曹娥江大闸建闸后闸上河道冲淤变化分析

2023年12月29日发(作者：读研条件)

第51卷增刊（2）2020年12月文章编号：1001－4179（2020）S2－0020－04人民长江YangtzeＲiverSupplement（Ⅱ）Vol．51，Dec．，2020曹娥江大闸建闸后闸上河道冲淤变化分析郑国诞1，2，曹颖1，21，21，2，史英标，唐子文2．浙江省河口海岸重点实验室，浙江杭州310020）（1．浙江省水利河口研究院，浙江杭州310020；摘要：曹娥江大闸是中国乃至亚洲最大的河口闸。大闸的建设阻挡了河口潮汐上溯，从2008年12月运行开“洪冲枯淤”“单向冲刷”，闸上河道从转变为建闸后的闸上河床发生了较大的变化。为此，采用建闸后至始，今10余年的地形资料进行闸上河道河床演变分析。分析结果表明：①曹娥江上浦闸－滨海大桥河段全线冲冲刷幅度自上而下减小，最上游冲刷幅度大于5m；滨海大桥－曹娥江大闸河段较建闸前有小幅淤积，但刷，闸上河道未经历过特大洪水冲刷，江道冲刷亦未见达其今后的趋势则为冲刷趋势。②曹娥江大闸建成至今，到平衡状态，因此预测河道今后仍有进一步刷深的趋势，河势仍会发生变化。关键词：洪水冲刷；河道冲淤；河道演变趋势；河势变化预测；曹娥江大闸文献标志码：ADOI：10．16232/j．cnki．1001－4179．2020．S2．005中图法分类号：TV87；TV1221研究背景曹娥江大闸枢纽工程位于钱塘江支流曹娥江口门是中国乃至亚洲最大的河口闸，于2008年12月投处，至今已经运行了11余a。大闸的建设阻挡入试运行，大大提高了两岸的防洪了钱塘江河口风暴潮的入侵，提高了土地利用价排涝标准并且改善了河网水环境，［1－2］。平时大闸关闸挡潮，阻挡外海泥沙进入上游值逐步带出建闸前淤积在河江道；洪水期大闸开闸放水，床上的泥沙。闸上江道的冲淤特性由建闸前的“洪冲［3］，导致闸上河床枯淤”转变为建闸后的“单向冲刷”此次研究范围如图1所示。发生了较大的变化，对于闸上河道的研究，目前主要以数值模拟为主，比如：吴修锋等采用平面二维水流泥沙数学模型，对曹娥江大闸建成后闸上河道的冲刷情况进行了计算分［4］在验证计算结果的基础上，对上浦闸至河口段析，的水流冲刷情况和堤防可能的险工险段进行了预测分史英标等基于建闸前水沙输移特点及河床析；王柏明，采用动床数学模型研究了建闸对闸上河床演变分析，收稿日期：2020－09－17图1曹娥江河床变化研究范围示意，结果表明：建闸后，闸上河道蓄水及口闸前至新三江闸河段内呈壅水淤积，门侵蚀基面抬高，演变的影响新三江闸以上河段发生了单向冲刷；傅利辉等应用二考虑到曹娥江大闸的调度原则，维动床泥沙数学模型，［5］“入海河口区流域洪水与风暴潮耦合实时预报技术与示范”（2015C03003）；国家自然科学基金基金项目：浙江省科技计划项目“涌潮水流及其引发的河床渗流对圆柱桥墩局部冲刷影响机理研究”（51609214）项目作者简介：郑国诞，男，高级工程师，主要从事河口海岸水动力泥沙方面的研究工作。E－mail：12971414@qq．com

增刊（Ⅱ）郑国诞，等：曹娥江大闸建闸后闸上河道冲淤变化分析21并按水文年（1962～2005年）重演的方式，对建闸后闸上江道冲淤演变情况进行了长系列反演计算［6］，同时，对堤防可能的险工险段及河床最大冲深进行了预测。综上所述，可以发现：利用实测资料对闸上河道河床高程变化方面的分析研究却很少。有鉴于此，本文采用建闸至今收集到的多次水下地形测量资料进行了河床演变分析，研究成果对潮汐河口建闸的闸上河床动力响应规律进行了初步归纳和总结，可为大闸运行管理以及今后类似工程提供借鉴和参考。2径流水沙特征曹娥江上游属山溪性河流，东沙埠以下为感潮河段，其中，上浦闸以上为近口段，以径流作用为主；上浦至口门为河口段，遭受径流和潮流的共同作用，河床冲淤变化剧烈。该区域是本文的研究区域，在2008年底，曹娥江河口大闸建成后即成为内河，此后潮汐无法上溯。2．1径流曹娥江干流主要控制站是花山站，其控制流域面积为3043km2。根据曹娥江花山水文站（1983年前为东沙埠站，2012年后迁站至东山站）的流量资料统计，多年平均径流量为74．0m3/s，年径流总量为23．3亿m3。（1）年际径流。曹娥江径流年际变化很大，花山站的最大年平均流量为120．0m3/s（1973年），最小年平均流量为32m3/s（2004年）。历年年平均流量变化情况如图2所示。从图2可以看出：径流年际还存在连续丰水年和连续枯水年的交替变化。图2花山站年平均流量历年变化情况（2）年内径流。曹娥江径流年内分配不均匀，年内10月至翌年2月为枯水期，径流量占全年径流量的24．8%；3～9月为丰水期，径流量占全年径流量的75．2%，其中5～7月为梅雨期，7～9月为台风期（见图3），月平均流量的峰值出现在6月，月平均流量为140m3/s。上述是多年平均的情况，具体到对于某一年而言，径流量的年内分配差异就更大。图3花山站多年月平均流量年内变化2．2泥沙曹娥江陆域来沙量较少，花山站多年平均含沙量为0．237kg/m3，且受上游水库对泥沙的拦蓄作用以及中游河段采砂的影响，曹娥江陆域来沙量呈明显下降的趋势。口门建闸前，河口的泥沙主要来自海域。据实测资料表明，一般小潮期的含沙量低，垂线平均含沙量小于1．00kg/m3；大潮期和洪水期的含沙量高，大于10．00kg/m3；涨潮时的含沙量大于落潮时的含沙量。另外，由于工程建设需要，在2019年6月19～21日期间，于曹娥江下游河段滨海大桥附近进行了水文资料实测，其测点布置如图4所示。其中，C2测点的含沙量与断面下泄流量关系如图5所示。由图4和图5可知：在下游曹娥江大闸下泄流量最大时刻附近，测点的含沙量最大，可达到1．80kg/m3；在曹娥江大闸关闸时，流量较小，含沙量也较小，且不足0．10kg/m3。洪水后各测点底质中值粒径基本大于洪水前，洪水前底质中值粒径为0．0393～0．0977mm，洪水后底质中值粒径为0．0493～0．1699mm，粒径含量以砂和粉砂为主。图42019年水文测点位置示意图5C2测点含沙量与断面流量关系示意

22人民长江2020年3曹娥江河床变化3．1江道容积变化曹娥江大闸建闸前，于2008年5月在上浦闸－曹娥江口门区域进行了1∶10000的地形测量。建闸后，分别于2013年7月和2019年6月又进行了1∶10000的地形测量。基于这3次地形测量资料，对上浦闸－曹娥江口门区域进行了冲淤计算，研究的分段情况如图6所示。图6上浦闸－曹娥江大闸江道河床分段容积（3．9m以下）图6是3次测图中各河段河床在常水位3．9m以下的容积变化。从图6可以看出：与2008年5月相比，2013年7月新三江闸以上均为冲刷，上游冲刷幅度愈大；新三江闸以下则是淤积的，愈下游淤积幅度更大。而到了2019年6月，各河段江道均较2013年出现了冲刷，且各河段冲刷幅度较为平均。3．2河床高程变化从沿程来看，2019年袍江大桥以上河段的平均高程在－1．00m以下，即在大闸以上河段常水位为3．9m条件下，上游河段的平均水深在5m以上。袍江大桥—新三江闸一段是全河段河床的最高处，其平均高程在0．32m。新三江闸以下各河段的平均高程在0～－1．00m之间。2008～2013年间，花宫以上河段均有大幅冲刷，平均冲刷幅度在2．4～3．5m；花宫至新三江闸一段河段冲刷幅度较小，在0．6～0．8m；新三江闸以下的则为淤积，平均淤积幅度在0～1．0m。2013～2019年间，上浦闸以下的全线冲刷：花宫以上河段冲刷幅度在0．8～1．7m；花宫至世纪大桥一段的冲刷幅度在0．5～0．8m；世纪大桥以下河段的冲刷幅度在0．5m左右，具体如图7所示。3．3河床冲淤变化幅度表1是2008～2019年曹娥江上浦闸以下河段各分段的冲淤幅度统计情况。从表1可以看出：2013年较2008年，新三江闸以上都是冲刷的，平均冲刷幅度在0．6～3．5m，且愈向上游冲刷，其冲刷幅度愈大；新三江闸以下河段均为淤积，淤积幅度在0～1．0m，且愈向下游、愈临近大闸，其淤积幅度也愈大。2019年较之2013年，则呈现出全线冲刷的态势，袍江大桥上游河段的冲刷幅度在0．9～1．7m，袍江大桥以下河段的冲刷幅度在0．5～0．8m之间。从2008年建闸前至今，上浦闸至曹娥江大闸除最临近口门大闸的滨海大桥—闸前大桥一段河段淤积外，上游各段河均表现为冲刷，上游河段的冲刷幅度更大。图7上浦闸—曹娥江大闸江道平均河床高程变化表1上浦闸—曹娥江大闸分段冲淤幅度统计m河段2008年5月至2013年7月至2008年5月至2013年7月2019年6月2019年6月上浦闸－百官公路桥－3．5－1．7－5．2百官公路桥－常台高速桥－3．0－1．1－4．0花宫弯道－2．4－1．6－4．0花宫－袍江大桥－0．8－0．9－1．7袍江大桥－新三江闸－0．6－0．5－1．1新三江闸－世纪大桥0－0．8－0．8世纪大桥－滨海大桥0．5－0．5－0．1滨海大桥－闸前大桥1．0－0．50．4注：正值代表淤积，负值代表冲刷。3．4局部河段深泓变化特征图8是袍江大桥—曹娥江大闸自2002年以来的历次深泓变化。建闸前后袍江大桥以下河段河势的差异表现为：①在新三江闸弯道处；②另一个在滨海大桥下河段。由图8还可以看出：口门建闸前的3次测图中，上游河槽经袍江大桥后，深泓偏向左岸，沿弯道凹岸过新三江闸直角转弯后受岸线顶冲在世纪大桥上游开始向右岸偏转，在一号闸上游1．0km至下游1．5km范围内，深泓稳定在右岸前沿，在滨海大桥的上下游，深槽受上游深泓及塔基冲刷坑的影响，深泓在右岸塔基附近，向下游深泓也基本维持在右岸。口门建闸后，由于不再存在涨潮流，上游河槽经袍江大桥后，深泓仍贴右岸下泄至新三江闸弯道的下游，直至顶冲绍兴左岸堤塘后，才向下游偏转并再度向右岸偏转，2019年在世纪大桥上下游甚至形成了分汊河

增刊（Ⅱ）郑国诞，等：曹娥江大闸建闸后闸上河道冲淤变化分析23势。在一号闸上游1．0km至下游1．5km范围内，深在滨海大桥上下游，深槽受上游深泓稳定在右岸前沿，桥墩冲刷坑以及下游闸门出口位置的影响，泓及塔基、深泓在右岸塔基附近略有右偏。再向下游，由于受大深泓基本在河道中部。在闸前大桥附闸出口的控制，深泓位置已相对稳定。近，工程区附近河道今后仍有进一步刷深的趋势。今后上游无洪汛时，下游曹娥江大闸开孔将较少，这样工程河段的流速会很小，基本不会对河势产生影动力轴线基本与现状河势一致，不会发响；小洪水时，水动力轴线会摆至江中，局部生大的摆动；大洪水时，冲槽淤滩。此外，曹娥江河段河势将有可能往江中靠，出口河段河道形势亦有可能发口仍有口门船闸待建，生变化。5结论（1）2008年曹娥江口门建闸后，闸上河道原来受洪冲潮淤、大冲大淤的演变特径流和潮流的共同作用，闸上河道仅受径流单向性得到了完全改变。建闸后，上浦闸－滨海大桥河段全线冲刷，冲刷幅度自上作用，最上游冲刷幅度大于5．00m。滨海大桥－而下减小，曹娥江大闸一段相较建闸前仍有小幅淤积，但其演变趋势则为冲刷。（2）由于曹娥江大闸建成至今才10a时间，闸上江道冲刷亦未见达到河道未经受过特大洪水的冲刷，因此预测工程区附近河道今后仍有进一步平衡状态，河势刷深的趋势。今后上游无洪汛及仅为小洪水时，图8工程河段历年深泓变化情况局部河段河势将有可能不会发生大的变化；大洪水时，冲槽淤滩。往江中靠，参考文献：［1］潘存鸿，韩曾萃．钱塘江河口保护与治理研究［M］．北京：中国水2018．利水电出版社，［2］浙江省水利水电勘测设计院．浙江省曹娥江大闸枢纽工程初步设2005．计报告［Ｒ］．杭州：浙江省水利水电勘测设计院，［3］潘存鸿，蔡军，施祖蓉，等．曹娥江径流特征及其对河口冲淤的影2000，27（6）：671－676．响［J］．浙江大学学报（理学版），［4］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2008（1）：96－100．拟计算［J］．水动力学研究与进展，［5］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，2011，29（5）：99－102．［6］傅利辉，“单向冲刷”章宏伟，黄昉，等．二维动床泥沙数学模型在江道中的应用：以曹娥江为例［J］．浙江大学学报（理学版），2013，7（4）：456－462．（编辑：赵秋云）4演变趋势分析曹娥江口门大闸建成后，平时关闸蓄水，洪水季开闸上河道仅有径流作用，潮流闸泄洪。由于关闸挡潮，同时外海来沙也不再输入河口段。而上游不再上溯，每年仅为68．6万t，并作为良好的建筑材来沙量很少，闸上河道已成为河道型水库。洪水料被开采。因此，河口段会发生单向冲刷，桑盆殿附近沙坎在洪季开闸，直至形成以大闸底高程控制水作用下不断冲刷降低，建闸之后，河口段的冲淤特的冲刷平衡纵剖面。总之，“洪冲潮淤”“单向冲刷”，转向河道性将由建闸之前的最后达到冲刷平衡。由于曹娥江断面不断得以扩大，闸上河道未经历过特大洪大闸建成至今才10a时间，江道冲刷亦未见达到平衡状态，因此，预测水的冲刷，J］．人民长江，2020，51（增2）：20－23．引用本文：郑国诞，曹颖，史英标，等．曹娥江大闸建闸后闸上河道冲淤变化分析［