椒江河口河床宽深比对水沙条件的响应分析

周鸿权，李伯根，顾裕兵，巩 明，杨 辉

（1.国家海洋局 第二海洋研究所 工程海洋学重点实验室，浙江 杭州 310012；2.浙江省电力设计院，浙江 杭州 310012）

0 引言

椒江河口位于浙江沿海中部，属于典型的山溪性强潮河口。椒江支流永宁江上游于1962年修筑长潭水库后，流域流量大幅减少，椒江河口海门港区及航道淤积较为严重，影响了航运能力和港口正常作业。这引起了港务管理部门、港口工程师及河口沉积地貌学者的关注。自20个世纪70年代以来，对椒江河口水文泥沙进行了多次调查研究，从河床淤积的角度，着重于河口形成过程［1］、沉积［1－2］、地貌特征［1］、水文泥沙特性［3－4］、港区航道淤积原因①海门港务管理局.长潭水库对椒江航道产生的影响［R］.1990.、最大浊度带形成机理［5］、悬沙质量浓度分布规律［6－7］、高浑浊水混合过程［8］、泥跃层形成机理［9］、浮泥运动规 律［10］、河床 冲淤调整机理［11］等诸方面进行了大量的研究工作。但是，就椒江河床形态调整的动力机理到目前为止尚未有专门研究的报道。

感潮河口河床形态调整既要与流域来水来沙相适应，又要适应于海域动力泥沙的周期变化［12］，最终与双向水沙条件、边界条件等因素趋于动态平衡。河床形态调整的结果往往体现在纵剖面和横断面的形态变形，通常采用半经验半定量分析的河相关系［12－14］，分析河床形态变化特征。本文利用多年水文泥沙资料及较长期的水深地形资料，对不同年份的河床横断面宽深比与相应的流域来水来沙和潮动力因素进行回归分析，探讨椒江河口河床形态长周期调整对水沙条件的响应，这不但可以丰富山溪性强潮河口河床形态调整的认识，也对该类河口的航道整治、资源合理开发和可持续利用具有较重要的意义。

1 研究区概况

椒江流域是浙江沿海第三大流域，自河源至海口（牛头颈）全长190km，流域面积约为6 290km2［1］。上游永安溪发源于仙居牛坞尖，自西南向东北流，至临海三江村与来自天台的始丰溪汇合成灵江（干流），在三江口南岸纳支流永宁江后称椒江，经海门、牛头颈入浙江沿海中部台州湾（东海）［11］（图1）。据收集到的水深地形资料测量范围，本文的研究区主要位于石仙妇下游至牛头颈附近的河口段（图1）。

椒江河口水体含沙量高［1，9］，2003年垂线平均含沙量大潮期大多超过8kg·m－3，小潮期为2～5kg·m－3，底层含沙量普遍超过10kg·m－3，实测底层最高含沙量达83.4kg·m－3②。

2 基础资料和研究方法

图1 椒江流域和研究区位置Fig.1 Location of the study area and Jiaojiang River Basin

椒江河口隐蔽条件较好，不易受外海波浪影响，主要受径流和潮流的双向水流作用［11］。径流流量洪枯悬殊，洪水暴涨暴落［3］。据上游3个主要控制站1957—2005年间的径流资料，永安溪最大洪峰流量为7 840m3·s－1，最小流量为0.27m3·s－1；始丰溪最大洪峰流量达4 850m3·s－1，最小流量仅为0.06 m3·s－1。径流主要集中在汛期，梅汛期（5—6月）为主要输水期，洪汛期（8—9月）为主要输沙期，年内输水与输沙不尽同步［3］。年际变化径流量与输沙量也不完全一致，丰（枯）水年未必多（少）沙年［3］。

椒江河口潮汐类型属于非正规半日潮［4］，为强潮河口，潮差大，潮流强［1，9］。据海门水文站1952—2003年间实测潮位资料，多年平均潮差为4.02m，最大潮差可达6.87m。潮差自口外向口内增加，在三江口为最大，向上游又减小［9］。2003年实测大潮期涨、落潮流最大流速为1.92和1.67m·s－1②浙江大学，台州市港航管理局.椒江口内航道2003年水文测验报告［R］.2003.。

本研究收集了椒江口1962，1970，1977，1984，1990和1993—2003年共16个年份的历史海图和水深地形图，利用GIS软件对图件数字化处理，并统一至北京54坐标系和理论最低潮面后进行内插，建立不同年份水深地形数字高程模型（DEM），从这些模型中截取出椒江口10个典型横断面的水深数据（断面位置如图2所示），计算中潮位下的宽深比H），表征河口河床横断面形态。为便于分析，以1＃～3＃横断面的平均宽深比代表弯曲河段河床形态，4＃～10＃横断面的平均宽深比代表顺直河段河床形态，全部10个横断面的平均宽深比表征全河段河床形态。受水沙资料的限制，考虑到径流流量与输沙量的多年、季节变化并不同步，采用各年份水深地形测量的当月和前12个月的平均流量（单位：m3·s－1）和平均输沙率（单位：kg·s－1）表征径流作用，海门水文站涨潮平均潮差（单位：m）表征潮动力强度。利用Excel和SPSS软件，分析椒江河口河床宽深比与水沙条件间的统计关系。

图2 典型横断面位置示意Fig.2 Sketch map of typical transections

3 结果

3.1 河床宽深比长周期变化基本特征

椒江河口全河段平均宽深比计算结果显示（表1和图3），河床宽深比长周期变化主要经历了4个阶段：1962—1977年间，河床平均宽深比由7.79减至7.56，说明河床横断面形态趋向窄深发展，这意味着河床总体趋于冲刷；1977—1984年间，平均宽深比由7.56增加至8.28，说明河床横断面趋向宽浅发展，意味着河床总体趋于淤积；1984—1994年间，平均宽深比由8.28减小至7.99，说明河床横断面又向窄深调整，这意味着河床趋向冲刷；至1994—2003年的近10 a间，平均宽深比由7.99减至最小6.90，说明椒江河口河床横断面形态加速向窄深发展，意味着河床总体趋向加速冲刷，这与河床平面冲淤变化基本一致［11］。弯曲河段与顺直河段河床宽深比变化相比较，弯曲河段平均宽深比逐年份都较顺直河段大（图3），说明弯曲河段河床横断面形态总体相对较宽浅，顺直河段河床总体相对较窄深。弯曲河段、顺直河段河床横断面形态长期调整总体趋势与椒江河口全河段基本一致，但是，不同年份间两个河段存在一定差异，甚至出现相反的调整趋势。1962—1970年间，弯曲河段河床横断面形态趋向于窄深，而顺直河段却向宽浅发展；1984—1990年间，弯曲河段延续前一个阶段向宽浅发展，而顺直河段已转为趋向窄深发展；1994年后，弯曲河段向窄深变化的速度也明显不及顺直河段显著（图3）。

表1 椒江河口各区段平均宽深比Tab.1 Mean width－depth ratio of each segment of Jiaojiang Estuary

图3 椒江河口河床平均宽深比多年变化Fig.3 Mutli－year variation of mean width－depth ratio of the riverbed of Jiaojiang Estuary

3.2 河床宽深比与水沙条件之间的统计关系

3.2.1 沿程横断面宽深比与径流平均流量的相关性

水深地形测量当月和前12个月的平均流量与宽深比之间的相关分析显示（表2），水深测量当月的平均流量与宽深比之间的相关系数都较小，均在0.5以下，说明两者的相关性不明显。

测量前12个月的平均流量与宽深比之间的相关性存在较明显的区段差异（表2）。位于江口沙上游的1＃和2＃横断面的相关系数较大，最大相关系数均大于0.55，说明这两个横断面宽深比与平均流量之间具有较好的相关性，最大相关系数均由二项式回归方程得到；且线性回归系数也超过0.55，线性回归方程能通过显著性为0.014和0.026的F检验，表明两者之间呈现一定的线性相关。但是，江口沙下游的横断面（3＃～10＃）宽深比与对应平均流量之间最大相关系数大多小于0.4，说明两者之间的相关性不明显。

表2 典型横断面宽深比与径流平均流量之间的相关性（n＝16）Tab.2 Correlation between the width－depth ratio of typical transections and the mean water discharge（n＝16）

3.2.2 沿程横断面宽深比与径流平均输沙率的相关性

水深地形测量当月和前12个月的平均输沙率与宽深比之间的相关分析显示，水深测量当月的平均输沙率与宽深比之间的相关系数都较小，全部小于0.5，说明这两者之间的相关性不明显（表3）。

水深地形测量前12个月的平均输沙率与宽深比之间的相关性存在着区段差异。位于江口沙上游的1＃和2＃横断面的相关系数较大，最大相关系数均超过0.6（表3），说明这两个横断面宽深比与平均输沙率之间存在着较明显的相关性，最大相关系数分别来自对数和二项式回归；线性回归的相关系数也均超过0.55，且线性回归方程能够通过显著性水平为0.000和0.024的F检验，线性回归方程效果较显著。3＃～10＃横断面宽深比与对应平均输沙率之间的相关性与平均流量有所不同，在3＃、4＃和7＃横断面两者的相关系数较小，而在5＃、6＃、8＃～10＃横断面两者显示出了一定的相关性，最大相关系数在0.50～0.65间，但明显小于1＃横断面；3＃～10＃横断面宽深比与平均输沙率间线性回归的相关系数较小，河床宽深比与对应平均输沙率间的线性相关不明显。

3.2.3 沿程横断面宽深比与平均潮差的相关性

水深地形测量当月和前12个月的平均潮差与宽深比之间的相关分析显示（表4），水深地形测量当月的平均潮差与2＃横断面宽深比之间的最大相关系数为0.575，显现出一定的相关性，其余横断面两者的相关系数都较小，说明在其它横断面两者不存在明显的相关性。

水深地形测量前12个月的平均潮差与宽深比之间的相关性存在较明显的区段差异，且和平均流量与宽深比的相关关系总体上具有相反的趋势。1＃、4＃和5＃横断面宽深比与对应平均潮差之间未表现出明显的相关性，其余横断面都呈现出一定的相关性，尤其是6＃～10＃横断面相关系数较大，最大相关系数超过0.8，远大于平均流量和平均输沙率对应的相关系数，说明在这些横断面河床宽深比与平均潮差之间相关性较好；同时6＃～10＃横断面线性回归方程的相关系数也均在0.55以上，线性回归方程能通过显著性水平小于0.026的F检验，线性回归效果较显著。

表3 典型横断面宽深比与径流平均输沙率的相关性（n＝16）Tab.3 Correlation between the width－depth ratio of typical transections and the mean suspended sediment discharge（n＝16）

表4 典型横断面宽深比与平均潮差的相关性（n＝16）Tab.4 Correlation between the width－depth ratio of typical transections and the mean tidal range（n＝16）

4 讨论

如前所述，水深地形测量当月的水沙条件，无论是径流平均流量、平均输沙率，还是表征潮动力的平均潮差，与沿程各横断面宽深比之间的相关系数均较小，而水深测量前12个月的水沙条件与横断面宽深比之间表现出一定的相关性。椒江径流流量洪枯悬殊，汛期暴涨暴落，对河口河床影响深刻，河床形态随即作出响应；但历时更长的枯季，径流来水来沙量较小，与潮流共同作用，河床形态对这种水沙条件的响应相对较缓慢。由于多年水深地形测量的月份不一，水深测量当月的水沙条件难以反映径流和潮流对河床形态调整的影响。水深测量前12个月水沙条件虽然对汛期径流的造床作用有所弱化，但由于汛期径流对河口河床影响深刻，同时这也可以体现枯季水沙条件对河床形态的缓慢作用，故水深测量前12个月的水沙条件能够更好地反映较长周期对河床形态的影响。

通过沿程横断面宽深比与水深测量前12个月水沙条件统计分析，径流流量、输沙和潮动力对不同河段河床形态调整存在着不同的影响。1＃和2＃横断面的宽深比与平均流量和平均输沙率相关性相对较好，下游的横断面（6＃横断面以下）则与平均潮差的相关性相对较好，这在一定程度上反映出，椒江河口河床形态长周期调整受径流和潮动力双向影响程度对比也存在着一定的规律，沿程可能此消彼长，径流作用总体上对河床形态调整的影响在江口沙以上河段（1＃和2＃横断面）表现相对较明显，而潮动力对柵浦以下河段（6＃横断面以下）河床形态调整的影响相对较显著，这应是弯曲河段和顺直河段河床横断面形态长周期调整存在差异的影响因素（图3）；中间的江口沙至三山河段（3＃和4＃横断面），河床宽深比与各水沙因子的相关性均较差，说明该段河床形态调整相对复杂，这可能与永宁江口建闸堵口等人为影响直接有关。

如上所述，水沙条件单因子与宽深比存在着一定的线性相关，通过弯曲河段典型横断面（1＃和2＃横断面）、顺直河段典型横断面（5＃～10＃横断面）的平均宽深比（Y）与水深测量前12个月的平均流量（X1）、平均输沙率（X2）和平均潮差（X3）无量纲化后进行多元线性回归结果显示，两个河段的平均宽深比与水沙因子之间的复相关系数较大（表5），均超过0.75，且回归方程能通过显著性水平0.002和0.014的F检验，表明多元线性回归效果显著。河床宽深比与径流平均输沙率呈正相关，径流产沙量越大，河床宽深比越大，河床趋向于宽浅；径流产沙量越小，河床宽深比越小，河床趋向窄深，这与椒江干流多年输沙量趋于减少的背景下，河口河床横断面长周期调整的基本特征相一致（图3）。顺直河段河床宽深比与平均流量呈负相关，径流来水越多，河床刷深，河床向窄深发展；若来水减少，河床将趋于宽浅。弯曲河段河床宽深比与平均流量呈正相关，与顺直河段相反，这可能与两河段水流结构不同有关。河床宽深比与平均潮差呈负相关，这意味着潮动力越强、河床越趋向窄深，这似乎有别于以往潮流对椒江河口河床冲淤影响的认识［1，3］，这可能是受1987年开始建设的长顺坝等工程的人为作用影响，工程可能改变了潮动力对河口局部河段河床形态长周期调整所起到的效果［15－16］。

另外，弯曲河段回归方程潮差的偏回归系数绝对值较径流两个因素小，而顺直河段回归方程潮差的偏回归系数绝对值明显大于径流因素，这也反映了弯曲河段受径流作用相对较明显，顺直河段受潮动力影响较显著。

应该指出的是，受水深地形重复测量频次的限制，椒江河口河床形态调整对汛期洪峰水沙条件的响应难以分析，有待于进一步研究。

表5 各河口段多元线性回归方程（n＝16）Tab.5 Multiple linear regression models of each segment of Jiaojiang Estuary（n＝16）

5 结论

（1）椒江河口全河段河床横断面形态长周期调整主要经历了1962—1977年间趋向窄深发展、1977—1984年间趋向宽浅发展、1984—1994年间又向窄深调整以及1994—2003年间加速向窄深发展的四个阶段。弯曲河段和顺直河段河床横断面形态调整过程有所不同。

（2）沿程横断面宽深比与水深地形测量当月的水沙条件相关性较差，与水深测量前12个月的水沙条件呈现一定的相关性，后者能更好地反映水沙条件对河床形态长周期调整的影响。

（3）椒江河口河床形态受径流、潮流影响程度沿程可能此消彼长，径流作用对江口沙以上河段作用较明显，潮动力对柵浦以下河段影响较显著，其间江口沙至三山河段相对复杂，其原因可能与永宁江口建闸堵口等人为影响直接有关。这应是弯曲河段和顺直河段河床横断面形态长周期调整差异的影响因素。

（4）多元回归分析表明河床宽深比与径流平均输沙率正相关，径流产沙量越小，河床形态趋向窄深，这与椒江输沙量趋于减少、河口河床横断面形态长周期调整基本特征相一致。顺直河段河床宽深比与平均流量负相关，径流来水减少，河床趋于宽浅；弯曲河段通常与顺直河段水流结构不同，宽深比与平均流量正相关。河床宽深比与平均潮差呈负相关，应是受河口长顺坝等工程的人为作用影响，改变了潮动力对河口河床形态调整所起的作用。

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