钱塘江河口涌潮长期观测体系的建立

王忠权，俞金清，马 捷

（1.浙江省钱塘江管理局勘测设计院，浙江 杭州 310016；2.浙江省钱塘江流域中心，浙江 杭州 310016）

0 引 言

涌潮是一种极为特殊的水流运动，流速大、破坏力强、水流特性复杂。钱塘江以壮观的涌潮闻名于世，其独特的自然现象不仅为后人留下了众多的神话、传说及诗词歌赋等文化瑰宝，也给观潮游人以独特的感受。但涌潮在带来潮景的同时也是一种灾害，因此，对于涌潮的保护要遵循兴利避害的原则，且需要对涌潮的发生、发展变化规律及涌潮水动力学特性进行系统认识。

研究涌潮最直接的办法就是现场观测。1888年M·U·Moore整 理 的《钱 塘 江（杭 州 湾）涌潮）》一文是迄今所知关于钱塘江潮最早的观测记录[1]。1920年上海浚浦局在盐官至澉浦沿岸进行了涌潮观测[2]。1950—1954年在老盐仓、盐官和海盐采用浪力计观测了涌潮（波浪）压力，初步建立涌潮传播速度与河床地形、涌潮高度的关系[3]。1968年多家单位共同在萧山新湾镇进行了一次定点涌潮观测，在离岸30 m处测量了潮头高程（1.4～2.5 m）、涌潮传播速度（3.5～9.6 m/s）、潮头前坡（1∶2.9～1∶9.4）、测点流速（6.1～12 m/s）、涌潮压力（18.6～71.9 kPa）等数值[4]，并得到涌潮流速随时间的变化过程和涌潮流速的垂向分布。1974年开始在大缺口、西龙头等处采用江中立水尺的方式进行人工目测。1988年在海宁旧仓测量了涌潮高度、行进速度、涨潮流速和代表点压力[5]；2000年从富春江电站至杭州湾金山进行了大范围的涌潮同步观测，沿程布置22个测点，观测了涌潮到达时间、传播方向、潮头附近水位变化、潮头水面破碎情况，对涌潮的形成、发展和衰减的全过程有了较深的认识，发现了涌潮衰减阶段的双峰现象[6]；2002年在钱塘江六桥主墩桩基进行了涌潮压力测试[7]；2003年开始采用ADCP流速仪在强涌潮河段进行数次全过程观测，测得最大涌潮流速为6.65 m/s，垂线为5.58 m/s。

除了专门针对涌潮的观测，钱塘江河口沿线还有闻家堰、闸口、七堡、仓前、盐官、澉浦等水位站记录每天的高、低潮位。另外钱塘江河口一些大型涉河工程建设的观测资料，也为涌潮研究提供了一定的资料补充。但现有观测项目、涌潮高度、形态和进行速度等多为目测，可靠性差，涌潮强劲河段现场施测极为困难，长期要素不全面。

1 涌潮观测要素和观测方法的确定

在考虑现有观测条件、借鉴现有涌潮及其他水文观测方法的基础上，涌潮观测要素的确定前瞻性地结合新的技术方法和测量手段，提出系统可行的观测方案。

根据涌潮的水力特性，初步确定观测内容为涌潮高度、涌潮形态、涌潮行进速度、潮位过程、涌潮压力、流速、含沙量、河床冲淤过程及风速风向等9项内容。

1）涌潮高度。波列涌潮指第一个波峰与之后波谷的平均值减去潮前低潮位作为涌潮高度；旋滚涌潮指潮头后一段时间（60 s）的平均潮位减去潮前低水位作为现场观测的涌潮高度。

2）涌潮形态。包括潮头线的潮头形态及平面线型；潮头形态指不同涌潮阶段的形态，即波状阵列形态、翻滚涌潮不同破碎程度形态；平面线形指潮头线在江面上的平面线形。

3）涌潮行进速度。涌潮潮头溯江推进的速度。

上述观测要求采用全球眼结合水尺目测、水位自动观测设备（选用浮子式自记水位仪、压力式自记水位仪、雷达自记水位仪）、三维摄影测量方法（利用2台可用于量测的相机同步拍摄，获取涌潮瞬时立体像对，软件实时处理准确获得涌潮的空间尺寸和方位信息，提取潮顶线、潮脚线、潮型曲线等数据）等。

4）潮位过程。采用全球眼人工远程观测时，一般只进行大潮汛期间日潮的观测；观测频率为潮前1 min观测1次潮前水位；潮到后10 min内，每 min观测1个数据；潮到后10～180 min之内每30 min观测1个数据，且在预计最高潮位时点前后应每隔5～15 min观测1次；其他时段每隔60 min观测1次。采用自记水位仪观测时，实行全天候24 h数据采集，涌潮到达后10 min内，按实际设备频率1～3 s采集1次；之后每间隔1 min采集1个潮位数据（采集时点前后10 s内所有数据的算术平均值）。

5）涌潮压力。迎涌潮潮头方向各点位的动水压力观测，采用竖向每0.5 m布置1个压力传感器，每套涌潮压力测量设施包括11～17个压力传感器。采用CY201智能点压力传感器在涌潮时段（10 min，含潮前1 min）实施测量，采集频率为50～100 Hz。

6）流速。采用目前垂向分层流速测量应用较广的AWAC浪龙流速剖面仪，因江道冲淤幅度大，在平均低潮位附近安装2台，分别测量平均低潮位以下和以上的分层流速。流速数据全天候24 h采集，按1～3 s采集一次，采集精度为0.01 m/s。潮前至涌潮到达后60 min内每min摘取一次数据，其它时段每30 min摘取1次数据。

7）含沙量。含沙量数据主要通过浊度仪采集，配合人工定期现场取样实验比对。浊度仪安装前需要进行设备率定，取得浊度与含砂量转换关系参数，浊度仪实行全天候24 h数据采集，采集频率为：涌潮到达后60 min内每5 min采集1次，其余时段整点采集1次。每季度采用自吸泵取样测验和OBS3+自动浊度仪[8]进行对比分析。

8）河床冲淤变化。结合涌潮流速测量过程，在流速测量点附近定点采用单频测深仪测量河床随涌潮的冲淤变化过程，潮前低潮位时测1次河床高程，涌潮潮头后的30 min内每隔5 min测1次河床高程，其它时段每30 min测1次。

9）风速风向。采用机械式风速风向仪，分别安装于盐官、美女坝2个观测站的三维摄影塔杆上。

2 观测站点布设、观测项目及设备布置

2.1 长期观测站点确定

钱塘江涌潮在历史上是逐渐下移的，唐宋时观潮在杭州一带，从元末起呈下移趋势，明末以来盐官逐渐成为观潮胜地。而随着钱塘江河口两岸逐步达到规划治导线，起潮点及河段最大涌潮高度位置已较上世纪末均明显下移。涌潮观测站点综合考虑已有的涌潮特性研究成果，并结合已有的水文站点及投资管理等方面，站点布置能初步实现涌潮观测体系的形成。为此，确定从涌潮形成、发展至消亡的各个阶段[9]及交叉潮、回头潮、一线潮等出现位置布置观测站点。盐官河段是传统的强潮河段，且盐官已有陆域管理房，在该处设一个全方面观测站；赭山湾河段是涌潮发展到涌潮衰减的过渡河段，也是涌潮与岸线斜交反射典型及回头潮典型的河段，美女坝处已有陆域管理房，在赭山湾河段设一个全方面观测站；闻家堰、长河是涌潮逐渐消亡的阶段，设为观测点；七堡河段的潮位过程较特殊，涌潮成为整个涨潮波的坡面，涌潮后就是落潮波，设为观测点；老盐仓为典型强涌区回头潮，设为观测点；盐官至尖山河段，涌潮变化剧烈，该河段已有大缺口、新仓观测点，考虑资料延续性，在这2处设置观测点；另外考虑到涌潮下移，在萧山与绍兴交界处的临江码头设置观测点；起潮点江面宽阔，两岸边都缺少电力和通信设施，考虑在嘉绍大桥主墩上设置起潮观测点。各站点位置见图1。

图1 钱塘江河口涌潮观测站点位置图

2.2 各观测站点观测项目及设备布置

根据涌潮观测站点的布置和钱塘江涌潮特性，确定各观测站点的观测项目见表1，各站点采用的设备统计见表2。

表1 各观测站点观测项目表

表2 各观测站点主要观测设备表

3 观测系统展示

观测系统的成果展示见表3及图2～7。

表3 2021年8-9月美女坝盐度分层月平均统计表单位：ntu

图2 2021年9月24日盐官不同设备实测潮位过程对比图

图3 涌潮三维形态展示图

图4 2021年9月24日盐官站温度、盐度、浊度测量 成果线图

图5 2021年9月24日盐官站涌潮压力测量成果图

图6 2021年9月24日盐官站实测潮流分层流速图

图7 美女坝2021年9月中层温度日均变化占比图

4 结 论

1）钱塘江涌潮观测体系建立后，经过初步运行调试，已开始结合实测数据，开展涌潮中短期预测预报，服务社会观潮需求，为沿江防潮安全、防汛调度，做出有力技术支撑。

2）在不断积累涌潮实测数据并结合近年来涌潮科考活动，经分析表明，涌潮起潮点已向东移动5 km，南岸潮水势头不断增强，出现了鱼鳞潮等新的潮形。

3）全年涌潮极值一般出现在夏秋季大潮期间，夜潮高于日潮。

4）钱塘江河口属于强涌潮河段，涌潮强度大、咸度高、含砂量大，安装观测设备易受涌潮冲击、海生动物和咸潮侵蚀破坏，设备使用寿命比安装在一般河道要短很多。

5）为避免和减少涌潮直接对设备的破坏，涌潮观测设备在满足设计要求下能达到相同或相近使用功能下，宜尽量选择非直接接触涌潮的设备和三维摄影测量方法[10]。

6）涌潮作用时间短，为观测涌潮瞬间变化，宜选用采样频率高的观测设备[11]。

7）近年涌潮存在起潮点下移、南岸涌潮强度较强等现象，建议在嘉绍大桥下游南北两岸和钱塘江南岸上游段合适位置增设涌潮观测设备。

8）更大范围的涌潮观测建设、更长时间、更多要素的观测积累，才能获取更大空间和时间尺度上的涌潮变化规律。建议在左右岸、河中加密布设，或研发其他高科技观测手段，以更好地刻画涌潮空间变化规律。