灵江大闸枢纽工程闸下泥沙淤积风险应对措施研究

欧阳丽 高礼洪 赵晓冬 赵建锋

摘要：灵江大闸枢纽工程位于浙江省第三大河流椒江干流感潮河段中部灵江河段，距入海口约40 km，是浙江省东南部温黄平原水资源利用的骨干工程，年均引水量超过4亿m3。椒江主河流长209 km，流域面积6 603 km2，径流年内分布不均，水沙情况复杂。对大闸选址布置、闸下泥沙淤积和风险应对措施等进行了研究。物理模型试验和数学模型分析表明：闸下泥沙淤积平衡量为2 300～3 000万m3，可通过运行优化调度、拓宽河道、加高堤防等措施消除泥沙淤积带来的洪水位抬升等不利影响。对于泥沙淤积量超过3 000万m3的情况，也进行了风险及应对措施分析。研究结论表明，在灵江河段建闸，风险可控、效益显著，方案合理可行。

关键词：泥沙淤积;一维水沙;数学模型;干流建闸;水资源利用;感潮河道;灵江大闸

中图法分类号：TV697.22文献标志码：ADOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2019.11.007

1 研究背景

我国拥有长达1.8万km的漫长海岸线和大小1 800余个入海河口，在这些入海河口修建了数量众多的挡潮闸，从北方的辽宁到南方的广西、海南均有分布。挡潮闸在挡潮御咸、蓄淡灌溉、防洪排涝、水资源利用以及抵御风暴潮等方面起到了重要的作用。然而，在潮区界至口门的河口区内修建挡潮闸，也改变了河流原有的水沙运动特征，造成闸下河道的冲淤变化，影响了挡潮闸工程效果的正常发挥。

据不完全统计，江苏省沿海修建的60多座中大型挡潮闸，闸下淤积严重的有15座，基本淤积有5座，一般淤积有20座，原因是建闸后径流及纳潮量减少。从已建的河口及感潮河段大闸工程的运行情况得到经验：闸下引河越短，闸下淤积越少。如苏北的夸套闸，闸下引河长3.15 km，淤积严重，工程能发挥的效益已不到原设计的50%，姚江大闸和射阳闸也存在同样的问题。而曹娥江大闸位于曹娥江河口，闸址距离曹娥江河口仅350 m，运行10多年来，闸下没有出现淤积，运行情况良好。

对已建挡潮闸的统计分析表明，挡潮闸建成后，闸下河道有冲有淤，其与河流的水沙运动特征、闸址选择、径流和纳潮量减少幅度、下游引河长度均有很大的关系。随着社会经济的发展，越来越多的感潮河流纷纷建成水闸，江浙沿海便建成了姚江大闸、永宁江大闸、江苏射阳河大闸、曹娥江大闸等，在这些大闸的建设论证过程中，均将闸下淤积作为关键技术问题进行审慎研究。在感潮河段上建闸，尤其是感潮河道干流建闸往往比较谨慎，如甬江大闸、黄浦江大闸、飞云江大闸等，均因担忧不能较好解决闸下淤积等而未能开工。

2 工程概况

台州市水资源时空分布不均，东南部温黄平原黄岩、玉环、温岭人口集中且经济社会发达，需水量大而水资源供给不足，西北部有浙江省第三大河椒（靈）江，流域面积6 603 km2，多年平均径流量达67.4亿m3，未得到有效的开发和利用。此外，由于潮水上溯及潮涨潮落，使椒江两岸河滩地淤积严重，灵江河段临海主城区江道露滩，潮水浑浊，严重制约了临海社会经济发展和生态文明建设。

为了解决温黄平原水资源短缺问题，提高椒江流域防洪排涝能力并改善水生态环境，促进社会经济发展。台州市自20世纪90年代便开始谋划在临海城区下游灵江河段建设灵江大闸，将灵江水引入温黄平原，解决东南部生产生活用水资源短缺问题。同时，希望建闸挡潮蓄淡，还临海城区一江清水，实现“十里灵江、十里画廊”的目标。

自20世纪90年代开始，台州市围绕椒江建闸开展了一系列研究工作，主要集中在建闸闸下淤积和水资源论证两方面。尤其是闸下淤积问题，事关建闸成败，台州市政府、行业主管部门及科研单位对此尤其慎重，委托国内科研机构开展了物模、数模研究，并邀请行业专家审查，基本弄清了闸下淤积问题，为项目立项奠定了基础。

3 自然条件与河床演变

3.1 流域概况

椒（灵）江是浙江省第三大河，干流河长209 km，流域面积6 603 km2，水系示意图见图1。上游永安溪发源于天堂尖，曲折东流至临海三江村，河长144 km，流域面积2 704 km2。永安溪于临海市三江村纳始丰溪后，称为灵江，灵江段河长46 km，区间面积1 054.4 km2。灵江至三江口与永宁江汇流后称椒江，椒江出牛头颈，入台州湾，主河长19 km，属河口段，区间面积339.2 km2。上游支流始丰溪发源于大盘山主峰东麓，河长134 km，流域面积1 615.6 km2。永宁江是椒江主要支流之一，也是温黄平原的主要水系之一，干流长83 km，集雨面积889.8 km2。

椒江自牛头颈以下进入台州湾水域，堤岸呈喇叭型迅速展宽，至口门外18 km的白沙，南北堤岸宽达19 km。河口区有边滩、心滩，分布着大片水下浅滩。白沙以东海域开阔，其外侧有台州列岛、东矶列岛等岛屿形成屏障与东海相隔。

3.2 椒江水文泥沙条件

3.2.1 水文气象

椒江流域属亚热带季风气候区，四季分明，气候温和，雨量充沛。多年平均降水量1 627 mm，多年平均径流深953 mm。降水量时空分布不均，3～9月的降水量占全年的70%～80%。多年平均气温17.7℃，极端最高气温41.3 ℃，极端最低气温-6.9 ℃，多年平均蒸发量1 159.9 mm。

3.2.2 径流

椒江流域的径流主要由降水形成，其年内分配与降水量基本相应。径流量的年内分配不均匀，主要集中于汛期（ 4～9月），占全年总量的75%;枯季（ 10月至翌年3月） 径流量仅占全年的25%。椒江河口属于典型的山溪性强潮河口，流域洪水暴涨暴落，径流量变幅很大。曾记录到最大洪峰流量为16 300 m3/s（1962年9月6日），最小流量仅为0.39 m3/s（1967年9月19日），多年平均流量163 m3/s，丰水年平均流量为289 m3/s，而枯水年平均流量仅72 m3/s。

3.2.3 潮汐

椒江河口属强潮河口，潮型为不规则半日潮。河口潮位以海门站潮位为代表，海门站潮位特征值如表1所示。

台州湾海区是典型的正规半日潮，潮波自外海传入台州湾。由于河口平面形态呈喇叭形，向内收缩，随着河宽和水深减小，潮波受到浅海地形摩阻、上游径流顶托和两岸边界的约束反射等影响，上溯过程中变形剧烈，涨潮历时缩短，落潮历时延长，波形呈不对称，且接近驻波。

从台州湾-椒江河口-灵江河段，自东向西，由外海沿河道上溯，各站的最高潮位、平均高潮位、平均潮位呈逐渐升高趋势。而最低潮位和平均低潮位则呈现相反的变化過程，由东向西，自外海沿江道上溯呈逐渐降低趋势。从各站的平均潮差来看，潮差自东向西呈现逐渐增大的变化趋势。

椒江河道内平均落潮历时长于平均涨潮历时，且越往上游时差越长。从最近的实测资料看，落涨历时差在海门站为1 h 47 min，到西门站增至4 h 24 min。

3.2.4 潮流

椒（灵）江河道内以往复流为主，受台州列岛和东矶列岛的约束，椒江口潮流通道内也呈现较明显的往复流特征，不受岛屿掩护的开敞水域的潮流旋转性强。涨落潮流的垂线平均流速分布，总体上呈现出台州湾-椒江-灵江逐渐增大的趋势，涨潮流速大于落潮流速。

3.2.5 泥沙

椒江河口泥沙来源为陆域与海域的双向来沙，陆域来沙主要集中于汛期永安溪和始丰溪，其中的粗颗粒物质基本不出口门而在口内沉积，细颗粒物质则随潮来回搬运，并和椒江口口外补给的细颗粒物质一起参与椒江河口的塑造过程。据实测资料统计，椒江流域来沙多年平均输沙量为122万t/a，平均含沙量0.236 kg/m3。灵江、椒江垂线平均含沙量普遍在3.0 kg/m3以上，台州湾海域则普遍在0.3 kg/m3以下。含沙量平面分布，呈现由灵江河道-椒江河道-椒江河口及外围逐渐递减的趋势。

椒江口外台州湾水域辽阔，强劲的风浪伴随潮流输运泥沙，使湾内底部及两侧滩地上的泥沙，一部分进入椒江口内，另一部分在湾内重新分布，对入海航道的输沙平衡产生一定的影响。台州湾海区涨落潮含沙量相当，含沙量随潮差的变化规律明显，潮差大则含沙量也大。含沙量在海域不同位置的表现也各不相同，口门落潮主通道上测站含沙量较大，口外头门岛及琅矶山外附近海域含沙量较小，均值在0.2 kg/m3以下。

从椒江泥沙的粒径和组分来看，各垂线的悬沙中值粒径介于0.005～0.010 2 mm之间;各水域悬沙中值粒径表现为灵江河道至下游椒江河道逐渐变细的分布特征。

各垂线底质均以粉砂为主要组分，含量在62.6%～80.3%，平均74.4%;其次为黏土，含量在7.60%～33.0%，平均15.7%;砂组分含量最小，在0.90%～26.3%，平均9.9%。

4 灵江大闸选址与枢纽布置

4.1 选址原则

灵江大闸枢纽工程是一项综合性大型枢纽工程，且椒（灵）江属于感潮的多泥沙河流，因此灵江大闸闸址选择需考虑泥沙淤积、河床演变、航道布置、库区淹没、施工导流等众多因素的影响，主要遵循以下几点原则：

（1）在感潮河段建闸宜尽可能位于潮流影响带末端。灵江属于感潮的多泥沙河流。灵江建闸闸址位置的选择宜尽可能位于潮流影响带末端，以减少对潮波变形及纳潮量的影响，同时保障上游冲淤水量及下游长引河径流量，避免造成淤积。

（2）选址应综合考虑航运要求。椒江河道为四级航道，船闸通航船舶为500 t级，兼顾1 000 t级海轮乘潮通航。通航建筑物在顺水流向长420 m，需要有较长的顺直河段。

（3）河床要有足够的宽度，满足枢纽布置及导流布置要求，尽量减少对上游水位壅高影响。

（4）闸址选择应兼顾城市发展和水环境改善效益最大化。

4.2 闸址选择

根据椒江临海城区至涌泉段约31 km长河道河势地形条件，考虑水资源利用、施工导流布置、城市开发、闸下淤积等因素，确定3个具备布置条件的闸址位置，即上闸址庙龙港、中闸址八仙岩和下闸址涌泉（见图2）。从水资源利用角度，闸址越往下游移，库容越大，可调配的水资源越多;从防洪影响角度，灵江建闸河道水位都有部分壅高，闸址越往下游移，对上游临海城区水位影响越小;从泄洪、通航角度，中闸址八仙岩河道相对顺直;从施工导流角度，下闸址涌泉闸址结合江心洲采用河床分期导流方案容易布置，但其对下游永宁江大闸正常运行将产生影响（三江口永宁江闸至三山港沿岸泥沙淤积厚度超过1 m），对海门港和台州电厂附近水深影响也较大，不可接受;在水力条件、水环境及水生态影响、交通、施工导流、淤积影响、投资方面，中闸址优于上闸址和下闸址。因此，推荐中闸址八仙岩闸址为灵江大闸工程闸址。

4.3 枢纽布置

灵江大闸枢纽主要建筑物有泄洪闸、鱼道（生态泄放孔）、船闸、管理区等，泄洪闸居中间位置，船闸及鱼道分别在泄洪闸左右两侧。

泄洪闸共15孔，每孔净宽26.0 m，总净宽390 m。1孔为一个结构段，单侧闸墩厚2.0 m，每个结构段宽30.0 m，总宽450 m，闸室顺水流方向长47.0 m。泄洪闸采用不带胸墙的开敞式结构，闸底板顶高程-4.5 m，闸底板厚3.0 m，闸顶高程12.00 m。

鱼道布置于泄洪闸右岸，鱼道上下游方向长150 m，宽10.0～12.0 m，最大高度16.5 m。鱼道采取连续“绕弯”方式布置，全长450 m。

生态泄水放孔布置于鱼道临江侧，断面尺寸为2.5 m×3.6 m（宽×高），生态泄放孔下游侧出口设工作闸门，用于控制下泄流量。

船闸布置在左岸，其有效尺度180 m×16 m×4.0 m（有效长度×有效宽度×槛上水深）。下游引航道连接较平顺，转弯半径500 m，基本沿左岸深槽布置，根据枢纽整体模型试验，水流条件能够满足规范要求，过闸船舶航行较安全。

5 闸下泥沙淤积研究

5.1 研究方法和路线

通过椒（灵）江河床演变分析、椒江现场和室内泥沙水动力特性试验，了解工程区泥沙运动特性，对拟建闸址的河床稳定性进行分析。然后根据工程水域特点和建闸布置方案，建立工程区潮流泥沙物理模型，研究不同建闸方案闸下泥沙淤积时空分布特征及其对防洪排涝、港口航道和水环境的影响，论证建闸选址方案的可行性。

5.2 河床冲淤演变

椒江河口属于典型的山溪性强潮河口，洪水暴涨暴落，径流量变幅大，河口潮差大、潮流较强。庙龙港以下河道泥沙粒径的平均值在0.008 mm左右，為典型的细颗粒黏性泥沙。椒江口外含沙量很小，非洪汛期灵江上游始丰溪和永安溪来沙也很少，椒江、灵江含沙量高是当地细颗粒泥沙在强潮流作用下往复运动的结果。洪水期泥沙向下搬运，枯季潮水携带泥沙上移，河口段的冲淤演变呈现为“洪冲枯淤”特点。

2017年6月发生了超过1 400 m3/s流量的小洪水，三江村-灵江二桥约11 km河段发生了冲刷，冲刷量近80万m3。2015年和2016年洪峰流量分别为5 720 m3/s和5 620 m3/s，灵江和椒江大部分河段普遍出现冲刷。灵江三江村至椒江海门冲刷量近800万m3。

由于枯水时期上游径流小，多泥沙河流造床的主要动力是潮流。椒（灵）江感潮河段长约70 km，拟建的灵江大闸离椒江口约46 km，建闸后灵江八仙岩断面大潮进潮量减少21%，约7 700万m3。进出潮量的减少，势必带来河床的淤积。

5.3 研究结论

为了分析建闸对闸下游河段淤积影响，采用物理模型试验方法，建立了水平比尺1∶288，垂直比尺1∶100的椒（灵）江潮流泥沙物理模型和椒（灵）江台州湾二维水沙数学模型，采用2016年新测资料对模型进行了验证，开展了定床和动床模型试验和潮流泥沙数学模型计算，研究了建闸前后的水动力变化和闸下泥沙淤积分布规律，分析了闸下淤积对防洪排涝、港口航运的影响。

研究表明，灵江八仙岩建闸后，闸下近区高潮位明显抬高，低潮位有所降低，至涌泉涨潮最大流速恢复至建闸前状态，至三江口落潮最大流速恢复至建闸前状态;闸下河道沿程潮量下涨潮历时缩短近1 h;闸下近区涨落潮流速均有所减小，其中涨潮流速减小，自闸址往下游潮量减小幅度趋缓，河口段断面的涨潮量减少不大。闸下淤积平衡后，低潮位明显抬高，闸下沿程潮量比建闸初期进一步减小。

八仙岩闸址方案在连续6个月关闸工况下，闸址至牛头颈淤积总量在670万m3左右，泥沙淤积主要分布在钓鱼亭至涌泉河段，淤积厚度在0.4 m左右;特枯期1.5 a，总淤积量为1 225万m3左右。最大淤积发生在闸址至涌泉河段，平均淤积厚度超过1.0 m;建闸后3 a淤积总量为1 854万m3;根据含沙量实测资料，八仙岩闸址至三江口河段大潮全潮悬沙总量均值沉降淤积后为116万m3，

研究八仙岩建闸后4个月、6个月、9个月及1.5 a枯水期闸下淤积过程。建闸后3 a淤积达到初期平衡后，闸下淤积量为1 854万m3，考虑到模型难以模拟椒江高含沙量的偏差，八仙岩闸下淤积初期平衡时淤积总量应为1 970万m3。建闸淤积平衡后若遇特枯年份（频率90%），闸下河道淤积总量增加到2 278万m3。淤积最大区间在钓鱼亭下-涌泉，其中最大断面平均淤积厚度2.13 m，最大淤积厚度为2.55 m（见图3）。

引水对闸下淤积的影响：与不引水工况相比，当引水量在3亿～5亿m3时，平水年闸下淤积量增加5.6万～10.1万m3，枯水年增加10.5万～20.8万m3。

5.4 闸下淤积风险分析

研究引入风险理论，分析在极端水文系列年情况下，闸下游可能遭遇的淤积状态。

通过河相关系分析、一维水沙数学模型等不同方法进行灵江建闸后淤积量预测。在1958～2015年长系列水文条件下（最小年来水量不小于16.7亿m3），建闸后闸下淤积量峰值约3 000万m3，发生在近60 a来最长连续特枯年份（1964～1968年）的来水序列条件下（见图4）;闸下淤积量长期平均值约2 300万m3。将1958～2015年共58 a的径流量按照从大到小重新排序，由于来水量逐渐减小，闸下淤积持续增加，淤积最大值约3 500万m3（见图5）。

将闸址-涌泉淤积后地形作为泥沙数模的地形边界条件，重新计算闸下极限淤积量为3 450万m3。

将2种计算成果进行最大包络风险分析，得到闸下淤积量为3 500万m3，此泥沙淤积量为发生极端恶劣水文年情况下闸下淤积平衡的状态。

6 闸下淤积影响分析及应对措施

6.1 闸下淤积影响分析

闸下淤积后导致河道过流断面减少，水位壅高，对上游临海城区的防洪排涝带来了如下不利影响：

（1）干流水位影响。在闸下淤积2 300万m3时，灵江干流西门水位壅高0.23 m，大田港闸出口水位壅高0.45 m，红旗闸出口水位壅高0.48 m，长石岭闸出口水位壅高0.60 m，钓鱼亭水位壅高为0.71 m。

（2）两岸平原排涝影响。大田平原河网水位壅高0.02～0.05 m，但均低于地坪高程。通过正在实施的大田平原排涝一期、二期工程，可保证排涝标准仍能达到20 a一遇。义城港河道下游水位壅高约为0.18 m。

（3）淤积对通航的影响。根据闸下淤积分布分析，八仙岩闸址-四号码头约35 km范围内，以远期规划航道底高程控制，除红光码头以下3个闸建前就不满足通航要求的断面，淤积后也无法满足外，其余均能满足。

闸下黄岩港区和海门港区河道地形虽有淤积（断面平均淤厚30～50 cm左右），但原水深较大，淤积后的水深仍较上、下游明显大，闸下淤积对港区的影响不大。而至河口外头门岛处，河床处于动态平衡状态，对于临海港区头门作业区则基本无影响。

6.2 闸下淤积应对措施

（1）调度措施。灵江大闸枢纽工程的运行调度首先应当满足河道的防洪排涝能力，发挥大闸的挡潮功能，保证河道防洪挡潮安全;其次应当优先保证灵江下游的河道生态和滩槽形态，保证河道最小生态流量和泥沙的冲淤调度;在此基础上，对温黄平原和临海城区引水，以解决温黄平原水资源短缺，改善区域水环境，提升区域水质。灵江枯季径流很小，如不采取调度冲淤措施仅自然泄水不能减少闸下淤积。枯季6个月如采取调度冲沙措施，每次大潮低潮位时段开闸，一次冲淤水量为400万m3，闸下半年淤积量从关闸工况的673.5万m3减少到632万m3，减淤约40万m3（减少6%）。每年汛前、中、后采用集中冲淤1 800万m3。枯季调度冲淤措施对近闸3～5 km有明显冲刷作用，大潮期间集中泄流，同时也起到“顶浑减淤”部分效果。洪季丰水期间，每周1～2次蓄水冲淤，每次冲刷水量在1 800万m3左右，在闸下淤积2 300万m3地形下，初次沖刷量超过10万m3，冲刷效果明显。

（2）干流河道扩排与堤防建设。结合临海城市防洪工程，对灵江干流进行扩排，建设堤防，形成封闭的防洪保护圈。对阻水严重的望江门、两水山、伏龙滩、庙龙港等河段进行扩宽，加大行洪断面，降低水位。同时建设两岸堤防，使临海主城区防洪标准达到50 a一遇，建制镇达到20 a一遇。

（3）加大平原排涝规模。大田港平原、义城港平原结合在建的排涝工程消除影响，为不降低义城港平原排涝标准，在考虑干流扩排工程实施基础上，义城港口门排涝泵站规模增加40 m3/s，可使义城港下游水位降至6 m以下，满足相应排涝标准。

（4）人工清淤。为了减少闸下淤积对防洪排涝和航运的影响，在集中泄水冲沙的基础上，如遇连续枯水年份，控制淤积量为2 300万m3，对于闸下新增淤积量，应及时采取人工清淤措施，清淤范围和清淤量应满足灵江防洪排涝和航道维护要求，年机械清淤总量226万m3。

（5）原型试验研究。建闸后初期，利用3～5 a时间，探索大闸运行调度方式与减淤效果，探索和建立运行调度原则，再正式运行。

（6）淤积超预期的风险应对。①纳潮冲淤。如遇1967年长达7个月径流小于20 m3/s的长时段特枯期，无法保证定期冲淤，可采用开闸纳潮冲淤的方法来减少淤积，即中-高潮位时段开闸纳潮，待闸上水位达到3 m左右，落潮低潮位时段敞开闸门放水集中冲淤。②闸下淤积速度超出研究结果的应对范围。建闸后如遇特枯水文条件，可采取逐渐增加常开闸时段，恢复建闸前闸上河段纳潮以明显加大闸下淤积段潮流流速的方法来冲刷并维持河道断面，即：先大潮期间敞开闸应对;再大潮、中潮开闸应对。小潮期间潮量较小仍可保持关闸。

7 结 语

闸下淤积及风险应对研究是灵江干流大闸枢纽工程的关键技术问题，通过物模试验研究表明，推荐的八仙岩闸下河道淤积总量约2 300万m3，数学模型分析闸下淤积量峰值约3 000万m3，两种研究方法结论比较接近，成果合理可信。进一步研究将1958～2015年共58 a的径流量按照从大到小重新排序，由于来水量逐渐减小，闸下淤积持续增加，淤积最大值约3 500万m3，将其作为风险研究淤积最大量，评估其对防洪、航运的影响。

通过运行调度、人工清淤、兴建堤防和排涝设施，结合工程运行初期的原型试验研究，可有效应对闸下淤积带来的不利影响。研究表明，从泥沙淤积角度来看，基本能准确预测灵江大闸枢纽工程闸下淤积总量，应对措施合理，工程建设可行。

（编辑：李 慧）