寧波市三江河道水沙變化規(guī)律及成因分析

，， ，

(1.浙江省水利河口研究院， 杭州 310020；2.寧波市三江河道管理局， 浙江 寧波 315020)

1 研究背景

寧波市的姚江、奉化江和甬江俗稱“三江”。三江河道既是寧波市主要的行洪排澇通道，也是溝通內(nèi)陸與出海海運(yùn)的重要通道，同時(shí)也造就了寧波市三江六岸穿城而過的獨(dú)特景觀。歷史上，三江河道在徑、潮流的共同作用下河床整體較為穩(wěn)定。然而自20世紀(jì)后半葉以來，由于受姚江大閘(1959年)、鎮(zhèn)海攔海大堤(1975年)以及沿江橋梁和碼頭(20世紀(jì)80年代后)等工程的建設(shè)的影響，三江河道水沙特性發(fā)生了較大變化[1]，整體上導(dǎo)致了三江納潮量減少，潮波變形，河床普遍淤積[2-4]。河流水沙特性及其變化規(guī)律的研究是分析河床演變機(jī)理的基礎(chǔ)，近年來大量學(xué)者對三江河道的水沙特性進(jìn)行了研究[1, 5-6]，研究表明，甬江含沙量峰值滯后于流速漲急、落急1～2 h左右，含沙量整體呈現(xiàn)枯季大于洪季、大潮大于小潮的特征。但這些研究多集中于三江河道近期的某一次或某幾次水文測驗(yàn)進(jìn)行分析，探討水沙的季節(jié)性變化及一個(gè)潮周期內(nèi)的變化規(guī)律，而對于中長時(shí)間尺度的三江河道水沙變化特征及其原因的探討較少，難以反映外海水沙變化、河床沖淤變化及人類工程建設(shè)等因素對三江河道水沙變化特征的影響。本文基于2013—2016年三江河道7次水文測驗(yàn)資料，分析三江河道水沙沿程變化規(guī)律，并結(jié)合1987年水文測驗(yàn)資料和多年潮位資料，分析了近30 a來三江河道潮汐、潮流、含沙量和輸沙量變化特征，以期為三江河道的河床演變分析提供一定的科學(xué)依據(jù)，以及為甬江流域的治理提供一定的技術(shù)支撐。

2 研究區(qū)域及數(shù)據(jù)資料

2.1 研究區(qū)域

姚江、奉化江和甬江匯合于市區(qū)三江口，其中奉化江方橋三江口—市區(qū)三江口河段長約27 km，姚江大閘—市區(qū)三江口河段長約3.3 km，市區(qū)三江口以下至鎮(zhèn)海出?？跒轲闪?，全長約25.6 km(圖1)。1973—2016年姚江大閘多年平均排水量約12.51億m3，奉化江澄浪堰水文站多年平均徑流量約為17.16億m3，甬江多年平均徑流量為二者之和，約29.67億m3。

圖1 研究區(qū)域和監(jiān)測斷面Fig.1 Study area and monitoring sections

2.2 數(shù)據(jù)資料

(1)潮汐資料：三江河道共有4個(gè)長期潮位觀測站，從出?？谕嫌畏謩e為鎮(zhèn)海站、寧波站、澄浪堰站和北渡站(圖1)。本文收集到1953—2016年鎮(zhèn)海站和寧波站、1982—2016年澄浪堰站以及1965—2016年北渡站的年平均高潮位和低潮位特征值。上述潮位特征值均統(tǒng)一至1985國家高程基準(zhǔn)。

(2)水文泥沙觀測資料：2013—2016年三江河道共實(shí)施了7次水文測量，分別為2013年的12月份、2014年的6月份和11月份、2015年的3月份和11月份、2016年的3月份和11月份。水文測驗(yàn)期間，在甬江口、楊木碶和澄浪堰布置3個(gè)監(jiān)測斷面，每個(gè)斷面布設(shè)3條垂線(圖1)。在每條垂線上分別進(jìn)行潮流量(包括流速流向)、含沙量、懸沙和底沙顆粒級配、水溫和鹽度監(jiān)測。此外，本文還收集到1987年的8月份和12月份鎮(zhèn)海和楊木碶斷面水文測驗(yàn)資料(圖1)，其中鎮(zhèn)海斷面監(jiān)測了潮流量和含沙量，澄浪堰斷面僅監(jiān)測了潮流量。

3 成果分析

3.1 潮汐特征

三江河道4個(gè)潮位站各年代平均高潮位和平均低潮位如圖2所示。自1980s(20世紀(jì)80年代)起各站平均高潮位均呈上升趨勢，2010—2016年鎮(zhèn)海、寧波、澄浪堰和北渡站平均高潮位分別較1980s抬升約0.33，0.20，0.22，0.10 m。鎮(zhèn)海站平均低潮位自1970s起呈下降趨勢，2010—2016年平均低潮位較1970s降低約0.15 m；寧波站和澄浪堰站低潮位在1980s—2000s期間整體較為穩(wěn)定，但2010—2016年較2000s抬升明顯，分別抬升約0.16 m和0.15 m；北渡站平均低潮位自1960s起呈持續(xù)上升趨勢，至2010—2016年累計(jì)抬升約0.57 m。

3.2 含沙量

含沙量高低與潮汛大小密切相關(guān)，整體表現(xiàn)為大潮大于小潮的特征。含沙量的垂線分布多表現(xiàn)為Ⅱ型[7]，即含沙量自表層向底層逐漸增加，與甬江河段2010—2011年觀測特征基本一致[1]。各測次大潮期，各斷面平均含沙量如圖3所示，整體上含沙量自甬江口向上游逐漸遞減，其中甬江口—楊木碶河段含沙量沿程衰減梯度要大于楊木碶—澄浪堰河段，甬江口—楊木碶河段每km含沙量平均減小約0.06 kg/m3，約為楊木碶—澄浪堰河段的3倍。

注：1960s表示1960—1969年，以此類推。鎮(zhèn)海和寧波站1950s為1953—1959年，澄浪堰1980s為1982—1989年，北渡站1960s為1965—1969年，各站2010s均為2010—2016年圖2 各年代潮汐特征值變化Fig.2 Variation of tide characteristic in 1953-2016

圖3 各測次大潮期各監(jiān)測斷面平均含沙量變化Fig.3 Variation of average sediment concentration at each monitoring section in spring tide

3.3 潮量和輸沙量

三江河段漲潮量和漲潮輸沙量自甬江口向上游逐漸衰減。各測次甬江口平均漲潮潮差約2.27 m，與2010—2016年鎮(zhèn)海站平均潮差相當(dāng)。在此動力下，甬江口斷面各測次平均漲潮量和漲潮輸沙量分別約2 002.76萬m3和3.59萬t，至楊木碶斷面漲潮量和輸沙量衰減至1 067.52萬m3和1.10萬t，減少約46.7%和69.4%。至澄浪堰斷面，漲潮量和輸沙量已減少至764.77萬m3和0.56萬t，較甬江口斷面分別減少約61.8%和84.4%(表1)，即輸沙量的減小幅度要大于潮量，這主要是由于在潮量沿程遞減的同時(shí)，含沙量也在逐漸減小。

表1各監(jiān)測斷面2013—2016年各測次漲潮平均潮量和輸沙量

Table1Averagetidalvolumeandsedimentdischargesofrisingtideateachmonitoringsectionin2013-2016

監(jiān)測斷面潮量/(萬m3)輸沙量/(萬t)甬江口2002.763.59楊木碶1067.521.10澄浪堰764.770.56

3.4 近30 a來三江河道水沙變化特征

1987年水文測驗(yàn)中，澄浪堰斷面與2013—2016年水文測驗(yàn)期間斷面一致，1987年監(jiān)測鎮(zhèn)海斷面雖位于2013—2016年的甬江口斷面上游約4.5 km(圖1)，但整體亦能表征甬江入海口水域水沙特征。

1987年和2013—2016年甬江口和澄浪堰漲潮平均流速、漲潮量和潮差關(guān)系如圖4所示，各時(shí)期流速和潮量與潮差的相關(guān)性均較好。同等潮差下，2013—2016年甬江口和澄浪堰斷面流速與1987年均基本一致，無明顯變化，而漲潮量則呈減小趨勢。對于甬江口斷面來說，以多年平均潮差1.88 m為例，1987年鎮(zhèn)海斷面漲潮量約2 082.7萬m3，而2013—2016年甬江口斷面漲潮量約1 709.9萬m3，減小約17.9%，若考慮到二者監(jiān)測斷面的不同，其減小幅度要更大。對于澄浪堰斷面來說，以多年平均潮差1.61 m為例，1987年漲潮量約1 060.7萬m3，2013—2016年約736.2萬m3，減小約30.6%。

圖4 甬江口漲潮和澄浪堰漲潮平均流速及漲潮量 與潮差的關(guān)系Fig.4 Relations of average tidal flow velocity and tidal volume against tidal range at Yongjiang estuary and Chenglangyan station

由于含沙量和輸沙量隨季節(jié)變化較大，因而只選取監(jiān)測時(shí)間較為一致的冬季測次比較。1987年和2013—2016年冬季甬江口漲潮平均含沙量、輸沙量和潮差關(guān)系如圖5所示，同樣潮差下，2013—2016年甬江口斷面含沙量和輸沙量較1987年均增大。1987年12月測次中1.59 m潮差對應(yīng)的斷面平均含沙量為0.79 kg/m3，而2014年11月測次中1.55 m潮差對應(yīng)的斷面平均含沙量為1.42 kg/m3，較1987年增加約79.7%。同樣1987年12月1.90 m潮差對應(yīng)的斷面輸沙量約為2.53萬t，而2013年12月和2014年11月測次中1.84 m潮差對應(yīng)的平均輸沙量為3.89萬t，較1987年增加約53.8%。

圖5 甬江口漲潮平均含沙量及輸沙量和潮差的關(guān)系Fig.5 Relations of average tidal sediment concentration and tidal sediment discharge against tidal range at Yongjiang estuary station

4 成因分析

4.1 潮汐特征變化原因分析

一般而言，河口潮汐特征變化主要與徑流、外海潮位、河勢變化及人類活動等因素有關(guān)，各因素對各站高、低潮位的影響如表2所示。

表2 各因子對三江潮汐特征的影響Table 2 Influence of various factors on tidalcharacteristics of the Three Rivers of Ningbo

注：“+,-”分別表示正相關(guān)和負(fù)相關(guān)，“/”表示該因素對該站該潮汐特征值幾乎無影響或影響較小

(1)近期徑流量大幅度增加。甬江1980s，1990s，2000s，2010—2016年各時(shí)期多年平均徑流量分別為29.58，29.81，26.12，33.66億m3；2010—2016年平均徑流量較2000s增加了約28.9%，即徑流量的大幅增加可能是導(dǎo)致北渡、澄浪堰和寧波站在該時(shí)期低潮位抬升較快的原因之一。

(2)海平面上升，外海潮位抬高。根據(jù)國家海洋局《2015年中國海平面公報(bào)》，1980—2015年中國沿海海平面上升速率為3.0 mm/a，高于同期全球平均水平。有關(guān)研究表明，甬江口所在的杭州灣外海海平面上升幅度2.83～4.05 mm/a[8]。據(jù)甬江口外的岱山站多年潮位資料統(tǒng)計(jì)，1980—2015年岱山站平均海平面累計(jì)抬升約0.15 m，折合年均抬升速率約4.3 mm/a，即海平面上升亦是導(dǎo)致三江河道自20世紀(jì)80年代來高、低潮位普遍抬升的原因之一。同時(shí)，岱山站2010—2015年多年平均高潮位較1980s上升約0.25 m，較2000s抬升約0.11 m，亦與該時(shí)期甬江口鎮(zhèn)海站高潮位快速抬升趨勢基本一致。

(3)河床淤高。與三江河道其它潮位站不同，北渡站多年平均低潮位自1960s起就呈持續(xù)上升趨勢，且抬升幅度較大，至2010s(2010—2016年)多年平均低潮位已抬升0.57 m。這可能與該時(shí)期奉化江上游河道呈淤積態(tài)勢有關(guān)。依據(jù)奉化江1962，2009，2015年3次地形測圖，其上游方橋三江口—銅盆閘河段1962—2015年多年平均潮位下河床累計(jì)淤積約954萬m3，河床平均抬升約4.13 m，其中1962—2009年淤積約834萬m3，河床平均抬升約3.61 m[9]。雖然年均約18萬m3的淤積相對于該河段約940萬m3的河床容積來說整體幅度不大，但若放在長歷時(shí)來看，其累計(jì)效果是驚人的，因而河床淤積亦是三江河道潮位抬升的重要貢獻(xiàn)因素之一。

(4)人類活動影響。為新建鎮(zhèn)海港，1975年8月在招寶山至游山間拋筑了長約3 186 m的導(dǎo)堤，使甬江口門下移至外有山附近[10](圖1中的局部放大圖)。河口區(qū)的圍涂及河口延長，會導(dǎo)致潮波反射增強(qiáng)，潮波變形增大，從而導(dǎo)致高潮位抬升，低潮位變化不大或略降[11]。此外20世紀(jì)80年代以來三江河段大規(guī)模的橋梁、碼頭建設(shè)亦對三江河道水位產(chǎn)生了一定影響。據(jù)統(tǒng)計(jì)，三江河道目前共有跨江橋梁21座，甬江兩岸現(xiàn)有碼頭212座。單一的橋梁、碼頭等涉水工程的影響往往看起來并不大，但是橋梁、碼頭等涉水工程群的阻水、壅水作用則不容忽視[12-13]。

4.2 含沙量沿程變化原因分析

甬江上游年來沙量約50萬t[14]，僅相當(dāng)于甬江口每潮平均輸沙量3.59萬t的14倍，因此三江河道的泥沙以海域來沙為主，含沙量自甬江口至上游逐漸降低主要是受潮流和徑流的共同影響。

(1)整體上三江下游河段的潮流強(qiáng)度大于上游河段。根據(jù)2013—2016年7次水文測驗(yàn)資料，大潮期甬江口、楊木碶和澄浪堰各測次漲潮平均流速分別為0.43～0.80，0.34～0.51，0.40～0.54 m/s，整體上甬江口潮流強(qiáng)度要大于楊木碶，楊木碶和澄浪堰潮流強(qiáng)度則相當(dāng)。研究表明，甬江河段的輸沙能力可表示為式(1)[1, 15]，即流速越小，輸沙能力越差，含沙量越小。

(1)

式中：S為含沙量；v為流速；h為水深；?為系數(shù)。

(2)徑流“以清頂渾”作用強(qiáng)。甬江多年平均徑流量約為91.8 m3/s，僅為中潮時(shí)江東斷面落急時(shí)潮流量的10%左右，即相對潮流來說，平均徑流量對河床泥沙的輸移影響較小，但徑流對甬江干流的頂渾作用較為明顯。甬江口與楊木碶站含沙量減小量與甬江徑流量呈正相關(guān)關(guān)系(圖6)，且上游來水越豐，甬江干流含沙量沿程衰減越快，即與徑流“頂潮拒咸”的作用相似[16]，徑流越大，其減弱海域來沙的“上溯”的作用越強(qiáng)。

圖6 甬江含沙量沿程衰減與月徑流量的關(guān)系Fig.6 Relationships between monthly runoff and sediment concentration decline along the Yongjiang River

4.3 近30 a來三江河道水沙變化原因分析

對于甬江口鎮(zhèn)海站來說，1987年以來漲潮歷時(shí)無明顯變化，同樣潮差下，平均流速亦基本一致，則漲潮量的減小主要是由于河床斷面面積的減小，即河床淤積造成的，這與甬江河床1982—2015年平均水位下河床淤積156.7萬m3是一致的[17]。

近30 a來甬江口含沙量和輸沙量均呈增大趨勢，這主要是由于1980年以來甬江口外海含沙量亦呈增大趨勢。研究表明，在多年平均潮差下，2014年杭州灣南側(cè)海域?qū)崪y含沙量較20世紀(jì)80年代增大約77%[18]。此外，由于河床淤積，江道水深變淺，根據(jù)式(1)，水深越小，同樣流速下，水流輸沙能力越強(qiáng)，此亦可能是導(dǎo)致甬江口斷面的含沙量和輸沙量增加的原因之一。

5 結(jié) 論

基于1987年和2013—2016年三江河道水文測驗(yàn)資料，分析了三江河道水沙變化規(guī)律及其成因，得到如下結(jié)論：

(1)在徑流、外海潮位、河勢變化和人類活動等因素的綜合影響下，寧波三江河道各潮位站平均高潮位自1980s起均呈上升趨勢。鎮(zhèn)海站平均低潮位自1970s起呈下降趨勢，北渡站平均低潮位自1960s起呈持續(xù)上升趨勢。

(2)寧波三江河道含沙量自甬江口向上游逐漸遞減，其中甬江口—楊木碶河段含沙量沿程減小梯度要大于楊木碶—澄浪堰河段。徑流“以清頂渾”作用強(qiáng)。

(3)平均潮差下，甬江口斷面漲潮量和漲潮輸沙量分別約為2 002.76萬m3和3.59萬t，至楊木碶斷面漲潮量和輸沙量分別減少約46.7%和69.4%；至澄浪堰斷面漲潮量和輸沙量分別減少約61.8%和84.4%。

(4)與1987年相比，同樣潮差下，2013—2016年甬江口和澄浪堰斷面漲潮平均流速無明顯變化，漲潮量呈減小趨勢，甬江口含沙量和輸沙量呈增大趨勢。

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