張伯虎，潘存鴻，胡成飛，張芝永，金 新

（1. 浙江省水利河口研究院，浙江·杭州 310020；2. 浙江省河口海岸重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，浙江·杭州 310020）

海塘是河口海岸防御洪水、臺(tái)風(fēng)暴潮侵襲最重要的工程措施和屏障。為抵御洪潮災(zāi)害，錢塘江自東漢已開始修筑海塘，歷經(jīng)江道變遷和治江圍涂后，現(xiàn)存的一線臨江古海塘大多是清代康熙、乾隆時(shí)期修建的重力式魚鱗條石古塘（圖1），主要分布在錢塘江北岸嘉興市的海寧和海鹽，至今約300 余年歷史[1-2]。古海塘雄偉古樸、砌筑精巧，至今仍在發(fā)揮防洪御潮的功能。工程彰顯民族智慧、體現(xiàn)工匠精神、承載文化自信，保護(hù)好這一珍貴的物質(zhì)文化遺產(chǎn)意義重大。

大量的調(diào)查研究表明[3-5]，海塘在洪、潮、浪作用下，其破壞形式一般可歸結(jié)為塘前灘地沖刷、塘腳防護(hù)結(jié)構(gòu)損壞、高潮滲透、塘身外側(cè)護(hù)坡結(jié)構(gòu)損壞、塘頂防浪墻損壞以及塘頂溢流越浪等6 種模式，其中塘前灘地沖刷和塘腳防護(hù)結(jié)構(gòu)損壞最為常見，塘前灘地沖刷引起塘腳淘空，是導(dǎo)致海塘塘身失穩(wěn)的重要原因之一。錢塘江潮強(qiáng)流急、泥沙易沖易淤、河床沖淤變化劇烈，古海塘護(hù)坦外灘地極易受到洪水和強(qiáng)涌潮的沖擊?；仡櫧鷼v史，海寧古海塘出險(xiǎn)或失事均是因塘腳被水流深淘所致[2]。塘前灘地刷深引起護(hù)坦木排樁失穩(wěn)沖失，進(jìn)而護(hù)坦沖毀及塘下基樁暴露，危及塘身整體穩(wěn)定導(dǎo)致傾倒崩塌。

相關(guān)科研單位和工程設(shè)計(jì)人員對(duì)古海塘的關(guān)注與研究從未間斷，研究?jī)?nèi)容側(cè)重于江道演變、海塘加固技術(shù)等方面[6-8]。然之前的研究，由于缺乏足夠的塘前精細(xì)化地形數(shù)據(jù)支持，對(duì)塘前灘地的洪潮作用機(jī)理認(rèn)識(shí)仍不夠清晰。宏觀江道沖淤變化與塘前局部水域的沖淤規(guī)律既有共性，亦有差異，與宏觀河勢(shì)相比，近岸灘地沖淤變化特征更能準(zhǔn)確反映體現(xiàn)海塘的安全運(yùn)行態(tài)勢(shì)。另一方面，近半個(gè)多世紀(jì)以來，錢塘江河口按照自上而下、全線縮窄、分步實(shí)施的治理思路，開展大量的治江圍涂工程，河口河勢(shì)條件變化顯著（圖1）。基于此，本文以海寧段古海塘塘前灘地作為研究對(duì)象，根據(jù)近年來新的河勢(shì)條件下塘前灘地地形精細(xì)化監(jiān)測(cè)資料，結(jié)合河口宏觀河勢(shì)、洪潮動(dòng)力等資料數(shù)據(jù)，分析古海塘塘前灘地沖刷特點(diǎn)，闡明宏觀演變趨勢(shì)與局部演變過程的關(guān)系，探尋灘地高程對(duì)洪潮動(dòng)力的響應(yīng)過程和時(shí)空差異性，為保護(hù)古海塘服務(wù)。

圖1 研究區(qū)位置及古海塘形態(tài)Fig.1 Location of study area and the shape of ancient seawall

1 研究區(qū)域與資料

1.1 研究區(qū)域

錢塘江又名“之江”，是浙江省的母親河，自富春江電站大壩以下為感潮河段，即錢塘江河口，全長(zhǎng)291 km。根據(jù)自然條件和河床演變特性的差異，河口分為河流段、河口段和潮流段（杭州灣），海寧古海塘位于河口段，徑流和潮流共同作用，河床沖淤劇烈[1]。錢塘江涌潮聞名古今中外，尤以古海塘所在的海寧河段涌潮最為壯觀，分別在尖山河段、鹽官和老鹽倉形成交叉潮、一線潮和回頭潮。實(shí)測(cè)涌潮高度一般1～3 m，最大可達(dá)3 m 以上，涌潮傳播速度大多為4～8 m/s[9]。錢塘江多年平均徑流總量301 億m3，年際間連續(xù)豐、枯水文年交替變化，年內(nèi)徑流分布不均勻，梅汛期（4～7 月）4 個(gè)月的徑流總量占全年徑流總量的52.7%。河口潮汐類型為非正規(guī)半日潮，海寧古海塘河段鹽官站多年平均潮差3.23 m，澉浦多年平均潮差5.66 m，最大潮差可達(dá)9.15 m，居我國(guó)河口之首[10]。河口以海相來沙為主，河床底質(zhì)細(xì)顆粒主要為粉砂，在強(qiáng)勁的潮動(dòng)力和年際年內(nèi)變幅較大的徑流作用下，河床變化頻繁劇烈[11]。

1.2 資料來源

地形資料分為河口常規(guī)大測(cè)量和近岸塘前灘地精細(xì)化測(cè)量?jī)蓚€(gè)層級(jí)。（1）河口常規(guī)大測(cè)量數(shù)據(jù)：自上世紀(jì)50年代至今，錢塘江河口開始系統(tǒng)跟蹤監(jiān)測(cè)，每年4 月（代表梅汛前）、7 月（代表梅汛后）、11 月（代表秋季大潮后）實(shí)施全河段準(zhǔn)1:5 萬的水下地形測(cè)量，平均1～3 km 一個(gè)斷面，斷面上100～500 m 有一個(gè)測(cè)點(diǎn)的精度。（2）近岸塘前灘地精細(xì)化測(cè)量資料：2010 年5 月至今，海寧古海塘塘前每隔1 km 布置1 個(gè)高程原型觀測(cè)斷面，每個(gè)斷面的觀測(cè)范圍為二坦外100 m 范圍，每2 m 一個(gè)測(cè)點(diǎn)，主汛期每月觀測(cè)兩次，其它月份每月觀測(cè)一次。

古海塘所在的大缺口至尖山的彎曲河段是河口洪潮動(dòng)力作用最為復(fù)雜的河段，近20 年來河口形態(tài)變化亦最為劇烈，主要是1997 年始在尖山河灣治江圍涂，北岸呈現(xiàn)凸體控導(dǎo)河勢(shì)，2002-2013 年南岸曹娥江口上下游開展治江圍墾（圖1），目前該河段岸線已達(dá)到河口治導(dǎo)線。本文主要選擇大缺口斷面和尖山斷面兩個(gè)代表區(qū)位分析古海塘塘前灘地洪潮動(dòng)力作用機(jī)制。斷面位置示于圖2。同時(shí)收集整理了河口徑流、鹽官和澉浦長(zhǎng)期潮位站的實(shí)測(cè)水文數(shù)據(jù)，水文數(shù)據(jù)均來自浙江省水文局，經(jīng)校核整編，精度可靠。

圖2 研究斷面位置Fig.2 Location of the section

2 結(jié)果和分析

2.1 河床沖淤特性

（1）年際和年內(nèi)變化

錢塘江河口河床沖淤變化頻繁劇烈，圖3 為鹽官至尖山河段2007 年岸線基本到位以來多年平均高潮位（多高）下河床容積特征值，可據(jù)此分析整體河段的年際和年內(nèi)變化特征。從圖可見，年際上河床呈現(xiàn)豐沖枯淤特征，多年平均高潮位下豐水年多年平均河床容積5.04 億m3，枯水年多年平均河床容積為4.18 億m3，豐水年河床沖淤變幅較大，如2010 年和2015 年豐水年河床年內(nèi)沖淤變幅分別達(dá)1.01億m3和1.15 億m3，枯水年沖淤幅度相對(duì)較小，2009 年枯水年河床年內(nèi)沖淤變幅僅為0.25 億m3，典型豐、平、枯水文年年際間河床平均沖淤變化約1～3 m。年內(nèi)河床洪沖枯淤，大潮期或沖或淤，主要表現(xiàn)為4-7 月份梅汛期河床沖刷、11 月至翌年4 月枯水弱潮江道淤積，而大潮期（7-11 月）或沖或淤，如2015 年和2016 年秋季大潮后河床淤積，而2010 年和2014 年該時(shí)段河床則表現(xiàn)為沖刷。

圖3 鹽官至尖山河段多年平均高水位下河床容積變化 （2008-2016年）Fig.3 The change of riverbed volume in the reach from Yanguan to Jianshan (2008-2016)

（2）深泓線分布

由于錢塘江河口尖山河灣江道過寬，漲、落潮流路不一致，主流常隨著豐、枯水文年而大幅擺動(dòng)。從20 世紀(jì)60 年代中期以來，錢塘江河口自上而下全線縮窄治江，限制了主流的擺動(dòng)，基本達(dá)到了穩(wěn)定主槽的治理目的。圖4為2007 年尖山北岸治江圍涂到位以來典型豐平枯特征水文年深泓線分布圖，2007 年、2012 年和2013 年，電站年均下泄流量分別為503 m3/s、1241 m3/s、898 m3/s，分別表征枯水年、豐水年和平水年。從圖可見，在尖山北岸凸體控導(dǎo)下，漲潮主槽呈較穩(wěn)定的偏走南河勢(shì)，但由于尖山河段河床寬淺，河床質(zhì)易沖易淤，雙向水流強(qiáng)勁多變，在豐水年汛期北岸亦可發(fā)育北槽，但其存在時(shí)間較短，且以南北兩槽共存的分汊河勢(shì)出現(xiàn)，主槽仍分布在南岸。南岸的漲潮沖刷槽貼南岸隨后向北岸上溯，相對(duì)較穩(wěn)定頂沖在大缺口一帶。

2.2 近岸灘地沖淤變化及洪潮動(dòng)力機(jī)制

（1）大缺口河段

大缺口斷面塘前護(hù)坦外100 m灘地沖淤特征示于圖5，從圖可見，塘前灘地沖淤變化幅度劇烈。數(shù)據(jù)顯示，2010-2017 年護(hù)坦外10 m、20 m、30 m、50 m 和80 m 的沖淤幅度分別為2.3 m、2.5 m、2.4 m、3.0 m 和3.2 m。塘前灘地沖淤受徑流、潮流以及宏觀河勢(shì)變化等多種因素共同影響，2010 年以來大缺口河段98k+000 斷面塘前30 m 范圍內(nèi)各測(cè)次最低高程變化如圖5(B)所示，塘前灘地主要在梅汛后的秋季大潮期（9-11 月）出現(xiàn)最低值，塘前灘地實(shí)測(cè)最低高程-2.71 m（假定基面）出現(xiàn)在2010 年9 月。據(jù)圖4 可見大缺口河段位于潮水上溯頂沖河段，大潮汛灘地普遍沖深較低。

圖4 深泓線平面分布Fig.4 Plane swing of deep channel in project reach

圖5 大缺口斷面沖淤變化Fig.5 Erosion and deposition change of section

據(jù)上分析本河段年內(nèi)整體河床呈現(xiàn)洪沖枯淤的特點(diǎn)，2010 年以來，錢塘江河口分別于2011 年和2017 年發(fā)生過兩次大洪水，其中2011 年6 月經(jīng)歷兩次洪峰流量，富春江電站最大下泄流量14000 m3/s，2017 年6 月24 日至27 日，富春江電站最大下泄流量14900 m3/s，為1968 年12 月電站蓄水以來出現(xiàn)的最大下泄流量。2011 和2017 年兩次洪水過程前后塘前灘地最低沖刷高程與洪峰流量關(guān)系如表1 所示，從表可見，2011 年洪水前后的5 月和7 月灘地高程分別為-1.2 m 和-1.3 m，2017 年洪水前后的5 月和7 月灘地高程分別為-0.6 m 和-0.8 m，總體而言，洪水作用下塘前灘地略有沖刷，但總體上與洪峰流量關(guān)系并不明顯。

表1 典型洪水前后實(shí)測(cè)最深點(diǎn)高程變化Table 1 Elevation change of the deepest point measured before and after typical flood

洪水對(duì)大缺口河段灘地的影響主要是梅汛期洪水沖刷河槽，導(dǎo)致江道容積增大，潮動(dòng)力增強(qiáng)，進(jìn)而引起塘前灘地沖刷。如2010～2012 年的7 月閘口至鹽官河段警戒水位以下江道容積分別高達(dá)5.47 億m3、5.23 億m3和5.34 億m3，此后的9 月份鹽官的月平均潮差分別高達(dá)4.0 m、4.09 m 和4.05 m，較鹽官多年9 月平均潮差增大0.8 m 左右，從圖5可見2010～2012年塘前灘地高程明顯低于其他年份。圖6 為鹽官月均潮差與塘前灘地最低高程的相關(guān)性，從圖可見，兩者相關(guān)系數(shù)可達(dá)0.8 以上，說明洪水越大，江道沖刷幅度越大，容積亦越大，從而引起該河段潮動(dòng)力越強(qiáng)，塘前灘地沖刷劇烈。

圖6 鹽官月均潮差與塘前灘地最低高程相關(guān)性Fig.6 Correlation between the monthly average tidal range of Yanguan and the lowest elevation of the beach land

（2）尖山河段

尖山斷面塘前護(hù)坦外100 m 灘地沖淤特性示于圖7，從圖可見，2010-2017 年護(hù)坦外10 m、20 m、30 m、50 m和80 m的沖淤幅度分別為5.9 m、5.9 m、6.9 m、9.1 m和9.2 m，沖淤變幅大于上游的大缺口斷面。2010 年以來尖山斷面塘前30 m 范圍內(nèi)各測(cè)次最低高程變化如圖7(B)所示，塘前灘地梅汛期的4～7 月塘前灘地發(fā)生沖刷，幅度1～4 m 左右，梅汛后的7～11 月在秋季大潮的作用下塘前灘地仍進(jìn)一步?jīng)_刷，幅度0.1～1.5 m 左右，塘前灘地往往在梅汛后大潮期的8～11 月出現(xiàn)最低值，但整體以洪水沖刷為主，進(jìn)入弱潮枯水期灘地回淤。

圖7 尖山斷面沖淤變化Fig.7 Erosion and deposition change of the section

就宏觀河勢(shì)而言，尖山河段位于洪水的頂沖點(diǎn)，發(fā)生洪水時(shí)，該河段北岸灘地易被沖開，2017 年年內(nèi)4、7、11月河床形態(tài)如圖8所示，梅汛大洪水后塘前灘地沖刷劇烈，秋季大潮后淤積成灘，塘前河床年內(nèi)經(jīng)歷高灘—深槽—高灘的動(dòng)態(tài)變化過程。據(jù)上分析，本段塘前灘地雖以洪水沖刷為主，但往往在大潮期的8～11 月出現(xiàn)最低值，主要是因?yàn)榧馍絿亢?，秋季大潮漲潮流基本貼南岸上溯，頂沖在大缺口附近，受阻反射后水位迅速壅高，一股繼續(xù)向上游上溯，一股則向下在尖山附近形成反向流，潮水較大時(shí)可引起灘地進(jìn)一步?jīng)_刷，秋季大潮后隨著流速減弱，泥沙落淤，至翌年4 月梅汛前灘地最高。

圖8 年內(nèi)塘前灘槽變化Fig.8 Change of river regime in front of the pond in the year

為進(jìn)一步闡明尖山河段塘前灘地洪潮作用過程，選用2017 年洪水前后最低高程變化數(shù)據(jù)予以細(xì)述（表2）。從表可見，2017 年5-7 月洪水前后塘前30m 范圍內(nèi)灘地最低點(diǎn)由3.3 m 刷深至-0.9 m，降幅4.2 m，7-10 月梅汛后強(qiáng)潮期進(jìn)一步刷深，最低點(diǎn)由-0.9 m 降低至-1.5 m，刷深0.6 m，進(jìn)入11 月的枯水弱潮期，鹽官月均潮差2.99 m，灘面回淤至0.3 m。2010 年以來，錢塘江河口分別于2011 和2017年發(fā)生過兩次大洪水，斷面最深點(diǎn)并不是出現(xiàn)在2011 年2017 年兩次洪水期間，這與前期地形有關(guān)，2017 年梅汛期洪峰流量最大，灘地沖刷幅度亦最大，可達(dá)4.42 m，但由于汛前地形較高，沖刷后高程仍高于汛前灘地高程較低年份的高程，如2015 年2016 年。此外，該斷面在連續(xù)豐水年最深點(diǎn)有刷深的趨勢(shì)，2011-2012 年塘前30 m 范圍內(nèi)最深點(diǎn)高程介于0.3～0.7 m；2013-2015 年介于-1.5～-1.0 m；2016-2017 年介于-2.3～-1.5m?？赡芘c治江圍涂以來河段不斷縮窄，洪水的沖刷能力增強(qiáng)有關(guān)，需要進(jìn)一步跟蹤監(jiān)測(cè)。

表2 2017年洪水前后塘前30 m河床最低高程變化Table 2 Change of the lowest elevation of 30m in front of the pond before and after the flood in 2017

3 結(jié)論

本文以錢塘江古海塘塘前灘地為研究對(duì)象，通過2010年以來錢塘江河口古海塘塘前灘地地形精細(xì)化監(jiān)測(cè)資料，結(jié)合河口洪水、潮水、河勢(shì)等資料數(shù)據(jù)，分析了古海塘塘前灘地沖刷特點(diǎn)。主要認(rèn)識(shí)如下：

（1）古海塘所在的錢塘江河口強(qiáng)涌潮河段，潮強(qiáng)流急、泥沙易沖易淤、河床沖淤變化劇烈。年際上呈現(xiàn)豐沖枯淤特征，年內(nèi)河床洪沖枯淤，大潮期或沖或淤。

（2）塘前灘地高程對(duì)洪潮動(dòng)力響應(yīng)復(fù)雜，存在時(shí)空差異性，其中大缺口河段位于潮水上溯頂沖河段，塘前灘地以潮水沖刷為主，尖山河段塘前灘地以洪水沖刷為主，梅汛期后的大潮期亦有一定的沖刷。

（3）研究成果揭示了塘前灘地高程對(duì)洪潮動(dòng)力響應(yīng)過程和時(shí)空差異性，但灘地短歷時(shí)微觀層面的沖淤變化有待通過實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)觀測(cè)及模型試驗(yàn)等方法進(jìn)一步探討。