錢塘江九溪涌潮重塑在工程實踐中的探索研究

金建峰，張玉倫，李志永，錢學誠，黃姿菡

(1. 杭州市閑林水庫管理處，浙江 杭州 311122； 2. 浙江省水利河口研究院，浙江 杭州 310007； 3. 杭州市河道管理總站，浙江 杭州 310014)

杭州城西地區(qū)地勢低洼，上承西部山洪，下受平原河網高水位頂托，北排至太湖路徑較長，歷來是杭州城區(qū)防洪排澇問題較為突出的區(qū)域。為解決城西防洪排澇問題，杭州市擬建設城西南排通道工程，新建一條長約11 km、洞徑約11 m的深埋排水隧洞，利用閑林濕地、五常濕地和西溪濕地將城西澇水匯流后直接南排入錢塘江，新增一條杭嘉湖平原直排錢塘江的排澇通道，同時兼顧杭州之江地區(qū)和西湖景區(qū)九溪十八澗的防洪御潮(圖1)。

圖1 城西南排通道工程示意圖

城西南排通道工程出口需布置大(1)型泵站、調壓池等水工建筑物，占地規(guī)模較大。經論證，將現有錢塘江九溪彎道堤線適當外移，可滿足出口水工建筑物布置的空間需求。九溪涌潮洶涌，大潮期潮水翻越至之江路，影響行人和車輛安全。堤線外移在滿足工程功能要求的同時也減小了涌潮危害，但九溪涌潮是知名的觀潮點，因此在堤線外移時必須對堤線方案進行優(yōu)化，實現涌潮就近重塑。

由于錢塘江涌潮獨特性，國內外學者也越來越關注錢塘江涌潮，針對涌潮數值計算、涉水建筑物對涌潮影響等方面已有不少的研究成果[1-5]，但真正探討錢塘江涌潮重塑的并不多見。本文建立涌潮數學模型，模擬堤線外移工程實施前后的流場及涌潮傳播特性，從構筑物近區(qū)涌潮高度、涌高明顯的岸線長度和涌高明顯的區(qū)域面積等3個指標綜合評判涌潮效果；利用物理模型試驗，模擬涌潮的形成與傳播過程，分析比較堤線外移工程實施后涌潮傳播過程的壅高、越堤等變化情況，進一步驗證涌潮效果。

1 河段涌潮特征

涌潮是錢塘江河口特殊的江道條件(縱向龐大的沙坎+喇叭形平面形態(tài))下產生的水力學現象。錢塘江涌潮的最大行進流速可達4～7 m/s，同一地點水位漲速可達1 m/s。因此涌潮既壯觀，又具有很強的破壞性。從空間上看，涌潮形成于澉浦至大尖山一帶，上溯過程中由于江道束窄，河床抬升，先是逐漸增強，至八堡—大缺口一帶最大(圖2)；之后由于涌潮傳播中能量漸漸耗散，強度漸弱。強潮時潮頭仍可上溯到聞堰以上，全程約90 km。從時間上看，涌潮多集中在每年的7—9月。當秋季大潮來臨時，若前期水量充沛、汛期河床沖刷幅度大,涌潮就會壯觀。此時，九溪岸段則由于急彎和珊瑚沙水庫圍堤與下游堤防圍成的局部喇叭形的平面形態(tài)共同作用，也能形成較為壯觀的回頭潮。

圖2 錢塘江河口河床縱剖面

2 涌潮數值計算

2.1 數學模型簡介

非恒定二維淺水流動方程守恒形式為

(1)

計算域采用任意三角形剖分，并采用網格中心格式，即將物理量定義在三角形形心，控制體即為單元本身。設Ωi為第i個三角形單元域，Гi為其邊界，對式(1)應用有限體積法離散，并利用格林公式，則有：

(2)

式中：Ai為三角形單元Ωi的面積；(cosθ,sinθ)為Г外法向單位向量；dl為線積分微元。對式(2)時間導數采用前差，記Fn=Fcosθ+Gsinθ，即得基本數值解為：

(3)

式中：Δt為時間步長；下標j表示i單元第j邊；lj為三角形邊長；上標n為時間步；S0i為底坡源項；Sfi為阻力項。

求解式(3)的核心是法向數值通量的計算，本文采用KFVS(kinetic flux vector splitting)格式計算法向數值通量。求解守恒型非平底淺水流動方程時，需對底坡源項作特殊的處理，以使方程左端的壓力項與方程右端的底坡源項在每個單元內“和諧”，上述模型的靜水和斜激波等典型算例檢驗見文獻。

2.2 數值模型驗證

圖3 涌潮數值計算范圍

本次數學模型研究范圍上游邊界選在富春江電站，下邊界選在澉浦，結合涌潮特征計算需要，對聞家堰至七堡河段網格進行局部加密處理，最小網格尺度2 m。模型計算范圍及網格布置如圖3所示。驗證采用2018年6月實測1∶1 000水下地形圖，水文驗證為2018年6月實測資料，潮位站有閘口、聞堰、富陽和九溪共4個，流速測點有5個。

計算模擬了錢塘江涌潮形成、發(fā)展及其衰減的過程，驗證結果為：高潮位最大誤差為0.37 m，低潮位最大誤差0.10 m，各測點流速過程驗證吻合較好，特別是各站點漲急流速、落急流速均能捕捉到。驗證結果較為理想，可信度高，說明數學模型的各項參數取值合理，可用于城西南排通道工程錢塘江九溪岸段優(yōu)化方案的計算分析。

2.3 優(yōu)化方案比較

2.3.1計算條件及工況組合 分析九溪岸段優(yōu)化方案對錢塘江沿程各觀潮點涌潮特征的影響，計算上游流量邊界選擇富春江電站多年平均徑流流量，下游潮位邊界選擇典型秋季大潮過程，模型地形選擇最新實測地形資料。

根據前期研究，影響錢塘江涌潮強弱的重要因素可歸納為潮汐、山水和江道地形等因素。對江道地形，計算水文條件選用錢塘江河口治理基本到位后的、江道容積偏大的年份，取當年潮差保證率接近1%(2.60 m)和20%大潮(1.77 m，本次水文測驗期間實測大潮接近該值)。設計3種優(yōu)化方案，分別為：方案1，將沿山河新閘緊貼珊瑚沙水庫并往岸邊調整，閘泵軸線平行布置;方案2,在九溪擋潮閘下游的三角區(qū)域內形成人工的喇叭口狀岸線形態(tài);方案3，將沿山河新閘盡量往之江路一側靠近，最大限度讓出涌潮發(fā)展壯大通道。由此，計算組次包括工程實施前及3個優(yōu)化方案等4種工況，組合前述兩種水文條件，共為8組次。

2.3.2涌潮重塑效果評判指標 為綜合評價涌潮的觀賞性，將涌潮觀賞性分解為構筑物近區(qū)涌潮高度、涌高明顯的岸線長度和涌高明顯的區(qū)域面積等3個指標。將近區(qū)涌潮高度指標權重設為0.4，岸線長度和區(qū)域面積權重均設為0.3，假定現狀涌潮綜合系數為1.0。各方案綜合系數 = 方案實施后的各項指標值/現狀的對應指標值×指標權重的合計值。需要說明的是，由于平面二維涌潮模型的局限性，目前尚無法模擬涌潮撞擊建筑物后貼壁有限量水體沖天而起形成水花的這一過程，本文數值計算中的涌高主要是指近岸區(qū)大部分水體的平均涌潮涌高幅度。潮水撞擊建筑物后的沖天潮效果通過物理模型進一步驗證。

2.3.3數值計算成果 計算結果表明，涌高明顯的主要有3個區(qū)域：沿山河老閘前、順壩與海塘交叉口內側和外側。順壩外側、靠近江道主槽側涌潮高度一般在0.7～0.8 m，沿山河老閘前沿涌高1.5 m。方案1實施后在新堤線外側涌潮高度一般在0.7～0.8 m，沿山河新閘和九溪新閘由于局部內凹，對涌潮有集聚發(fā)展作用，涌高幅度上升至0.9 m左右。方案2也有類似規(guī)律，在九溪擋潮閘下游三角區(qū)區(qū)域內形成人工的喇叭口狀岸線形態(tài)，涌潮在此集聚發(fā)展，近岸側涌高1.5 m，效果最好。方案3在沿山河新閘內涌潮聚集效果也較為明顯，近岸側涌高1.1 m。限于篇幅，文中繪出了涌潮重塑效果最好的方案2實施前后的涌潮高度平面分布(圖4)。20%潮差保證率下工程涌潮重塑特征類似，不再贅述。

圖4 方案2實施前后的涌潮高度平面分布(1%潮差保證率)

為了更全面反映各優(yōu)化方案在涌潮強度、形態(tài)及觀賞性的特點，分別采用1%和20%潮差保證率條件下岸段前沿明顯區(qū)別于相鄰區(qū)域的0.9和0.7 m涌高值，分別統計分析各組次中曾出現大于相應涌高值的岸線長度和面積見表1。

表1 各方案涌潮重塑計算成果

與現狀相比，方案1中的涌潮高度減小明顯，涌高明顯的岸線長度也最小，涌浪明顯的區(qū)域面積也是最??；方案2涌潮高度與方案前接近，掀起涌浪幅度明顯的岸線長度和涌高明顯的區(qū)域面積也為方案前的1/3左右；方案3與方案2結果較為一致，涌潮高度略小于方案2，但掀起涌浪幅度明顯的岸線長度和涌高明顯的區(qū)域面積稍大一些。

3 涌潮物理模型試驗

圖5 涌潮物理模型布置

涌潮物理模型的上游邊界布置取在杭州之江大橋附近，下游邊界定在閘口斷面附近(見圖5)，模型平面比尺λL=150，垂直比尺為λH=50，模型控制系統采用先進的多臺水泵變頻調速、多口門閉環(huán)水位控制系統生潮。

涌潮物理模型的涌潮水流條件主要是控制潮前低潮位及涌潮高度。因工程河段缺少涌潮實測資料，根據浙江省水利河口研究院對七堡、錢江二橋涌潮分析成果推算工程岸段涌潮高度大致為漲潮潮差的70%，據此，涌潮模型試驗分別采用1.4，2.0及2.5 m的涌潮高度作為常見、3年一遇以及20年一遇的涌潮水流條件。

分析工程岸段下游閘口站自1998年以來低潮位與漲潮潮差的關系，錢塘江大潮汛期間漲潮潮差在2.0 m以上時的低潮位在2.8～4.4 m，本次模型試驗中取該低潮位值。試驗地形采用2018年6月實測地形。

3.1 現狀模型試驗結果

現狀條件下主要測試壅高及翻越至之江路水量。從試驗中觀測，在低潮位3.6 m、潮高1.4 m條件下，涌潮推進到沿山河排澇閘時水位壅高，有浪花濺到閘下游之江路海塘擋浪墻，但基本沒有整體越堤水體，當涌潮高度增加到2.1 m時，閘前壅高增加，試驗組次測到的最大壅高高程為13.5 m，回頭潮水體越上之江路水量約200 m3。當涌潮高度增加到2.5 m時，試驗測到的最大壅高高程為13.5 m，越上之江路的水量達到900 m3，模型中也測試極端大潮(低潮位3.9 m、潮高3.0 m)條件下，越上之江路的水量達到3 000 m3。

此外，涌潮推進到珊瑚沙水閘過程中，涌高受喇叭口地形的影響，有所抬升，遇閘反射后的壅高高程則更高。

3.2 各優(yōu)化方案模型試驗結果

從方案1試驗中觀測,當涌潮行進到工程區(qū)外江側時，漲潮側向分流進入閘下，潮波前峰遇閘前后引起閘下水域一定程度的水位壅高，較大涌潮條件下，新閘上下局部區(qū)域有少量浪花水體越堤，珊瑚沙水庫圍堤外緣，因受涌潮直接頂沖，水體翻越珊瑚沙水庫圍堤(見圖6)。

圖6 喇叭形灣頂下沿程壅高變化試驗成果

從方案2試驗中觀測，當下游涌潮推進到喇叭口處時，該喇叭形區(qū)域的涌潮強度迅速增加，水位進一步壅高，當涌潮高度1.4 m時，水體就翻越灣頂位置至新圍堤(圍堤高程9.3 m)，之江路外側的圍堤則無水體越浪。當涌潮高度2.0 m時，喇叭形灣頂處越堤水量更多，有浪花濺到之江路，但沒有明顯的越堤水體。當涌潮強度達到2.5 m時，灣頂處的越堤水量更多，之江路仍然沒有水體翻越。試驗極端大潮(超高3.0 m)條件下，水體大量越過之江路外側的新圍堤，越堤水量從之江防洪堤與新圍堤之間的區(qū)域流走。

從方案3試驗中觀測，在低潮位4.0 m、潮高1.4 m條件下，涌潮推進到新閘位置時，有浪花濺到閘上下的堤防上，越堤水量非常小。當涌潮高度增加到2.1 m時，閘前壅高增加，試驗測到的最大壅高高程達到14.5 m，但越堤水量仍然較少。當涌潮高度增加到2.5 m時，試驗測到的最大壅高高程為16.0 m，有一定量的水體翻越近閘上下圍堤。

3.3 方案比較

表2 閘前(彎頂)最大壅高比較(低潮位4.0 m)

涌潮推進遇到丁壩、碼頭、水閘、急彎等處引起碰撞壅高，各方案試驗條件下閘前(方案2為喇叭形彎頂)測試到的最大壅高見表2?，F狀條件下，涌潮碰到沿山河老閘后反射，水位進一步壅高翻越之江防洪堤，低潮位4.0 m、潮高2.1 m條件下越堤水量約10 m3；方案1基本沒有越堤；方案2的越堤水量超過現狀工況；方案3的越堤水量與現狀方案相當，越堤位置主要在新閘及周邊。

方案1和3為沿新圍堤外側的涌潮側向分流進入沿山河新閘和九溪擋潮閘下通道，涌潮強度與喇叭口外形和閘下通道的長度有關，方案1由于閘下沒有一定長度的逐漸聚能空間，壅高及遇閘反射的高程在3 個方案中最?。环桨?閘下通道長度較長，至閘前壅高較大，大潮條件下越堤主要發(fā)生在新閘附近以及受涌潮直接頂沖的珊瑚沙水庫圍堤迎潮側；方案2喇叭口的外形為涌潮直接頂沖區(qū)域，壅高高程和越堤水量在3個方案中最大。

4 結 語

(1) 為了滿足城西南排通道工程出口功能布置要求，需將錢塘江九溪彎道珊瑚沙水庫下游側圍堤至沿山河老閘岸段的堤線適當外移。堤線外移后雖減小了涌潮危害，但同時改變了九溪涌潮形成的物理條件。因此在堤線外移時需優(yōu)化布局，創(chuàng)造條件實現涌潮就近重塑。

(2) 通過數值計算和物理模型試驗驗證，城西南排通道工程錢塘江九溪岸段優(yōu)化實施后，九溪涌潮重塑具有可行性。其中，方案2兼具涌潮形成的喇叭口岸線形態(tài)、河床逐步抬升、涌潮正面迎擊等多個有利因素，并且有利于相關排澇閘工程的布置與運行安全。

(3) 后續(xù)還應對方案2進行進一步細化，以控制涌浪使其不越過之江路，變潮害為潮景。