錢塘江河口古海塘塘前灘地沖刷研究

錢塘江河口古海塘塘前灘地沖刷研究摘要：利用2010年以來錢塘江河口海寧古海塘塘前灘地地形精細(xì)化監(jiān)測資料，結(jié)合河口洪水、潮汐以及宏觀河床地形等資料數(shù)據(jù)，分析了古海塘塘前灘地沖刷機(jī)理。結(jié)果表明：（1）古海塘所在的強(qiáng)涌潮河段，潮強(qiáng)流急、河床沖淤變化劇烈，年際河床呈現(xiàn)豐沖枯淤，年內(nèi)呈現(xiàn)洪沖枯淤、大潮期或沖或淤的特征；（2）塘前灘地高程對洪潮動力響應(yīng)復(fù)雜，其中大缺口河段位于潮水上溯頂沖河段，塘前灘地以潮水沖刷為主，最低高程出現(xiàn)在梅汛后的秋季大潮期，洪水對該段灘地的影響主要是梅汛期沖刷河槽，江道容積越大，進(jìn)而潮動力越強(qiáng)灘地沖刷越劇烈；尖山河段塘前灘地以洪水沖刷為主，梅汛期后的大潮期亦有一定的沖刷。成果揭示了塘前灘地高程對洪潮動力宏觀層面的響應(yīng)機(jī)理和時空差異性。關(guān)鍵詞：河口三角洲；動力地貌；古海塘；沖刷；塘前灘地；錢塘江河口1 1 研究區(qū)域與資料1.1研究區(qū)域錢塘江又名“之江”，是浙江省的母親河，自富春江電站大壩以下為感潮河段，即錢塘江河口，全長291km。根據(jù)自然條件和河床演變特性的差異，河口分為河流段、河口段和潮流段（杭州灣），海寧古海塘位于河口段，徑海塘是河口海岸防御洪水、臺風(fēng)暴潮侵襲最重要的工程措施和屏障。為抵御洪潮災(zāi)害，錢塘江自東漢已開始修筑海塘，歷經(jīng)江道變遷和治江圍涂后，現(xiàn)存的一線臨江古海塘大多是清代康熙、乾隆時期修建的重力式魚鱗條石古塘（圖1），主要分布在錢塘江北岸嘉興市的海寧和海鹽，至今約300余年歷史［1'21o古海塘雄偉古樸、砌筑精巧，至今仍在發(fā)揮防洪御潮的功能。工程彰顯民族智慧、體現(xiàn)工匠精神、承載文化自信，保護(hù)好這一珍貴的物質(zhì)文化遺產(chǎn)意義重大。大量的調(diào)查研究表明［3'51，海塘在洪、潮、浪作用下，其破壞形式一般可歸結(jié)為塘前灘地沖刷、塘腳防護(hù)結(jié)構(gòu)損壞、高潮滲透、塘身外側(cè)護(hù)坡結(jié)構(gòu)損壞、塘頂防浪墻損壞以及塘頂溢流越浪等6種模式，其中塘前灘地沖刷和塘腳防護(hù)結(jié)構(gòu)損壞最為常見，塘前灘地沖刷引起塘腳淘空，是導(dǎo)致海塘塘身失穩(wěn)的重要原因之一。錢塘江潮強(qiáng)流急、泥沙易沖易淤、河床沖淤變化劇烈，古海塘護(hù)坦外灘地極易受到洪水和強(qiáng)涌潮的沖擊?；仡櫧鷼v史，海寧古海塘出險或失事均是因塘腳被水流深淘所致［21。塘前灘地刷深引起護(hù)坦木排樁失穩(wěn)沖失，進(jìn)而護(hù)坦沖毀及塘下基樁暴露，危及塘身整體穩(wěn)定導(dǎo)致傾倒崩塌。相關(guān)科研單位和工程設(shè)計人員對古海塘的關(guān)注與研究從未間斷，研究內(nèi)容側(cè)重于江道演變、海塘加固技術(shù)等方面［6-81。然之前的研究，由于缺乏足夠的塘前精細(xì)化地形數(shù)據(jù)支持，對塘前灘地的洪潮作用機(jī)理認(rèn)識仍不夠清晰。宏觀江道沖淤變化與塘前局部水域的沖淤規(guī)律既有共性，亦有差異，與宏觀河勢相比，近岸灘地沖淤變化特征更能準(zhǔn)確反映體現(xiàn)海塘的安全運行態(tài)勢。另一方面，近半個多世紀(jì)以來，錢塘江河口按照自上而下、全線縮窄、分步實施的治理思路，開展大量的治江圍涂工程，河口河勢條件變化顯著（圖1）?；诖?，本文以海寧段古海塘塘前灘地作為研究對象，根據(jù)近年來新的河勢條件下塘前灘地地形精細(xì)化監(jiān)測資料，結(jié)合河口宏觀河勢、洪潮動力等資料數(shù)據(jù)，分析古海塘塘前灘地沖刷特點，闡明宏觀演變趨勢與局部演變過程的關(guān)系，探尋灘地高程對洪潮動力的響應(yīng)過程和時空差異性，為保護(hù)古海塘服務(wù)。圖1研究區(qū)位置及古海塘形態(tài)Fig.1Locationofstudyareaandtheshapeofancientseawall

流和潮流共同作用，河床沖淤劇烈［1］。錢塘江涌潮聞名古今中外，尤以古海塘所在的海寧河段涌潮最為壯觀，分別在尖山河段、鹽官和老鹽倉形成交叉潮、一線潮和回頭潮。實測涌潮高度一般1~3m，最大可達(dá)3m以上，涌潮傳播速度大多為4?8m/s［91o錢塘江多年平均徑流總量301億m3,年際間連續(xù)豐、枯水文年交替變化，年內(nèi)徑流分布不均勻，梅汛期（4~7月）4個月的徑流總量占全年徑流總量的52.7%。河口潮汐類型為非正規(guī)半日潮，海寧古海塘河段鹽官站多年平均潮差3.23m，澉浦多年平均潮差5.66m，最大潮差可達(dá)9.15m，居我國河口之首［101。河口以海相來沙為主，河床底質(zhì)細(xì)顆粒主要為粉砂，在強(qiáng)勁的潮動力和年際年內(nèi)變幅較大的徑流作用下，河床變化頻繁劇烈［111。1.2資料來源地形資料分為河口常規(guī)大測量和近岸塘前灘地精細(xì)化測量兩個層級。（1）河口常規(guī)大測量數(shù)據(jù)：自上世紀(jì)50年代至今，錢塘江河口開始系統(tǒng)跟蹤監(jiān)測，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）實施全河段準(zhǔn)1:5萬的水下地形測量，平均1~3km一個斷面，斷面上100~500m有一個測點的精度。（2）近岸塘前灘地精細(xì)化測量資料：2010年5月至今，海寧古海塘塘前每隔1km布置1個高程原型觀測斷面，每個斷面的觀測范圍為二坦外100m范圍，每2m一個測點，主汛期每月觀測兩次，其它月份每月觀測一次。古海塘所在的大缺口至尖山的彎曲河段是河口洪潮動力作用最為復(fù)雜的河段，近20年來河口形態(tài)變化亦最為劇烈，主要是1997年始在尖山河灣治江圍涂，北岸呈現(xiàn)凸體控導(dǎo)河勢，2002-2013年南岸曹娥江口上下游開展治江圍墾（圖1），目前該河段岸線已達(dá)到河口治導(dǎo)線。本文主要選擇大缺口斷面和尖山斷面兩個代表區(qū)位分析古海塘塘前灘地洪潮動力作用機(jī)制。斷面位置示于圖2。同時收集整理了河口徑流、鹽官和澉浦長期潮位站的實測水文數(shù)據(jù)，水文數(shù)據(jù)均來自浙江省水文局，經(jīng)校核整編，精度可靠。圖2研究斷面位置Fig.2Locationofthesection40557000 40562000 40567000 405720002結(jié)果和分析圖2研究斷面位置Fig.2Locationofthesection40557000 40562000 40567000 405720002.1河床沖淤特性（1）年際和年內(nèi)變化錢塘江河口河床沖淤變化頻繁劇烈，圖3為鹽官至尖山河段2007年岸線基本到位以來多年平均高潮位（多高）下河床容積特征值，可據(jù)此分析整體河段的年際和年內(nèi)變化特征。從圖可見，年際上河床呈現(xiàn)豐沖枯淤特征，多年平均高潮位下豐水年多年平均河床容積5.04億m'，枯水年多年平均河床容積為4.18億m'，豐水年河床沖淤變幅較大,如2010年和2015年豐水年河床年內(nèi)沖淤變幅分別達(dá)1.01億m'和1.15億m'，枯水年沖淤幅度相對較小，2009年枯水年河床年內(nèi)沖淤變幅僅為0.25億m'，典型豐、平、枯水文年年際間河床平均沖淤變化約1~3m。年內(nèi)河床洪沖枯淤，大潮期或沖或淤，主要表現(xiàn)為4-7月份梅汛期河床沖刷、11月至翌年4月枯水弱潮江道淤積，而大潮期（7-11月）或沖或淤，如2015年和2016年秋季大潮后河床淤積，而2010年和2014年該時段河床則表現(xiàn)為沖刷。2008 2009 2010 2011 2012 2013 2014 2015 2016圖2008 2009 2010 2011 2012 2013 2014 2015 2016圖3鹽官至尖山河段多年平均高水位下河床容積變化（2008-2016年）Fig.3ThechangeofriverbedvolumeinthereachfromYanguantoJianshan（2008-2016）(SAE)iN與受折oooOoooO5432GE90T)翼燭檀嶺（2）深泓線分布由于錢塘江河口尖山河灣江道過寬，漲、落潮流路不一致，主流常隨著豐、枯水文年而大幅擺動。從20世紀(jì)60年代中期以來，錢塘江河口自上而下全線縮窄治江，限制了主流的擺動，基本達(dá)到了穩(wěn)定主槽的治理目的。圖4為2007年尖山北岸治江圍涂到位以來典型豐平枯特征水文年深泓線分布圖，2007年、2012年和2013年，電站年均下泄流量分別為503m'/s、1241m'/s、898m'/s,分別表征枯水年、豐水年和平水年。從圖可見，在尖山北岸凸體控導(dǎo)下，漲潮主槽呈較穩(wěn)定的偏走南河勢，但由于尖山河段河床寬淺，河床質(zhì)易沖易淤，雙向水流強(qiáng)勁多變，在豐水年汛期北岸亦可發(fā)育北槽，但其存在時間較短，且以南北兩槽共存的分汊河勢出現(xiàn)，主槽仍分布在南岸。南岸的漲潮沖刷槽貼南岸隨后向北岸上溯，相對較穩(wěn)定頂沖在大缺口一帶。2.2近岸灘地沖淤變化及洪潮動力機(jī)制（1）大缺口河段大缺口斷面塘前護(hù)坦外100m灘地沖淤特征示于圖5，從圖可見，塘前灘地沖淤變化幅度劇烈。數(shù)據(jù)顯示，2010-2017年護(hù)坦外10m、20m、30m、50m和80m的沖淤幅度分別為2.3m、2.5m、2.4m、3.0m和3.2m。塘前灘地沖淤受徑流、潮流以及宏觀河勢變化等多種因素共同影響，F(xiàn)ig.4Planeswingofdeepchannelinprojectreach2010年以來大缺口河段98k+000斷面塘前30m范圍內(nèi)各測次最低高程變化如圖5(B)所示，塘前灘地主要在梅汛后的秋季大潮期(9-11月)出現(xiàn)最低值，塘前灘地實測最低高程-2.71m(假定基面)出現(xiàn)在2010年9月。據(jù)圖4可見大缺口河段位于潮水上溯頂沖河段，大潮汛灘地普遍沖深較低。圖5大缺口斷面沖淤變化(A：歷次斷面測量制面；B：各測次護(hù)坦外30m范圍內(nèi)最低高程變化過程)Fig.5Erosionanddepositionchangeofsection(A:previoussectionsurvey;B:minimumelevationchangeprocesswithin30mofeachsurvey)據(jù)上分析本河段年內(nèi)整體河床呈現(xiàn)洪沖枯淤的特點，2010年以來，錢塘江河口分別于2011年和2017年發(fā)生過兩次大洪水，其中2011年6月經(jīng)歷兩次洪峰流量，富春江電站最大下泄流量14000m3/s，2017年6月24日至27日，富春江電站最大下泄流量14900m'/s,為1968年12月電站蓄水以來出現(xiàn)的最大下泄流量。2011和2017年兩次洪水過程前后塘前灘地最低沖刷高程與洪峰流量關(guān)系如表1所示，從表可見，2011年洪水前后的5月和7月灘地高程分別為-1.2m和-1.3m，2017年洪水前后的5月和7月灘地高程分別為-0.6m和-0.8m,總體而言，洪水作用下塘前灘地略有沖刷，但總體上與洪峰流量關(guān)系并不明顯。表1典型洪水前后實測最深點高程變化Table1Elevationchangeofthedeepestpointmeasuredbeforeandaftertypicalflood日期最深點(m)洪峰流量(富春江電站)2011-05-18-1.26月15-17日(14000m3/s)2011-07-07-1.36月19-20日(13000m3/s)2017-05-20-0.66月12-15日(8500m3/s)2017-07-04-0.86月22-24日(8000m3/s)洪水對大缺口河段灘地的影響主要是梅汛期洪水沖刷河槽，導(dǎo)致江道容積增大，潮動力增強(qiáng)，進(jìn)而引起塘前灘地沖刷。如2010~2012年的7月閘口至鹽官河段警戒水位以下江道容積分別高達(dá)5.47億m3,5.23億m3和5.34億此后的9月份鹽官的月平均潮差分別高達(dá)4.0m、4.09m和4.05m,較鹽官多年9月平均潮差增大0.8m左右，從圖5可見2010~2012年塘前灘地高程明顯低于其他年份。圖6為鹽官月均潮差與塘前灘地最低高程的相關(guān)性，從圖可見，兩者相關(guān)系數(shù)可達(dá)0.8以上，說明洪水越大，江道沖刷幅度越大，容積亦越大，從而引起該河段潮動力越強(qiáng)，鹽官月平均潮差(cm)鹽官月平均潮差(cm)圖6鹽官月均潮差與塘前灘地最低高程相關(guān)性Fig.6CorrelationbetweenthemonthlyaveragetidalrangeofYanguanandthelowestelevationofthebeachland(UI)(2)尖山河段尖山斷面塘前護(hù)坦外100m灘地沖淤特性示于圖7,從圖可見，2010-2017年護(hù)坦外10m、20m、30m、50m和80m的沖淤幅度分別為5.9m、5.9m、6.9m、9.1m和9.2m，沖淤變幅大于上游的大缺口斷面。2010年以來尖山斷面塘前30m范圍內(nèi)各測次最低高程變化如圖7(B)所示，塘前灘地梅汛期的4~7月塘前灘地發(fā)生沖刷，幅度1~4m左右，梅汛后的7~11月在秋季大潮的作用下塘前灘地仍進(jìn)一步?jīng)_刷，幅度0.1~1.5m左右，塘前灘地往往在梅汛后大潮期的8~11月出現(xiàn)最低值，但整體以洪水沖刷為主，進(jìn)入弱潮枯水期灘地回淤。圖7圖7尖山斷面沖淤變化(A：歷次斷面測量制面，B：各測次30m范圍內(nèi)最低高程變化過程)Fig.7Erosionanddepositionchangeofthesection(A:previoussectionsurvey;B:minimumelevationchangeprocesswithin30mofeachsurvey)就宏觀河勢而言，尖山河段位于洪水的頂沖點，發(fā)生洪水時，該河段北岸灘地易被沖開，2017年年內(nèi)4、7、11月河床形態(tài)如圖8所示，梅汛大洪水后塘前灘地沖刷劇烈，秋季大潮后淤積成灘，塘前河床年內(nèi)經(jīng)歷高灘一深槽一高灘的動態(tài)變化過程。據(jù)上分析，本段塘前灘地雖以洪水沖刷為主，但往往在大潮期的8~11月出現(xiàn)最低值，主要是因為尖山圍涂后，秋季大潮漲潮流基本貼南岸上溯，頂沖在大缺口附近，受阻反射后水位迅速壅高，一股繼續(xù)向上游上溯，一股則向下在尖山附近形成反向流，潮水較大時可引起灘地進(jìn)一步?jīng)_刷，秋季大潮后隨著流速減弱，泥沙落淤,至翌年4月梅汛前灘地最高。上溯，一股則向下在尖山附近形成反向流，潮水較大時可引起灘地進(jìn)一步?jīng)_刷，秋季大潮后隨著流速減弱，泥沙落淤,至翌年4月梅汛前灘地最高。圖8年內(nèi)塘前灘槽變化Fig.8Changeofriverregimeinfrontofthepondintheyear程和時空差異性，但灘地短歷時微觀層面的沖淤變化有待通過實時動態(tài)觀測及模型試驗等方法進(jìn)一步探討。為進(jìn)一步闡明尖山河段塘前灘地洪潮作用過程，選用2017年洪水前后最低高程變化數(shù)據(jù)予以細(xì)述（表2）。從表可見，2017年5-7月洪水前后塘前30m范圍內(nèi)灘地最低點由3.3m刷深至-0.9m，降幅4.2m，7-10月梅汛后強(qiáng)潮期進(jìn)一步刷深，最低點由-0.9m降低至-1.5m，刷深0.6m，進(jìn)入11月的枯水弱潮期，鹽官月均潮差2.99m，灘面回淤至0.3m。2010年以來，錢塘江河口分別于2011和2017年發(fā)生過兩次大洪水，斷面最深點并不是出現(xiàn)在2011年2017年兩次洪水期間，這與前期地形有關(guān)，2017年梅汛期洪峰流量最大，灘地沖刷幅度亦最大，可達(dá)4.42m,但由于汛前地形較高，沖刷后高程仍高于汛前灘地高程較低年份的高程，如2015年2016年。此外，該斷面在連續(xù)豐水年最深點有刷深的趨勢，2011-