李志永，金建峰，楊火其，程文龍，黃姿菡

（1.浙江省水利河口研究院，浙江 杭州 310020；2.杭州市閑林水庫管理處，浙江 杭州 311122）

1 問題的提出

涌潮是錢塘江河口特殊的江道條件（縱向龐大的沙坎+喇叭形平面形態(tài)）下產(chǎn)生的一種特殊的水力學(xué)現(xiàn)象。錢塘江的涌潮形成于尖山 — 澉浦一帶，上溯過程中由于江道束窄，底床抬升，先是逐漸增強(qiáng)，至八堡 — 大缺口一帶最大；之后由于涌潮傳播中能量漸漸耗散，強(qiáng)度漸弱，一般至七堡以后，潮勢減小，因此一般情況錢塘江九溪河段涌潮并不大，但大潮汛時(shí)閘口附近涌潮高度仍可達(dá)1.00 ～ 1.50 m。從時(shí)間上看，涌潮較大的時(shí)間多集中在每年的7 — 9月。當(dāng)秋季大潮來臨時(shí)，若前期水量充沛、汛期河床沖刷幅度較厲害、江道容積較大，當(dāng)年的涌潮就較為壯觀。錢塘江涌潮的最大行進(jìn)流速一般可達(dá)4 ～ 7 m/s，同一地點(diǎn)水位漲率可達(dá)1 m/s。因此涌潮既壯觀，又具有很強(qiáng)的破壞性。圖1為2017年秋季大潮期九溪彎道涌潮翻越江堤、涌上之江路的情形。每年秋季大潮時(shí)，這種情況時(shí)有發(fā)生，給交通、人民生命財(cái)產(chǎn)安全造成威脅。由于常年遭受涌潮的正面沖擊，彎道頂部的沿山河排澇閘此前一度出現(xiàn)裂縫，并于1993年被迫將直立式平板胸墻改造成弧形胸墻，以使涌潮沿弧形胸墻返入江中。

圖1 錢塘江九溪岸段的涌潮圖（2017年秋季大潮期）

為此，研究既能在一定程度上保留九溪涌潮觀賞性，又能實(shí)現(xiàn)觀潮安全的治理方案是十分必要的。涌潮研究對(duì)潮汐學(xué)有巨大的推進(jìn)作用，也是水力學(xué)、水波動(dòng)力學(xué)研究的一個(gè)熱點(diǎn)。涌潮研究對(duì)流體力學(xué)、非線性力學(xué)、潮沙、泥沙運(yùn)動(dòng)力學(xué)等學(xué)科亦有重要的意義。近年來國內(nèi)外學(xué)者越來越關(guān)注錢塘江涌潮，針對(duì)涌潮宏觀研究方面已有不少研究成果[1-11]，但由于受研究經(jīng)費(fèi)等的限制，多以數(shù)值模擬為主，真正借助物理模型探討涌潮問題的并不多見。

2 九溪涌潮特性

九溪岸段位于九溪彎道的凹岸，為錢塘江河口段末端。經(jīng)過長期整治后，河段最窄斷面河寬已穩(wěn)定在1 km左右，深槽多近左岸。圖2為九溪河段地貌三維效果圖。珊瑚沙水庫圍堤、沿山河排澇閘與之江路海塘合圍形成一個(gè)局部喇叭狀、歷史遺留岙區(qū)。由于河道急彎、珊瑚沙水庫圍堤與之江路海堤圍成的局部喇叭形平面形態(tài)共同作用，在秋季大潮期，沿山河排澇閘前水域也能形成較為壯觀的涌潮景觀。

圖2 九溪河段面貌三維效果圖

根據(jù)現(xiàn)場調(diào)查，錢塘江九溪岸段的涌潮演變發(fā)展過程通常表現(xiàn)為：涌潮在到達(dá)九溪順壩及岙口前，形態(tài)比較規(guī)則一致，涌潮潮頭線主體呈現(xiàn)略向前凸的弧形，由東北向西南推進(jìn)；近岸區(qū)水深較淺，潮頭破碎；主槽區(qū)水深加深，涌潮呈現(xiàn)波狀，甚至消失（見圖3）；到達(dá)九溪順壩后，潮頭翻越順壩，撞擊海塘，在海塘坡腳進(jìn)一步涌高（見圖4）；接著涌潮繼續(xù)向九溪岙口推進(jìn)，直至撞擊凹口終點(diǎn) — 沿山河水閘，激起巨浪，高者可達(dá)10余米，之后潮頭反射，沿海塘塘腳向后折返，如浪頭超過海塘塘頂，則潮水涌到之江路上（見圖5）。

圖3 錢塘江九溪岸段的涌潮圖（跨壩前）

圖4 錢塘江九溪岸段的涌潮圖（跨壩時(shí)）

圖5 錢塘江九溪岸段的涌潮圖（閘前壅高）

3 模型試驗(yàn)研究

3.1 物理模型設(shè)計(jì)

3.1.1 模型規(guī)劃

根據(jù)江道、場地的情況，涌潮物理模型，上游邊界布置在地鐵6號(hào)線附近，下游邊界定在閘口斷面，模型平面比尺λL= 150，垂直比尺為λH= 50（見圖6）。生潮模型采用先進(jìn)的多臺(tái)水泵變頻調(diào)速、多口門閉環(huán)水位控制系統(tǒng)。

圖6 物理模型布置圖

3.1.2 監(jiān)測設(shè)備

試驗(yàn)測量及控制主要包括對(duì)涌潮傳播速度、形態(tài)、水位等參數(shù)的測量。水位由水位儀監(jiān)測和控制，涌潮水位過程采用電容式波高儀測量，通過DJ800多功能數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)跟蹤、采集、處理得到所需的涌潮高度、水位和壓力等參數(shù)。水位監(jiān)測點(diǎn)布置見圖7。

圖7 水位監(jiān)測點(diǎn)布置圖

3.2 模型試驗(yàn)條件

物理模型的涌潮水流條件主要是控制潮前低潮位以及涌潮高度。影響九溪岸段錢塘江涌潮強(qiáng)弱的因素較多，主要因素除江道地形外為低潮位和潮差。通常情況下，潮差越大，涌潮高度越高，涌潮的動(dòng)力越強(qiáng)。確定模型試驗(yàn)采用的水流條件需根據(jù)下游閘口站高低潮位、潮差等潮汐資料及工程附近相關(guān)的涌潮觀測成果進(jìn)行分析。

3.2.1 涌潮高度

涌潮強(qiáng)弱常用涌潮高度來表示。多次現(xiàn)場觀測資料表明涌潮高度H與漲潮潮差ΔZ之間存在一定的線性關(guān)系，潮差越大，涌潮高度越大。九溪下游閘口站3 a一遇的潮差約為2.80 m、20 a一遇的潮差約為3.60 m，近10 a的潮差均在2.00 m以上，由于九溪岸段缺少涌潮系統(tǒng)觀測資料，根據(jù)浙江省水利河口研究院對(duì)七堡、錢江二橋涌潮的分析成果推算九溪岸段涌潮高度大致為漲潮潮差的0.7倍，據(jù)此涌潮模型試驗(yàn)分別采用1.40，2.00，2.50 m的涌潮高度作為常見、3 a一遇以及20 a一遇的涌潮水流條件。

3.2.2 低潮位

錢塘江河口具有一定觀賞性的涌潮通常發(fā)生在農(nóng)歷七 — 九月每月的初一至初四、十六至十九，分析九溪下游1998年以來閘口站低潮位與漲潮潮差的關(guān)系（見圖8）。從圖8可見，大潮汛期間漲潮潮差在2.00 m以上時(shí)低潮位為2.80 ～ 4.40 m，其中發(fā)生歷史記錄最大潮差3.69 m時(shí)低潮位為4.00 m（閘口平均低潮位3.96 m），本次模型試驗(yàn)中取用的低潮位范圍為2.80 ～ 4.40 m。

圖8 閘口站大潮期低潮位與潮差統(tǒng)計(jì)圖

3.2.3 試驗(yàn)地形

試驗(yàn)地形采用2018年6月實(shí)測地形。

3.3 模型試驗(yàn)結(jié)果

3.3.1 閘下各測點(diǎn)水位隨時(shí)間變化特征

圖9為低潮位3.90 m、潮高2.50 m時(shí)，閘下各監(jiān)測點(diǎn)位在涌潮推進(jìn)及遇閘反射后的水位過程線。試驗(yàn)表明，涌潮在推進(jìn)過程中，前鋒逐漸變陡，壅高幅度快速增大，至閘前最大壅高高程達(dá)到13.50 m，10 s內(nèi)水位壅高幅度達(dá)到9.60 m，基本達(dá)到現(xiàn)場觀測壅高。

圖9 閘下各點(diǎn)位的水位過程線圖（低潮位3.90 m、潮高2.50 m時(shí)）

3.3.2 涌潮壅高空間特征與越堤水量

試驗(yàn)觀測顯示：①在低潮位3.60 m、潮高1.40 m時(shí)，涌潮推進(jìn)到沿山河排澇閘時(shí)水位壅高，有浪花濺到閘下游之江路海塘擋浪墻，但基本沒有整體越堤水體；②在低潮位3.60 m、潮高2.10 m時(shí)，閘前最大壅高高程為11.41 m，回頭潮水體越上之江路水量約200 m3；③在低潮位3.90 m、潮高2.50 m時(shí)，試驗(yàn)測到的最大壅高高程為13.80 m，越上之江路的水量達(dá)到900 m3；④試驗(yàn)還測試了極端大潮（低潮位3.90 m、潮高3.00 m）時(shí)的情形，試驗(yàn)測到的最大壅高高程為15.01 m，越上之江路的水量達(dá)到3 000 m3（見圖10）。閘前（彎頂）最大壅高比較（低潮位4.0 m）見表1。

圖10 閘下沿程（沿之江路）壅高變化試驗(yàn)成果圖

表1 閘前（彎頂）最大壅高比較表

4 結(jié) 語

（1）錢塘江九溪岸段位于九溪彎道的岙岸，由于急彎和珊瑚沙水庫圍堤與之江防洪堤圍成的局部喇叭形平面形態(tài)共同作用，平時(shí)涌潮較小，但在秋季大潮期，沿山河閘前水域也能形成涌潮景觀。涌潮撞擊岙口終點(diǎn)沿山河閘，激起巨浪，高者可達(dá)10余米，之后潮頭被反射，沿之江防洪堤堤腳向后折返，如浪頭越過堤頂，則潮水會(huì)涌到之江路上，嚴(yán)重影響行人和交通安全。錢塘江九溪涌潮既壯觀，又具有很強(qiáng)的破壞性。

（2）建立九溪河段的涌潮物理模型，測試各種強(qiáng)度的涌潮傳播速度、涌潮高度等水動(dòng)力特征參數(shù)，捕捉涌潮形態(tài)。試驗(yàn)得到的涌潮傳播形態(tài)、傳播過程、傳播速度、涌潮高度等與現(xiàn)場調(diào)查相符，涌潮物理模型試驗(yàn)結(jié)果與九溪河段實(shí)地調(diào)查資料匹配良好，表明物理模型可以很好地反映九溪河段涌潮基本特征，為該河段后續(xù)治理工作中的涌潮保護(hù)、工程防護(hù)與減災(zāi)研究奠定基礎(chǔ)。

（3）研究河段缺乏涌潮精準(zhǔn)觀測，今后應(yīng)加強(qiáng)現(xiàn)場監(jiān)測。后續(xù)將結(jié)合堤線優(yōu)化等工程措施進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)涌潮保護(hù)和減小涌潮危害研究。