錢(qián)塘江九溪涌潮物理模型試驗(yàn)研究

李志永，金建峰，楊火其，程文龍，黃姿菡

（1.浙江省水利河口研究院，浙江 杭州 310020；2.杭州市閑林水庫(kù)管理處，浙江 杭州 311122）

1 問(wèn)題的提出

涌潮是錢(qián)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(chǎn)生的一種特殊的水力學(xué)現(xiàn)象。錢(qián)塘江的涌潮形成于尖山 — 澉浦一帶，上溯過(guò)程中由于江道束窄，底床抬升，先是逐漸增強(qiáng)，至八堡 — 大缺口一帶最大；之后由于涌潮傳播中能量漸漸耗散，強(qiáng)度漸弱，一般至七堡以后，潮勢(shì)減小，因此一般情況錢(qián)塘江九溪河段涌潮并不大，但大潮汛時(shí)閘口附近涌潮高度仍可達(dá)1.00 ～ 1.50 m。從時(shí)間上看，涌潮較大的時(shí)間多集中在每年的7 — 9月。當(dāng)秋季大潮來(lái)臨時(shí)，若前期水量充沛、汛期河床沖刷幅度較厲害、江道容積較大，當(dāng)年的涌潮就較為壯觀。錢(qián)塘江涌潮的最大行進(jìn)流速一般可達(dá)4 ～ 7 m/s，同一地點(diǎn)水位漲率可達(dá)1 m/s。因此涌潮既壯觀，又具有很強(qiáng)的破壞性。圖1為2017年秋季大潮期九溪彎道涌潮翻越江堤、涌上之江路的情形。每年秋季大潮時(shí)，這種情況時(shí)有發(fā)生，給交通、人民生命財(cái)產(chǎn)安全造成威脅。由于常年遭受涌潮的正面沖擊，彎道頂部的沿山河排澇閘此前一度出現(xiàn)裂縫，并于1993年被迫將直立式平板胸墻改造成弧形胸墻，以使涌潮沿弧形胸墻返入江中。

圖1 錢(qián)塘江九溪岸段的涌潮圖（2017年秋季大潮期）

為此，研究既能在一定程度上保留九溪涌潮觀賞性，又能實(shí)現(xiàn)觀潮安全的治理方案是十分必要的。涌潮研究對(duì)潮汐學(xué)有巨大的推進(jìn)作用，也是水力學(xué)、水波動(dòng)力學(xué)研究的一個(gè)熱點(diǎn)。涌潮研究對(duì)流體力學(xué)、非線性力學(xué)、潮沙、泥沙運(yùn)動(dòng)力學(xué)等學(xué)科亦有重要的意義。近年來(lái)國(guó)內(nèi)外學(xué)者越來(lái)越關(guān)注錢(qián)塘江涌潮，針對(duì)涌潮宏觀研究方面已有不少研究成果[1-11]，但由于受研究經(jīng)費(fèi)等的限制，多以數(shù)值模擬為主，真正借助物理模型探討涌潮問(wèn)題的并不多見(jiàn)。

2 九溪涌潮特性

九溪岸段位于九溪彎道的凹岸，為錢(qián)塘江河口段末端。經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期整治后，河段最窄斷面河寬已穩(wěn)定在1 km左右，深槽多近左岸。圖2為九溪河段地貌三維效果圖。珊瑚沙水庫(kù)圍堤、沿山河排澇閘與之江路海塘合圍形成一個(gè)局部喇叭狀、歷史遺留岙區(qū)。由于河道急彎、珊瑚沙水庫(kù)圍堤與之江路海堤圍成的局部喇叭形平面形態(tài)共同作用，在秋季大潮期，沿山河排澇閘前水域也能形成較為壯觀的涌潮景觀。

圖2 九溪河段面貌三維效果圖

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查，錢(qián)塘江九溪岸段的涌潮演變發(fā)展過(guò)程通常表現(xiàn)為：涌潮在到達(dá)九溪順壩及岙口前，形態(tài)比較規(guī)則一致，涌潮潮頭線主體呈現(xiàn)略向前凸的弧形，由東北向西南推進(jìn)；近岸區(qū)水深較淺，潮頭破碎；主槽區(qū)水深加深，涌潮呈現(xiàn)波狀，甚至消失（見(jiàn)圖3）；到達(dá)九溪順壩后，潮頭翻越順壩，撞擊海塘，在海塘坡腳進(jìn)一步涌高（見(jiàn)圖4）；接著涌潮繼續(xù)向九溪岙口推進(jìn)，直至撞擊凹口終點(diǎn) — 沿山河水閘，激起巨浪，高者可達(dá)10余米，之后潮頭反射，沿海塘塘腳向后折返，如浪頭超過(guò)海塘塘頂，則潮水涌到之江路上（見(jiàn)圖5）。

圖3 錢(qián)塘江九溪岸段的涌潮圖（跨壩前）

圖4 錢(qián)塘江九溪岸段的涌潮圖（跨壩時(shí)）

圖5 錢(qián)塘江九溪岸段的涌潮圖（閘前壅高）

3 模型試驗(yàn)研究

3.1 物理模型設(shè)計(jì)

3.1.1 模型規(guī)劃

根據(jù)江道、場(chǎng)地的情況，涌潮物理模型，上游邊界布置在地鐵6號(hào)線附近，下游邊界定在閘口斷面，模型平面比尺λL= 150，垂直比尺為λH= 50（見(jiàn)圖6）。生潮模型采用先進(jìn)的多臺(tái)水泵變頻調(diào)速、多口門(mén)閉環(huán)水位控制系統(tǒng)。

圖6 物理模型布置圖

3.1.2 監(jiān)測(cè)設(shè)備

試驗(yàn)測(cè)量及控制主要包括對(duì)涌潮傳播速度、形態(tài)、水位等參數(shù)的測(cè)量。水位由水位儀監(jiān)測(cè)和控制，涌潮水位過(guò)程采用電容式波高儀測(cè)量，通過(guò)DJ800多功能數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)跟蹤、采集、處理得到所需的涌潮高度、水位和壓力等參數(shù)。水位監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置見(jiàn)圖7。

圖7 水位監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置圖

3.2 模型試驗(yàn)條件

物理模型的涌潮水流條件主要是控制潮前低潮位以及涌潮高度。影響九溪岸段錢(qián)塘江涌潮強(qiáng)弱的因素較多，主要因素除江道地形外為低潮位和潮差。通常情況下，潮差越大，涌潮高度越高，涌潮的動(dòng)力越強(qiáng)。確定模型試驗(yàn)采用的水流條件需根據(jù)下游閘口站高低潮位、潮差等潮汐資料及工程附近相關(guān)的涌潮觀測(cè)成果進(jìn)行分析。

3.2.1 涌潮高度

涌潮強(qiáng)弱常用涌潮高度來(lái)表示。多次現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)資料表明涌潮高度H與漲潮潮差ΔZ之間存在一定的線性關(guān)系，潮差越大，涌潮高度越大。九溪下游閘口站3 a一遇的潮差約為2.80 m、20 a一遇的潮差約為3.60 m，近10 a的潮差均在2.00 m以上，由于九溪岸段缺少涌潮系統(tǒng)觀測(cè)資料，根據(jù)浙江省水利河口研究院對(duì)七堡、錢(qián)江二橋涌潮的分析成果推算九溪岸段涌潮高度大致為漲潮潮差的0.7倍，據(jù)此涌潮模型試驗(yàn)分別采用1.40，2.00，2.50 m的涌潮高度作為常見(jiàn)、3 a一遇以及20 a一遇的涌潮水流條件。

3.2.2 低潮位

錢(qián)塘江河口具有一定觀賞性的涌潮通常發(fā)生在農(nóng)歷七 — 九月每月的初一至初四、十六至十九，分析九溪下游1998年以來(lái)閘口站低潮位與漲潮潮差的關(guān)系（見(jiàn)圖8）。從圖8可見(jiàn)，大潮汛期間漲潮潮差在2.00 m以上時(shí)低潮位為2.80 ～ 4.40 m，其中發(fā)生歷史記錄最大潮差3.69 m時(shí)低潮位為4.00 m（閘口平均低潮位3.96 m），本次模型試驗(yàn)中取用的低潮位范圍為2.80 ～ 4.40 m。

圖8 閘口站大潮期低潮位與潮差統(tǒng)計(jì)圖

3.2.3 試驗(yàn)地形

試驗(yàn)地形采用2018年6月實(shí)測(cè)地形。

3.3 模型試驗(yàn)結(jié)果

3.3.1 閘下各測(cè)點(diǎn)水位隨時(shí)間變化特征

圖9為低潮位3.90 m、潮高2.50 m時(shí)，閘下各監(jiān)測(cè)點(diǎn)位在涌潮推進(jìn)及遇閘反射后的水位過(guò)程線。試驗(yàn)表明，涌潮在推進(jìn)過(guò)程中，前鋒逐漸變陡，壅高幅度快速增大，至閘前最大壅高高程達(dá)到13.50 m，10 s內(nèi)水位壅高幅度達(dá)到9.60 m，基本達(dá)到現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)壅高。

圖9 閘下各點(diǎn)位的水位過(guò)程線圖（低潮位3.90 m、潮高2.50 m時(shí)）

3.3.2 涌潮壅高空間特征與越堤水量

試驗(yàn)觀測(cè)顯示：①在低潮位3.60 m、潮高1.40 m時(shí)，涌潮推進(jìn)到沿山河排澇閘時(shí)水位壅高，有浪花濺到閘下游之江路海塘擋浪墻，但基本沒(méi)有整體越堤水體；②在低潮位3.60 m、潮高2.10 m時(shí)，閘前最大壅高高程為11.41 m，回頭潮水體越上之江路水量約200 m3；③在低潮位3.90 m、潮高2.50 m時(shí)，試驗(yàn)測(cè)到的最大壅高高程為13.80 m，越上之江路的水量達(dá)到900 m3；④試驗(yàn)還測(cè)試了極端大潮（低潮位3.90 m、潮高3.00 m）時(shí)的情形，試驗(yàn)測(cè)到的最大壅高高程為15.01 m，越上之江路的水量達(dá)到3 000 m3（見(jiàn)圖10）。閘前（彎頂）最大壅高比較（低潮位4.0 m）見(jiàn)表1。

圖10 閘下沿程（沿之江路）壅高變化試驗(yàn)成果圖

表1 閘前（彎頂）最大壅高比較表

4 結(jié) 語(yǔ)

（1）錢(qián)塘江九溪岸段位于九溪彎道的岙岸，由于急彎和珊瑚沙水庫(kù)圍堤與之江防洪堤圍成的局部喇叭形平面形態(tài)共同作用，平時(shí)涌潮較小，但在秋季大潮期，沿山河閘前水域也能形成涌潮景觀。涌潮撞擊岙口終點(diǎn)沿山河閘，激起巨浪，高者可達(dá)10余米，之后潮頭被反射，沿之江防洪堤堤腳向后折返，如浪頭越過(guò)堤頂，則潮水會(huì)涌到之江路上，嚴(yán)重影響行人和交通安全。錢(qián)塘江九溪涌潮既壯觀，又具有很強(qiáng)的破壞性。

（2）建立九溪河段的涌潮物理模型，測(cè)試各種強(qiáng)度的涌潮傳播速度、涌潮高度等水動(dòng)力特征參數(shù)，捕捉涌潮形態(tài)。試驗(yàn)得到的涌潮傳播形態(tài)、傳播過(guò)程、傳播速度、涌潮高度等與現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查相符，涌潮物理模型試驗(yàn)結(jié)果與九溪河段實(shí)地調(diào)查資料匹配良好，表明物理模型可以很好地反映九溪河段涌潮基本特征，為該河段后續(xù)治理工作中的涌潮保護(hù)、工程防護(hù)與減災(zāi)研究奠定基礎(chǔ)。

（3）研究河段缺乏涌潮精準(zhǔn)觀測(cè)，今后應(yīng)加強(qiáng)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)。后續(xù)將結(jié)合堤線優(yōu)化等工程措施進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)涌潮保護(hù)和減小涌潮危害研究。