楊元平,唐子文,史英標(biāo)

(浙江省水利河口研究院,浙江 杭州 310020)

1 研究背景

曹娥江大閘位于錢塘江河口尖山河段右岸支流曹娥江口(見圖1),是國(guó)家批準(zhǔn)實(shí)施的重大水利項(xiàng)目,也是浙東引水的重要樞紐工程,無論規(guī)模還是泄流量都是我國(guó)已建的潮汐河口最大的擋潮閘,被譽(yù)為中國(guó)乃至亞洲“第一河口大閘”。大閘樞紐主要由擋潮泄洪閘、堵壩、導(dǎo)流堤等組成,閘上河道型水庫(kù)庫(kù)容為1.46億m3,具有御潮、防洪、治澇、水資源開發(fā)利用、改善水環(huán)境和航運(yùn)條件等多目標(biāo)綜合效益。工程于2005年12月開工,2009年6月建成。

圖1 曹娥江大閘位置示意圖

在以海相來沙為主的潮汐河口建閘,閘下淤積問題相當(dāng)普遍,海河流域35個(gè)河口建閘后,22座閘發(fā)生嚴(yán)重淤積;江蘇沿海修建的58座大中型擋潮閘中,5座基本淤死;浙江省甬江支流姚江建閘后閘下河段及甬江河床也發(fā)生嚴(yán)重淤積。潮汐河口干流建閘閘下淤積主要是建閘后潮量減少、潮波變形和改變了徑流的時(shí)空分布等3個(gè)主要原因引起的。對(duì)于不同特性河口的建閘問題,淤積的主導(dǎo)因素不盡相同,姚江閘下淤積主要是潮量減少引起的;射陽河口閘下淤積的因素主要是由于潮波變形。鑒于潮汐河口干流上建閘閘下淤積問題難以解決,支流口門處建閘日益受到重視。支流口門處建閘的閘下淤積與干流建閘引起的淤積有著本質(zhì)的差異,閘下淤積面貌主要取決于干流主槽的擺動(dòng)。浙江省水利河口研究院在曹娥江大閘樞紐工程前期研究中應(yīng)用河床演變分析、水槽沖刷試驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)沖淤試驗(yàn)、整體動(dòng)床模型試驗(yàn)等手段研究了閘下沖淤面貌。本文在此基礎(chǔ)上,根據(jù)建閘后試運(yùn)行期閘下淤積面貌的實(shí)測(cè)資料,結(jié)合錢塘江、曹娥江的實(shí)測(cè)水文資料和數(shù)學(xué)模型的計(jì)算成果對(duì)閘下淤積現(xiàn)狀及其影響因素進(jìn)行了分析,初步探討了減淤對(duì)策,為今后曹娥江大閘的沖淤調(diào)度運(yùn)行提供參考。

2 閘下淤積現(xiàn)狀分析

2.1 閘下沖淤現(xiàn)狀

擋潮泄洪閘位于曹娥江口門左側(cè)河床上,共28孔,單孔凈寬為20.0 m,總凈寬560.0 m,分6廂。河床右側(cè)為堵壩,長(zhǎng)575.0m,堵壩與擋潮泄洪閘之間為導(dǎo)流堤。試運(yùn)行 期間曹娥江口外尖山河段主槽靠南岸,閘下河床高程較低。圖2為曹娥江閘下典型沖淤形態(tài)圖,大閘閘下有泄洪沖刷坑,沖刷坑高程普遍在-5.0 m以下,沖刷坑外由水下淺灘與尖山河灣主槽過渡,高程維持在-4.0～-3.0 m。堵壩下游地形中間高周圍低,明顯高于閘下區(qū)域地形,2008—2010年逐漸淤高,高程在-1.0～0.0 m,2012年汛前甚至出現(xiàn)了3.0m以上情況,經(jīng)2012年錢塘江豐水年汛期沖刷后灘地高程下降。

圖2 曹娥江大閘閘下典型沖淤形態(tài)圖

2.2 泥沙沖淤的影響因素分析

曹娥江口位于尖山河段凹岸頂點(diǎn)附近,閘下泥沙沖淤受錢塘江徑流、潮流及曹娥江徑流的共同作用。為便于分析錢塘江及曹娥江徑流及尖山河段河勢(shì)對(duì)閘下泥沙沖淤的影響,將閘下口門區(qū)分成2區(qū) (見圖3),1#區(qū)為泄洪閘閘下區(qū)域,主要分析大閘泄流對(duì)泥沙沖淤的影響,2#區(qū)在堵壩下。

圖3 曹娥江大閘閘下分區(qū)圖

2.2.1 閘下局部流態(tài)

在大閘基本無下泄徑流的條件下,閘下流態(tài)主要受尖山河段的漲、落潮水流控制。圖4為大閘附近漲、落急流場(chǎng)圖。從圖4可見,在尖山河段北股漲潮流直指曹娥江口門、南岸曹娥江口貼岸潮溝貫通河勢(shì)條件下,漲潮時(shí)水流從曹娥江口右側(cè)流入、左側(cè)流出,口內(nèi)回流較弱,大潮期閘下漲潮流速較大,發(fā)生沖刷,小潮期漲潮流速較小,泥沙淤積;落潮時(shí),閘下1#區(qū)域出現(xiàn)明顯回流,將會(huì)發(fā)生淤積。當(dāng)尖山河段漲潮槽貼南岸在曹娥江口外貫通時(shí),漲潮流順南岸上溯,在堵壩下游的2#區(qū)域形成明顯回流,將導(dǎo)致該區(qū)域淤積。

2.2.2 受尖山河段主槽位置對(duì)閘下沖淤的影響

錢塘江河口尖山河段河床寬淺,海相泥沙豐富,泥沙易沖易淤,主槽擺動(dòng)頻繁,河床沖淤變化劇烈,是一典型的游蕩性河道。圖5為尖山河段北岸海寧圍涂實(shí)施以來的深泓線位置歷年變化圖。1997年至今尖山河段北岸線向南推進(jìn)約5.5 km,北岸處于河灣的凸岸,加強(qiáng)了彎道環(huán)流作用,對(duì)控制尖山河段主槽擺動(dòng)有著深刻的影響。實(shí)測(cè)地形資料表明,尖山河段治江縮窄圍涂后,梅汛期深泓線分為南北2汊,而在非汛期深泓線大都走南,在紹興至蕭山一線基本貼近岸邊,成為較穩(wěn)定的凹岸形勢(shì)。另據(jù)1997年以來3次/a測(cè)圖分析,豐水年或平水年梅汛期錢塘江徑流量大,落水勢(shì)力強(qiáng),尖山河段江道易分南、北2汊;枯水年或秋季大潮期末和冬季弱潮期北汊淤塞,僅存南汊,較治江之前北汊長(zhǎng)時(shí)期維持的情況完全不同,尖山河段的這種演變趨勢(shì)對(duì)曹娥江大閘的閘下泥沙沖淤產(chǎn)生深刻的影響,閘下淤積面貌主要取決于該河段主槽位置。

圖4 大閘閘下河段漲、落潮局部流態(tài)圖

圖5 尖山河段汛期和非汛期深泓線位置變化示意圖

2004年4月至2010年4月,7 a來尖山河段深泓穩(wěn)定走南,其中2004—2006年曹娥江大閘距深泓線2.0～3.0 km,2007年之后深泓進(jìn)一步貼近南岸,2007—2010年曹娥江口門距深泓線僅500.0～1 000.0 m。隨著主槽的逐步南移,10多年來曹娥江口外500.0 m內(nèi)灘地平均高程也降低了近1.0 m。

試運(yùn)行以來的2009年、2010年,尖山河段主槽距曹娥江口門最遠(yuǎn)只有600 m。即使在2010年3月、7月洪水期,富春江下泄洪峰日均流量分別出現(xiàn)8 780,8 630 m3/s(期間還有3次洪峰流量大于3 000 m3/s的小洪水),4月、7月、10月實(shí)測(cè)水下地形資料表明尖山河段主槽仍穩(wěn)靠南岸,表明錢塘江尖山河段治理后,主槽走南已成定勢(shì),為曹娥江大閘的安全運(yùn)行奠定了基礎(chǔ)。

2.2.3 閘下沖淤受大閘泄流和錢塘江徑流等因素的影響

2.2.3.1 徑流對(duì)1#區(qū)沖淤影響

(1)1#區(qū)泥沙沖淤直接受大閘泄流影響。利用試運(yùn)行期間的水閘泄流量、閘下沖淤幅度等實(shí)測(cè)資料,可以分析1#區(qū)沖淤幅度與期間大閘泄量、最大下泄流量等因素的多元相關(guān)關(guān)系。統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明,1#區(qū)沖淤幅度與期間大閘下泄水量相關(guān)系數(shù)R=0.88,與期間最大下泄流量相關(guān)系數(shù)R=0.95,說明1#區(qū)域閘下沖刷與大閘泄水量較好,沖淤幅度與最大下泄流量的關(guān)系更為密切。1#區(qū)沖淤幅度與大閘下泄水量、最大下泄流量的相關(guān)關(guān)系見圖6。從圖6可見,試運(yùn)行期間1#區(qū)沖刷幅度與大閘最大泄流量、泄水量等因素有關(guān),最大泄流量增加1 000 m3/s,沖刷增加約10 cm,泄水量增加1億m3,沖刷增加約3 cm,這些試運(yùn)行期間的數(shù)據(jù)表明閘下沖刷受大閘泄流量的影響較小,其原因可能與閘下沖刷的起始水深較深、沖刷后沒有及時(shí)測(cè)量發(fā)生回淤等因素有關(guān)。

圖6 大閘泄流量與沖刷幅度的相關(guān)關(guān)系圖

但閘下泥沙淤積受大閘泄流影響明顯是不爭(zhēng)的事實(shí),在無大閘較大下泄流量的條件下,閘下水深在口門外潮汐作用下回淤較快,試運(yùn)行期間曾出現(xiàn)1#區(qū)平均淤積了2.78 m,閘下沖刷坑淤積幅度在5.00 m以上,最大淤積達(dá)8.00 m左右,沖刷坑外灘地淤積幅度約1.00 m。

(2)錢塘江徑流對(duì)1#區(qū)泥沙沖淤影響。1#區(qū)泥沙沖淤幅度除受大閘泄水直接影響外,還與錢塘江下泄的最大流量密切相關(guān)(見圖7)。從圖7可見,1#區(qū)泥沙的沖刷幅度與錢塘江下泄最大流量呈負(fù)相關(guān)關(guān)系,流量增大1 000 m3/s,平均淤積幅度增加約0.83 m。與該河段落潮時(shí)閘閘下形成的回流流態(tài)有關(guān),落潮時(shí)水流攜帶的泥沙在該區(qū)發(fā)生回流淤積,從圖7中還可看出當(dāng)流量大于1 000 m3/s時(shí),1#區(qū)將發(fā)生淤積。

圖7 錢塘江泄流量與1#區(qū)沖刷幅度的關(guān)系圖

2.2.3.2 徑流對(duì)閘下2#區(qū)沖淤影響

試運(yùn)行期實(shí)測(cè)資料表明,閘下2#區(qū)沖淤幅度與錢塘江下泄洪水、澉浦潮差及前期灘地高程等因素有關(guān),采用錢塘江洪峰流量、澉浦平均潮差、前期床面平均高程等指標(biāo)進(jìn)行多元相關(guān)分析,關(guān)系式為:

ΔΖ2=-0.000 380-0.610Z2-2.46ΔH+13.87;相關(guān)系數(shù)R2=0.96。

式中:ΔΖ2為沖淤厚度,m;為錢塘江洪峰流量,m3/s;Z2為前期2#區(qū)床面平均高程,m;ΔH澉浦潮差,m。從相關(guān)關(guān)系可以看出,錢塘江洪峰流量、澉浦潮差越大,2#區(qū)沖刷越大;前期地形越高沖刷越大,前期地形越低淤積越大。

利用上述相關(guān)關(guān)系計(jì)算的2#區(qū)沖淤結(jié)果見表1。從表1可知,計(jì)算精度較高,最大誤差0.12 m,表明上述相關(guān)關(guān)系基本反映2#區(qū)的沖淤情況。

表1 2#區(qū)沖刷幅度綜合計(jì)算表

3 減淤對(duì)策初探

試運(yùn)行期間尖山河段主槽靠近曹娥江口,曹娥江大閘閘下淤積問題不明顯,當(dāng)錢塘江出現(xiàn)連續(xù)豐水年,要關(guān)注尖山河段主槽走勢(shì),一旦出現(xiàn)主槽偏離南岸,閘下灘面較寬時(shí),閘下淤積問題就會(huì)顯現(xiàn),此時(shí)需結(jié)合閘上庫(kù)區(qū)水資源綜合利用、曹娥江及錢塘江來水等情況適時(shí)開閘沖沙,保持閘下泄洪溝槽通暢。主要減淤對(duì)策如下:

3.1 優(yōu)化曹娥江大閘沖淤調(diào)度

大閘下泄流量是曹娥江大閘閘下沖刷的主控因素。根據(jù)前期已有的研究工作,在閘下出現(xiàn)最不利的淤積狀態(tài)時(shí),僅依靠有限的水量很難沖出一定規(guī)模的潮溝。因此,需進(jìn)一步優(yōu)化曹娥江大閘沖淤調(diào)度,充分利用汛前雨洪、河網(wǎng)蓄水等水量,采用集中沖淤與經(jīng)常性維護(hù)沖淤的有機(jī)結(jié)合,即一方面要經(jīng)常沖刷閘下潮溝,另一方面要充分利用洪水集中下泄,提高沖刷效果。在水流沖刷作用不明顯的情況下,汛前可考慮機(jī)船拖淤、挖淤,氣動(dòng)清淤等多種工程措施,降低閘下灘地高程,開通閘下泄洪通道。

3.2 曹娥江、錢塘江聯(lián)合調(diào)度

錢塘江徑流與閘下沖淤呈負(fù)相關(guān)關(guān)系,是閘下淤積的一個(gè)重要影響因素,錢塘江泄洪時(shí),主流順南岸而下,大閘閘下形成回流區(qū),洪水?dāng)y帶的泥沙淤積在閘下,對(duì)大閘泄洪不利。因此大閘沖淤調(diào)度應(yīng)進(jìn)一步考慮錢塘江徑流調(diào)度情況,當(dāng)閘下地形高程較高時(shí),可考慮在錢塘江干流洪峰來臨之前開閘沖淤,及時(shí)沖通閘下泄洪通道,以免錢塘江干流洪峰到來,閘下水深增大,降低沖刷效果;當(dāng)閘下高程較低時(shí),可考慮在錢塘江洪水回落時(shí)開閘沖刷,及時(shí)沖走洪水在閘下的落淤。

4 結(jié) 語

(1)支流口門處建閘的閘下淤積面貌主要取決于干流主槽的擺動(dòng)。錢塘江尖山河段整治后,2004—2009年的連續(xù)枯水年期間,主槽穩(wěn)定趨南,曹娥江口外主槽距南岸均在2 500 m以內(nèi),大部分時(shí)候緊貼南岸,曹娥江口外基本無邊灘。大閘試運(yùn)行期間主槽距閘下平均412 m,最遠(yuǎn)600m,河段河勢(shì)對(duì)大閘泄洪排澇有利。

(2)曹娥江大閘閘下沖淤受水閘泄水及錢塘江徑流、潮流等眾多因素影響。閘下沖刷主要受大閘泄水直接影響,無下泄條件下,閘下灘地高程受尖山河段河勢(shì)控制。試運(yùn)行期主槽靠南岸,閘下灘地較低,大閘泄流沖刷效果不明顯。

(3)當(dāng)錢塘江出現(xiàn)連續(xù)豐水年時(shí),應(yīng)關(guān)注尖山河段河勢(shì),出現(xiàn)閘下淤積的不利情況時(shí),可考慮大閘沖淤調(diào)度,充分利用汛前雨洪、河網(wǎng)蓄水等水量,采用集中沖淤和經(jīng)常性維護(hù)沖淤有機(jī)結(jié)合方式減少閘下淤積。

[1]楊元平,唐子文,郜會(huì)彩,等.浙東引水曹娥江大閘工程試運(yùn)行期間閘下沖淤效果分析評(píng)價(jià) [R].杭州:浙江省水利河口研究院,2011.

[2]潘存鴻,盧祥興,韓海騫,等.曹娥江河口建閘沖淤面貌專題研究 [R].杭州:浙江省水利河口研究院,2002.

[3]潘存鴻,盧祥興,韓海騫,等.潮汐河口支流建閘閘下淤積研究 [J].海洋工程,2006,24(12):38-44.

[4]潘存鴻,盧祥興,韓海騫,等.曹娥江河口大閘樞紐可行性研究前期科研工作 [R].杭州:浙江省水利河口研究院,2004.