钱塘江河口盐官段主汛期前含沙量特性研究

胡智超，朱沈鸣，李建雄，许嘉豪，王绍斌，夏春晨

(1.浙江省钱塘江流域中心，浙江 杭州 310020； 2.中国电建华东勘测设计研究院有限公司，浙江 杭州 310000；3.浙江工业大学 土木工程学院，浙江 杭州 310023； 4.浙江江南春建设集团有限公司，浙江 杭州 311241)

钱塘江河口从桐庐富春江水电站起至上海芦潮港与宁波镇海连线，全长290 km，是中国著名的强潮河口，以气势磅礴、蔚为壮观的涌潮闻名于世。钱塘江河口受径流和潮汐的共同作用，潮波变形剧烈，水沙输移复杂，主槽平面摆动频繁，河床冲淤变化很大[1]。因此对钱塘江河口水沙动力学过程的研究历来受到重视，并取得了许多重要成果[2-8]。2000 年，浙江省钱塘江管理局组织了一次从富春江水电站下游至澉浦的大规模考察性观测[9]，进一步加深了对钱塘江涌潮、泥沙特性的认识。潘存鸿等[10]根据现场实测数据，探讨了钱塘江河口段泥沙特性、涌潮对泥沙输移的影响，认为涌潮是钱塘江河口大冲大淤的主要因素之一。

除了对钱塘江河口水沙的实测研究，在物理模型试验与数值模拟上也取得了重要进展。曾剑等[11]采用泥沙水槽试验研究了钱塘江河口不同粒径泥沙的启动流速；李薇等[12]将考虑泥沙减阻效应的动床阻力经验式直接应用于Winterwerp-Wang 潮波理论模型，得到了与钱塘江河口实测潮波数据吻合的潮波演化结果，检验了现有考虑泥沙减阻效应的动床阻力经验式在以细粉砂为主的钱塘江河口的适应性；熊绍隆[13]研究了潮汐河口各类泥沙模型，提出各类泥沙模型选沙的主要原则和时间变态的处理方法；鲁海燕等[14]建立了钱塘江河口涌潮作用下的二维泥沙数学模型，模拟分析了尖山河段两种不同河势下水沙输移的特点及差异，较好反映了钱塘江尖山河段的潮流、泥沙运动特性；潘存鸿等[15]在已建涌潮数学模型的基础上，模拟了钱塘江涌潮作用下的泥沙输移，计算结果反映了涌潮到达时刻含沙量的突变及涌潮对泥沙输移的影响，揭示了钱塘江河口高含沙区的成因；谢东风等[16]采用理想动力地貌数值模型，在复演河口沙坎下移的基础上开展数值模拟，研究了钱塘江沙坎下移对河口沿程高潮位、潮差和最大浑浊度的影响，厘清了地貌演变与河口平面形态变化对水文特征的影响；Hu 等[17]采用二维水沙耦合模型模拟了钱塘江河口沙坎的形成过程及演变规律，进一步探索了河口泥沙的演化过程。然而，目前研究中少有对含沙量与潮位之间关系的研讨。

钱塘江北岸海宁段在进行古海塘堤脚加固时，需在主汛期前修建围堰工程。本文以此为工程背景，利用高精度model 3150 测沙仪展开含沙量测量，依托潮位站监测数据，建立含沙量与监测指标间的关系，探讨盐官段含沙量对不同潮位的响应机制，以期为钱塘江河口岸滩冲淤防护等工程建设和管理提供科学依据。

1 不同潮时含沙量规律分析

钱塘江河口涌潮强度大，来流湍急，外海来沙丰富，主槽摆动频繁，河床冲淤很大[10]。随着钱塘江上游水库建设及水土保持工作的开展，其陆域来沙很少，泥沙主要来自潮流携带的海域来沙。东海潮波进入钱塘江河口时，由于杭州湾喇叭形的平面形态，潮波能量集中，潮差在杭州湾湾顶澉浦附近达到最大。乍浦以上，由于钱塘江沙坎使得水深急剧减小，浅水效应增强，潮波进一步变形，并在尖山河段形成举世闻名的涌潮。涌潮具有极强的挟沙能力，加之钱塘江泥沙多为细粉砂，泥沙易冲易淤，造成了钱塘江河口大冲大淤的现象。为进一步了解钱塘江河口含沙量的变化规律，通过现场取样测定含沙量，并进行分类分析。

含沙量取样期为2022 年4—6 月，为主汛期前钱塘江北岸围堰施工时段。通过分析盐官潮位站（见图1）实测的数据，得到钱塘江河口的潮汐特征为：（1）4 月最高高潮位5.76 m，最低高潮位2.61 m，月平均高潮位4.82 m，月最大潮差3.37 m，月最小潮差0.31 m，月平均潮差2.41 m，分层最大涨潮流速4.16 m/s，分层最大退潮流速2.24 m/s，一天内经历2 次涨退潮，月平均涨潮历时3 h，月平均退潮历时9 h；（2）5 月最高高潮位5.98 m，最低高潮位2.4 m，月平均高潮位为4.66 m，月最大潮差4.01 m，月最小潮差1.07 m，月平均潮差2.89 m，分层最大涨潮流速3.78 m/s，分层最大落潮流速3.27 m/s，月平均涨退潮历时与4 月相同；（3）6 月最高高潮位5.96 m，最低高潮位3.24 m。根据以上数据可知，不同月份之间及同一月份内，潮差、水位、流速等变化很大，导致水体含沙量的剧变。

图1 盐官潮位站Fig.1 Yanguan tide gauge station

1.1 按潮差级别划分

将所得含沙量按潮差（大、中、小潮3 个级别）汇总整理成箱形图（图2），每个箱形图自上而下分别为最大值、上四分位数、中位数、下四分位数和最小值，其中“×”处的数值代表均值。由图2 可见，小、中、大潮的平均含沙量依次变大；小潮时含沙量为0.20～0.40 kg/m3，中潮时含沙量离散程度逐渐变大，为0.15～0.80 kg/m3，大潮时含沙量则从0.20 剧变到1.21 kg/m3。根据盐官潮位站实测资料可知，大中小潮平均涨潮流速由大到小。潮流挟沙力公式[10]为：

图2 不同潮差含沙量分布Fig.2 Sediment concentration distribution of different tidal range levels

式中：S∗为水流挟沙力（kg/m3）；V为流速（m/s）；g为重力加速度（m2/s）；H为水深（m）； ω为悬沙沉速（m/s）。

潮流挟沙能力与流速紧密相关，流速越大，水流挟带泥沙越多。因此，小中大潮含沙量的最大值依次增加。值得注意的是，不同潮差级别的含沙量在0.20～0.40 kg/m3范围内均有分布，这主要是由于大中小潮每个周期均有涨落潮的过程，且流速也随之变化。因此，针对不同潮差级别，需对各潮时的相应含沙量进行分类讨论。

1.2 按潮时划分

对不同潮差级别，将其含沙量分别按涨潮前、涨潮期、平潮期、退潮期4 个不同潮时进行分类，其中涨潮前观测数据为涌潮到达前约30 min，涨潮期观测数据为涌潮到达后约30 min，平潮期观测数据为涌潮到达后约90 min，退潮期观测数据为平潮期结束，退潮开始后约30 min。

图3 为小潮不同潮时含沙量分布的箱形图。可见，涨潮前和涨潮期的含沙量分布区间基本一致，平潮期和退潮期逐渐降低。涨潮前观测时段实质上是上一个潮周期退潮期的末端，根据2022 年4 月10 日至4 月12 日在盐官潮位站多次实测资料可知，退潮流速为2～3 m/s，经过长达7～8 h 的退潮，河床长时间受到冲刷，导致涨潮前水体含沙量相对较高，达0.30～0.40 kg/m3。涨潮期，水流从外海挟带泥沙，但由于小潮涨潮流速较小，且与退潮期流速接近，挟沙能力有限，相对于涨潮前的含沙量变化不明显。平潮期一般为涌潮过后约1.5 h，持续时间约1 h，此时江中水流稳定且流速变缓，水流中挟带的泥沙会沉降淤积，因此水中含沙量呈明显下降趋势。在退潮期，一部分泥沙在平潮期时已经沉降，且平潮期泥沙沉降是一个持续的过程，故退潮期水流的含沙量与平潮期分布区间相近。需要指出的是，小潮涨潮期间水流流速小于中潮和大潮，挟带泥沙相对较少，有时退潮流速会大于涨潮流速，加之退潮期持续时间长，导致部分沉降的泥沙再次悬浮，从而出现退潮期部分实测含沙量高于平潮期含沙量的情况。

图3 小潮含沙量分布Fig.3 Distribution of sediment concentration during neap tide

图4 为中潮不同潮时含沙量分布的箱形图。由图4 可见，中潮涨潮前含沙量分布与小潮时类似，分布区间为0.20～0.40 kg/m3。相比于小潮，中潮涨潮期流速较大，挟带的泥沙增多，含沙量明显上升，达0.40～0.80 kg/m3。平潮期由于流速变缓，一部分泥沙迅速沉降淤积，相比于涨潮期含沙量明显下降，基本与潮前水平相当。退潮期规律与小潮时相似，随着退潮历时的增加，其含沙量可能会有小幅上升。

图4 中潮含沙量分布Fig.4 Distribution of sediment concentration during mid tide

图5 为大潮不同潮时含沙量分布的箱形图。总体而言，大潮含沙量在不同潮时的分布规律与中潮相似，平潮期和退潮期含沙量分布区间基本一致，但由于大潮涨潮期涌潮作用剧烈，涨潮流速远大于中、小潮时，挟沙能力强，引起含沙量大幅上升，分布区间为0.60～1.21 kg/m3，但因大潮时含沙量观测难度大，实际涨潮期的含沙量可能比观测到的更大。

图5 大潮含沙量分布Fig.5 Distribution of sediment concentration during spring tide

2 含沙量与浊度的关系

挟沙水流含沙量的获取和实时监测是河流泥沙动力过程研究的重要基础工作[18]。由于钱塘江河口水动力条件复杂，含沙量的观测难度非常大，没有系统的观测数据。为了研究钱塘江河口段含沙量的变化规律及其对水流的响应，利用潮位站长期测得的浊度指标与含沙量建立相关关系。相对于传统的含沙量测量，浊度测量自动化高、价格便宜、操作方便[19-20]。已有研究探讨了含沙量与浊度之间的相关关系及其影响因素[21]。本文采用盐官潮位站2022 年4—6 月的浊度数据，分别采用潮差级别和浊度区间两种划分方式，讨论含沙量与浊度之间的对应关系。利用2022 年7 月实测含沙量验证两种划分方式的函数拟合结果，从而为后续含沙量规律的研究奠定基础。

2.1 按潮差级别划分

潮差级别不同，其水动力条件也不同。因此以潮差级别为划分标准，分析小、中、大潮含沙量与浊度的关系。根据实测数据，含沙量S与浊度TU采用幂函数进行拟合。小、中、大潮含沙量与浊度的拟合关系如图6 所示。由图6 可见，含沙量与浊度拟合关系良好，含沙量与小、中、大潮浊度的非恒定性依次增强，在强非恒定流条件下，水流含沙量能够很快调整到水流挟沙力[22-23]，小潮涨潮时的非恒定性较弱，达到其水流挟沙力所需时间较长；与涨潮阶段相比，其他潮时的非恒定性较弱，河床变形时间较长，这可能是影响大中小潮与含沙量拟合差异的原因之一。

图6 小、中、大潮含沙量与浊度的拟合关系Fig.6 Fitted relationship between sediment concentration and turbidity during spring tide, middle tide and neap tide

2.2 按浊度区间划分

根据前述分析，含沙量在涨潮前、平潮期和退潮期的含沙量分布较为集中，在涨潮期的离散程度较大，相应地，将浊度分为3 个区间，分析浊度TU＜200 NTU、200 NTU≤TU＜400 NTU 以及TU≥400 NTU 时含沙量与浊度的关系。

根据实测数据，含沙量S与浊度TU采用幂函数进行拟合，3 个浊度区间含沙量与浊度的曲线关系如图7 所示。由图7 可见，当浊度小于200 NTU 时，含沙量主要分布在0.20～0.40 kg/m3，与涨潮前、平潮期、退潮期以及小潮涨潮期的大部分含沙量分布区间基本一致，故该区间的实测值数量较为丰富；当浊度在200～400 NTU 时，含沙量主要分布在0.40～0.80 kg/m3，与中潮的涨潮期含沙量分布区间基本一致；当浊度大于400 NTU 时，含沙量主要分布在0.80～1.20 kg/m3，与大潮的涨潮期含沙量分布区间基本一致。以上数据涵盖了不同潮差级别的各潮时含沙量与浊度的相互关系，两者拟合关系良好，相关系数均在0.9 左右。

图7 3 个浊度区间含沙量与浊度的拟合关系Fig.7 The fitted relationships between sediment concentration and turbidity for three turbidity intervals

3 含沙量验证

为验证拟合公式，利用2022 年7 月份实测含沙量数据，分别使用以上两种划分方式计算出对应的拟合含沙量值，与实测含沙量进行对比验证（见图8）。

图8 实测含沙量与拟合含沙量比较（2022 年）Fig.8 Comparison of the measured sediment concentration and fitted sediment concentration (2022)

为比较两种拟合方式与实测含沙量的差异，利用L1范数对两组拟合结果进行误差分析。

计算得出按照潮差级别划分和按照浊度区间划分方式拟合的误差分别为7.39%和7.89%，两者误差相近，皆低于10%，故可根据实际情况选用合适的划分方式，利用实测浊度推求含沙量。

4 含沙量与潮位的关系

以上误差分析可知，两种划分方式均可运用于含沙量的研究分析。现以按浊度区间划分所得的拟合公式为例，结合2022 年7 月潮位站获取的浊度数据推求逐时含沙量，并与逐时潮位进行比对，寻求两者之间的联系。选取几个连续时间段（7 月1 日0 时至7 月5 日0 时；7 月12 日10 时至7 月15 日23 时；7 月17 日0 时至7 月20 日0 时）进行分析（见图9）。

图9 3 个连续时间段内含沙量与潮位关系（2022 年）Fig.9 Relationship between sediment concentration and tide level over three time intervals (2022)

由图9 可见，总体而言，含沙量与潮位有相似的周期性变化，潮位曲线稍滞后于含沙量曲线。在潮周期的不同时段水流流速不同，由于水中的含沙量与水流流速密切相关，流速越快，水流挟带泥沙的能力越强[8]。从0 时24 时，潮位在1天内经历2次峰值和谷值，对应1天中的2次涨退潮。潮位曲线上升段对应涨潮期，水流流速逐渐变大，水流挟带的泥沙量增多，含沙量呈上升趋势并达到峰值；潮位达到最高点时对应高平潮，水流流速平缓，水体中部分泥沙沉降，故此时对应的含沙量已开始下降；潮位曲线下降段对应退潮期，退潮历时较长，水流流速先缓慢增加，落急开始后一段时间内退潮流速较大，引起部分河床泥沙悬扬，水体含沙量出现了小幅度的二次上升，随后流速缓慢减小；潮位达到最低点时对应低平潮，水流流速平缓，含沙量回至较低水平。随后潮位再次上升，开始第2 次涨退潮。

5 结 语

本文以钱塘江河口含沙量为研究对象，结合实测研究、统计分析、理论分析等研究方法，探究钱塘江河口含沙量演变规律及其与潮位之间的关系，进一步加深对河口含沙量演变规律的认识，为河口工程中泥沙问题提供借鉴，主要结论如下：

（1）采用2022 年4—6 月钱塘江盐官段北岸盐官潮位站连续多日实测含沙量，根据潮差级别（大潮、中潮、小潮）和潮时（涨潮前、涨潮期、平潮期、退潮期）对含沙量数据进行划分和分析。3 个潮差级别涨潮前的含沙量为0.20～0.40 kg/m3。涨潮期含沙量均有上升，小潮涨幅最小，含沙量几乎与涨潮前相同，中潮次之，大潮含沙量涨幅最为明显。平潮期由于水流流速平缓，3 个潮差级别水流含沙量均有所下降，小潮因为总体含沙量不高，下降不明显，大中潮含沙量则下降显著。退潮期含沙量所在区间与平潮期大致相同。

（2）利用潮位站测得的浊度数据和实地测得的水流含沙量数据，按照潮差级别和浊度区间两种划分方式，得出两者的拟合关系曲线，相关度约为0.9。对拟合含沙量和实测含沙量进行对比验证并利用L1范数进行误差分析，得出总体误差均在10%以内，说明两种拟合关系与实测值均吻合良好。可根据实际获得的数据资料进行拟合关系的选用，推求相应含沙量。

（3）利用按浊度区间划分所得的拟合公式，根据潮位站实测浊度数据推算逐时含沙量，与对应的逐时潮位进行比对，发现含沙量与潮位有相似的周期性变化，潮位曲线稍滞后于含沙量曲线，但退潮期潮位下降，在落急开始后一段时间内退潮流速较大，引起部分河床泥沙悬扬，水体含沙量会出现小幅度的二次上升。