径潮流交互作用下的钱塘江三江口河段冲淤变化浅析

吴珍梅

(浙江省水文局,浙江 杭州 310009)

1 问题的提出

钱塘江是浙江省第一大河,其河口区以强涌潮现象而闻名天下,强涌潮时期仓前潮位站观测潮高可达3 m多,强涌潮潮区界可深入到富春江坝下。钱塘江干流全长668.1 km,流域面积55 558.4 km2,中上游流域地形以山区丘陵为主,汛期大流量泄洪时流量可达2万m3以上。可见,钱塘江河口地区受潮、洪作用均较为明显。

图1 三江口河段、之江站在钱塘江流域中的位置图

三江口河段位于富春江与浦阳江汇合处下游(见图1),是钱塘江河口区受潮洪交互作用影响的典型河段。之江水文站观测断面地处三江口河段,潮汐属非正规半日潮,在洪、潮交互作用下,受三江口河流急弯影响,落潮主流沿闻堰海塘附近下泄,涨潮主流沿上泗南北大塘上溯,河床冲淤多变,具有洪冲潮淤特性,冲淤幅度右岸处大于左岸。本文根据2011年期间实测之江断面地形数据,对断面在洪水前后、大潮汛前后变化情况进行了分析,进而得出断面在潮洪交互作用下的变化规律。

2 测量工作原理

2.1 大断面测量方法

大断面是指历年最高水位以上0.5～1.0 m的水面线、岸线和河床线的范围。传统断面测量方法是在测深断面上布设测深垂线,并确定其在测深断面上的位置;测定测深垂线的水深。测量内容主要是水深、起点距和水位[1]。

之江断面所处的三江口河段因江道宽度大,船舶通航频繁。之江站断面测量工作采用双频测深仪测深,结合GPS定位的方式开展。测深仪采用加拿大生产的Knudsen320M双频测深系统,测量精度达到厘米级;GPS为中海达生产的V8-star型1+2台套GPS-RTK系统,定位精度达到厘米级。测量作业通过安装有测深仪和GPS移动台的测验船沿施测断面走航的方式进行,测深系统与GPS系统的数据通过中海达HyNav海洋测量软件自动集成,测量成果在计算机上以文件形式输出。

2.2 测深仪工作原理[1-3]

测深仪是利用超声波穿透介质并在不同介质表面产生反射波的现象,利用超声波换能器 (探头)发射超声波,测量发射波和反射波之间的时间差进行测量的。双频测深仪较一般的测深仪灵敏度高,穿透力强。超声波具有定向反射的功能,根据超声波在水中的传播速度和测得的往返时间计算水深。换能器至河底的直线距离为:

式中:L为换能器至河底的直线距离(m);v为超声波在水中的传播速度(m/s);t为超声波在水中的往返时间(s)。

测深仪测深原理见图2,河底高程可由式(2)求得:

式中:h'为河底高程(m);H为GPS移动站实测高程(m);d为GPS移动站至换能器距离(m);L为换能器至水底距离(m)。

图2 测深仪测深示意图

2.3 GPS-RTK工作原理[2-4]

GPS-RTK(Real Time Kinematic)测量技术是以载波相位观测量为根据的实时差分GPS动态测量定位系统,精度达到厘米级。实时动态测量的基本工作方法是:在基准站上安置1台GPS接收机,对所有可见GPS卫星进行连续的观测,并将其观测数据通过无线电传输设备实时发送给用户观测站 (流动站)。在移动站上,GPS接收机在接收GPS卫星信号的同时,通过无线电接收设备,接收基准站传输的观测数据和转换参数,然后根据GPS相对定位的原理,即时解算出相对基准站的基线向量,解算出基准站的WGS-84坐标;再通过预设的WGS-84坐标系与地方坐标系(北京54坐标系、西安80坐标系或独立工程坐标系)的转换参数,实时计算并显示出用户需要的三维坐标及精度。根据实测的三维坐标 (X,Y,H)以及断面起始点坐标即可确定断面上每条垂线的起点距。

式中:b为某条垂线的起点距(m);X0,Y0分别为起始点的二维坐标,X1,Y1分别为某条垂线的二维坐标。

3 数据分析

3.1 内业处理

(1)数据检查与筛选。在测量软件上对采集的数据进行初步处理,打开文件检查每个水深数据,对瞬间跳动较大的测点进行合理性分析并予以修正;按照起点距进行取样,一般每5 m起点距取1个数据,处理后生成“起点距、坐标X、坐标Y、河底高程”格式文件。

(2)大断面面积计算。大断面面积计算见图3。

图3 大断面面积计算示意图

式中:A为某一水位下的大断面面积(m2);b0,b1,…,bn为部分水面宽(m);h0,h1,…,hn为垂线水深(m)。

3.2 洪水影响下的大断面变化分析

2011年6月钱塘江干流发生流域性特大洪水,期间对之江断面进行大断面测量。挑选3份能代表断面变化趋势的断面数据进行分析对比,并绘制之江大断面图(见图4):5月10日:洪水前大断面图;6月16日:实测最大流量17 700 m3/s时的断面地形;6月20日:洪水回落过程中大断面图。

图4 之江站大断面图 (5月10日、6月16日、6月20日)

从图4中可以看出,在起点距为500～850 m处河床冲刷,冲刷深度较大,最大深度达4 m以上。

表1 洪水期5 m水位下的之江断面过水面积对比表

从表1中数据可以看出,洪水期断面冲刷严重,6月20日5 m水位下的过水断面面积较洪水前冲刷了14.7%。

由于之江站断面受东江嘴河流急弯影响,在洪、潮交互作用下,落潮主流沿闻堰海塘附近下泄,涨潮主流沿上泗南北大塘上溯,洪冲潮淤明显,故冲淤幅度右岸大于左岸。汛期右岸河床冲刷强度大,河道刷深显著。

3.3 潮汐影响下的断面变化分析

挑选2011年整年测验间隔均匀的6月27日、7月17日、8月5日、8月19日、9月14日断面数据进行分析,绘制大断面图(见图5)。

图5 之江站大断面图

表2 潮汐作用下5 m水位下的之江断面过水面积对比表

综合图5、表2,9月14日与6月27日相比,5 m水位下过水面积淤积了11.0%。在6月大洪水冲刷河床的情况下,之江站断面泥沙冲刷明显,但经过反复的潮汐作用,由潮水以及上游来水带来的泥沙,使洪水冲刷后的河床被回填,并有趋于洪水前大断面的趋势。这是造成之江站断面变化频繁的主要原因。

4 结 语

(1)运用GPS-RTK与双频测深仪测量大断面地形图,较过去的测量方法更快捷、方便。尤其是对于河面较宽、大断面变化比较频繁的河道,测量难度大、精度差,利用该系统,测量速度快,节省人力,测量精度得到了大幅度提高。

(2)之江站所处位置特殊,位于三江交汇处,受洪水、潮水交互影响,因而河床变化较为明显。受东江嘴河流急弯影响,落潮主流沿闻堰海塘附近下泄,涨潮主流沿上泗南北大塘上溯,故冲淤幅度右岸大于左岸。大洪水时期,大断面变化尤为明显,右岸附近冲刷深度可达4 m以上。

(3)之江水文站观测断面位于闻家堰河段,潮汐属非正规半日潮,受径潮流交互作用和三江口急弯河势等影响,水沙运动和河床变化复杂,但存在一定的周期性和规律性。全年大断面变化趋势表明,该河段处河床存在明显洪冲潮淤的特点。汛期河床刷深,特别是弯道凹岸(右岸);非汛期,由潮水带回的泥沙不断回填被冲刷的河床,并有趋于洪水前的趋势。

[1]谢悦波.水信息技术[M].北京:中国水利水电出版社,2009.

[2]中华人民共和国水利部.SL 257—2000水道观测规范[S].北京:中国水利水电出版社,2000.

[3]中华人民共和国水利部,中华人民共和国电力工业部.SL197—97水利水电工程测量规范[S].北京:中国水利水电出版社,1997.

[4]国家质量技术监督局.GB/T 18314—2001全球定位系统 (GPS)测量规范[S].北京:中国标准出版社,2001.