顯示（表1和圖3），河床寬深比長周期變化主要經(jīng)歷了4個階段：1962—1977年間，河床平均寬深比由7.79減至7.56，說明河床橫斷面形態(tài)趨向窄深發(fā)展，這意味著河床總體趨于沖刷；1977—1984年間，平均寬深比由7.56增加至8.28，說明河床橫斷面趨向?qū)挏\發(fā)展，意味著河床總體趨于淤積；1984—1994年間，平均寬深比由8.28減小至7.99，說明河床橫斷面又向窄深調(diào)整，這意味著河床趨向沖刷；至1994—2003年的近10 a間，平均寬深比由7.99減至最小6.90，說明椒江河口河床橫斷面形態(tài)加速向窄深發(fā)展，意味著河床總體趨向加速沖刷，這與河床平面沖淤變化基本一致［11］。彎曲河段與順直河段河床寬深比變化相比較，彎曲河段平均寬深比逐年份都較順直河段大（圖3），說明彎曲河段河床橫斷面形態(tài)總體相對較寬淺，順直河段河床總體相對較窄深。彎曲河段、順直河段河床橫斷面形態(tài)長期調(diào)整總體趨勢與椒江河口全河段基本一致，但是，不同年份間兩個河段存在一定差異，甚至出現(xiàn)相反的調(diào)整趨勢。1962—1970年間，彎曲河段河床橫斷面形態(tài)趨向于窄深，而順直河段卻向?qū)挏\發(fā)展；1984—1990年間，彎曲河段延續(xù)前一個階段向?qū)挏\發(fā)展，而順直河段已轉(zhuǎn)為趨向窄深發(fā)展；1994年后，彎曲河段向窄深變化的速度也明顯不及順直河段顯著（圖3）。

表1 椒江河口各區(qū)段平均寬深比Tab.1 Mean width－depth ratio of each segment of Jiaojiang Estuary

圖3 椒江河口河床平均寬深比多年變化Fig.3 Mutli－year variation of mean width－depth ratio of the riverbed of Jiaojiang Estuary

3.2 河床寬深比與水沙條件之間的統(tǒng)計關系

3.2.1 沿程橫斷面寬深比與徑流平均流量的相關性

水深地形測量當月和前12個月的平均流量與寬深比之間的相關分析顯示（表2），水深測量當月的平均流量與寬深比之間的相關系數(shù)都較小，均在0.5以下，說明兩者的相關性不明顯。

測量前12個月的平均流量與寬深比之間的相關性存在較明顯的區(qū)段差異（表2）。位于江口沙上游的1＃和2＃橫斷面的相關系數(shù)較大，最大相關系數(shù)均大于0.55，說明這兩個橫斷面寬深比與平均流量之間具有較好的相關性，最大相關系數(shù)均由二項式回歸方程得到；且線性回歸系數(shù)也超過0.55，線性回歸方程能通過顯著性為0.014和0.026的F檢驗，表明兩者之間呈現(xiàn)一定的線性相關。但是，江口沙下游的橫斷面（3＃～10＃）寬深比與對應平均流量之間最大相關系數(shù)大多小于0.4，說明兩者之間的相關性不明顯。

表2 典型橫斷面寬深比與徑流平均流量之間的相關性（n＝16）Tab.2 Correlation between the width－depth ratio of typical transections and the mean water discharge（n＝16）

3.2.2 沿程橫斷面寬深比與徑流平均輸沙率的相關性

水深地形測量當月和前12個月的平均輸沙率與寬深比之間的相關分析顯示，水深測量當月的平均輸沙率與寬深比之間的相關系數(shù)都較小，全部小于0.5，說明這兩者之間的相關性不明顯（表3）。

水深地形測量前12個月的平均輸沙率與寬深比之間的相關性存在著區(qū)段差異。位于江口沙上游的1＃和2＃橫斷面的相關系數(shù)較大，最大相關系數(shù)均超過0.6（表3），說明這兩個橫斷面寬深比與平均輸沙率之間存在著較明顯的相關性，最大相關系數(shù)分別來自對數(shù)和二項式回歸；線性回歸的相關系數(shù)也均超過0.55，且線性回歸方程能夠通過顯著性水平為0.000和0.024的F檢驗，線性回歸方程效果較顯著。3?！?0＃橫斷面寬深比與對應平均輸沙率之間的相關性與平均流量有所不同，在3＃、4＃和7＃橫斷面兩者的相關系數(shù)較小，而在5＃、6＃、8＃～10＃橫斷面兩者顯示出了一定的相關性，最大相關系數(shù)在0.50～0.65間，但明顯小于1＃橫斷面；3?！?0＃橫斷面寬深比與平均輸沙率間線性回歸的相關系數(shù)較小，河床寬深比與對應平均輸沙率間的線性相關不明顯。

3.2.3 沿程橫斷面寬深比與平均潮差的相關性

水深地形測量當月和前12個月的平均潮差與寬深比之間的相關分析顯示（表4），水深地形測量當月的平均潮差與2＃橫斷面寬深比之間的最大相關系數(shù)為0.575，顯現(xiàn)出一定的相關性，其余橫斷面兩者的相關系數(shù)都較小，說明在其它橫斷面兩者不存在明顯的相關性。

水深地形測量前12個月的平均潮差與寬深比之間的相關性存在較明顯的區(qū)段差異，且和平均流量與寬深比的相關關系總體上具有相反的趨勢。1＃、4＃和5＃橫斷面寬深比與對應平均潮差之間未表現(xiàn)出明顯的相關性，其余橫斷面都呈現(xiàn)出一定的相關性，尤其是6＃～10＃橫斷面相關系數(shù)較大，最大相關系數(shù)超過0.8，遠大于平均流量和平均輸沙率對應的相關系數(shù)，說明在這些橫斷面河床寬深比與平均潮差之間相關性較好；同時6＃～10＃橫斷面線性回歸方程的相關系數(shù)也均在0.55以上，線性回歸方程能通過顯著性水平小于0.026的F檢驗，線性回歸效果較顯著。

表3 典型橫斷面寬深比與徑流平均輸沙率的相關性（n＝16）Tab.3 Correlation between the width－depth ratio of typical transections and the mean suspended sediment discharge（n＝16）

表4 典型橫斷面寬深比與平均潮差的相關性（n＝16）Tab.4 Correlation between the width－depth ratio of typical transections and the mean tidal range（n＝16）

4 討論

如前所述，水深地形測量當月的水沙條件，無論是徑流平均流量、平均輸沙率，還是表征潮動力的平均潮差，與沿程各橫斷面寬深比之間的相關系數(shù)均較小，而水深測量前12個月的水沙條件與橫斷面寬深比之間表現(xiàn)出一定的相關性。椒江徑流流量洪枯懸殊，汛期暴漲暴落，對河口河床影響深刻，河床形態(tài)隨即作出響應；但歷時更長的枯季，徑流來水來沙量較小，與潮流共同作用，河床形態(tài)對這種水沙條件的響應相對較緩慢。由于多年水深地形測量的月份不一，水深測量當月的水沙條件難以反映徑流和潮流對河床形態(tài)調(diào)整的影響。水深測量前12個月水沙條件雖然對汛期徑流的造床作用有所弱化，但由于汛期徑流對河口河床影響深刻，同時這也可以體現(xiàn)枯季水沙條件對河床形態(tài)的緩慢作用，故水深測量前12個月的水沙條件能夠更好地反映較長周期對河床形態(tài)的影響。

通過沿程橫斷面寬深比與水深測量前12個月水沙條件統(tǒng)計分析，徑流流量、輸沙和潮動力對不同河段河床形態(tài)調(diào)整存在著不同的影響。1＃和2＃橫斷面的寬深比與平均流量和平均輸沙率相關性相對較好，下游的橫斷面（6＃橫斷面以下）則與平均潮差的相關性相對較好，這在一定程度上反映出，椒江河口河床形態(tài)長周期調(diào)整受徑流和潮動力雙向影響程度對比也存在著一定的規(guī)律，沿程可能此消彼長，徑流作用總體上對河床形態(tài)調(diào)整的影響在江口沙以上河段（1＃和2＃橫斷面）表現(xiàn)相對較明顯，而潮動力對柵浦以下河段（6＃橫斷面以下）河床形態(tài)調(diào)整的影響相對較顯著，這應是彎曲河段和順直河段河床橫斷面形態(tài)長周期調(diào)整存在差異的影響因素（圖3）；中間的江口沙至三山河段（3＃和4＃橫斷面），河床寬深比與各水沙因子的相關性均較差，說明該段河床形態(tài)調(diào)整相對復雜，這可能與永寧江口建閘堵口等人為影響直接有關。

如上所述，水沙條件單因子與寬深比存在著一定的線性相關，通過彎曲河段典型橫斷面（1＃和2＃橫斷面）、順直河段典型橫斷面（5?！?0＃橫斷面）的平均寬深比（Y）與水深測量前12個月的平均流量（X1）、平均輸沙率（X2）和平均潮差（X3）無量綱化后進行多元線性回歸結(jié)果顯示，兩個河段的平均寬深比與水沙因子之間的復相關系數(shù)較大（表5），均超過0.75，且回歸方程能通過顯著性水平0.002和0.014的F檢驗，表明多元線性回歸效果顯著。河床寬深比與徑流平均輸沙率呈正相關，徑流產(chǎn)沙量越大，河床寬深比越大，河床趨向于寬淺；徑流產(chǎn)沙量越小，河床寬深比越小，河床趨向窄深，這與椒江干流多年輸沙量趨于減少的背景下，河口河床橫斷面長周期調(diào)整的基本特征相一致（圖3）。順直河段河床寬深比與平均流量呈負相關，徑流來水越多，河床刷深，河床向窄深發(fā)展；若來水減少，河床將趨于寬淺。彎曲河段河床寬深比與平均流量呈正相關，與順直河段相反，這可能與兩河段水流結(jié)構(gòu)不同有關。河床寬深比與平均潮差呈負相關，這意味著潮動力越強、河床越趨向窄深，這似乎有別于以往潮流對椒江河口河床沖淤影響的認識［1，3］，這可能是受1987年開始建設的長順壩等工程的人為作用影響，工程可能改變了潮動力對河口局部河段河床形態(tài)長周期調(diào)整所起到的效果［15－16］。

另外，彎曲河段回歸方程潮差的偏回歸系數(shù)絕對值較徑流兩個因素小，而順直河段回歸方程潮差的偏回歸系數(shù)絕對值明顯大于徑流因素，這也反映了彎曲河段受徑流作用相對較明顯，順直河段受潮動力影響較顯著。

應該指出的是，受水深地形重復測量頻次的限制，椒江河口河床形態(tài)調(diào)整對汛期洪峰水沙條件的響應難以分析，有待于進一步研究。

表5 各河口段多元線性回歸方程（n＝16）Tab.5 Multiple linear regression models of each segment of Jiaojiang Estuary（n＝16）

5 結(jié)論

（1）椒江河口全河段河床橫斷面形態(tài)長周期調(diào)整主要經(jīng)歷了1962—1977年間趨向窄深發(fā)展、1977—1984年間趨向?qū)挏\發(fā)展、1984—1994年間又向窄深調(diào)整以及1994—2003年間加速向窄深發(fā)展的四個階段。彎曲河段和順直河段河床橫斷面形態(tài)調(diào)整過程有所不同。

（2）沿程橫斷面寬深比與水深地形測量當月的水沙條件相關性較差，與水深測量前12個月的水沙條件呈現(xiàn)一定的相關性，后者能更好地反映水沙條件對河床形態(tài)長周期調(diào)整的影響。

（3）椒江河口河床形態(tài)受徑流、潮流影響程度沿程可能此消彼長，徑流作用對江口沙以上河段作用較明顯，潮動力對柵浦以下河段影響較顯著，其間江口沙至三山河段相對復雜，其原因可能與永寧江口建閘堵口等人為影響直接有關。這應是彎曲河段和順直河段河床橫斷面形態(tài)長周期調(diào)整差異的影響因素。

（4）多元回歸分析表明河床寬深比與徑流平均輸沙率正相關，徑流產(chǎn)沙量越小，河床形態(tài)趨向窄深，這與椒江輸沙量趨于減少、河口河床橫斷面形態(tài)長周期調(diào)整基本特征相一致。順直河段河床寬深比與平均流量負相關，徑流來水減少，河床趨于寬淺；彎曲河段通常與順直河段水流結(jié)構(gòu)不同，寬深比與平均流量正相關。河床寬深比與平均潮差呈負相關，應是受河口長順壩等工程的人為作用影響，改變了潮動力對河口河床形態(tài)調(diào)整所起的作用。

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