钱塘江河口特征

钱塘江河口特征、治理开发的简介韩曾萃（浙江省水利河口研究院技术顾问）二00六年十一月十六日1钱塘江河口特征、治理开发的简介钱塘江河口为国内、国际的著名强潮河口，其灾害和资源都同时存在。为减少灾害、开发利用资源，水利界的几代人付出了艰辛的努力，取得了丰厚的成果。将其科研、治理、实践的经验、教训用通俗、简洁的文字介绍给有关的学人、同行十分必要。本文即是为此目的写的一个材料，限于本人才疏学浅，很难达到上述目的，可放心的是今后会后继有人，不断积累、修改、完善。一、河口的定义及其重要性最早介绍河口研究河口专著的是前苏联学者萨莫依莫夫，他认为河口是河流到海洋的过渡段，再根据河流和潮汐动力的强弱又分为河流段（河流径流作用为主、潮汐作用微弱）、河口段（河流动力与潮汐动力相当、相互作用段）及潮流段（潮汐动力为主，径流作用微弱）。他的著作和学术观点深深影响了我国的地学界、水利界及其他领域，以后的一些专著为中国大百科全书（海洋卷）、（水文气象卷）及中国水利大百科都是按他的著作阐述的。美国著名河口学者普瑞查得（Donacd·w·pritchard）于1967年发表论文《从物理学观点论河口》（载于美国密歇根大学GeorgeH·Lauff著《Estuaries》一书中）对河口的定义、范围、分类都有比较详细的论述并广泛地为国际学者引用，他的定义是“河口是一个与外海自由连通的半封闭海岸水体，其中的海水可以量测出被陆地径流冲淡”。他对此进一步解释。(1)、“河口是一个半封闭的水体”，河口受两岸的影响很大，使河口中的水流约束呈现往复流，不同于外海的旋转流，是河口动力上的一大特征。他举出美国东海岸口门宽50km以上，集雨面积17万km2的切萨皮克湾（ChesapeakeBay）为典型，我国钱塘江河口的杭州湾、珠江口的伶仃洋即属此。(2)、“河口海水应可量测出被陆域径流冲淡”，海水盐度为30‰～36‰，淡水为0.01‰～0.05‰，钱塘江河口的水体盐度正在这一范围内，随径流大小变动为0.1‰～20‰之间。介绍这些定义是不要把河口混同于海域，目前＜海域使用管理条例法＞正是把河口混同海域加以执法，引起了许多执法上的混乱。具体对钱塘江河口，它上至富春江电站下游2km的溜江滩，下至上海芦湖港至镇海断面，全长282km，从溜江滩至闻家堰全长78km，为河流段。闻家堰至澉浦全长122km为河口段，澉浦以下至芦湖港—镇海断面全长82km，为潮流段。为什么许多高等院校、各级政府部门都十分重视河口的研究呢？在全国曾有统计的数据可以说明一些问题：河口地区：面积占全国总国土面积的3%，人口占全国人口总数的11%（2002年），GDP占全国2的GDP总数33%（2002年）；河口、海岸地区（即东部平原）：面积占全国总面积的10%；人口占全国总人口的30%（2002年），GDP占全国GDP总数的50%（2002年）。同样浙江省的东部平原及钱塘江等河口也大体上占浙江省类似的百分数，可能人口数要多一点。此处不再重复，由这几个统计数就可以看出河口地区的重要性。其次河口海岸也是洪水、风暴潮（另外还有海啸、赤潮、海平面上升等灾害比较少但存在）等重大自然灾害频发的地区，为了保证这一地区的人民安居乐业、基本建设实施及正常生产秩序的稳定，必须研究其灾害的规律、特征及其防治的各种措施。第三这些的水流状态复杂，既受径流、又受潮汐的影响，其流场、污染物浓度场、温度、盐度场、都是非恒定状态，而且是二维、三维的现象明显、滨海湿地、生态保证日显突出，正是多学科研究的对象。再加上城市建设、环境保护、能源交通在这里项目众多，因此受到多部门的密切关注。二、钱塘江河口的河床、动力特征钱塘江河口的河床演变特征及其动力条件已有专门的学术著作论述，本文只能作个简述。1、钱塘江河口的表现特征：钱塘江河口的河床、动力明显的特征有：（1）、河床平面摆动频次大、幅度大，造成不能形成航道水的深泓线摆动大、抢险被动、处处防守：在整个钱塘江河口的范围内，主流曾遍及两岸海塘之间的全部水域（见图1-a），其主流摆动的速度也十分惊人，可以达到1750m/月，最大日为245m/日的记录，（见图1-b）这么大幅度的平面摆动造成航道不稳定，周前出海、周未回杭的线路完全不同。另一重要影响是主动顶冲点摆动频繁，即深泓、顶冲海塘位置频繁变化，使其防汛抢险处处被动，防不胜防。此外也有大片滩涂经常被冲蚀，不能利用。总之使钱塘江的防汛安全，大量滩涂资源、航运资源难以开发利用。图1-a钱塘江河口平面摆动3图1-b盐官断面主槽从北岸摆向南岸的剖面变化图[5]（2）、潮差大、潮流强、涌潮壮观世界第一杭州湾口门的潮差并不大，为2～3m，但由于平面上的喇叭外形及底部存在沙坎，涨潮流到尖山附近形成破碎，形成潮头高达2.5～3.5m的涌潮，其破坏力极大（每平方米实测压力7T）也是造成滩地不稳，塌江的动力之一，对海塘的安全也造成极大的破坏力。但当人们能建造坚固的海塘后，它就是十分宝贵的自然景观和旅游观光景点。因此一方面我们要修建坚固的海塘防护建筑群（包括护坦、塘身、塘顶防浪结构和后坡、二线塘）另外也应十分重视保护涌潮的交叉潮、回头潮、一线潮等多种自然景观。应该讲，涌潮是大的自然地理条件产生的（主要是平面收缩和水下沙坎抬升地形），这二个条件不改变，涌潮景观是不会消失的，而局部河段，有计划地治江围涂和经科学论证造桥只是局部改变了涌潮的强度、形态，经一定距离的传播它又会、恢复涌潮强度。涌潮与江道地形的平面形态、水下地形的冲淤程度也有关，即干旱年使江道淤积则涌潮小，而丰水年江道冲刷则涌潮大，人们十分关注每年涌潮的变化，但新闻、报纸常有一些误传报导，应作些科普解释。（3）、河流宽浅、涨、落潮流路不一致为游荡性河口钱塘江河口的宽度从1km至100km，相应的水位变化很大，以半潮时的水位下的水深为准，为4～8m（局部深潭、个别点可达20～40m）因此宽深比5035/HB，这比我国著名的游荡性黄河宽深比20～30m还要大。其原因是河床为易冲的粉沙，而涨潮动力特强，涨落潮流路又往往不一致，产生了河床宽浅的显著特征。而且一年之内的丰水期与枯水期深泓交替变化，多年之间又由于丰枯径流的变化，主泓也相应变化，形成典型的游荡性河口，使得大量的潮间带滩涂无法开发利用，上、下游许多站的潮汐特征值（如高、低潮位、潮差、潮流强弱、涌潮大小）年际间有很大的变化。2、钱塘江河口深层次的特征在探讨钱塘江为什么具有以上特征同时，深入地研究它的原因，必须在水流、泥沙输移以及盐度、污染物质输移的动力特征上寻求原因，并在数值模拟，比尺模型等研究手段上予以正确的模拟、预测，才能理性地认识钱塘江的特性，并为治理、开发钱塘江河口的资源，防治自然灾害作出有针对性、科学预测。4（1）、钱塘江河口年内输沙表现纵向“上淤下冲”或“冬淤夏冲”和“上冲下淤”或“夏冲冬淤”的大规模泥沙纵向泥沙交换。河口的潮波系统从外海传入河口后，由于河床阻力的作用，涨潮历时缩短，落潮历时加长，涨潮流速大于落潮流速，而含沙量是与流速的高次方式正比的，故涨潮含沙量远大于落潮含沙量，即在一个潮周期中，同一潮差，fV＞eV当径流比较小时（枯水、平水时期占一年的大部分时间），输沙量fG＞eG产生了“上淤下冲”或“冬淤夏冲”。而当洪水期间，上游eV＞fV则eG＞fG，表现为“上冲下淤”或“夏冲冬淤”。这一年周而复始，年季间可基本平衡，一年以内搬运的泥沙在钱塘江全河段可达2～4亿，特殊年分更大。图2-a是一个潮内分层含沙量的全潮过程，图2-b是涨、落潮的含沙量分层过程，图2-c是潮差与涨落潮的输沙量及净输沙量的过程，图2-d、是仓前、盐官的净输沙量及与潮差的关系，而图2-e是尖山、澉浦潮差与输沙量的关系，由这一系列图可以看出钱塘江在枯水大潮期间，尖山、澉浦为输出平衡，而盐官、仓前为净输入，闸口净输入更大。表1是实测1983年4-7月及7-11月淤积量的数量（上述符号的脚f、e分别表示涨潮和落潮）。图2-a一个潮周内的冲淤过程图2-c闸口潮差一涨（落）输沙率图2-d仓前、盐官输沙图2-e尖山输沙表1是实测钱塘江1983年4～7月的冲刷7～11月淤积量。表2是1996年及1997年冬半年大淤、大冲的分布过程。5表1钱塘江河口纵向冲淤变化（累积量1983/4-7-11月）单位：4m3断面号冲刷量淤积量实测计算误差实测计算误差闸口4164559%-354-48938%四堡2723192229%-1900-161415%七格4795331030%-4590-370019%仓前7561530030%-5600-51807%盐官10390847018%-9600-700027%旧仓120001024715%-4590-540018%尖山12400113009%-3800-240036%表2钱塘江河口大淤、大冲数量（亿方）不同河段1996年11月-4月淤积1997年11月-98年4月闸口-七堡0.680.23七堡-仓前0.651.06仓前-盐官1.642.44总计之和2.974.73造成涨、落输沙不平衡除流速大小外，还有涨潮流的流速由下游大到上游变小，为饱和输沙，而落潮由上游小到下游增大，是未饱和输沙的原因，对这些特征的理解是河口输沙的重要特征。实际上在海湾地区也存在类似情况，枯季淤积，丰水大洪水则将淤积泥沙冲走，如建水库则冲沙能力丧失，海湾末端开始淤积逐步下推。（2）、纵向沙坎的存在是形成涌潮及宽浅的主要原因钱塘江河口沙坎是河口来水、来沙和边界三者的产物，沙坎与杭州湾喇叭外形外海传播的潮能聚集、潮量大、径流小等因素有关，强潮河口常用山潮比值表征其大小即：ff1/2n1i2i21/TW]/nQ[口门门处平均涨潮流山水造床流量QQ（1）式中：iQ为多年平均流量中第i日的日平均流量，n为一年365天。fW为河口口门断面平均潮的涨潮潮量。fT为河口口门断面平均涨潮历时。钱宁院士与我院李光炳工程师在60年代统计了国内外6条河口的山潮水比值与河口河宽的收缩率（LBB/12）与口门与末端断面河宽比值12/BB的乘积的相关关系，见图3-a，由图知，当01.0＜时1212·/)(BLBBB值＞5，一般都在纵向存在水下沙坎，且收缩急烈，垂向河床抬升存在沙坎，反之，则收缩不强烈水下无明显河坎（如瓯江、熬江、曹娥江等）。图3-b是钱塘江河口历年来丰水、枯水年的实测地形量测的沙坎高程、顶点距闸口站的距离与山潮水比值的统计关系，由图知即使值有10倍的变化即01.01.0，沙坎高程也6仅有1.0m的变化，顶点距离也只有8km的变化。图3-a河口平面外形与径流潮流比值间的关系（据文献[5]）1-泰晤士河；2-钱塘江；3-韦沙河；4-敖江；5-瓯江；6-曹娥江图3b-1径流潮流比值与沙坎最高点高程间的关系图3-c是年内4月、7月、11月沙坎形态的变化，由图知沙坎顶点基本在3-4高程内变化，且治江围涂后，4月、11月沙坎顶点变化不大，7月则有较大幅度即1.5m的下降，原因是河道缩窄后，洪水在上段（即沙坎顶点附近）的冲刷作用明显，故顶点下降幅度大，而其他月份流量小，对河床缩窄的反映小故变化不明显。图3-d列举了沙坎形态在顺直和弯曲江道条件下，4、7、11月份的沙坎形态变化，由图知都是在上段（即沙坎的上游坡）冲淤变幅大，盐官以下相对小，是随着治江缩窄向下的推移，下游冲刷会增加、下延。正是由于沙坎的存在，而且它是一个宏观的地貌现象，因此虽然水文年的丰枯变化、治江围涂缩窄这种中尺度的变化对沙坎的顶点高程、距闸口距离有些变化，但幅度并不大，更何况建桥、丁坝、盤头这些小尺度的建筑物都不至于对沙坎有明显的影响，相应对涌潮就不会有根本性的影响。目前来看，水文年丰枯的变化、江道平面形态的变化，对涌潮大小是首要的，但它是可逆的过程。7图3b-2径流潮流比值与沙坎部位的关系（据文献[5]）图3-c治江围涂前后低潮位下平均河底高程纵剖面图（3）、钱塘江河口（含杭州湾）的河宽远比正常河宽大，为其平面摆动提供了自由空间，也为缩窄江道治江结合围涂提供了理论依据。我曾在70年代就统计了浙江省的6个河口及国内长江口、