潮汐河口建闸后闸上江道冲淤变化分析——以曹娥江大闸为例

章宏伟，黄 日方，康 瑛(浙江省水利水电勘测设计院，浙江 杭州 310002)

1 问题的提出

我国海岸线漫长，入海河流众多，其中已经修建挡潮闸的河口有300多个。由于闸下淤积问题是关系到建闸工程成败的关键因素之一，故大多数研究都集中在挡潮闸闸下泥沙运动及冲淤的问题上［1-5］，而对闸上江道的冲淤演变研究却很少［6-7］。潮汐河口建闸后，闸上江道的来沙来水条件发生了很大变化，必将改变闸上江道的冲淤变化规律，进而可能对沿江两岸地区的防洪排涝、堤防和沿江涉水工程 (如跨江大桥)的安全造成影响，需值得关注。

曹娥江大闸是我国已建的潮汐河口最大挡潮闸，工程位于钱塘江南岸堤防规划线的曹娥江河口 (见图1)，已于2008年12日18日正式下闸蓄水。本文以曹娥江口门建闸为例，采用下闸蓄水前的2008年5月，大闸建成后的2010年7月、2011年7月、2013年10月，共4次实测水下地形资料，对比分析曹娥江口门建闸后运行至今闸上江道的冲淤变化情况。本研究结果有助于加深对潮汐河口建闸后闸上江道冲淤变化规律的认识，掌握类似工程建设可能带来的影响，并对大闸的运行管理具有指导意义。

图1 曹娥江大闸位置示意图

2 曹娥江河口及大闸枢纽工程概况

2.1 建闸前水沙及河床演变特性

曹娥江是钱塘江第二大支流，流域面积6080km2。为拦引曹娥江径流补给姚江平原灌溉用水，1979年在感潮河段的上段修建了拦河节制闸上浦闸。上浦闸以上以径流作用为主;上浦闸以下至口门受径流和潮流共同作用。

根据曹娥江东沙埠水文站 (1983年后上移至花山)统计，曹娥江多年平均径流量为77.3m3/s，具有山溪性河流洪枯悬殊的特点。

曹娥江河口潮汐为非正规半日潮，潮波传入钱塘江至曹娥江河口时已显著变形，涨潮历时一般为3.00～4.00h，不及落潮历时 (约9.00h)的1/2。潮波进入曹娥江河道后进一步变形，桑盆殿潮位站资料表明，多年平均高潮位3.88m、低潮位2.76m，平均潮差1.12m，最大潮差5.40m;涨潮历时1.83h，落潮历时10.50h。

曹娥江为少沙河流，花山站多年平均年悬移质输沙35.91万t，推移质输沙量按悬移质的20%计，该站年总输沙量为43.08万t。建闸前，曹娥江河口为感潮河段，泥沙主要来自于外海，泥沙中值粒径为0.02～0.04mm，易冲易淤，含沙量变化幅度较大。潮流泥沙实测资料表明，小潮含沙量较低，垂线平均含沙量一般在1.0kg/m3以下;大潮含沙量较高，垂线平均含沙量一般在3.0kg/m3左右，最大可达10.0～20.0kg/m3。

由于河床由易冲易淤的细粉沙组成，加之建闸前受径流和潮流共同作用，曹娥江河口段河床具有洪冲潮淤的特点［8］。非汛期时，河道受潮流控制，因潮波的不对称性，涨潮流速大于落潮流速，从而涨潮含沙量及输沙量远大于落潮，涨、落潮输沙量的比值一般达3～4倍，河道以淤积为主。反之，当曹娥江上游径流量较大时，落潮流速增大，河道就会产生冲刷。因此，曹娥江河床年际变化特征表现为丰水年冲、枯水年淤;而年内变化特征是洪水期冲、枯水期淤。

2.2 曹娥江大闸枢纽工程及调度运行情况

曹娥江大闸枢纽工程由挡潮泄洪闸、堵坝、鱼道、上、下游导流堤组成。挡潮泄洪闸总宽697m，总净宽560m，共28孔，单孔净宽为20m。5个分隔墩将28孔闸分6厢，中间2厢每厢4个闸孔，两边4厢每厢5个闸孔。曹娥江大闸于2008年6月建成，并于同年12月开始试运行。

由于曹娥江流域水雨情复杂，为确保闸上两岸平原的防洪排涝安全，大闸针对干流为主洪水、平原为主洪水及流域暴雨洪水3种不同情况，以花山站实测流量和绍兴水文站水位为判断指标，分别设置了相应的调度规则，开闸孔数由4～28孔不等。2009—2012年的大闸调度运行情况见表1。

表1 曹娥江大闸调度运行情况表

(1)大闸开启频繁且运行天数与流域降雨量关系密切。流域降雨量大，闸门需要开闸排水的天数就多，如2012年的降雨量比往年多30%，闸门运行天数达到了169d，接近全年总天数的1/2。

(2)大闸开启24孔及以上的次数较少，运行4a来，总计才26次。曹娥江大闸闸前河道宽浅，最宽处河道宽度达1500m。大孔数开闸次数少，意味着闸前河道水动力条件不强。

3 冲淤演变分析

曹娥江大闸建成后，平时关闸挡潮，阻挡外海泥沙入江;洪水期开闸放水，将建闸前淤积在河道中的泥沙逐步带出，江道河床在洪水作用下不断得以冲刷发育，直至形成建闸后新的河床平衡剖面。

图2和图3分别为2008年5月至2013年10月曹娥江河口段 (上浦闸—曹娥江大闸)河床平均高程变化图、深泓高程变化图。分析可见:

(1)2008年5月时大闸尚未完全建成，河口段仍有潮水进出，在径流和潮流的相互作用以及由于河床易冲易淤的特性，使得曹娥江河床高程沿纵剖面呈“中间高，两头低”分布，沙坎顶点位于花宫渡附近 (汇联闸一带)，河床平均高程达到了5.50m。

(2)大闸建成后，阻挡了外江泥沙，新三江闸以上江道由于缺少泥沙补给，加之河床土质主要为粉沙质，黏性很小，极易冲刷，在持续单向水流作用下呈现较明显冲刷，河道束窄段和拐弯段尤其明显，如上浦闸下游约5.5km的南穴、百官和花宫渡。南穴2008年5月的深泓高程1.11m，2010年7月时深泓高程已降至-6.54m，2011年7月进一步降至-7.67m，至2013年10月深泓高程已达-8.15m，5a时间深泓高程总计降低了9.26m，河床平均高程也刷深了4.13m。百官断面深泓高程由2008年的1.58m降至2013年的-8.55m，冲深了10.13m;河床平均高程由2008年的4.08m降至2013年的-0.53m，刷深了4.61m。花宫渡附近5a来深泓高程总计降低了9.50m，河床平均高程刷深了4.94m。

(3)新三江闸以下至曹娥江大闸闸前段江道开阔，大闸开闸排水时随水流由上游搬运下来的泥沙除部分被带出曹娥江外，其余则留在该河段中，该河段表现为缓慢冲刷，局部断面有冲有淤。统计2008年5月、2010年7月、2011年7月、2013年10月新三江闸至曹娥江大闸闸前河段的河床平均高程，分别为0.52，1.55，1.08，0.81m。与2008年5月地形相比，该河段目前仍呈淤积态势，但这主要是由于当时大闸尚未下闸运行、闸前河段仍有潮流进出，因而使得河床高程较低;从建闸后的情况来看，2011年较2010年平均高程降低了0.47m，2013年又较2011年降低了0.27m，呈现缓慢冲刷。

(4)闸上江道以新三江闸为界，以上呈较明显冲刷、以下呈缓慢冲刷的原因主要有2点:一是山区性入海河流上窄下宽的河宽特点。为保证江道有足够河宽和过水断面积，满足泄洪纳潮的需要，山区性入海河流河宽一般自上而下沿程增大;曹娥江河口段上游河道宽度仅300m，而到了闸前，河道宽度达到了1500m，相同水位条件下下游段的过水面积远大于上游河段，因而受到的水流冲刷影响要明显小于上游。二是大闸大流量排水的时间不多。从大闸建成后运行至今的情况来看，大闸开启24孔及以上的次数极少且持续时间也短，加上闸前河道开阔，闸前河段的水动力条件不强，对河床的冲刷作用也较为有限，因而河床的冲刷幅度不大。

图2 闸上江道河床平均高程纵剖面变化图

图3 闸上江道深泓高程变化图

4 结语

曹娥江河口建闸后闸上江道的来水来沙条件发生了很大变化，由洪冲潮淤变为单向冲刷。采用大闸蓄水前地形和大闸下闸运行后的3次地形，从深泓高程和河床平均高程对比分析了建闸后闸上江道冲淤变化情况。建闸后曹娥江河口段以新三江闸为界，以上河段呈现较明显冲刷，深泓最大冲深已超过10.0m，河床平均高程最大冲深也接近5.0m;新三江闸以下河段江道开阔，加之大孔数开闸次数较少，水动力条件相对较弱，河段表现为缓慢冲刷。建议对新三江闸以上河段的沿江堤防、跨江桥梁等涉水工程进行必要的防护，及早做好防冲加固工程措施。

［1］潘存鸿，卢祥兴，韩海骞，等.潮汐河口支流建闸闸下淤积研究 ［J］.海洋工程，2006(2):38-44.

［2］杨元平，唐子文，史英标.曹娥江大闸闸下淤积现状分析及减淤对策初探［J］.浙江水利科技，2013(2):35-39.

［3］金元欢，沈焕庭.我国建闸河口冲淤特性 ［J］.泥沙研究，1991(4):59-68.

［4］王宏江，泥质河口闸下冲淤特性及冲淤量的分析预报 ［J］.海洋工程，2002(4):78-84.

［5］徐雪松，窦希萍，陈星，等.建闸河口闸下淤积问题研究综述［J］.水运工程，2012(2):116-121.

［6］吴修锋，吴时强，周杰.曹娥江大闸闸上江道水流泥沙冲刷数值模拟计算［J］.水动力学研究与进展，2008(1):96-100.

［7］王柏明，史英标，杨元平.潮汐河口闸上河床演变对建闸的响应 ［J］.水电能源科学，2011(5):99-102.

［8］潘存鸿，蔡军，施祖蓉，等.曹娥江径流特性及其对河口冲淤的影响［J］.浙江大学学报:理学版，2000(6):671-676.