一种基于实际水深的通航保证率计算方法——以钱塘江河口七堡段为例

王卫标，曾　剑，谢东风

(1浙江省水利发展规划研究中心，杭州　310012； 2 浙江省水利河口研究院，杭州　310020)



一种基于实际水深的通航保证率计算方法
——以钱塘江河口七堡段为例

王卫标1，曾剑2，谢东风2

(1浙江省水利发展规划研究中心，杭州310012； 2 浙江省水利河口研究院，杭州310020)

通航保证率是进行航道设计、整治和评估航道效益的一项重要指标，一般采用航道水位高于设计最低通航水位的天数来确定。由于钱塘江河口河床冲淤变化剧烈，其低潮位的年际年内变化与河床冲淤变化关系密切，采用上述方法不能确切反映该河口的通航保证率。为此，利用1980年以来历年的实测水下地形分析了钱塘江河口七堡段的年际年内河床冲淤规律，讨论了低潮位变化与河床冲淤的关系，提出了采用逐日低潮位下的实际水深计算通航保证率的方法。并针对该河口河床冲淤主要取决于径流大小的特点，选取典型丰、平、枯水文年分析了七堡河段的通航保证率。结果表明，对应于丰、平、枯水文年，钱塘江河口七堡段的通航保证率分别达到100%，100%，87%，与实际较为吻合。该方法对我国其他冲淤变化显著、低潮位变幅较大的潮汐河口的通航水深保证率计算具有借鉴意义。

钱塘江；实际水深；通航保证率；河床冲淤；低潮位

1　研究背景

航道通航保证率是指在规定的水深条件下1 a中能够通航天数占全年通航天数的百分比，是进行航道设计、整治和评估航道效益的一项重要指标。根据《内河航道与港口水文规范》等相关规定，通航保证率一般通过航道水位高于设计最低通航水位的天数来确定[1]。徐兴玉等[2]采用累积频率法确定了上海黄浦江大桥的设计通航水位保证率时，主要考虑了潮汐变化、通航船只桅高和载货等因素。张华等[3]在统计长江太仓—江阴河段不同季节潮位变化的基础上，分析了船舶乘潮保证率，提出深水航道季节维护方案。张幸农等[4]以长江、珠江等感潮河段水文站实测资料为依据，对比分析了内河和海港不同通航保证率下设计通航水位计算方法的适用性。在这些研究中，由于河床高程冲淤变化幅度不大，研究水深保证率时一般只需考虑水位变化对水深的影响。

钱塘江河口连接着京杭运河和杭甬运河，并可以沿杭州湾直接出海，是长江三角洲水网向浙江西部延伸的水上运输动脉，是浙江省航道“北网南线”骨干航道规划布局的重要组成部分[5]。随着周边地区经济社会的快速发展，进出钱塘江河口的货运量快速增长，特别是一大批燃煤电厂、钢铁加工、石油化工等基础产业的兴起，货物的运输出现大进大出的现象，港口通航的重要性已越来越突出。

钱塘江河口是我国最为典型的强潮河口，潮强流急。由于受上游径流和下游潮汐共同作用，而构成河床质的粉砂又易冲易淤，导致河床冲淤变化剧烈，低潮位的年际年内变化幅度较大。因此，采用设计低潮位下的水深计算通航保证率的方法难以准确反映钱塘江河口的通航水深保证率。本文以钱塘江河口七堡河段为例，探讨河床冲淤剧烈、低潮位变幅较大的潮汐河口的通航水深保证率的计算方法。

2　钱塘江河口概况

钱塘江河口上起富春江电站，下至杭州湾湾口，全长282 km(见图1)。根据水动力条件和河床演变的差异，可以将钱塘江河口分为3段：闻家堰以上为径流作用为主的河流段，长约75 km，河床基本稳定；闻家堰至澉浦为径流与潮流共同作用的河口段，长约122 km，河宽水浅，冲淤频繁剧烈；澉浦到杭州湾口为潮流段，长约85 km，以潮流作用为主，床面相对较为稳定，水深较大(8～10 m)。钱塘江河口的水下地形还有其特殊性，由一巨大沙坎组成，从乍浦段延伸至闻家堰，长达130 km，最高点位于七堡—仓前一带，高于其上下游桐庐—乍浦河床趋势线近10 m。

图1　钱塘江河口形势Fig.1　Regime of Qiantang river estuary

钱塘江河口是典型的强潮河口，澉浦多年平均潮差为5.62 m。澉浦以上的河口段，由于水下存在庞大的沙坎，河底迅速抬升，水深急剧变浅，高低潮位均向上游迅速抬升，而低潮位的抬升值大于高潮位，潮差沿程递减。钱塘江径流多年平均流量为952 m3/s，年径流过程在年际间存在显著的连续丰水年和连续枯水年交替变化，以21 a为周期[6]。

钱塘江河口河床具有大冲大淤和易冲易淤的特性。该河口闸口—盐官河段年内有“洪冲潮淤”的特点，盐官—澉浦河段则为“洪淤潮冲”，据实测资料，其年内河床高程变化可达10 m以上；年际间在径流偏枯期，河床淤积、容积缩小；径流偏丰期，河床冲刷、容积扩大[7]。钱塘江河口的冲淤变化，一方面取决于水动力条件，径流的丰枯转换，引起涨落潮流势力的消长变化，从而导致河势河床的相应调整，是造就河床的纵向变形与滩槽频繁摆动的主要动力因素；另一方面与泥沙条件密切相关，该河口河床主要由粉砂组成，滩岸抗冲能力弱，其来源主要来自海域，而上游流域来沙极少。据统计，上游新安江建库前，闸口断面多年平均输沙量仅约800万 t，建库后，闸口断面的多年平均流域来沙减至665万 t，流域来沙对河口段的年际年内冲淤影响不大[7]。但海域来沙丰富，澉浦平均含沙量3.5 kg/m3，每潮往复输沙量达1 000万 t。

3　七堡河段河床演变特性

3.1河床年际年内冲淤规律

七堡河段位于钱塘江河口闸口—盐官河段中部，其河床演变在年际间具有“丰冲枯淤”的变化规律。该河段河道容积与上游径流的变化关系密切，以历年的径流年平均流量与相应年份的河道平均容积建立关系，如图2所示。从图中可知，1980—2009年间两者的相关系数达到0.89，径流较大时，河道容积较大，反之，河道容积较小。

图2　年平均河道容积与年平均径流流量的关系(1980—2009年)Fig.2　Relationship between annual-average channel volume below high tidal level and annual-average runoff discharge(1980-2009)

该河段年内具有“洪冲潮淤”的特点。图3给出了钱塘江河口闸口—仓前河段1980年以来在多年平均高潮位下每年4，7，11月份的河道容积变化。每年4—6月份洪汛期，由于流域降水，本河段河床随下泄径流的大小呈不同程度的冲刷，河床高程降低，容积扩大，所以每年汛后的7月实测河床高程最低，容积最大。7—11月份径流减小进入大潮期，由于汛期后河道容积大，进潮量大，进沙量亦大，加上涨落潮流的不对称和输沙不平衡而造成秋季大潮河床回淤迅速，容积减小，河床抬高。12月份至翌年3月份潮小，径流亦小，河床处于较为稳定的微淤微冲状态。

图3　河道容积年际年内变化Fig.3　Inter-annual variations of average channel volume below high tidal level

3.2七堡断面主槽深泓高程变化

七堡断面主槽深泓高程的变化规律与河床演变基本一致，年际间具有“丰冲枯淤”的变化，年内具有“洪冲潮淤”的特点。图4给出了七堡断面1980年以来历年4，7，11月份测次的主槽深泓高程变化过程。从图4中可知，主槽深泓高程一般出现于梅汛后的7月份，到11月份或翌年4月份淤至最高。以1998年(径流年均流量1 398 m3/s)和2001年(径流年均流量661 m3/s)分别代表丰水年和枯水年为例，丰水年的1998年7月份主槽深泓高程为-1.6 m左右，枯水年的2001年7月份为1.3 m左右，两者相差接近3 m，而2个年份11月份的深泓高程分别为0.5 m和2.4 m，相差近2 m。可见，上游径流的大小对主槽深泓高程影响极大。

图4　七堡断面主槽深泓高程年际年内变化Fig.4　Inter-annual variations of the thalweg elevations at Qibao section

3.3七堡低潮位变化与河床冲淤关系

七堡河段主要有七堡长期水文站的潮位资料。图5为七堡站2000年9月5—18日的半月潮位逐时变化过程。潮汐在半个月内有一次大、小潮的周期性变化，高、低潮位均是大潮期高于小潮期。大潮期间的低潮位约4.0 m，小潮期低潮位约为3.0 m，大小潮之间有约1.0 m的差值。

图5　七堡站2000年9月5—18日潮位过程Fig.5　Time-history of tidal level at Qibao station during September 5-18, 2000

七堡站的低潮位除受潮汐大小影响外，还与河床冲淤密切相关。图6给出了七堡站1980年以来每年4，7，11月份平均低潮位的变化过程。4月份和11月份低潮位较高，7月份低潮位最低，4，7，11月份多年平均值分别为5.74，5.13和5.51 m，年内最大变幅达1.61 m，出现于1995年丰水年。一般而言，梅汛初期河床淤得较高，低潮位较高。随着梅汛期径流对江道的冲刷，河道容积增大，河床高程降低，低潮位也下降。梅汛结束时(7月份)，河床年内高程最低，此时低潮位最低。进入秋季大潮期，江道主要受潮汐控制，江道逐渐回淤，低潮位复而逐渐抬高。此外，低潮位年际间变化也较大，1980年以来各年对应月份之间的变幅在1.6～1.8 m。一般在枯水年，沙坎高程较高，低潮位抬高；在径流较丰的年份，沙坎高程较低，低潮位较低。

图6　七堡站低潮位年际年内变化Fig.6　Inter-annual variations of low tidal level at Qibao station

4　主槽通航保证率分析

4.1典型代表年份的选取

七堡河段的通航水深取决于低潮位与主槽深泓高程。由于该河段的低潮位与主槽深泓高程与上游径流丰枯密切相关，因此，采用径流年均流量累积频率的方法，选取丰、平、枯典型年的水文地形资料为代表对通航保证率进行统计分析。根据径流年均流量累积频率曲线，本文选取1998，2000，2001年代表丰、平、枯典型水文年。各典型年相应的径流年平均流量分别为1 398，888，661 m3/s，年均河道容积是220.3×106，150.9×106，135.5×106m3，与径流多年平均流量952 m3/s和多年平均河道容积170.9×106m3相比，具有代表性。3个典型年的相关特征值如表1所示。

4.2采用设计低潮位计算通航水深保证率

京杭运河(浙江段)为三级航道，通航1 000 t级的内河船和海轮，要求通航水深3.2 m[5]，因此以通航水深为3.2 m来统计七堡航段的通航保证率。

首先根据《海港水文规范》[8]要求的方法计算了七堡站的设计低潮位，以1998，2000，2001年各约706个低潮位统计了3 a中累积率为90%的设计低潮位，分别为2.27，2.97和3.35 m，3 a平均值为2.86 m，可见设计低潮位年际间相差较大，枯水年比丰水年高1.08 m。表2列出了根据设计潮位计算的典型年份通航水深保证率，1998年全年和2000年的4—10月份通航保证率可达100%;2000年11月份至翌年3月份和2001年全年的保证率较低;2001年的4—10月份保证率不足40%;11月份至翌年3月份由于河床高程较高而低潮位较低，保证率为0。就全年而言，丰、平、枯水文年的保证率分别为100%，83.6%和20.0%。

表1　典型年份平均流量和地形特征值比较Table 1　Comparisons of annual average discharge and topographic feature in typical hydrological years

表2　2种方法计算的通航水深保证率Table 2　Cumulative frequencies of low tidal level of navigation calculated by two methods

4.3采用实际水深计算的通航水深保证率

由于钱塘江河口的低潮位和地形在年际年内变化很大，仅以设计低潮位下的水深，不能确切反映七堡河段的通航水深保证率，这里选取3个典型丰、平、枯水文年每年约706个低潮位下的实际通航水深进行保证率分析。文中，实际水深由逐日的实际低潮位减去相应床面高程的差值计算得到，其中非测期的床面高程采用各测次间的高程按时间内插求得。计算结果列于表2，统计表明:1998年和2000年全年的水深保证率均达到100%;枯水年2001年的7—10月份保证率为100%，4—6月份保证率为92%，11月份—翌年3月份的保证率较低，为48%，2001年全年保证率为87%。

5　结　论

钱塘江河口段受径流丰枯变化和下游潮汐周期性变化的共同作用，河床年际年内的冲淤变化较大。低潮位的变化与河床冲淤变化关系密切，七堡站年内各月份的平均低潮位可相差1.61 m，年际间相同月份的平均低潮位可相差1.6～1.8 m。此外，低潮位在半月大小潮周期内还有1 m左右的变幅。

由于钱塘江河口段具有水下地形特殊(存在庞大的水下沙坎)、河床冲淤剧烈、低潮位变幅较大等特点，采用设计低潮位下的水深不能确切反映通航水深保证率，宜采用逐日低潮位下的实际水深来统计通航水深保证率。该方法对于统计我国其它河床冲淤和低潮位变化显著的潮汐河口的通航水深保证率具有借鉴意义。

[1]JTJ 214—2000，内河航道与港口水文规范[S]．北京：人民交通出版社，2000.

[2]徐兴玉，窦文俊．潮汐河口设计通航水位的保证率[J]．水运工程，1981，(7)：27．

[3]张华，黄志扬，肖烈兵，等．感潮河段深水航道乘潮保证率及疏浚维护[J]．水运工程，2015，(4)：8-12．

[4]张幸农，陈长英，吴建树．感潮河段设计通航水位确定方法及标准初探[J]．水道港口，2006，27(4)：243-248．

[5]交通运输部规划研究院．浙江省内河航运发展规划[R]．北京：交通运输部规划研究院，2008．

[6]曾剑，孙志林，潘存鸿，等．钱塘江河口径流长周期特性及其对河床的影响[J]．浙江大学学报(工学版)，2010，44(8)：1584-1588．

[7]韩曾萃，戴泽衡，李光炳，等．钱塘江河口治理开发[M]．北京：中国水利水电出版社，2003.

[8]JTS 145-2—2013，海港水文规范[S]．北京：人民交通出版社，2013.

(编辑：刘运飞)

A Calculation Method for Cumulative Frequency Below Low Tidal Level of Navigation Based on Real Water Depth: Taking Qibao Section of Qiantang Estuary as Example

WANG Wei-biao1，ZENG Jian2，XIE Dong-feng2

(1.Water-DevelopmentPlanning&ResearchCenterofZhejiangProvince,Hangzhou310012,China;2ZhejiangInstituteofHydraulics&Estuary,Hangzhou310020,China)

Thecumulativefrequencyoflowtidallevelofnavigationisanimportantindexfornavigationchanneldesign,improvementandbenefitevaluation.Normally,thecumulativefrequencycouldbecalculatedbythenumberofdaysthatthewaterlevelishigherthanthedesignedlowestnavigablewaterlevel.IntheQiantangriverestuaryofZhejiangProvince,thebederosionanddepositionisdrastic,andthelowtidalleveliscloselyrelatedtothebedelevationchanges.HencetheaforementionedmethodcouldnotcountdefinitelythecumulativefrequencyinQiantangestuary.Inthisstudy,thehistoricalbathymetriessince1980wereusedtoanalyzethebedevolutionpatternsintheannualyearsatQibaosectioninQiantangestuary,andtherelationshipsbetweenthevariationsoflowtidallevelandthebederosion/depositionwerediscussed.Onthisbasis,anewmethodbasedontheactualwaterdepthunderdailylowtidallevelwasproposedforthecalculationofcumulativefrequency.AccordingtothehydrologicalcharacteristicsofQiantangestuary,threetypicalhydrologicalyearsrepresentinghighflowyear,normalflowyearandlowflowyearwerechosentoanalyzethecumulativefrequencyofwaterdepthfornavigationinQibaosection.Theresultsshowthatinthethreeyears,thecumulativefrequenciesatQibaosectioncouldreach100%, 100%and87%,respectively,whichagreeswiththereality.Thismethodcouldbealsoapplicabletoothertidalestuarieswherechangesofbedelevationandlowtidallevelareremarkable.

Qiantangestuary;cumulativefrequencyoflowtidallevel;bederosionanddeposition;lowtidallevel

2016-04-19;

2016-06-21

王卫标(1970-)，男，浙江台州人，高级工程师，博士，主要从事水利规划研究工作，(电话)0571-85390578(电子信箱)wangwb@zjwater.gov.cn。

10.11988/ckyyb.20160366

2016,33(09):1-4,22

TV856

A

1001-5485(2016)09-0001-04