一種基于實(shí)際水深的通航保證率計(jì)算方法——以錢塘江河口七堡段為例

王衛(wèi)標(biāo)，曾　劍，謝東風(fēng)

(1浙江省水利發(fā)展規(guī)劃研究中心，杭州　310012； 2 浙江省水利河口研究院，杭州　310020)

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一種基于實(shí)際水深的通航保證率計(jì)算方法
——以錢塘江河口七堡段為例

王衛(wèi)標(biāo)1，曾劍2，謝東風(fēng)2

(1浙江省水利發(fā)展規(guī)劃研究中心，杭州310012； 2 浙江省水利河口研究院，杭州310020)

通航保證率是進(jìn)行航道設(shè)計(jì)、整治和評(píng)估航道效益的一項(xiàng)重要指標(biāo)，一般采用航道水位高于設(shè)計(jì)最低通航水位的天數(shù)來確定。由于錢塘江河口河床沖淤變化劇烈，其低潮位的年際年內(nèi)變化與河床沖淤變化關(guān)系密切，采用上述方法不能確切反映該河口的通航保證率。為此，利用1980年以來歷年的實(shí)測(cè)水下地形分析了錢塘江河口七堡段的年際年內(nèi)河床沖淤規(guī)律，討論了低潮位變化與河床沖淤的關(guān)系，提出了采用逐日低潮位下的實(shí)際水深計(jì)算通航保證率的方法。并針對(duì)該河口河床沖淤主要取決于徑流大小的特點(diǎn)，選取典型豐、平、枯水文年分析了七堡河段的通航保證率。結(jié)果表明，對(duì)應(yīng)于豐、平、枯水文年，錢塘江河口七堡段的通航保證率分別達(dá)到100%，100%，87%，與實(shí)際較為吻合。該方法對(duì)我國(guó)其他沖淤變化顯著、低潮位變幅較大的潮汐河口的通航水深保證率計(jì)算具有借鑒意義。

錢塘江；實(shí)際水深；通航保證率；河床沖淤；低潮位

1　研究背景

航道通航保證率是指在規(guī)定的水深條件下1 a中能夠通航天數(shù)占全年通航天數(shù)的百分比，是進(jìn)行航道設(shè)計(jì)、整治和評(píng)估航道效益的一項(xiàng)重要指標(biāo)。根據(jù)《內(nèi)河航道與港口水文規(guī)范》等相關(guān)規(guī)定，通航保證率一般通過航道水位高于設(shè)計(jì)最低通航水位的天數(shù)來確定[1]。徐興玉等[2]采用累積頻率法確定了上海黃浦江大橋的設(shè)計(jì)通航水位保證率時(shí)，主要考慮了潮汐變化、通航船只桅高和載貨等因素。張華等[3]在統(tǒng)計(jì)長(zhǎng)江太倉(cāng)—江陰河段不同季節(jié)潮位變化的基礎(chǔ)上，分析了船舶乘潮保證率，提出深水航道季節(jié)維護(hù)方案。張幸農(nóng)等[4]以長(zhǎng)江、珠江等感潮河段水文站實(shí)測(cè)資料為依據(jù)，對(duì)比分析了內(nèi)河和海港不同通航保證率下設(shè)計(jì)通航水位計(jì)算方法的適用性。在這些研究中，由于河床高程沖淤變化幅度不大，研究水深保證率時(shí)一般只需考慮水位變化對(duì)水深的影響。

錢塘江河口連接著京杭運(yùn)河和杭甬運(yùn)河，并可以沿杭州灣直接出海，是長(zhǎng)江三角洲水網(wǎng)向浙江西部延伸的水上運(yùn)輸動(dòng)脈，是浙江省航道“北網(wǎng)南線”骨干航道規(guī)劃布局的重要組成部分[5]。隨著周邊地區(qū)經(jīng)濟(jì)社會(huì)的快速發(fā)展，進(jìn)出錢塘江河口的貨運(yùn)量快速增長(zhǎng)，特別是一大批燃煤電廠、鋼鐵加工、石油化工等基礎(chǔ)產(chǎn)業(yè)的興起，貨物的運(yùn)輸出現(xiàn)大進(jìn)大出的現(xiàn)象，港口通航的重要性已越來越突出。

錢塘江河口是我國(guó)最為典型的強(qiáng)潮河口，潮強(qiáng)流急。由于受上游徑流和下游潮汐共同作用，而構(gòu)成河床質(zhì)的粉砂又易沖易淤，導(dǎo)致河床沖淤變化劇烈，低潮位的年際年內(nèi)變化幅度較大。因此，采用設(shè)計(jì)低潮位下的水深計(jì)算通航保證率的方法難以準(zhǔn)確反映錢塘江河口的通航水深保證率。本文以錢塘江河口七堡河段為例，探討河床沖淤劇烈、低潮位變幅較大的潮汐河口的通航水深保證率的計(jì)算方法。

2　錢塘江河口概況

錢塘江河口上起富春江電站，下至杭州灣灣口，全長(zhǎng)282 km(見圖1)。根據(jù)水動(dòng)力條件和河床演變的差異，可以將錢塘江河口分為3段：聞家堰以上為徑流作用為主的河流段，長(zhǎng)約75 km，河床基本穩(wěn)定；聞家堰至澉浦為徑流與潮流共同作用的河口段，長(zhǎng)約122 km，河寬水淺，沖淤頻繁劇烈；澉浦到杭州灣口為潮流段，長(zhǎng)約85 km，以潮流作用為主，床面相對(duì)較為穩(wěn)定，水深較大(8～10 m)。錢塘江河口的水下地形還有其特殊性，由一巨大沙坎組成，從乍浦段延伸至聞家堰，長(zhǎng)達(dá)130 km，最高點(diǎn)位于七堡—倉(cāng)前一帶，高于其上下游桐廬—乍浦河床趨勢(shì)線近10 m。

圖1　錢塘江河口形勢(shì)Fig.1　Regime of Qiantang river estuary

錢塘江河口是典型的強(qiáng)潮河口，澉浦多年平均潮差為5.62 m。澉浦以上的河口段，由于水下存在龐大的沙坎，河底迅速抬升，水深急劇變淺，高低潮位均向上游迅速抬升，而低潮位的抬升值大于高潮位，潮差沿程遞減。錢塘江徑流多年平均流量為952 m3/s，年徑流過程在年際間存在顯著的連續(xù)豐水年和連續(xù)枯水年交替變化，以21 a為周期[6]。

錢塘江河口河床具有大沖大淤和易沖易淤的特性。該河口閘口—鹽官河段年內(nèi)有“洪沖潮淤”的特點(diǎn)，鹽官—澉浦河段則為“洪淤潮沖”，據(jù)實(shí)測(cè)資料，其年內(nèi)河床高程變化可達(dá)10 m以上；年際間在徑流偏枯期，河床淤積、容積縮?。粡搅髌S期，河床沖刷、容積擴(kuò)大[7]。錢塘江河口的沖淤變化，一方面取決于水動(dòng)力條件，徑流的豐枯轉(zhuǎn)換，引起漲落潮流勢(shì)力的消長(zhǎng)變化，從而導(dǎo)致河勢(shì)河床的相應(yīng)調(diào)整，是造就河床的縱向變形與灘槽頻繁擺動(dòng)的主要?jiǎng)恿σ蛩?；另一方面與泥沙條件密切相關(guān)，該河口河床主要由粉砂組成，灘岸抗沖能力弱，其來源主要來自海域，而上游流域來沙極少。據(jù)統(tǒng)計(jì)，上游新安江建庫(kù)前，閘口斷面多年平均輸沙量?jī)H約800萬 t，建庫(kù)后，閘口斷面的多年平均流域來沙減至665萬 t，流域來沙對(duì)河口段的年際年內(nèi)沖淤影響不大[7]。但海域來沙豐富，澉浦平均含沙量3.5 kg/m3，每潮往復(fù)輸沙量達(dá)1 000萬 t。

3　七堡河段河床演變特性

3.1河床年際年內(nèi)沖淤規(guī)律

七堡河段位于錢塘江河口閘口—鹽官河段中部，其河床演變?cè)谀觌H間具有“豐沖枯淤”的變化規(guī)律。該河段河道容積與上游徑流的變化關(guān)系密切，以歷年的徑流年平均流量與相應(yīng)年份的河道平均容積建立關(guān)系，如圖2所示。從圖中可知，1980—2009年間兩者的相關(guān)系數(shù)達(dá)到0.89，徑流較大時(shí)，河道容積較大，反之，河道容積較小。

圖2　年平均河道容積與年平均徑流流量的關(guān)系(1980—2009年)Fig.2　Relationship between annual-average channel volume below high tidal level and annual-average runoff discharge(1980-2009)

該河段年內(nèi)具有“洪沖潮淤”的特點(diǎn)。圖3給出了錢塘江河口閘口—倉(cāng)前河段1980年以來在多年平均高潮位下每年4，7，11月份的河道容積變化。每年4—6月份洪汛期，由于流域降水，本河段河床隨下泄徑流的大小呈不同程度的沖刷，河床高程降低，容積擴(kuò)大，所以每年汛后的7月實(shí)測(cè)河床高程最低，容積最大。7—11月份徑流減小進(jìn)入大潮期，由于汛期后河道容積大，進(jìn)潮量大，進(jìn)沙量亦大，加上漲落潮流的不對(duì)稱和輸沙不平衡而造成秋季大潮河床回淤迅速，容積減小，河床抬高。12月份至翌年3月份潮小，徑流亦小，河床處于較為穩(wěn)定的微淤微沖狀態(tài)。

圖3　河道容積年際年內(nèi)變化Fig.3　Inter-annual variations of average channel volume below high tidal level

3.2七堡斷面主槽深泓高程變化

七堡斷面主槽深泓高程的變化規(guī)律與河床演變基本一致，年際間具有“豐沖枯淤”的變化，年內(nèi)具有“洪沖潮淤”的特點(diǎn)。圖4給出了七堡斷面1980年以來歷年4，7，11月份測(cè)次的主槽深泓高程變化過程。從圖4中可知，主槽深泓高程一般出現(xiàn)于梅汛后的7月份，到11月份或翌年4月份淤至最高。以1998年(徑流年均流量1 398 m3/s)和2001年(徑流年均流量661 m3/s)分別代表豐水年和枯水年為例，豐水年的1998年7月份主槽深泓高程為-1.6 m左右，枯水年的2001年7月份為1.3 m左右，兩者相差接近3 m，而2個(gè)年份11月份的深泓高程分別為0.5 m和2.4 m，相差近2 m?？梢?，上游徑流的大小對(duì)主槽深泓高程影響極大。

圖4　七堡斷面主槽深泓高程年際年內(nèi)變化Fig.4　Inter-annual variations of the thalweg elevations at Qibao section

3.3七堡低潮位變化與河床沖淤關(guān)系

七堡河段主要有七堡長(zhǎng)期水文站的潮位資料。圖5為七堡站2000年9月5—18日的半月潮位逐時(shí)變化過程。潮汐在半個(gè)月內(nèi)有一次大、小潮的周期性變化，高、低潮位均是大潮期高于小潮期。大潮期間的低潮位約4.0 m，小潮期低潮位約為3.0 m，大小潮之間有約1.0 m的差值。

圖5　七堡站2000年9月5—18日潮位過程Fig.5　Time-history of tidal level at Qibao station during September 5-18, 2000

七堡站的低潮位除受潮汐大小影響外，還與河床沖淤密切相關(guān)。圖6給出了七堡站1980年以來每年4，7，11月份平均低潮位的變化過程。4月份和11月份低潮位較高，7月份低潮位最低，4，7，11月份多年平均值分別為5.74，5.13和5.51 m，年內(nèi)最大變幅達(dá)1.61 m，出現(xiàn)于1995年豐水年。一般而言，梅汛初期河床淤得較高，低潮位較高。隨著梅汛期徑流對(duì)江道的沖刷，河道容積增大，河床高程降低，低潮位也下降。梅汛結(jié)束時(shí)(7月份)，河床年內(nèi)高程最低，此時(shí)低潮位最低。進(jìn)入秋季大潮期，江道主要受潮汐控制，江道逐漸回淤，低潮位復(fù)而逐漸抬高。此外，低潮位年際間變化也較大，1980年以來各年對(duì)應(yīng)月份之間的變幅在1.6～1.8 m。一般在枯水年，沙坎高程較高，低潮位抬高；在徑流較豐的年份，沙坎高程較低，低潮位較低。

圖6　七堡站低潮位年際年內(nèi)變化Fig.6　Inter-annual variations of low tidal level at Qibao station

4　主槽通航保證率分析

4.1典型代表年份的選取

七堡河段的通航水深取決于低潮位與主槽深泓高程。由于該河段的低潮位與主槽深泓高程與上游徑流豐枯密切相關(guān)，因此，采用徑流年均流量累積頻率的方法，選取豐、平、枯典型年的水文地形資料為代表對(duì)通航保證率進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。根據(jù)徑流年均流量累積頻率曲線，本文選取1998，2000，2001年代表豐、平、枯典型水文年。各典型年相應(yīng)的徑流年平均流量分別為1 398，888，661 m3/s，年均河道容積是220.3×106，150.9×106，135.5×106m3，與徑流多年平均流量952 m3/s和多年平均河道容積170.9×106m3相比，具有代表性。3個(gè)典型年的相關(guān)特征值如表1所示。

4.2采用設(shè)計(jì)低潮位計(jì)算通航水深保證率

京杭運(yùn)河(浙江段)為三級(jí)航道，通航1 000 t級(jí)的內(nèi)河船和海輪，要求通航水深3.2 m[5]，因此以通航水深為3.2 m來統(tǒng)計(jì)七堡航段的通航保證率。

首先根據(jù)《海港水文規(guī)范》[8]要求的方法計(jì)算了七堡站的設(shè)計(jì)低潮位，以1998，2000，2001年各約706個(gè)低潮位統(tǒng)計(jì)了3 a中累積率為90%的設(shè)計(jì)低潮位，分別為2.27，2.97和3.35 m，3 a平均值為2.86 m，可見設(shè)計(jì)低潮位年際間相差較大，枯水年比豐水年高1.08 m。表2列出了根據(jù)設(shè)計(jì)潮位計(jì)算的典型年份通航水深保證率，1998年全年和2000年的4—10月份通航保證率可達(dá)100%;2000年11月份至翌年3月份和2001年全年的保證率較低;2001年的4—10月份保證率不足40%;11月份至翌年3月份由于河床高程較高而低潮位較低，保證率為0。就全年而言，豐、平、枯水文年的保證率分別為100%，83.6%和20.0%。

表1　典型年份平均流量和地形特征值比較Table 1　Comparisons of annual average discharge and topographic feature in typical hydrological years

表2　2種方法計(jì)算的通航水深保證率Table 2　Cumulative frequencies of low tidal level of navigation calculated by two methods

4.3采用實(shí)際水深計(jì)算的通航水深保證率

由于錢塘江河口的低潮位和地形在年際年內(nèi)變化很大，僅以設(shè)計(jì)低潮位下的水深，不能確切反映七堡河段的通航水深保證率，這里選取3個(gè)典型豐、平、枯水文年每年約706個(gè)低潮位下的實(shí)際通航水深進(jìn)行保證率分析。文中，實(shí)際水深由逐日的實(shí)際低潮位減去相應(yīng)床面高程的差值計(jì)算得到，其中非測(cè)期的床面高程采用各測(cè)次間的高程按時(shí)間內(nèi)插求得。計(jì)算結(jié)果列于表2，統(tǒng)計(jì)表明:1998年和2000年全年的水深保證率均達(dá)到100%;枯水年2001年的7—10月份保證率為100%，4—6月份保證率為92%，11月份—翌年3月份的保證率較低，為48%，2001年全年保證率為87%。

5　結(jié)　論

錢塘江河口段受徑流豐枯變化和下游潮汐周期性變化的共同作用，河床年際年內(nèi)的沖淤變化較大。低潮位的變化與河床沖淤變化關(guān)系密切，七堡站年內(nèi)各月份的平均低潮位可相差1.61 m，年際間相同月份的平均低潮位可相差1.6～1.8 m。此外，低潮位在半月大小潮周期內(nèi)還有1 m左右的變幅。

由于錢塘江河口段具有水下地形特殊(存在龐大的水下沙坎)、河床沖淤劇烈、低潮位變幅較大等特點(diǎn)，采用設(shè)計(jì)低潮位下的水深不能確切反映通航水深保證率，宜采用逐日低潮位下的實(shí)際水深來統(tǒng)計(jì)通航水深保證率。該方法對(duì)于統(tǒng)計(jì)我國(guó)其它河床沖淤和低潮位變化顯著的潮汐河口的通航水深保證率具有借鑒意義。

[1]JTJ 214—2000，內(nèi)河航道與港口水文規(guī)范[S]．北京：人民交通出版社，2000.

[2]徐興玉，竇文?。毕涌谠O(shè)計(jì)通航水位的保證率[J]．水運(yùn)工程，1981，(7)：27．

[3]張華，黃志揚(yáng)，肖烈兵，等．感潮河段深水航道乘潮保證率及疏浚維護(hù)[J]．水運(yùn)工程，2015，(4)：8-12．

[4]張幸農(nóng)，陳長(zhǎng)英，吳建樹．感潮河段設(shè)計(jì)通航水位確定方法及標(biāo)準(zhǔn)初探[J]．水道港口，2006，27(4)：243-248．

[5]交通運(yùn)輸部規(guī)劃研究院．浙江省內(nèi)河航運(yùn)發(fā)展規(guī)劃[R]．北京：交通運(yùn)輸部規(guī)劃研究院，2008．

[6]曾劍，孫志林，潘存鴻，等．錢塘江河口徑流長(zhǎng)周期特性及其對(duì)河床的影響[J]．浙江大學(xué)學(xué)報(bào)(工學(xué)版)，2010，44(8)：1584-1588．

[7]韓曾萃，戴澤衡，李光炳，等．錢塘江河口治理開發(fā)[M]．北京：中國(guó)水利水電出版社，2003.

[8]JTS 145-2—2013，海港水文規(guī)范[S]．北京：人民交通出版社，2013.

(編輯：劉運(yùn)飛)

A Calculation Method for Cumulative Frequency Below Low Tidal Level of Navigation Based on Real Water Depth: Taking Qibao Section of Qiantang Estuary as Example

WANG Wei-biao1，ZENG Jian2，XIE Dong-feng2

(1.Water-DevelopmentPlanning&ResearchCenterofZhejiangProvince,Hangzhou310012,China;2ZhejiangInstituteofHydraulics&Estuary,Hangzhou310020,China)

Thecumulativefrequencyoflowtidallevelofnavigationisanimportantindexfornavigationchanneldesign,improvementandbenefitevaluation.Normally,thecumulativefrequencycouldbecalculatedbythenumberofdaysthatthewaterlevelishigherthanthedesignedlowestnavigablewaterlevel.IntheQiantangriverestuaryofZhejiangProvince,thebederosionanddepositionisdrastic,andthelowtidalleveliscloselyrelatedtothebedelevationchanges.HencetheaforementionedmethodcouldnotcountdefinitelythecumulativefrequencyinQiantangestuary.Inthisstudy,thehistoricalbathymetriessince1980wereusedtoanalyzethebedevolutionpatternsintheannualyearsatQibaosectioninQiantangestuary,andtherelationshipsbetweenthevariationsoflowtidallevelandthebederosion/depositionwerediscussed.Onthisbasis,anewmethodbasedontheactualwaterdepthunderdailylowtidallevelwasproposedforthecalculationofcumulativefrequency.AccordingtothehydrologicalcharacteristicsofQiantangestuary,threetypicalhydrologicalyearsrepresentinghighflowyear,normalflowyearandlowflowyearwerechosentoanalyzethecumulativefrequencyofwaterdepthfornavigationinQibaosection.Theresultsshowthatinthethreeyears,thecumulativefrequenciesatQibaosectioncouldreach100%, 100%and87%,respectively,whichagreeswiththereality.Thismethodcouldbealsoapplicabletoothertidalestuarieswherechangesofbedelevationandlowtidallevelareremarkable.

Qiantangestuary;cumulativefrequencyoflowtidallevel;bederosionanddeposition;lowtidallevel

2016-04-19;

2016-06-21

王衛(wèi)標(biāo)(1970-)，男，浙江臺(tái)州人，高級(jí)工程師，博士，主要從事水利規(guī)劃研究工作，(電話)0571-85390578(電子信箱)wangwb@zjwater.gov.cn。

10.11988/ckyyb.20160366

2016,33(09):1-4,22

TV856

A

1001-5485(2016)09-0001-04