曹娥江大閘建閘后閘上河道沖淤變化分析

2023年12月29日發(作者：讀研條件)

第51卷增刊（2）2020年12月文章編號：1001－4179（2020）S2－0020－04人民長江YangtzeＲiverSupplement（Ⅱ）Vol．51，Dec．，2020曹娥江大閘建閘后閘上河道沖淤變化分析鄭國誕1，2，曹穎1，21，21，2，史英標，唐子文2．浙江省河口海岸重點實驗室，浙江杭州310020）（1．浙江省水利河口研究院，浙江杭州310020；摘要：曹娥江大閘是中國乃至亞洲最大的河口閘。大閘的建設阻擋了河口潮汐上溯，從2008年12月運行開“洪沖枯淤”“單向沖刷”，閘上河道從轉變為建閘后的閘上河床發生了較大的變化。為此，采用建閘后至始，今10余年的地形資料進行閘上河道河床演變分析。分析結果表明：①曹娥江上浦閘－濱海大橋河段全線沖沖刷幅度自上而下減小，最上游沖刷幅度大于5m；濱海大橋－曹娥江大閘河段較建閘前有小幅淤積，但刷，閘上河道未經歷過特大洪水沖刷，江道沖刷亦未見達其今后的趨勢則為沖刷趨勢。②曹娥江大閘建成至今，到平衡狀態，因此預測河道今后仍有進一步刷深的趨勢，河勢仍會發生變化。關鍵詞：洪水沖刷；河道沖淤；河道演變趨勢；河勢變化預測；曹娥江大閘文獻標志碼：ADOI：10．16232/j．cnki．1001－4179．2020．S2．005中圖法分類號：TV87；TV1221研究背景曹娥江大閘樞紐工程位于錢塘江支流曹娥江口門是中國乃至亞洲最大的河口閘，于2008年12月投處，至今已經運行了11余a。大閘的建設阻擋入試運行，大大提高了兩岸的防洪了錢塘江河口風暴潮的入侵，提高了土地利用價排澇標準并且改善了河網水環境，［1－2］。平時大閘關閘擋潮，阻擋外海泥沙進入上游值逐步帶出建閘前淤積在河江道；洪水期大閘開閘放水，床上的泥沙。閘上江道的沖淤特性由建閘前的“洪沖［3］，導致閘上河床枯淤”轉變為建閘后的“單向沖刷”此次研究范圍如圖1所示。發生了較大的變化，對于閘上河道的研究，目前主要以數值模擬為主，比如：吳修鋒等采用平面二維水流泥沙數學模型，對曹娥江大閘建成后閘上河道的沖刷情況進行了計算分［4］在驗證計算結果的基礎上，對上浦閘至河口段析，的水流沖刷情況和堤防可能的險工險段進行了預測分史英標等基于建閘前水沙輸移特點及河床析；王柏明，采用動床數學模型研究了建閘對閘上河床演變分析，收稿日期：2020－09－17圖1曹娥江河床變化研究范圍示意，結果表明：建閘后，閘上河道蓄水及口閘前至新三江閘河段內呈壅水淤積，門侵蝕基面抬高，演變的影響新三江閘以上河段發生了單向沖刷；傅利輝等應用二考慮到曹娥江大閘的調度原則，維動床泥沙數學模型，［5］“入海河口區流域洪水與風暴潮耦合實時預報技術與示范”（2015C03003）；國家自然科學基金基金項目：浙江省科技計劃項目“涌潮水流及其引發的河床滲流對圓柱橋墩局部沖刷影響機理研究”（51609214）項目作者簡介：鄭國誕，男，高級工程師，主要從事河口海岸水動力泥沙方面的研究工作。E－mail：12971414@qq．com

增刊（Ⅱ）鄭國誕，等：曹娥江大閘建閘后閘上河道沖淤變化分析21并按水文年（1962～2005年）重演的方式，對建閘后閘上江道沖淤演變情況進行了長系列反演計算［6］，同時，對堤防可能的險工險段及河床最大沖深進行了預測。綜上所述，可以發現：利用實測資料對閘上河道河床高程變化方面的分析研究卻很少。有鑒于此，本文采用建閘至今收集到的多次水下地形測量資料進行了河床演變分析，研究成果對潮汐河口建閘的閘上河床動力響應規律進行了初步歸納和總結，可為大閘運行管理以及今后類似工程提供借鑒和參考。2徑流水沙特征曹娥江上游屬山溪性河流，東沙埠以下為感潮河段，其中，上浦閘以上為近口段，以徑流作用為主；上浦至口門為河口段，遭受徑流和潮流的共同作用，河床沖淤變化劇烈。該區域是本文的研究區域，在2008年底，曹娥江河口大閘建成后即成為內河，此后潮汐無法上溯。2．1徑流曹娥江干流主要控制站是花山站，其控制流域面積為3043km2。根據曹娥江花山水文站（1983年前為東沙埠站，2012年后遷站至東山站）的流量資料統計，多年平均徑流量為74．0m3/s，年徑流總量為23．3億m3。（1）年際徑流。曹娥江徑流年際變化很大，花山站的最大年平均流量為120．0m3/s（1973年），最小年平均流量為32m3/s（2004年）。歷年年平均流量變化情況如圖2所示。從圖2可以看出：徑流年際還存在連續豐水年和連續枯水年的交替變化。圖2花山站年平均流量歷年變化情況（2）年內徑流。曹娥江徑流年內分配不均勻，年內10月至翌年2月為枯水期，徑流量占全年徑流量的24．8%；3～9月為豐水期，徑流量占全年徑流量的75．2%，其中5～7月為梅雨期，7～9月為臺風期（見圖3），月平均流量的峰值出現在6月，月平均流量為140m3/s。上述是多年平均的情況，具體到對于某一年而言，徑流量的年內分配差異就更大。圖3花山站多年月平均流量年內變化2．2泥沙曹娥江陸域來沙量較少，花山站多年平均含沙量為0．237kg/m3，且受上游水庫對泥沙的攔蓄作用以及中游河段采砂的影響，曹娥江陸域來沙量呈明顯下降的趨勢。口門建閘前，河口的泥沙主要來自海域。據實測資料表明，一般小潮期的含沙量低，垂線平均含沙量小于1．00kg/m3；大潮期和洪水期的含沙量高，大于10．00kg/m3；漲潮時的含沙量大于落潮時的含沙量。另外，由于工程建設需要，在2019年6月19～21日期間，于曹娥江下游河段濱海大橋附近進行了水文資料實測，其測點布置如圖4所示。其中，C2測點的含沙量與斷面下泄流量關系如圖5所示。由圖4和圖5可知：在下游曹娥江大閘下泄流量最大時刻附近，測點的含沙量最大，可達到1．80kg/m3；在曹娥江大閘關閘時，流量較小，含沙量也較小，且不足0．10kg/m3。洪水后各測點底質中值粒徑基本大于洪水前，洪水前底質中值粒徑為0．0393～0．0977mm，洪水后底質中值粒徑為0．0493～0．1699mm，粒徑含量以砂和粉砂為主。圖42019年水文測點位置示意圖5C2測點含沙量與斷面流量關系示意

22人民長江2020年3曹娥江河床變化3．1江道容積變化曹娥江大閘建閘前，于2008年5月在上浦閘－曹娥江口門區域進行了1∶10000的地形測量。建閘后，分別于2013年7月和2019年6月又進行了1∶10000的地形測量。基于這3次地形測量資料，對上浦閘－曹娥江口門區域進行了沖淤計算，研究的分段情況如圖6所示。圖6上浦閘－曹娥江大閘江道河床分段容積（3．9m以下）圖6是3次測圖中各河段河床在常水位3．9m以下的容積變化。從圖6可以看出：與2008年5月相比，2013年7月新三江閘以上均為沖刷，上游沖刷幅度愈大；新三江閘以下則是淤積的，愈下游淤積幅度更大。而到了2019年6月，各河段江道均較2013年出現了沖刷，且各河段沖刷幅度較為平均。3．2河床高程變化從沿程來看，2019年袍江大橋以上河段的平均高程在－1．00m以下，即在大閘以上河段常水位為3．9m條件下，上游河段的平均水深在5m以上。袍江大橋—新三江閘一段是全河段河床的最高處，其平均高程在0．32m。新三江閘以下各河段的平均高程在0～－1．00m之間。2008～2013年間，花宮以上河段均有大幅沖刷，平均沖刷幅度在2．4～3．5m；花宮至新三江閘一段河段沖刷幅度較小，在0．6～0．8m；新三江閘以下的則為淤積，平均淤積幅度在0～1．0m。2013～2019年間，上浦閘以下的全線沖刷：花宮以上河段沖刷幅度在0．8～1．7m；花宮至世紀大橋一段的沖刷幅度在0．5～0．8m；世紀大橋以下河段的沖刷幅度在0．5m左右，具體如圖7所示。3．3河床沖淤變化幅度表1是2008～2019年曹娥江上浦閘以下河段各分段的沖淤幅度統計情況。從表1可以看出：2013年較2008年，新三江閘以上都是沖刷的，平均沖刷幅度在0．6～3．5m，且愈向上游沖刷，其沖刷幅度愈大；新三江閘以下河段均為淤積，淤積幅度在0～1．0m，且愈向下游、愈臨近大閘，其淤積幅度也愈大。2019年較之2013年，則呈現出全線沖刷的態勢，袍江大橋上游河段的沖刷幅度在0．9～1．7m，袍江大橋以下河段的沖刷幅度在0．5～0．8m之間。從2008年建閘前至今，上浦閘至曹娥江大閘除最臨近口門大閘的濱海大橋—閘前大橋一段河段淤積外，上游各段河均表現為沖刷，上游河段的沖刷幅度更大。圖7上浦閘—曹娥江大閘江道平均河床高程變化表1上浦閘—曹娥江大閘分段沖淤幅度統計m河段2008年5月至2013年7月至2008年5月至2013年7月2019年6月2019年6月上浦閘－百官公路橋－3．5－1．7－5．2百官公路橋－常臺高速橋－3．0－1．1－4．0花宮彎道－2．4－1．6－4．0花宮－袍江大橋－0．8－0．9－1．7袍江大橋－新三江閘－0．6－0．5－1．1新三江閘－世紀大橋0－0．8－0．8世紀大橋－濱海大橋0．5－0．5－0．1濱海大橋－閘前大橋1．0－0．50．4注：正值代表淤積，負值代表沖刷。3．4局部河段深泓變化特征圖8是袍江大橋—曹娥江大閘自2002年以來的歷次深泓變化。建閘前后袍江大橋以下河段河勢的差異表現為：①在新三江閘彎道處；②另一個在濱海大橋下河段。由圖8還可以看出：口門建閘前的3次測圖中，上游河槽經袍江大橋后，深泓偏向左岸，沿彎道凹岸過新三江閘直角轉彎后受岸線頂沖在世紀大橋上游開始向右岸偏轉，在一號閘上游1．0km至下游1．5km范圍內，深泓穩定在右岸前沿，在濱海大橋的上下游，深槽受上游深泓及塔基沖刷坑的影響，深泓在右岸塔基附近，向下游深泓也基本維持在右岸。口門建閘后，由于不再存在漲潮流，上游河槽經袍江大橋后，深泓仍貼右岸下泄至新三江閘彎道的下游，直至頂沖紹興左岸堤塘后，才向下游偏轉并再度向右岸偏轉，2019年在世紀大橋上下游甚至形成了分汊河

增刊（Ⅱ）鄭國誕，等：曹娥江大閘建閘后閘上河道沖淤變化分析23勢。在一號閘上游1．0km至下游1．5km范圍內，深在濱海大橋上下游，深槽受上游深泓穩定在右岸前沿，橋墩沖刷坑以及下游閘門出口位置的影響，泓及塔基、深泓在右岸塔基附近略有右偏。再向下游，由于受大深泓基本在河道中部。在閘前大橋附閘出口的控制，深泓位置已相對穩定。近，工程區附近河道今后仍有進一步刷深的趨勢。今后上游無洪汛時，下游曹娥江大閘開孔將較少，這樣工程河段的流速會很小，基本不會對河勢產生影動力軸線基本與現狀河勢一致，不會發響；小洪水時，水動力軸線會擺至江中，局部生大的擺動；大洪水時，沖槽淤灘。此外，曹娥江河段河勢將有可能往江中靠，出口河段河道形勢亦有可能發口仍有口門船閘待建，生變化。5結論（1）2008年曹娥江口門建閘后，閘上河道原來受洪沖潮淤、大沖大淤的演變特徑流和潮流的共同作用，閘上河道僅受徑流單向性得到了完全改變。建閘后，上浦閘－濱海大橋河段全線沖刷，沖刷幅度自上作用，最上游沖刷幅度大于5．00m。濱海大橋－而下減小，曹娥江大閘一段相較建閘前仍有小幅淤積，但其演變趨勢則為沖刷。（2）由于曹娥江大閘建成至今才10a時間，閘上江道沖刷亦未見達到河道未經受過特大洪水的沖刷，因此預測工程區附近河道今后仍有進一步平衡狀態，河勢刷深的趨勢。今后上游無洪汛及僅為小洪水時，圖8工程河段歷年深泓變化情況局部河段河勢將有可能不會發生大的變化；大洪水時，沖槽淤灘。往江中靠，參考文獻：［1］潘存鴻，韓曾萃．錢塘江河口保護與治理研究［M］．北京：中國水2018．利水電出版社，［2］浙江省水利水電勘測設計院．浙江省曹娥江大閘樞紐工程初步設2005．計報告［Ｒ］．杭州：浙江省水利水電勘測設計院，［3］潘存鴻，蔡軍，施祖蓉，等．曹娥江徑流特征及其對河口沖淤的影2000，27（6）：671－676．響［J］．浙江大學學報（理學版），［4］吳修鋒，吳時強，周杰．曹娥江大閘閘上江道水流泥沙沖刷數值模2008（1）：96－100．擬計算［J］．水動力學研究與進展，［5］王柏明，史英標，楊元平．潮汐河口閘上河床演變對建閘的響應［J］．水電能源科學，2011，29（5）：99－102．［6］傅利輝，“單向沖刷”章宏偉，黃昉，等．二維動床泥沙數學模型在江道中的應用：以曹娥江為例［J］．浙江大學學報（理學版），2013，7（4）：456－462．（編輯：趙秋云）4演變趨勢分析曹娥江口門大閘建成后，平時關閘蓄水，洪水季開閘上河道僅有徑流作用，潮流閘泄洪。由于關閘擋潮，同時外海來沙也不再輸入河口段。而上游不再上溯，每年僅為68．6萬t，并作為良好的建筑材來沙量很少，閘上河道已成為河道型水庫。洪水料被開采。因此，河口段會發生單向沖刷，桑盆殿附近沙坎在洪季開閘，直至形成以大閘底高程控制水作用下不斷沖刷降低，建閘之后，河口段的沖淤特的沖刷平衡縱剖面。總之，“洪沖潮淤”“單向沖刷”，轉向河道性將由建閘之前的最后達到沖刷平衡。由于曹娥江斷面不斷得以擴大，閘上河道未經歷過特大洪大閘建成至今才10a時間，江道沖刷亦未見達到平衡狀態，因此，預測水的沖刷，J］．人民長江，2020，51（增2）：20－23．引用本文：鄭國誕，曹穎，史英標，等．曹娥江大閘建閘后閘上河道沖淤變化分析［