錢塘江河口古海塘塘前灘地沖刷研究

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實驗室，浙江·杭州 310020）

海塘是河口海岸防御洪水、臺風暴潮侵襲最重要的工程措施和屏障。為抵御洪潮災害，錢塘江自東漢已開始修筑海塘，歷經江道變遷和治江圍涂后，現存的一線臨江古海塘大多是清代康熙、乾隆時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，至今仍在發揮防洪御潮的功能。工程彰顯民族智慧、體現工匠精神、承載文化自信，保護好這一珍貴的物質文化遺產意義重大。

大量的調查研究表明[3-5]，海塘在洪、潮、浪作用下，其破壞形式一般可歸結為塘前灘地沖刷、塘腳防護結構損壞、高潮滲透、塘身外側護坡結構損壞、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結構損壞最為常見，塘前灘地沖刷引起塘腳淘空，是導致海塘塘身失穩的重要原因之一。錢塘江潮強流急、泥沙易沖易淤、河床沖淤變化劇烈，古海塘護坦外灘地極易受到洪水和強涌潮的沖擊。回顧近代歷史，海寧古海塘出險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坦木排樁失穩沖失，進而護坦沖毀及塘下基樁暴露，危及塘身整體穩定導致傾倒崩塌。

相關科研單位和工程設計人員對古海塘的關注與研究從未間斷，研究內容側重于江道演變、海塘加固技術等方面[6-8]。然之前的研究，由于缺乏足夠的塘前精細化地形數據支持，對塘前灘地的洪潮作用機理認識仍不夠清晰。宏觀江道沖淤變化與塘前局部水域的沖淤規律既有共性，亦有差異，與宏觀河勢相比，近岸灘地沖淤變化特征更能準確反映體現海塘的安全運行態勢。另一方面，近半個多世紀以來，錢塘江河口按照自上而下、全線縮窄、分步實施的治理思路，開展大量的治江圍涂工程，河口河勢條件變化顯著（圖1）。基于此，本文以海寧段古海塘塘前灘地作為研究對象，根據近年來新的河勢條件下塘前灘地地形精細化監測資料，結合河口宏觀河勢、洪潮動力等資料數據，分析古海塘塘前灘地沖刷特點，闡明宏觀演變趨勢與局部演變過程的關系，探尋灘地高程對洪潮動力的響應過程和時空差異性，為保護古海塘服務。

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

1 研究區域與資料

1.1 研究區域

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291 km。根據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。實測涌潮高度一般1～3 m，最大可達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，年際間連續豐、枯水文年交替變化，年內徑流分布不均勻，梅汛期（4～7 月）4 個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9.15 m，居我國河口之首[10]。河口以海相來沙為主，河床底質細顆粒主要為粉砂，在強勁的潮動力和年際年內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大測量和近岸塘前灘地精細化測量兩個層級。（1）河口常規大測量數據：自上世紀50年代至今，錢塘江河口開始系統跟蹤監測，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）實施全河段準1:5 萬的水下地形測量，平均1～3 km 一個斷面，斷面上100～500 m 有一個測點的精度。（2）近岸塘前灘地精細化測量資料：2010 年5 月至今，海寧古海塘塘前每隔1 km 布置1 個高程原型觀測斷面，每個斷面的觀測范圍為二坦外100 m 范圍，每2 m 一個測點，主汛期每月觀測兩次，其它月份每月觀測一次。

古海塘所在的大缺口至尖山的彎曲河段是河口洪潮動力作用最為復雜的河段，近20 年來河口形態變化亦最為劇烈，主要是1997 年始在尖山河灣治江圍涂，北岸呈現凸體控導河勢，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到河口治導線。本文主要選擇大缺口斷面和尖山斷面兩個代表區位分析古海塘塘前灘地洪潮動力作用機制。斷面位置示于圖2。同時收集整理了河口徑流、鹽官和澉浦長期潮位站的實測水文數據，水文數據均來自浙江省水文局，經校核整編，精度可靠。

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

2 結果和分析

2.1 河床沖淤特性

（1）年際和年內變化

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，可據此分析整體河段的年際和年內變化特征。從圖可見，年際上河床呈現豐沖枯淤特征，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 年豐水年河床年內沖淤變幅分別達1.01億m3和1.15 億m3，枯水年沖淤幅度相對較小，2009 年枯水年河床年內沖淤變幅僅為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。年內河床洪沖枯淤，大潮期或沖或淤，主要表現為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 年該時段河床則表現為沖刷。

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。從20 世紀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，基本達到了穩定主槽的治理目的。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下，漲潮主槽呈較穩定的偏走南河勢，但由于尖山河段河床寬淺，河床質易沖易淤，雙向水流強勁多變，在豐水年汛期北岸亦可發育北槽，但其存在時間較短，且以南北兩槽共存的分汊河勢出現，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，相對較穩定頂沖在大缺口一帶。

2.2 近岸灘地沖淤變化及洪潮動力機制

（1）大缺口河段

大缺口斷面塘前護坦外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。數據顯示，2010-2017 年護坦外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 范圍內各測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）出現最低值，塘前灘地實測最低高程-2.71 m（假定基面）出現在2010 年9 月。據圖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

據上分析本河段年內整體河床呈現洪沖枯淤的特點，2010 年以來，錢塘江河口分別于2011 年和2017 年發生過兩次大洪水，其中2011 年6 月經歷兩次洪峰流量，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系并不明顯。

表1 典型洪水前后實測最深點高程變化Table 1 Elevation change of the deepest point measured before and after typical flood

洪水對大缺口河段灘地的影響主要是梅汛期洪水沖刷河槽，導致江道容積增大，潮動力增強，進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性，從圖可見，兩者相關系數可達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力越強，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

尖山斷面塘前護坦外100 m 灘地沖淤特性示于圖7，從圖可見，2010-2017 年護坦外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 范圍內各測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一步沖刷，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 月出現最低值，但整體以洪水沖刷為主，進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

就宏觀河勢而言，尖山河段位于洪水的頂沖點，發生洪水時，該河段北岸灘地易被沖開，2017 年年內4、7、11月河床形態如圖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，塘前河床年內經歷高灘—深槽—高灘的動態變化過程。據上分析，本段塘前灘地雖以洪水沖刷為主，但往往在大潮期的8～11 月出現最低值，主要是因為尖山圍涂后，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，潮水較大時可引起灘地進一步沖刷，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 年內塘前灘槽變化Fig.8 Change of river regime in front of the pond in the year

為進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據予以細述（表2）。從表可見，2017 年5-7 月洪水前后塘前30m 范圍內灘地最低點由3.3 m 刷深至-0.9 m，降幅4.2 m，7-10 月梅汛后強潮期進一步刷深，最低點由-0.9 m 降低至-1.5 m，刷深0.6 m，進入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年發生過兩次大洪水，斷面最深點并不是出現在2011 年2017 年兩次洪水期間，這與前期地形有關，2017 年梅汛期洪峰流量最大，灘地沖刷幅度亦最大，可達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，該斷面在連續豐水年最深點有刷深的趨勢，2011-2012 年塘前30 m 范圍內最深點高程介于0.3～0.7 m；2013-2015 年介于-1.5～-1.0 m；2016-2017 年介于-2.3～-1.5m。可能與治江圍涂以來河段不斷縮窄，洪水的沖刷能力增強有關，需要進一步跟蹤監測。

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 結論

本文以錢塘江古海塘塘前灘地為研究對象，通過2010年以來錢塘江河口古海塘塘前灘地地形精細化監測資料，結合河口洪水、潮水、河勢等資料數據，分析了古海塘塘前灘地沖刷特點。主要認識如下：

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

（2）塘前灘地高程對洪潮動力響應復雜，存在時空差異性，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洪潮動力響應過程和時空差異性，但灘地短歷時微觀層面的沖淤變化有待通過實時動態觀測及模型試驗等方法進一步探討。