宁波市三江河道水沙变化规律及成因分析

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(1.浙江省水利河口研究院， 杭州 310020；2.宁波市三江河道管理局， 浙江 宁波 315020)

1 研究背景

宁波市的姚江、奉化江和甬江俗称“三江”。三江河道既是宁波市主要的行洪排涝通道，也是沟通内陆与出海海运的重要通道，同时也造就了宁波市三江六岸穿城而过的独特景观。历史上，三江河道在径、潮流的共同作用下河床整体较为稳定。然而自20世纪后半叶以来，由于受姚江大闸(1959年)、镇海拦海大堤(1975年)以及沿江桥梁和码头(20世纪80年代后)等工程的建设的影响，三江河道水沙特性发生了较大变化[1]，整体上导致了三江纳潮量减少，潮波变形，河床普遍淤积[2-4]。河流水沙特性及其变化规律的研究是分析河床演变机理的基础，近年来大量学者对三江河道的水沙特性进行了研究[1, 5-6]，研究表明，甬江含沙量峰值滞后于流速涨急、落急1～2 h左右，含沙量整体呈现枯季大于洪季、大潮大于小潮的特征。但这些研究多集中于三江河道近期的某一次或某几次水文测验进行分析，探讨水沙的季节性变化及一个潮周期内的变化规律，而对于中长时间尺度的三江河道水沙变化特征及其原因的探讨较少，难以反映外海水沙变化、河床冲淤变化及人类工程建设等因素对三江河道水沙变化特征的影响。本文基于2013—2016年三江河道7次水文测验资料，分析三江河道水沙沿程变化规律，并结合1987年水文测验资料和多年潮位资料，分析了近30 a来三江河道潮汐、潮流、含沙量和输沙量变化特征，以期为三江河道的河床演变分析提供一定的科学依据，以及为甬江流域的治理提供一定的技术支撑。

2 研究区域及数据资料

2.1 研究区域

姚江、奉化江和甬江汇合于市区三江口，其中奉化江方桥三江口—市区三江口河段长约27 km，姚江大闸—市区三江口河段长约3.3 km，市区三江口以下至镇海出海口为甬江干流，全长约25.6 km(图1)。1973—2016年姚江大闸多年平均排水量约12.51亿m3，奉化江澄浪堰水文站多年平均径流量约为17.16亿m3，甬江多年平均径流量为二者之和，约29.67亿m3。

图1 研究区域和监测断面Fig.1 Study area and monitoring sections

2.2 数据资料

(1)潮汐资料：三江河道共有4个长期潮位观测站，从出海口往上游分别为镇海站、宁波站、澄浪堰站和北渡站(图1)。本文收集到1953—2016年镇海站和宁波站、1982—2016年澄浪堰站以及1965—2016年北渡站的年平均高潮位和低潮位特征值。上述潮位特征值均统一至1985国家高程基准。

(2)水文泥沙观测资料：2013—2016年三江河道共实施了7次水文测量，分别为2013年的12月份、2014年的6月份和11月份、2015年的3月份和11月份、2016年的3月份和11月份。水文测验期间，在甬江口、杨木碶和澄浪堰布置3个监测断面，每个断面布设3条垂线(图1)。在每条垂线上分别进行潮流量(包括流速流向)、含沙量、悬沙和底沙颗粒级配、水温和盐度监测。此外，本文还收集到1987年的8月份和12月份镇海和杨木碶断面水文测验资料(图1)，其中镇海断面监测了潮流量和含沙量，澄浪堰断面仅监测了潮流量。

3 成果分析

3.1 潮汐特征

三江河道4个潮位站各年代平均高潮位和平均低潮位如图2所示。自1980s(20世纪80年代)起各站平均高潮位均呈上升趋势，2010—2016年镇海、宁波、澄浪堰和北渡站平均高潮位分别较1980s抬升约0.33，0.20，0.22，0.10 m。镇海站平均低潮位自1970s起呈下降趋势，2010—2016年平均低潮位较1970s降低约0.15 m；宁波站和澄浪堰站低潮位在1980s—2000s期间整体较为稳定，但2010—2016年较2000s抬升明显，分别抬升约0.16 m和0.15 m；北渡站平均低潮位自1960s起呈持续上升趋势，至2010—2016年累计抬升约0.57 m。

3.2 含沙量

含沙量高低与潮汛大小密切相关，整体表现为大潮大于小潮的特征。含沙量的垂线分布多表现为Ⅱ型[7]，即含沙量自表层向底层逐渐增加，与甬江河段2010—2011年观测特征基本一致[1]。各测次大潮期，各断面平均含沙量如图3所示，整体上含沙量自甬江口向上游逐渐递减，其中甬江口—杨木碶河段含沙量沿程衰减梯度要大于杨木碶—澄浪堰河段，甬江口—杨木碶河段每km含沙量平均减小约0.06 kg/m3，约为杨木碶—澄浪堰河段的3倍。

注：1960s表示1960—1969年，以此类推。镇海和宁波站1950s为1953—1959年，澄浪堰1980s为1982—1989年，北渡站1960s为1965—1969年，各站2010s均为2010—2016年图2 各年代潮汐特征值变化Fig.2 Variation of tide characteristic in 1953-2016

图3 各测次大潮期各监测断面平均含沙量变化Fig.3 Variation of average sediment concentration at each monitoring section in spring tide

3.3 潮量和输沙量

三江河段涨潮量和涨潮输沙量自甬江口向上游逐渐衰减。各测次甬江口平均涨潮潮差约2.27 m，与2010—2016年镇海站平均潮差相当。在此动力下，甬江口断面各测次平均涨潮量和涨潮输沙量分别约2 002.76万m3和3.59万t，至杨木碶断面涨潮量和输沙量衰减至1 067.52万m3和1.10万t，减少约46.7%和69.4%。至澄浪堰断面，涨潮量和输沙量已减少至764.77万m3和0.56万t，较甬江口断面分别减少约61.8%和84.4%(表1)，即输沙量的减小幅度要大于潮量，这主要是由于在潮量沿程递减的同时，含沙量也在逐渐减小。

表1各监测断面2013—2016年各测次涨潮平均潮量和输沙量

Table1Averagetidalvolumeandsedimentdischargesofrisingtideateachmonitoringsectionin2013-2016

监测断面潮量/(万m3)输沙量/(万t)甬江口2002.763.59杨木碶1067.521.10澄浪堰764.770.56

3.4 近30 a来三江河道水沙变化特征

1987年水文测验中，澄浪堰断面与2013—2016年水文测验期间断面一致，1987年监测镇海断面虽位于2013—2016年的甬江口断面上游约4.5 km(图1)，但整体亦能表征甬江入海口水域水沙特征。

1987年和2013—2016年甬江口和澄浪堰涨潮平均流速、涨潮量和潮差关系如图4所示，各时期流速和潮量与潮差的相关性均较好。同等潮差下，2013—2016年甬江口和澄浪堰断面流速与1987年均基本一致，无明显变化，而涨潮量则呈减小趋势。对于甬江口断面来说，以多年平均潮差1.88 m为例，1987年镇海断面涨潮量约2 082.7万m3，而2013—2016年甬江口断面涨潮量约1 709.9万m3，减小约17.9%，若考虑到二者监测断面的不同，其减小幅度要更大。对于澄浪堰断面来说，以多年平均潮差1.61 m为例，1987年涨潮量约1 060.7万m3，2013—2016年约736.2万m3，减小约30.6%。

图4 甬江口涨潮和澄浪堰涨潮平均流速及涨潮量 与潮差的关系Fig.4 Relations of average tidal flow velocity and tidal volume against tidal range at Yongjiang estuary and Chenglangyan station

由于含沙量和输沙量随季节变化较大，因而只选取监测时间较为一致的冬季测次比较。1987年和2013—2016年冬季甬江口涨潮平均含沙量、输沙量和潮差关系如图5所示，同样潮差下，2013—2016年甬江口断面含沙量和输沙量较1987年均增大。1987年12月测次中1.59 m潮差对应的断面平均含沙量为0.79 kg/m3，而2014年11月测次中1.55 m潮差对应的断面平均含沙量为1.42 kg/m3，较1987年增加约79.7%。同样1987年12月1.90 m潮差对应的断面输沙量约为2.53万t，而2013年12月和2014年11月测次中1.84 m潮差对应的平均输沙量为3.89万t，较1987年增加约53.8%。

图5 甬江口涨潮平均含沙量及输沙量和潮差的关系Fig.5 Relations of average tidal sediment concentration and tidal sediment discharge against tidal range at Yongjiang estuary station

4 成因分析

4.1 潮汐特征变化原因分析

一般而言，河口潮汐特征变化主要与径流、外海潮位、河势变化及人类活动等因素有关，各因素对各站高、低潮位的影响如表2所示。

表2 各因子对三江潮汐特征的影响Table 2 Influence of various factors on tidalcharacteristics of the Three Rivers of Ningbo

注：“+,-”分别表示正相关和负相关，“/”表示该因素对该站该潮汐特征值几乎无影响或影响较小

(1)近期径流量大幅度增加。甬江1980s，1990s，2000s，2010—2016年各时期多年平均径流量分别为29.58，29.81，26.12，33.66亿m3；2010—2016年平均径流量较2000s增加了约28.9%，即径流量的大幅增加可能是导致北渡、澄浪堰和宁波站在该时期低潮位抬升较快的原因之一。

(2)海平面上升，外海潮位抬高。根据国家海洋局《2015年中国海平面公报》，1980—2015年中国沿海海平面上升速率为3.0 mm/a，高于同期全球平均水平。有关研究表明，甬江口所在的杭州湾外海海平面上升幅度2.83～4.05 mm/a[8]。据甬江口外的岱山站多年潮位资料统计，1980—2015年岱山站平均海平面累计抬升约0.15 m，折合年均抬升速率约4.3 mm/a，即海平面上升亦是导致三江河道自20世纪80年代来高、低潮位普遍抬升的原因之一。同时，岱山站2010—2015年多年平均高潮位较1980s上升约0.25 m，较2000s抬升约0.11 m，亦与该时期甬江口镇海站高潮位快速抬升趋势基本一致。

(3)河床淤高。与三江河道其它潮位站不同，北渡站多年平均低潮位自1960s起就呈持续上升趋势，且抬升幅度较大，至2010s(2010—2016年)多年平均低潮位已抬升0.57 m。这可能与该时期奉化江上游河道呈淤积态势有关。依据奉化江1962，2009，2015年3次地形测图，其上游方桥三江口—铜盆闸河段1962—2015年多年平均潮位下河床累计淤积约954万m3，河床平均抬升约4.13 m，其中1962—2009年淤积约834万m3，河床平均抬升约3.61 m[9]。虽然年均约18万m3的淤积相对于该河段约940万m3的河床容积来说整体幅度不大，但若放在长历时来看，其累计效果是惊人的，因而河床淤积亦是三江河道潮位抬升的重要贡献因素之一。

(4)人类活动影响。为新建镇海港，1975年8月在招宝山至游山间抛筑了长约3 186 m的导堤，使甬江口门下移至外有山附近[10](图1中的局部放大图)。河口区的围涂及河口延长，会导致潮波反射增强，潮波变形增大，从而导致高潮位抬升，低潮位变化不大或略降[11]。此外20世纪80年代以来三江河段大规模的桥梁、码头建设亦对三江河道水位产生了一定影响。据统计，三江河道目前共有跨江桥梁21座，甬江两岸现有码头212座。单一的桥梁、码头等涉水工程的影响往往看起来并不大，但是桥梁、码头等涉水工程群的阻水、壅水作用则不容忽视[12-13]。

4.2 含沙量沿程变化原因分析

甬江上游年来沙量约50万t[14]，仅相当于甬江口每潮平均输沙量3.59万t的14倍，因此三江河道的泥沙以海域来沙为主，含沙量自甬江口至上游逐渐降低主要是受潮流和径流的共同影响。

(1)整体上三江下游河段的潮流强度大于上游河段。根据2013—2016年7次水文测验资料，大潮期甬江口、杨木碶和澄浪堰各测次涨潮平均流速分别为0.43～0.80，0.34～0.51，0.40～0.54 m/s，整体上甬江口潮流强度要大于杨木碶，杨木碶和澄浪堰潮流强度则相当。研究表明，甬江河段的输沙能力可表示为式(1)[1, 15]，即流速越小，输沙能力越差，含沙量越小。

(1)

式中：S为含沙量；v为流速；h为水深；∂为系数。

(2)径流“以清顶浑”作用强。甬江多年平均径流量约为91.8 m3/s，仅为中潮时江东断面落急时潮流量的10%左右，即相对潮流来说，平均径流量对河床泥沙的输移影响较小，但径流对甬江干流的顶浑作用较为明显。甬江口与杨木碶站含沙量减小量与甬江径流量呈正相关关系(图6)，且上游来水越丰，甬江干流含沙量沿程衰减越快，即与径流“顶潮拒咸”的作用相似[16]，径流越大，其减弱海域来沙的“上溯”的作用越强。

图6 甬江含沙量沿程衰减与月径流量的关系Fig.6 Relationships between monthly runoff and sediment concentration decline along the Yongjiang River

4.3 近30 a来三江河道水沙变化原因分析

对于甬江口镇海站来说，1987年以来涨潮历时无明显变化，同样潮差下，平均流速亦基本一致，则涨潮量的减小主要是由于河床断面面积的减小，即河床淤积造成的，这与甬江河床1982—2015年平均水位下河床淤积156.7万m3是一致的[17]。

近30 a来甬江口含沙量和输沙量均呈增大趋势，这主要是由于1980年以来甬江口外海含沙量亦呈增大趋势。研究表明，在多年平均潮差下，2014年杭州湾南侧海域实测含沙量较20世纪80年代增大约77%[18]。此外，由于河床淤积，江道水深变浅，根据式(1)，水深越小，同样流速下，水流输沙能力越强，此亦可能是导致甬江口断面的含沙量和输沙量增加的原因之一。

5 结 论

基于1987年和2013—2016年三江河道水文测验资料，分析了三江河道水沙变化规律及其成因，得到如下结论：

(1)在径流、外海潮位、河势变化和人类活动等因素的综合影响下，宁波三江河道各潮位站平均高潮位自1980s起均呈上升趋势。镇海站平均低潮位自1970s起呈下降趋势，北渡站平均低潮位自1960s起呈持续上升趋势。

(2)宁波三江河道含沙量自甬江口向上游逐渐递减，其中甬江口—杨木碶河段含沙量沿程减小梯度要大于杨木碶—澄浪堰河段。径流“以清顶浑”作用强。

(3)平均潮差下，甬江口断面涨潮量和涨潮输沙量分别约为2 002.76万m3和3.59万t，至杨木碶断面涨潮量和输沙量分别减少约46.7%和69.4%；至澄浪堰断面涨潮量和输沙量分别减少约61.8%和84.4%。

(4)与1987年相比，同样潮差下，2013—2016年甬江口和澄浪堰断面涨潮平均流速无明显变化，涨潮量呈减小趋势，甬江口含沙量和输沙量呈增大趋势。

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