钱塘江河口古海塘塘前滩地冲刷研究

2020-07-16张伯虎潘存鸿胡成飞张芝永

上海国土资源 2020年2期

张伯虎，潘存鸿，胡成飞，张芝永，金新

（1. 浙江省水利河口研究院，浙江·杭州 310020；2. 浙江省河口海岸重点实验室，浙江·杭州 310020）

海塘是河口海岸防御洪水、台风暴潮侵袭最重要的工程措施和屏障。为抵御洪潮灾害，钱塘江自东汉已开始修筑海塘，历经江道变迁和治江围涂后，现存的一线临江古海塘大多是清代康熙、乾隆时期修建的重力式鱼鳞条石古塘（图1），主要分布在钱塘江北岸嘉兴市的海宁和海盐，至今约300 余年历史[1-2]。古海塘雄伟古朴、砌筑精巧，至今仍在发挥防洪御潮的功能。工程彰显民族智慧、体现工匠精神、承载文化自信，保护好这一珍贵的物质文化遗产意义重大。

大量的调查研究表明[3-5]，海塘在洪、潮、浪作用下，其破坏形式一般可归结为塘前滩地冲刷、塘脚防护结构损坏、高潮渗透、塘身外侧护坡结构损坏、塘顶防浪墙损坏以及塘顶溢流越浪等6 种模式，其中塘前滩地冲刷和塘脚防护结构损坏最为常见，塘前滩地冲刷引起塘脚淘空，是导致海塘塘身失稳的重要原因之一。钱塘江潮强流急、泥沙易冲易淤、河床冲淤变化剧烈，古海塘护坦外滩地极易受到洪水和强涌潮的冲击。回顾近代历史，海宁古海塘出险或失事均是因塘脚被水流深淘所致[2]。塘前滩地刷深引起护坦木排桩失稳冲失，进而护坦冲毁及塘下基桩暴露，危及塘身整体稳定导致倾倒崩塌。

相关科研单位和工程设计人员对古海塘的关注与研究从未间断，研究内容侧重于江道演变、海塘加固技术等方面[6-8]。然之前的研究，由于缺乏足够的塘前精细化地形数据支持，对塘前滩地的洪潮作用机理认识仍不够清晰。宏观江道冲淤变化与塘前局部水域的冲淤规律既有共性，亦有差异，与宏观河势相比，近岸滩地冲淤变化特征更能准确反映体现海塘的安全运行态势。另一方面，近半个多世纪以来，钱塘江河口按照自上而下、全线缩窄、分步实施的治理思路，开展大量的治江围涂工程，河口河势条件变化显著（图1）。基于此，本文以海宁段古海塘塘前滩地作为研究对象，根据近年来新的河势条件下塘前滩地地形精细化监测资料，结合河口宏观河势、洪潮动力等资料数据，分析古海塘塘前滩地冲刷特点，阐明宏观演变趋势与局部演变过程的关系，探寻滩地高程对洪潮动力的响应过程和时空差异性，为保护古海塘服务。

图1 研究区位置及古海塘形态Fig.1 Location of study area and the shape of ancient seawall

1 研究区域与资料

1.1 研究区域

钱塘江又名“之江”，是浙江省的母亲河，自富春江电站大坝以下为感潮河段，即钱塘江河口，全长291 km。根据自然条件和河床演变特性的差异，河口分为河流段、河口段和潮流段（杭州湾），海宁古海塘位于河口段，径流和潮流共同作用，河床冲淤剧烈[1]。钱塘江涌潮闻名古今中外，尤以古海塘所在的海宁河段涌潮最为壮观，分别在尖山河段、盐官和老盐仓形成交叉潮、一线潮和回头潮。实测涌潮高度一般1～3 m，最大可达3 m 以上，涌潮传播速度大多为4～8 m/s[9]。钱塘江多年平均径流总量301 亿m3，年际间连续丰、枯水文年交替变化，年内径流分布不均匀，梅汛期（4～7 月）4 个月的径流总量占全年径流总量的52.7%。河口潮汐类型为非正规半日潮，海宁古海塘河段盐官站多年平均潮差3.23 m，澉浦多年平均潮差5.66 m，最大潮差可达9.15 m，居我国河口之首[10]。河口以海相来沙为主，河床底质细颗粒主要为粉砂，在强劲的潮动力和年际年内变幅较大的径流作用下，河床变化频繁剧烈[11]。

1.2 资料来源

地形资料分为河口常规大测量和近岸塘前滩地精细化测量两个层级。（1）河口常规大测量数据：自上世纪50年代至今，钱塘江河口开始系统跟踪监测，每年4 月（代表梅汛前）、7 月（代表梅汛后）、11 月（代表秋季大潮后）实施全河段准1:5 万的水下地形测量，平均1～3 km 一个断面，断面上100～500 m 有一个测点的精度。（2）近岸塘前滩地精细化测量资料：2010 年5 月至今，海宁古海塘塘前每隔1 km 布置1 个高程原型观测断面，每个断面的观测范围为二坦外100 m 范围，每2 m 一个测点，主汛期每月观测两次，其它月份每月观测一次。

古海塘所在的大缺口至尖山的弯曲河段是河口洪潮动力作用最为复杂的河段，近20 年来河口形态变化亦最为剧烈，主要是1997 年始在尖山河湾治江围涂，北岸呈现凸体控导河势，2002-2013 年南岸曹娥江口上下游开展治江围垦（图1），目前该河段岸线已达到河口治导线。本文主要选择大缺口断面和尖山断面两个代表区位分析古海塘塘前滩地洪潮动力作用机制。断面位置示于图2。同时收集整理了河口径流、盐官和澉浦长期潮位站的实测水文数据，水文数据均来自浙江省水文局，经校核整编，精度可靠。

图2 研究断面位置Fig.2 Location of the section

2 结果和分析

2.1 河床冲淤特性

（1）年际和年内变化

钱塘江河口河床冲淤变化频繁剧烈，图3 为盐官至尖山河段2007 年岸线基本到位以来多年平均高潮位（多高）下河床容积特征值，可据此分析整体河段的年际和年内变化特征。从图可见，年际上河床呈现丰冲枯淤特征，多年平均高潮位下丰水年多年平均河床容积5.04 亿m³，枯水年多年平均河床容积为4.18 亿m³，丰水年河床冲淤变幅较大，如2010 年和2015 年丰水年河床年内冲淤变幅分别达1.01亿m³和1.15 亿m³，枯水年冲淤幅度相对较小，2009 年枯水年河床年内冲淤变幅仅为0.25 亿m³，典型丰、平、枯水文年年际间河床平均冲淤变化约1～3 m。年内河床洪冲枯淤，大潮期或冲或淤，主要表现为4-7 月份梅汛期河床冲刷、11 月至翌年4 月枯水弱潮江道淤积，而大潮期（7-11 月）或冲或淤，如2015 年和2016 年秋季大潮后河床淤积，而2010 年和2014 年该时段河床则表现为冲刷。

图3 盐官至尖山河段多年平均高水位下河床容积变化（2008-2016年）Fig.3 The change of riverbed volume in the reach from Yanguan to Jianshan (2008-2016)

（2）深泓线分布

由于钱塘江河口尖山河湾江道过宽，涨、落潮流路不一致，主流常随着丰、枯水文年而大幅摆动。从20 世纪60 年代中期以来，钱塘江河口自上而下全线缩窄治江，限制了主流的摆动，基本达到了稳定主槽的治理目的。图4为2007 年尖山北岸治江围涂到位以来典型丰平枯特征水文年深泓线分布图，2007 年、2012 年和2013 年，电站年均下泄流量分别为503 m³/s、1241 m³/s、898 m³/s，分别表征枯水年、丰水年和平水年。从图可见，在尖山北岸凸体控导下，涨潮主槽呈较稳定的偏走南河势，但由于尖山河段河床宽浅，河床质易冲易淤，双向水流强劲多变，在丰水年汛期北岸亦可发育北槽，但其存在时间较短，且以南北两槽共存的分汊河势出现，主槽仍分布在南岸。南岸的涨潮冲刷槽贴南岸随后向北岸上溯，相对较稳定顶冲在大缺口一带。

2.2 近岸滩地冲淤变化及洪潮动力机制

（1）大缺口河段

大缺口断面塘前护坦外100 m滩地冲淤特征示于图5，从图可见，塘前滩地冲淤变化幅度剧烈。数据显示，2010-2017 年护坦外10 m、20 m、30 m、50 m 和80 m 的冲淤幅度分别为2.3 m、2.5 m、2.4 m、3.0 m 和3.2 m。塘前滩地冲淤受径流、潮流以及宏观河势变化等多种因素共同影响，2010 年以来大缺口河段98k+000 断面塘前30 m 范围内各测次最低高程变化如图5(B)所示，塘前滩地主要在梅汛后的秋季大潮期（9-11 月）出现最低值，塘前滩地实测最低高程-2.71 m（假定基面）出现在2010 年9 月。据图4 可见大缺口河段位于潮水上溯顶冲河段，大潮汛滩地普遍冲深较低。

图4 深泓线平面分布Fig.4 Plane swing of deep channel in project reach

图5 大缺口断面冲淤变化Fig.5 Erosion and deposition change of section

据上分析本河段年内整体河床呈现洪冲枯淤的特点，2010 年以来，钱塘江河口分别于2011 年和2017 年发生过两次大洪水，其中2011 年6 月经历两次洪峰流量，富春江电站最大下泄流量14000 m³/s，2017 年6 月24 日至27 日，富春江电站最大下泄流量14900 m³/s，为1968 年12 月电站蓄水以来出现的最大下泄流量。2011 和2017 年两次洪水过程前后塘前滩地最低冲刷高程与洪峰流量关系如表1 所示，从表可见，2011 年洪水前后的5 月和7 月滩地高程分别为-1.2 m 和-1.3 m，2017 年洪水前后的5 月和7 月滩地高程分别为-0.6 m 和-0.8 m，总体而言，洪水作用下塘前滩地略有冲刷，但总体上与洪峰流量关系并不明显。

表1 典型洪水前后实测最深点高程变化Table 1 Elevation change of the deepest point measured before and after typical flood

洪水对大缺口河段滩地的影响主要是梅汛期洪水冲刷河槽，导致江道容积增大，潮动力增强，进而引起塘前滩地冲刷。如2010～2012 年的7 月闸口至盐官河段警戒水位以下江道容积分别高达5.47 亿m³、5.23 亿m³和5.34 亿m³，此后的9 月份盐官的月平均潮差分别高达4.0 m、4.09 m 和4.05 m，较盐官多年9 月平均潮差增大0.8 m 左右，从图5可见2010～2012年塘前滩地高程明显低于其他年份。图6 为盐官月均潮差与塘前滩地最低高程的相关性，从图可见，两者相关系数可达0.8 以上，说明洪水越大，江道冲刷幅度越大，容积亦越大，从而引起该河段潮动力越强，塘前滩地冲刷剧烈。

图6 盐官月均潮差与塘前滩地最低高程相关性Fig.6 Correlation between the monthly average tidal range of Yanguan and the lowest elevation of the beach land

（2）尖山河段

尖山断面塘前护坦外100 m 滩地冲淤特性示于图7，从图可见，2010-2017 年护坦外10 m、20 m、30 m、50 m和80 m的冲淤幅度分别为5.9 m、5.9 m、6.9 m、9.1 m和9.2 m，冲淤变幅大于上游的大缺口断面。2010 年以来尖山断面塘前30 m 范围内各测次最低高程变化如图7(B)所示，塘前滩地梅汛期的4～7 月塘前滩地发生冲刷，幅度1～4 m 左右，梅汛后的7～11 月在秋季大潮的作用下塘前滩地仍进一步冲刷，幅度0.1～1.5 m 左右，塘前滩地往往在梅汛后大潮期的8～11 月出现最低值，但整体以洪水冲刷为主，进入弱潮枯水期滩地回淤。

图7 尖山断面冲淤变化Fig.7 Erosion and deposition change of the section

就宏观河势而言，尖山河段位于洪水的顶冲点，发生洪水时，该河段北岸滩地易被冲开，2017 年年内4、7、11月河床形态如图8所示，梅汛大洪水后塘前滩地冲刷剧烈，秋季大潮后淤积成滩，塘前河床年内经历高滩—深槽—高滩的动态变化过程。据上分析，本段塘前滩地虽以洪水冲刷为主，但往往在大潮期的8～11 月出现最低值，主要是因为尖山围涂后，秋季大潮涨潮流基本贴南岸上溯，顶冲在大缺口附近，受阻反射后水位迅速壅高，一股继续向上游上溯，一股则向下在尖山附近形成反向流，潮水较大时可引起滩地进一步冲刷，秋季大潮后随着流速减弱，泥沙落淤，至翌年4 月梅汛前滩地最高。

图8 年内塘前滩槽变化Fig.8 Change of river regime in front of the pond in the year

为进一步阐明尖山河段塘前滩地洪潮作用过程，选用2017 年洪水前后最低高程变化数据予以细述（表2）。从表可见，2017 年5-7 月洪水前后塘前30m 范围内滩地最低点由3.3 m 刷深至-0.9 m，降幅4.2 m，7-10 月梅汛后强潮期进一步刷深，最低点由-0.9 m 降低至-1.5 m，刷深0.6 m，进入11 月的枯水弱潮期，盐官月均潮差2.99 m，滩面回淤至0.3 m。2010 年以来，钱塘江河口分别于2011 和2017年发生过两次大洪水，断面最深点并不是出现在2011 年2017 年两次洪水期间，这与前期地形有关，2017 年梅汛期洪峰流量最大，滩地冲刷幅度亦最大，可达4.42 m，但由于汛前地形较高，冲刷后高程仍高于汛前滩地高程较低年份的高程，如2015 年2016 年。此外，该断面在连续丰水年最深点有刷深的趋势，2011-2012 年塘前30 m 范围内最深点高程介于0.3～0.7 m；2013-2015 年介于-1.5～-1.0 m；2016-2017 年介于-2.3～-1.5m。可能与治江围涂以来河段不断缩窄，洪水的冲刷能力增强有关，需要进一步跟踪监测。