錢塘江河口治理與科技創(chuàng)新

潘存鴻，韓曾萃

（浙江省水利河口研究院，310020，杭州）

錢塘江河口是世界上典型的強潮河口，潮強流急，泥沙易沖易淤，河床沖淤劇烈，主槽擺動頻繁，并且存在聞名中外的涌潮。因此，錢塘江河口的治理有其獨特性和復(fù)雜性。

新中國成立后，特別是改革開放30余年來，治江理念發(fā)生了根本性的改變，從過去單一的防洪御潮治理目標到目前防災(zāi)減災(zāi)、資源保護和開發(fā)等多目標的治理，以達到 “人江和諧”。錢塘江河口治理50年來，其治理思想、治理目標、治理研究方法及治理施工技術(shù)上都有了較大的創(chuàng)新。本文簡要介紹錢塘江河口的自然特性、治理必要性，重點總結(jié)河口治理中的科技創(chuàng)新。

一、錢塘江河口自然特性以及治理必要性

1.錢塘江河口自然特性

錢塘江從富春江電站至杭州灣口，全長282 km。錢塘江（富春江電站）多年平均流量 952 m3/s，年際、年內(nèi)分布不均。錢塘江澉浦站多年平均潮差5.57 m，歷史最大潮差9.0m。潮強流急，存在舉世聞名的涌潮。錢塘江陸域來沙很少，泥沙主要來自海域，泥沙屬細粉砂，易沖易淤，在一個潮周期內(nèi)含沙量變幅極大。錢塘江河口平面上呈喇叭形，河床寬淺。上述水動力條件、泥沙條件和邊界條件導(dǎo)致了錢塘江河口河床沖淤劇烈，河勢很不穩(wěn)定。

綜上所述，錢塘江河口的自然特性可概括為：寬淺的河床，年際年內(nèi)變幅較大的徑流，強勁的潮動力，海域來沙豐富和易沖易淤的泥沙條件，河床沖淤變化劇烈，主槽擺動頻繁，是一個典型的強潮游蕩性河口。

2.錢塘江河口治理必要性

錢塘江河口的自然特性給防洪、御潮和排澇帶來了極為不利的影響。歷史上，錢塘江河口發(fā)生近千次洪、澇、潮災(zāi)。從唐武德六年直到新中國成立前夕的1331年間，僅有史可查的潮災(zāi)年就有183年，平均7.3年中有1年。錢塘江河口潮災(zāi)，或由風(fēng)暴助潮肆虐，堤塘漫潰，或因急溜逼岸，堤塘坍毀。由于組成岸灘的粉沙不耐沖刷，其崩勢之猛、坍速之快、成災(zāi)之烈，遠非其他河流的江岸坍蝕可比。海潮入侵以后，不僅淹溺成災(zāi)，而且咸潮所到之處，挾帶泥沙，掩埋農(nóng)田，淤塞河道，使內(nèi)河水質(zhì)變咸，貽害長久，不易消除。

錢塘江河口段存在洪沖潮淤、沖淤幅度很大，主槽豐水走直、枯水彎曲等河床演變特點。當(dāng)流域出現(xiàn)連續(xù)枯水年時，主槽極度彎曲，泄洪線路長，同時因泥沙大量淤積，河道過水?dāng)嗝嫘。瑢π购樽顬椴焕Ａ硗猓蛑鞑蹟[動頻繁，每處堤防均可能成為主流的頂沖點，整個堤防需全面防御。因錢塘江河口河床寬淺，當(dāng)主槽擺到一岸時，另一岸則發(fā)育大片灘地，灘面高程可能高于河水水位，嚴重影響兩岸的排澇。

錢塘江河口的自然特性給河口資源開發(fā)利用和保護也帶來了極為不利的影響。由于主槽擺動幅度大，擺動頻繁，對取排水口、排澇閘和港口航道等岸線資源利用極為不利，常常出現(xiàn)排澇閘下因主槽擺動而被淤死，甚至在1968年出現(xiàn)著名觀潮勝地鹽官無涌潮的現(xiàn)象。此外，灘涂資源、受鹽水入侵影響的淡水資源等開發(fā)利用也需要對錢塘江河口進行治理。

二、錢塘江河口治理與科技創(chuàng)新

1.創(chuàng)建了海域來沙豐富、寬淺游蕩型強潮河口的治理模式

錢塘江河口潮強流急，歷史上受工程技術(shù)水平所限，采用“以寬治猛”的指導(dǎo)思想，兩岸堤距達10～30 km，遠大于河道輸水輸沙所需要的寬度，河床又為易沖易淤的粉沙土，受徑流豐枯的變化，主流在寬廣的堤距內(nèi)任意擺動，造成主流擺動幅度大、擺動頻繁，河床沖淤變幅大和潮汐特征值變幅大的特點，江道十分不穩(wěn)定。

20世紀60年代初，以錢寧為首的專家分析錢塘江河口實測水下地形資料得知，不同于其他河口口門外存在的攔門沙，錢塘江河口內(nèi)存在龐大的沙坎。這是由于山、潮水比值小，上溯的強勁潮水長期挾帶口門外泥沙堆積在河口內(nèi)而形成。沙坎是海域來沙強潮河口的最主要特征，也是涌潮產(chǎn)生的最重要原因之一，而河床寬淺、漲落潮流路分歧是主槽游蕩的原因。因此，從理論上論證了治江的指導(dǎo)思想是：減少進潮量，加大山、潮水比值，縮窄江道，減少河床擺動。這是治江指導(dǎo)思想上的重大轉(zhuǎn)變，即從“被動防守”轉(zhuǎn)變?yōu)椤爸鲃又谓薄?/p>

根據(jù)上述治江指導(dǎo)思想以及兩岸經(jīng)濟社會發(fā)展需求，圍繞防洪、御潮、排澇、涌潮保護、灘涂資源開發(fā)、水資源利用、岸線資源利用、航道資源開發(fā)等眾多的治理目標，比較研究了河口建閘、建潛壩和全線縮窄三大類方案。最后選定了既穩(wěn)妥又靈活、既能滿足治江又能獲得土地的全線縮窄治理方案。在錢塘江河口最重要和最復(fù)雜的尖山河段治理研究中，經(jīng)充分論證，多方案比較，提出并實施了錢塘江河口全線縮窄、尖山河段主槽走中、平面形態(tài)彎曲的治江縮窄方案。

在治江過程中，提出并始終堅持“治江結(jié)合圍涂，圍涂服從治江”的原則。以后，根據(jù)多年治江實踐，提出了“自上而下，分步實施”的治江方針。上述治江指導(dǎo)思想、治江原則和治江方針的提出，為治江指明了方向，大大加快了治江進程。經(jīng)多次觀測、修正逐步達到治理規(guī)劃線。從而創(chuàng)建了海域來沙豐富、寬淺游蕩型強潮河口的治理模式。

通過50年大規(guī)模治江縮窄，澉浦以上河口段基本達到了治理規(guī)劃線，至2008年年末，澉浦以上河口段累計圍涂125萬畝（8.33萬hm2）。

2.取得了多目標治理成果，成為世界上治理強潮河口的成功典范

治江過程是“實踐、認識，再實踐、再認識”的過程，隨著治江的深入，筑堤技術(shù)的進步，經(jīng)濟社會的發(fā)展，人民生活水平的提高，治江理念的轉(zhuǎn)變，治江目標也發(fā)生了質(zhì)的改變。從20世紀70年代以前單純的防洪御潮，到20世紀七八十年代的防災(zāi)減災(zāi)、資源綜合開發(fā)利用，再到20世紀八九十年代的防災(zāi)減災(zāi)、資源保護和資源綜合開發(fā)利用，再到21世紀的防災(zāi)減災(zāi)、資源保護和資源綜合開發(fā)利用、河口健康等。

在治江目標上，對涌潮的認識更是發(fā)生了顛覆性的變化。涌潮往往淘空堤防基礎(chǔ)，是造成潮災(zāi)的主要原因之一，歷史上曾以削弱甚至消滅涌潮作為治江目標之一。20世紀80年代中后期以來，隨著經(jīng)濟社會的發(fā)展，涌潮作為獨特的自然景觀和寶貴的旅游資源日益受到人們的重視，保護涌潮的呼聲越來越高，涌潮保護作為治江的控制性目標之一，真正實現(xiàn)了“人江和諧”。

經(jīng)過50年的治江縮窄，治理達到了預(yù)期的目的，獲得了多目標的治理成果，成為世界上治理強潮河口的成功典范。治江縮窄后，顯著改善了河口段的游蕩特性，提高了防洪、御潮和排澇能力，保護了涌潮強度并創(chuàng)造了涌潮景觀的多樣性，增加了水資源利用率，獲得了125萬畝（8.33萬 hm2）寶貴的土地資源，為岸線資源開發(fā)創(chuàng)造了條件，改善了通航條件，并有利于河口健康。同時，為支流曹娥江大閘建設(shè)創(chuàng)造了閘下淤積可以解決的基本條件，曹娥江大閘的建成徹底解決了蕭紹平原排澇問題，提高了曹娥江河口兩岸的防洪御潮能力，大大增加了曹娥流域水資源利用率，提高了杭甬運河的通航保證率，為浙東引水工程提供了便利，并為曹娥江河口兩岸的經(jīng)濟布局奠定了基礎(chǔ)。

3.豐富了強潮河口理論

錢塘江河口是世界上典型的強潮河口，在潮汐河口領(lǐng)域中占有重要的地位。治理錢塘江必須認識錢塘江。在50年的研究與實踐中，提出了許多創(chuàng)新性的理論。主要有：

①發(fā)現(xiàn)了強潮河口錢塘江最重要的地貌單元——沙坎，分析了沙坎的形成條件，即錢塘江河口特殊的邊界條件、來水條件和來沙條件，揭示了沙坎的演變規(guī)律，分析了沙坎對錢塘江河口的影響。上述研究成果奠定了海域來沙、強潮河口河床演變的理論基礎(chǔ)。

②提出了海域來沙、沖淤性強潮河口的演變模式。揭示了徑流、河床、潮汐三者獨特的相互關(guān)系，特別是河床對潮汐的反饋作用，徑流具有維持河口生命的作用；分析了長系列連續(xù)豐水年和連續(xù)枯水年不同的河床演變模式，揭示了流域建庫和治江縮窄等人類活動對河口河床演變的影響，對其他河口的治理具有指導(dǎo)意義。

③創(chuàng)建了考慮涌潮作用、又有普遍意義的強潮河口河相關(guān)系式。包括斷面積、河寬、水深與流量、含沙量的關(guān)系，河寬放寬率及面積放大率，考慮非恒定流的潮汐河口彎道凹岸水深河相關(guān)系式。錢塘江河口潮流動力強，拓寬河道的主要動力是漲潮流，因此，采用漲潮流量和漲潮含沙量代替?zhèn)鹘y(tǒng)河相關(guān)系式中的落潮流量和落潮含沙量來計算河寬更為合理。

④提出了涌潮的形成條件、影響因素，揭示了涌潮傳播規(guī)律、涌潮特性、涌潮形態(tài)的轉(zhuǎn)化，分析了涌潮水力學(xué)結(jié)構(gòu)、涌潮對泥沙輸移的影響、涌潮與工程的相互作用，為涌潮的防災(zāi)減災(zāi)和涌潮保護、錢塘江河口治理、涉水工程建設(shè)提供了理論依據(jù)。

⑤提出了強潮海域來沙河口生態(tài)和環(huán)境需水量的含義、組成及定量計算方法。錢塘江河口環(huán)境與生態(tài)需水包括河口輸沙平衡需水、河口御咸需水、河口環(huán)境需水及河口最小生態(tài)需水。河口生態(tài)和環(huán)境需水量計算成果為錢塘江河口的水資源配置提供了理論依據(jù)。

此外，還建立了強潮河口江水氯度彌散系數(shù)計算公式、挾沙能力公式等。

4.創(chuàng)建了強潮河口保護和治理開發(fā)研究應(yīng)用技術(shù)體系

在錢塘江河口研究中，不但豐富了強潮河口理論，并且還針對錢塘江河口的自然特性和治理需求，創(chuàng)建了強潮河口保護和治理開發(fā)研究應(yīng)用技術(shù)體系。

①應(yīng)用強潮河口河相關(guān)系設(shè)計規(guī)劃堤線，并預(yù)報治江縮窄后沿程平衡斷面形態(tài)。錢塘江河口治理前河寬較大，尖山河段河寬從12～25 km縮窄到3～16.5 km，規(guī)劃堤線可供選擇的空間很大，應(yīng)用前文提出的強潮河口河相關(guān)系并結(jié)合其他分析方法確定河寬和斷面積放大率、堤線位置、彎曲河段的曲率半徑，并預(yù)測了治江縮窄后沿程平衡斷面形態(tài)、河寬、斷面積、水深，以及彎曲河段的主槽位置、凹岸水深等，經(jīng)實踐檢驗，提出的強潮河口河相關(guān)系具有較高的預(yù)報精度，已推廣應(yīng)用到其他河口和海灣的斷面形態(tài)預(yù)測。

②研制開發(fā)了考慮河床沖淤影響的動床洪水預(yù)報模型。錢塘江河口具有大沖大淤和易沖易淤的沖淤性河床特點，河床刷深時過水?dāng)嗝婷娣e大，導(dǎo)致洪水位低；反之，洪水位高。不同河床面貌杭州段洪水位可相差1m以上，因此，洪水預(yù)報須考慮河床沖淤的動床作用。經(jīng)過多年的研究和預(yù)報實踐，研制開發(fā)了兩種預(yù)報方法:一是應(yīng)用多年實測資料得到的合軸相關(guān)圖預(yù)報方法，該方法綜合考慮了上游洪峰流量、下游潮汐大小（以高潮位作為指標）和河道容積等因素；二是采用動床數(shù)學(xué)模型預(yù)報方法。兩種方法相互印證、相互補充，已應(yīng)用于錢塘江河口洪水預(yù)報20余年，預(yù)報精度能滿足實際要求，在多次洪水調(diào)度中發(fā)揮了關(guān)鍵作用。

③研制開發(fā)了能模擬強涌潮的錢塘江涌潮數(shù)學(xué)模型。成功地解決了涌潮模擬中存在的間斷捕獲、非齊次底坡源項的處理、強間斷大流速情況下的動邊界模擬、計算范圍大與計算單元小的矛盾等關(guān)鍵技術(shù)問題，開發(fā)了基于無結(jié)構(gòu)三角形網(wǎng)格具有空間二階精度的二維涌潮數(shù)值模型（KFVS格式和Godunov格式），模型具有計算精度高、涌潮分辨率好、計算穩(wěn)定且守恒等優(yōu)點；模型首次準確模擬了涌潮的形成、發(fā)展和衰減的全過程，復(fù)演了交叉潮、一線潮和回頭潮等涌潮潮景，并進行了涌潮特性和廣泛的實際應(yīng)用研究，如錢塘江河口治理方案、治江圍涂工程和橋梁工程等對涌潮的影響研究，同時推廣到潰壩波和海嘯傳播過程的數(shù)值模擬。研究成果為錢塘江河口科學(xué)治理、涌潮保護發(fā)揮了重要作用。

④在實體模型中成功地模擬了涌潮形成、傳播和消失的全過程，以及涌潮多樣性景觀；針對錢塘江河口含沙量變化大的特點，研制了能考慮較高含沙量隨潮變化的自動加沙系統(tǒng)；研制了渾水生潮控制系統(tǒng)和自耦式潛水泵；研制了水槽模型中的涌潮生潮系統(tǒng)，并建造了我國第一座涌潮水槽。實體模型為錢塘江河口治理規(guī)劃制訂、規(guī)劃實施和重大涉水工程建設(shè)等發(fā)揮了重大的作用。

⑤強潮河口咸度預(yù)報技術(shù)。杭州市生活用水85%取自錢塘江河口，在每年秋季大潮汛期間取水口常受咸水入侵的影響，因此進行錢塘江河口咸度預(yù)報具有重要的實際意義。長歷時鹽度預(yù)報模型中考慮了天文潮、動床沖淤等對防咸下泄流量的影響，提出了“大潮多放、小潮少放”的水庫最優(yōu)放水方式。至今，已為杭州市進行了30年的咸度預(yù)報，預(yù)報精度滿足實際需求，為杭州市的用水安全作出了重大的貢獻。

⑥提出了適用于強潮河口的海塘防沖技術(shù)、護塘工程型式和促淤圍墾工程技術(shù)。因錢塘江潮強流急，要實施治理規(guī)劃新建海塘和保護已建海塘仍存在巨大的困難。根據(jù)多年治江實踐，在實施程序上，逐漸總結(jié)出“自上而下，逐步實施”“先凹岸，后凸岸”“乘淤圍涂”等治理經(jīng)驗。高涂采用“以圍代壩”的因勢利導(dǎo)實施方案，低灘采取科學(xué)的拋壩促淤圍涂技術(shù)，大大加快了治江進程。

在拋壩促淤基礎(chǔ)防沖和圍墾施工技術(shù)方面，針對錢塘江河口的水動力條件和底沙特性，應(yīng)用并改進了充泥管袋 （或沙墊）基礎(chǔ)防沖技術(shù)、砂肋軟體排基礎(chǔ)防沖技術(shù)。圍涂筑堤時采用泥漿泵充填土工充泥袋代替塊石作為建筑材料，適宜于中低灘面上施工，具有施工簡單、速度快、能就地取材及造價低等優(yōu)點，是20世紀90年代錢塘江河口治江圍涂技術(shù)重大創(chuàng)新。

為保護錢塘江河口海塘堤腳防沖，多采用短潛丁壩群，針對錢塘江河口涌潮洶涌、丁壩壩頭保護難的特點，提出了沉井、沉箱、排樁、掛樁等防護工程措施。近年，提出了以柔克剛的樁式丁壩，既保護了塘前灘地，又徹底解決了過去不透水丁壩壩頭保護的難題。

三、結(jié) 語

20世紀60年代以來，通過對錢塘江河口系統(tǒng)的研究和多方案比較，確定采用圍涂縮窄方案治理錢塘江河口，制訂并實施了治江規(guī)劃線。至今，錢塘江澉浦以上河口段治理規(guī)劃線已基本到位，治理目標也已基本實現(xiàn)。在50年的治江研究與實踐中，實現(xiàn)了一系列的學(xué)術(shù)和技術(shù)創(chuàng)新，培養(yǎng)了一支專門研究錢塘江河口的人才隊伍，并且取得了巨大的社會和經(jīng)濟效益。

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