錢塘江河口鹽官段主汛期前含沙量特性研究

胡智超，朱沈鳴，李建雄，許嘉豪，王紹斌，夏春晨

(1.浙江省錢塘江流域中心，浙江 杭州 310020； 2.中國電建華東勘測設計研究院有限公司，浙江 杭州 310000；3.浙江工業大學 土木工程學院，浙江 杭州 310023； 4.浙江江南春建設集團有限公司，浙江 杭州 311241)

錢塘江河口從桐廬富春江水電站起至上海蘆潮港與寧波鎮海連線，全長290 km，是中國著名的強潮河口，以氣勢磅礴、蔚為壯觀的涌潮聞名于世。錢塘江河口受徑流和潮汐的共同作用，潮波變形劇烈，水沙輸移復雜，主槽平面擺動頻繁，河床沖淤變化很大[1]。因此對錢塘江河口水沙動力學過程的研究歷來受到重視，并取得了許多重要成果[2-8]。2000 年，浙江省錢塘江管理局組織了一次從富春江水電站下游至澉浦的大規?？疾煨杂^測[9]，進一步加深了對錢塘江涌潮、泥沙特性的認識。潘存鴻等[10]根據現場實測數據，探討了錢塘江河口段泥沙特性、涌潮對泥沙輸移的影響，認為涌潮是錢塘江河口大沖大淤的主要因素之一。

除了對錢塘江河口水沙的實測研究，在物理模型試驗與數值模擬上也取得了重要進展。曾劍等[11]采用泥沙水槽試驗研究了錢塘江河口不同粒徑泥沙的啟動流速；李薇等[12]將考慮泥沙減阻效應的動床阻力經驗式直接應用于Winterwerp-Wang 潮波理論模型，得到了與錢塘江河口實測潮波數據吻合的潮波演化結果，檢驗了現有考慮泥沙減阻效應的動床阻力經驗式在以細粉砂為主的錢塘江河口的適應性；熊紹隆[13]研究了潮汐河口各類泥沙模型，提出各類泥沙模型選沙的主要原則和時間變態的處理方法；魯海燕等[14]建立了錢塘江河口涌潮作用下的二維泥沙數學模型，模擬分析了尖山河段兩種不同河勢下水沙輸移的特點及差異，較好反映了錢塘江尖山河段的潮流、泥沙運動特性；潘存鴻等[15]在已建涌潮數學模型的基礎上，模擬了錢塘江涌潮作用下的泥沙輸移，計算結果反映了涌潮到達時刻含沙量的突變及涌潮對泥沙輸移的影響，揭示了錢塘江河口高含沙區的成因；謝東風等[16]采用理想動力地貌數值模型，在復演河口沙坎下移的基礎上開展數值模擬，研究了錢塘江沙坎下移對河口沿程高潮位、潮差和最大渾濁度的影響，厘清了地貌演變與河口平面形態變化對水文特征的影響；Hu 等[17]采用二維水沙耦合模型模擬了錢塘江河口沙坎的形成過程及演變規律，進一步探索了河口泥沙的演化過程。然而，目前研究中少有對含沙量與潮位之間關系的研討。

錢塘江北岸海寧段在進行古海塘堤腳加固時，需在主汛期前修建圍堰工程。本文以此為工程背景，利用高精度model 3150 測沙儀展開含沙量測量，依托潮位站監測數據，建立含沙量與監測指標間的關系，探討鹽官段含沙量對不同潮位的響應機制，以期為錢塘江河口岸灘沖淤防護等工程建設和管理提供科學依據。

1 不同潮時含沙量規律分析

錢塘江河口涌潮強度大，來流湍急，外海來沙豐富，主槽擺動頻繁，河床沖淤很大[10]。隨著錢塘江上游水庫建設及水土保持工作的開展，其陸域來沙很少，泥沙主要來自潮流攜帶的海域來沙。東海潮波進入錢塘江河口時，由于杭州灣喇叭形的平面形態，潮波能量集中，潮差在杭州灣灣頂澉浦附近達到最大。乍浦以上，由于錢塘江沙坎使得水深急劇減小，淺水效應增強，潮波進一步變形，并在尖山河段形成舉世聞名的涌潮。涌潮具有極強的挾沙能力，加之錢塘江泥沙多為細粉砂，泥沙易沖易淤，造成了錢塘江河口大沖大淤的現象。為進一步了解錢塘江河口含沙量的變化規律，通過現場取樣測定含沙量，并進行分類分析。

含沙量取樣期為2022 年4—6 月，為主汛期前錢塘江北岸圍堰施工時段。通過分析鹽官潮位站（見圖1）實測的數據，得到錢塘江河口的潮汐特征為：（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，分層最大漲潮流速4.16 m/s，分層最大退潮流速2.24 m/s，一天內經歷2 次漲退潮，月平均漲潮歷時3 h，月平均退潮歷時9 h；（2）5 月最高高潮位5.98 m，最低高潮位2.4 m，月平均高潮位為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，分層最大漲潮流速3.78 m/s，分層最大落潮流速3.27 m/s，月平均漲退潮歷時與4 月相同；（3）6 月最高高潮位5.96 m，最低高潮位3.24 m。根據以上數據可知，不同月份之間及同一月份內，潮差、水位、流速等變化很大，導致水體含沙量的劇變。

圖1 鹽官潮位站Fig.1 Yanguan tide gauge station

1.1 按潮差級別劃分

將所得含沙量按潮差（大、中、小潮3 個級別）匯總整理成箱形圖（圖2），每個箱形圖自上而下分別為最大值、上四分位數、中位數、下四分位數和最小值，其中“×”處的數值代表均值。由圖2 可見，小、中、大潮的平均含沙量依次變大；小潮時含沙量為0.20～0.40 kg/m3，中潮時含沙量離散程度逐漸變大，為0.15～0.80 kg/m3，大潮時含沙量則從0.20 劇變到1.21 kg/m3。根據鹽官潮位站實測資料可知，大中小潮平均漲潮流速由大到小。潮流挾沙力公式[10]為：

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

式中：S?為水流挾沙力（kg/m3）；V為流速（m/s）；g為重力加速度（m2/s）；H為水深（m）； ω為懸沙沉速（m/s）。

潮流挾沙能力與流速緊密相關，流速越大，水流挾帶泥沙越多。因此，小中大潮含沙量的最大值依次增加。值得注意的是，不同潮差級別的含沙量在0.20～0.40 kg/m3范圍內均有分布，這主要是由于大中小潮每個周期均有漲落潮的過程，且流速也隨之變化。因此，針對不同潮差級別，需對各潮時的相應含沙量進行分類討論。

1.2 按潮時劃分

對不同潮差級別，將其含沙量分別按漲潮前、漲潮期、平潮期、退潮期4 個不同潮時進行分類，其中漲潮前觀測數據為涌潮到達前約30 min，漲潮期觀測數據為涌潮到達后約30 min，平潮期觀測數據為涌潮到達后約90 min，退潮期觀測數據為平潮期結束，退潮開始后約30 min。

圖3 為小潮不同潮時含沙量分布的箱形圖?？梢?，漲潮前和漲潮期的含沙量分布區間基本一致，平潮期和退潮期逐漸降低。漲潮前觀測時段實質上是上一個潮周期退潮期的末端，根據2022 年4 月10 日至4 月12 日在鹽官潮位站多次實測資料可知，退潮流速為2～3 m/s，經過長達7～8 h 的退潮，河床長時間受到沖刷，導致漲潮前水體含沙量相對較高，達0.30～0.40 kg/m3。漲潮期，水流從外海挾帶泥沙，但由于小潮漲潮流速較小，且與退潮期流速接近，挾沙能力有限，相對于漲潮前的含沙量變化不明顯。平潮期一般為涌潮過后約1.5 h，持續時間約1 h，此時江中水流穩定且流速變緩，水流中挾帶的泥沙會沉降淤積，因此水中含沙量呈明顯下降趨勢。在退潮期，一部分泥沙在平潮期時已經沉降，且平潮期泥沙沉降是一個持續的過程，故退潮期水流的含沙量與平潮期分布區間相近。需要指出的是，小潮漲潮期間水流流速小于中潮和大潮，挾帶泥沙相對較少，有時退潮流速會大于漲潮流速，加之退潮期持續時間長，導致部分沉降的泥沙再次懸浮，從而出現退潮期部分實測含沙量高于平潮期含沙量的情況。

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

圖4 為中潮不同潮時含沙量分布的箱形圖。由圖4 可見，中潮漲潮前含沙量分布與小潮時類似，分布區間為0.20～0.40 kg/m3。相比于小潮，中潮漲潮期流速較大，挾帶的泥沙增多，含沙量明顯上升，達0.40～0.80 kg/m3。平潮期由于流速變緩，一部分泥沙迅速沉降淤積，相比于漲潮期含沙量明顯下降，基本與潮前水平相當。退潮期規律與小潮時相似，隨著退潮歷時的增加，其含沙量可能會有小幅上升。

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

圖5 為大潮不同潮時含沙量分布的箱形圖?？傮w而言，大潮含沙量在不同潮時的分布規律與中潮相似，平潮期和退潮期含沙量分布區間基本一致，但由于大潮漲潮期涌潮作用劇烈，漲潮流速遠大于中、小潮時，挾沙能力強，引起含沙量大幅上升，分布區間為0.60～1.21 kg/m3，但因大潮時含沙量觀測難度大，實際漲潮期的含沙量可能比觀測到的更大。

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

2 含沙量與濁度的關系

挾沙水流含沙量的獲取和實時監測是河流泥沙動力過程研究的重要基礎工作[18]。由于錢塘江河口水動力條件復雜，含沙量的觀測難度非常大，沒有系統的觀測數據。為了研究錢塘江河口段含沙量的變化規律及其對水流的響應，利用潮位站長期測得的濁度指標與含沙量建立相關關系。相對于傳統的含沙量測量，濁度測量自動化高、價格便宜、操作方便[19-20]。已有研究探討了含沙量與濁度之間的相關關系及其影響因素[21]。本文采用鹽官潮位站2022 年4—6 月的濁度數據，分別采用潮差級別和濁度區間兩種劃分方式，討論含沙量與濁度之間的對應關系。利用2022 年7 月實測含沙量驗證兩種劃分方式的函數擬合結果，從而為后續含沙量規律的研究奠定基礎。

2.1 按潮差級別劃分

潮差級別不同，其水動力條件也不同。因此以潮差級別為劃分標準，分析小、中、大潮含沙量與濁度的關系。根據實測數據，含沙量S與濁度TU采用冪函數進行擬合。小、中、大潮含沙量與濁度的擬合關系如圖6 所示。由圖6 可見，含沙量與濁度擬合關系良好，含沙量與小、中、大潮濁度的非恒定性依次增強，在強非恒定流條件下，水流含沙量能夠很快調整到水流挾沙力[22-23]，小潮漲潮時的非恒定性較弱，達到其水流挾沙力所需時間較長；與漲潮階段相比，其他潮時的非恒定性較弱，河床變形時間較長，這可能是影響大中小潮與含沙量擬合差異的原因之一。

圖6 小、中、大潮含沙量與濁度的擬合關系Fig.6 Fitted relationship between sediment concentration and turbidity during spring tide, middle tide and neap tide

2.2 按濁度區間劃分

根據前述分析，含沙量在漲潮前、平潮期和退潮期的含沙量分布較為集中，在漲潮期的離散程度較大，相應地，將濁度分為3 個區間，分析濁度TU＜200 NTU、200 NTU≤TU＜400 NTU 以及TU≥400 NTU 時含沙量與濁度的關系。

根據實測數據，含沙量S與濁度TU采用冪函數進行擬合，3 個濁度區間含沙量與濁度的曲線關系如圖7 所示。由圖7 可見，當濁度小于200 NTU 時，含沙量主要分布在0.20～0.40 kg/m3，與漲潮前、平潮期、退潮期以及小潮漲潮期的大部分含沙量分布區間基本一致，故該區間的實測值數量較為豐富；當濁度在200～400 NTU 時，含沙量主要分布在0.40～0.80 kg/m3，與中潮的漲潮期含沙量分布區間基本一致；當濁度大于400 NTU 時，含沙量主要分布在0.80～1.20 kg/m3，與大潮的漲潮期含沙量分布區間基本一致。以上數據涵蓋了不同潮差級別的各潮時含沙量與濁度的相互關系，兩者擬合關系良好，相關系數均在0.9 左右。

圖7 3 個濁度區間含沙量與濁度的擬合關系Fig.7 The fitted relationships between sediment concentration and turbidity for three turbidity intervals

3 含沙量驗證

為驗證擬合公式，利用2022 年7 月份實測含沙量數據，分別使用以上兩種劃分方式計算出對應的擬合含沙量值，與實測含沙量進行對比驗證（見圖8）。

圖8 實測含沙量與擬合含沙量比較（2022 年）Fig.8 Comparison of the measured sediment concentration and fitted sediment concentration (2022)

為比較兩種擬合方式與實測含沙量的差異，利用L1范數對兩組擬合結果進行誤差分析。

計算得出按照潮差級別劃分和按照濁度區間劃分方式擬合的誤差分別為7.39%和7.89%，兩者誤差相近，皆低于10%，故可根據實際情況選用合適的劃分方式，利用實測濁度推求含沙量。

4 含沙量與潮位的關系

以上誤差分析可知，兩種劃分方式均可運用于含沙量的研究分析?，F以按濁度區間劃分所得的擬合公式為例，結合2022 年7 月潮位站獲取的濁度數據推求逐時含沙量，并與逐時潮位進行比對，尋求兩者之間的聯系。選取幾個連續時間段（7 月1 日0 時至7 月5 日0 時；7 月12 日10 時至7 月15 日23 時；7 月17 日0 時至7 月20 日0 時）進行分析（見圖9）。

圖9 3 個連續時間段內含沙量與潮位關系（2022 年）Fig.9 Relationship between sediment concentration and tide level over three time intervals (2022)

由圖9 可見，總體而言，含沙量與潮位有相似的周期性變化，潮位曲線稍滯后于含沙量曲線。在潮周期的不同時段水流流速不同，由于水中的含沙量與水流流速密切相關，流速越快，水流挾帶泥沙的能力越強[8]。從0 時24 時，潮位在1天內經歷2次峰值和谷值，對應1天中的2次漲退潮。潮位曲線上升段對應漲潮期，水流流速逐漸變大，水流挾帶的泥沙量增多，含沙量呈上升趨勢并達到峰值；潮位達到最高點時對應高平潮，水流流速平緩，水體中部分泥沙沉降，故此時對應的含沙量已開始下降；潮位曲線下降段對應退潮期，退潮歷時較長，水流流速先緩慢增加，落急開始后一段時間內退潮流速較大，引起部分河床泥沙懸揚，水體含沙量出現了小幅度的二次上升，隨后流速緩慢減??；潮位達到最低點時對應低平潮，水流流速平緩，含沙量回至較低水平。隨后潮位再次上升，開始第2 次漲退潮。

5 結 語

本文以錢塘江河口含沙量為研究對象，結合實測研究、統計分析、理論分析等研究方法，探究錢塘江河口含沙量演變規律及其與潮位之間的關系，進一步加深對河口含沙量演變規律的認識，為河口工程中泥沙問題提供借鑒，主要結論如下：

（1）采用2022 年4—6 月錢塘江鹽官段北岸鹽官潮位站連續多日實測含沙量，根據潮差級別（大潮、中潮、小潮）和潮時（漲潮前、漲潮期、平潮期、退潮期）對含沙量數據進行劃分和分析。3 個潮差級別漲潮前的含沙量為0.20～0.40 kg/m3。漲潮期含沙量均有上升，小潮漲幅最小，含沙量幾乎與漲潮前相同，中潮次之，大潮含沙量漲幅最為明顯。平潮期由于水流流速平緩，3 個潮差級別水流含沙量均有所下降，小潮因為總體含沙量不高，下降不明顯，大中潮含沙量則下降顯著。退潮期含沙量所在區間與平潮期大致相同。

（2）利用潮位站測得的濁度數據和實地測得的水流含沙量數據，按照潮差級別和濁度區間兩種劃分方式，得出兩者的擬合關系曲線，相關度約為0.9。對擬合含沙量和實測含沙量進行對比驗證并利用L1范數進行誤差分析，得出總體誤差均在10%以內，說明兩種擬合關系與實測值均吻合良好?？筛鶕嶋H獲得的數據資料進行擬合關系的選用，推求相應含沙量。

（3）利用按濁度區間劃分所得的擬合公式，根據潮位站實測濁度數據推算逐時含沙量，與對應的逐時潮位進行比對，發現含沙量與潮位有相似的周期性變化，潮位曲線稍滯后于含沙量曲線，但退潮期潮位下降，在落急開始后一段時間內退潮流速較大，引起部分河床泥沙懸揚，水體含沙量會出現小幅度的二次上升。