錢塘江河口涌潮長期觀測(cè)體系的建立

王忠權(quán)，俞金清，馬 捷

（1.浙江省錢塘江管理局勘測(cè)設(shè)計(jì)院，浙江 杭州 310016；2.浙江省錢塘江流域中心，浙江 杭州 310016）

0 引 言

涌潮是一種極為特殊的水流運(yùn)動(dòng)，流速大、破壞力強(qiáng)、水流特性復(fù)雜。錢塘江以壯觀的涌潮聞名于世，其獨(dú)特的自然現(xiàn)象不僅為后人留下了眾多的神話、傳說及詩詞歌賦等文化瑰寶，也給觀潮游人以獨(dú)特的感受。但涌潮在帶來潮景的同時(shí)也是一種災(zāi)害，因此，對(duì)于涌潮的保護(hù)要遵循興利避害的原則，且需要對(duì)涌潮的發(fā)生、發(fā)展變化規(guī)律及涌潮水動(dòng)力學(xué)特性進(jìn)行系統(tǒng)認(rèn)識(shí)。

研究涌潮最直接的辦法就是現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)。1888年M·U·Moore整 理 的《錢 塘 江（杭 州 灣）涌潮）》一文是迄今所知關(guān)于錢塘江潮最早的觀測(cè)記錄[1]。1920年上?？Ｆ志衷邴}官至澉浦沿岸進(jìn)行了涌潮觀測(cè)[2]。1950—1954年在老鹽倉、鹽官和海鹽采用浪力計(jì)觀測(cè)了涌潮（波浪）壓力，初步建立涌潮傳播速度與河床地形、涌潮高度的關(guān)系[3]。1968年多家單位共同在蕭山新灣鎮(zhèn)進(jìn)行了一次定點(diǎn)涌潮觀測(cè)，在離岸30 m處測(cè)量了潮頭高程（1.4～2.5 m）、涌潮傳播速度（3.5～9.6 m/s）、潮頭前坡（1∶2.9～1∶9.4）、測(cè)點(diǎn)流速（6.1～12 m/s）、涌潮壓力（18.6～71.9 kPa）等數(shù)值[4]，并得到涌潮流速隨時(shí)間的變化過程和涌潮流速的垂向分布。1974年開始在大缺口、西龍頭等處采用江中立水尺的方式進(jìn)行人工目測(cè)。1988年在海寧舊倉測(cè)量了涌潮高度、行進(jìn)速度、漲潮流速和代表點(diǎn)壓力[5]；2000年從富春江電站至杭州灣金山進(jìn)行了大范圍的涌潮同步觀測(cè)，沿程布置22個(gè)測(cè)點(diǎn)，觀測(cè)了涌潮到達(dá)時(shí)間、傳播方向、潮頭附近水位變化、潮頭水面破碎情況，對(duì)涌潮的形成、發(fā)展和衰減的全過程有了較深的認(rèn)識(shí)，發(fā)現(xiàn)了涌潮衰減階段的雙峰現(xiàn)象[6]；2002年在錢塘江六橋主墩樁基進(jìn)行了涌潮壓力測(cè)試[7]；2003年開始采用ADCP流速儀在強(qiáng)涌潮河段進(jìn)行數(shù)次全過程觀測(cè)，測(cè)得最大涌潮流速為6.65 m/s，垂線為5.58 m/s。

除了專門針對(duì)涌潮的觀測(cè)，錢塘江河口沿線還有聞家堰、閘口、七堡、倉前、鹽官、澉浦等水位站記錄每天的高、低潮位。另外錢塘江河口一些大型涉河工程建設(shè)的觀測(cè)資料，也為涌潮研究提供了一定的資料補(bǔ)充。但現(xiàn)有觀測(cè)項(xiàng)目、涌潮高度、形態(tài)和進(jìn)行速度等多為目測(cè)，可靠性差，涌潮強(qiáng)勁河段現(xiàn)場(chǎng)施測(cè)極為困難，長期要素不全面。

1 涌潮觀測(cè)要素和觀測(cè)方法的確定

在考慮現(xiàn)有觀測(cè)條件、借鑒現(xiàn)有涌潮及其他水文觀測(cè)方法的基礎(chǔ)上，涌潮觀測(cè)要素的確定前瞻性地結(jié)合新的技術(shù)方法和測(cè)量手段，提出系統(tǒng)可行的觀測(cè)方案。

根據(jù)涌潮的水力特性，初步確定觀測(cè)內(nèi)容為涌潮高度、涌潮形態(tài)、涌潮行進(jìn)速度、潮位過程、涌潮壓力、流速、含沙量、河床沖淤過程及風(fēng)速風(fēng)向等9項(xiàng)內(nèi)容。

1）涌潮高度。波列涌潮指第一個(gè)波峰與之后波谷的平均值減去潮前低潮位作為涌潮高度；旋滾涌潮指潮頭后一段時(shí)間（60 s）的平均潮位減去潮前低水位作為現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)的涌潮高度。

2）涌潮形態(tài)。包括潮頭線的潮頭形態(tài)及平面線型；潮頭形態(tài)指不同涌潮階段的形態(tài)，即波狀陣列形態(tài)、翻滾涌潮不同破碎程度形態(tài)；平面線形指潮頭線在江面上的平面線形。

3）涌潮行進(jìn)速度。涌潮潮頭溯江推進(jìn)的速度。

上述觀測(cè)要求采用全球眼結(jié)合水尺目測(cè)、水位自動(dòng)觀測(cè)設(shè)備（選用浮子式自記水位儀、壓力式自記水位儀、雷達(dá)自記水位儀）、三維攝影測(cè)量方法（利用2臺(tái)可用于量測(cè)的相機(jī)同步拍攝，獲取涌潮瞬時(shí)立體像對(duì)，軟件實(shí)時(shí)處理準(zhǔn)確獲得涌潮的空間尺寸和方位信息，提取潮頂線、潮腳線、潮型曲線等數(shù)據(jù)）等。

4）潮位過程。采用全球眼人工遠(yuǎn)程觀測(cè)時(shí)，一般只進(jìn)行大潮汛期間日潮的觀測(cè)；觀測(cè)頻率為潮前1 min觀測(cè)1次潮前水位；潮到后10 min內(nèi)，每 min觀測(cè)1個(gè)數(shù)據(jù)；潮到后10～180 min之內(nèi)每30 min觀測(cè)1個(gè)數(shù)據(jù)，且在預(yù)計(jì)最高潮位時(shí)點(diǎn)前后應(yīng)每隔5～15 min觀測(cè)1次；其他時(shí)段每隔60 min觀測(cè)1次。采用自記水位儀觀測(cè)時(shí)，實(shí)行全天候24 h數(shù)據(jù)采集，涌潮到達(dá)后10 min內(nèi)，按實(shí)際設(shè)備頻率1～3 s采集1次；之后每間隔1 min采集1個(gè)潮位數(shù)據(jù)（采集時(shí)點(diǎn)前后10 s內(nèi)所有數(shù)據(jù)的算術(shù)平均值）。

5）涌潮壓力。迎涌潮潮頭方向各點(diǎn)位的動(dòng)水壓力觀測(cè)，采用豎向每0.5 m布置1個(gè)壓力傳感器，每套涌潮壓力測(cè)量設(shè)施包括11～17個(gè)壓力傳感器。采用CY201智能點(diǎn)壓力傳感器在涌潮時(shí)段（10 min，含潮前1 min）實(shí)施測(cè)量，采集頻率為50～100 Hz。

6）流速。采用目前垂向分層流速測(cè)量應(yīng)用較廣的AWAC浪龍流速剖面儀，因江道沖淤幅度大，在平均低潮位附近安裝2臺(tái)，分別測(cè)量平均低潮位以下和以上的分層流速。流速數(shù)據(jù)全天候24 h采集，按1～3 s采集一次，采集精度為0.01 m/s。潮前至涌潮到達(dá)后60 min內(nèi)每min摘取一次數(shù)據(jù)，其它時(shí)段每30 min摘取1次數(shù)據(jù)。

7）含沙量。含沙量數(shù)據(jù)主要通過濁度儀采集，配合人工定期現(xiàn)場(chǎng)取樣實(shí)驗(yàn)比對(duì)。濁度儀安裝前需要進(jìn)行設(shè)備率定，取得濁度與含砂量轉(zhuǎn)換關(guān)系參數(shù)，濁度儀實(shí)行全天候24 h數(shù)據(jù)采集，采集頻率為：涌潮到達(dá)后60 min內(nèi)每5 min采集1次，其余時(shí)段整點(diǎn)采集1次。每季度采用自吸泵取樣測(cè)驗(yàn)和OBS3+自動(dòng)濁度儀[8]進(jìn)行對(duì)比分析。

8）河床沖淤變化。結(jié)合涌潮流速測(cè)量過程，在流速測(cè)量點(diǎn)附近定點(diǎn)采用單頻測(cè)深儀測(cè)量河床隨涌潮的沖淤變化過程，潮前低潮位時(shí)測(cè)1次河床高程，涌潮潮頭后的30 min內(nèi)每隔5 min測(cè)1次河床高程，其它時(shí)段每30 min測(cè)1次。

9）風(fēng)速風(fēng)向。采用機(jī)械式風(fēng)速風(fēng)向儀，分別安裝于鹽官、美女壩2個(gè)觀測(cè)站的三維攝影塔桿上。

2 觀測(cè)站點(diǎn)布設(shè)、觀測(cè)項(xiàng)目及設(shè)備布置

2.1 長期觀測(cè)站點(diǎn)確定

錢塘江涌潮在歷史上是逐漸下移的，唐宋時(shí)觀潮在杭州一帶，從元末起呈下移趨勢(shì)，明末以來鹽官逐漸成為觀潮勝地。而隨著錢塘江河口兩岸逐步達(dá)到規(guī)劃治導(dǎo)線，起潮點(diǎn)及河段最大涌潮高度位置已較上世紀(jì)末均明顯下移。涌潮觀測(cè)站點(diǎn)綜合考慮已有的涌潮特性研究成果，并結(jié)合已有的水文站點(diǎn)及投資管理等方面，站點(diǎn)布置能初步實(shí)現(xiàn)涌潮觀測(cè)體系的形成。為此，確定從涌潮形成、發(fā)展至消亡的各個(gè)階段[9]及交叉潮、回頭潮、一線潮等出現(xiàn)位置布置觀測(cè)站點(diǎn)。鹽官河段是傳統(tǒng)的強(qiáng)潮河段，且鹽官已有陸域管理房，在該處設(shè)一個(gè)全方面觀測(cè)站；赭山灣河段是涌潮發(fā)展到涌潮衰減的過渡河段，也是涌潮與岸線斜交反射典型及回頭潮典型的河段，美女壩處已有陸域管理房，在赭山灣河段設(shè)一個(gè)全方面觀測(cè)站；聞家堰、長河是涌潮逐漸消亡的階段，設(shè)為觀測(cè)點(diǎn)；七堡河段的潮位過程較特殊，涌潮成為整個(gè)漲潮波的坡面，涌潮后就是落潮波，設(shè)為觀測(cè)點(diǎn)；老鹽倉為典型強(qiáng)涌區(qū)回頭潮，設(shè)為觀測(cè)點(diǎn)；鹽官至尖山河段，涌潮變化劇烈，該河段已有大缺口、新倉觀測(cè)點(diǎn)，考慮資料延續(xù)性，在這2處設(shè)置觀測(cè)點(diǎn)；另外考慮到涌潮下移，在蕭山與紹興交界處的臨江碼頭設(shè)置觀測(cè)點(diǎn)；起潮點(diǎn)江面寬闊，兩岸邊都缺少電力和通信設(shè)施，考慮在嘉紹大橋主墩上設(shè)置起潮觀測(cè)點(diǎn)。各站點(diǎn)位置見圖1。

圖1 錢塘江河口涌潮觀測(cè)站點(diǎn)位置圖

2.2 各觀測(cè)站點(diǎn)觀測(cè)項(xiàng)目及設(shè)備布置

根據(jù)涌潮觀測(cè)站點(diǎn)的布置和錢塘江涌潮特性，確定各觀測(cè)站點(diǎn)的觀測(cè)項(xiàng)目見表1，各站點(diǎn)采用的設(shè)備統(tǒng)計(jì)見表2。

表1 各觀測(cè)站點(diǎn)觀測(cè)項(xiàng)目表

表2 各觀測(cè)站點(diǎn)主要觀測(cè)設(shè)備表

3 觀測(cè)系統(tǒng)展示

觀測(cè)系統(tǒng)的成果展示見表3及圖2～7。

表3 2021年8-9月美女壩鹽度分層月平均統(tǒng)計(jì)表單位：ntu

圖2 2021年9月24日鹽官不同設(shè)備實(shí)測(cè)潮位過程對(duì)比圖

圖3 涌潮三維形態(tài)展示圖

圖4 2021年9月24日鹽官站溫度、鹽度、濁度測(cè)量 成果線圖

圖5 2021年9月24日鹽官站涌潮壓力測(cè)量成果圖

圖6 2021年9月24日鹽官站實(shí)測(cè)潮流分層流速圖

圖7 美女壩2021年9月中層溫度日均變化占比圖

4 結(jié) 論

1）錢塘江涌潮觀測(cè)體系建立后，經(jīng)過初步運(yùn)行調(diào)試，已開始結(jié)合實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，開展涌潮中短期預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)，服務(wù)社會(huì)觀潮需求，為沿江防潮安全、防汛調(diào)度，做出有力技術(shù)支撐。

2）在不斷積累涌潮實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)并結(jié)合近年來涌潮科考活動(dòng)，經(jīng)分析表明，涌潮起潮點(diǎn)已向東移動(dòng)5 km，南岸潮水勢(shì)頭不斷增強(qiáng)，出現(xiàn)了魚鱗潮等新的潮形。

3）全年涌潮極值一般出現(xiàn)在夏秋季大潮期間，夜潮高于日潮。

4）錢塘江河口屬于強(qiáng)涌潮河段，涌潮強(qiáng)度大、咸度高、含砂量大，安裝觀測(cè)設(shè)備易受涌潮沖擊、海生動(dòng)物和咸潮侵蝕破壞，設(shè)備使用壽命比安裝在一般河道要短很多。

5）為避免和減少涌潮直接對(duì)設(shè)備的破壞，涌潮觀測(cè)設(shè)備在滿足設(shè)計(jì)要求下能達(dá)到相同或相近使用功能下，宜盡量選擇非直接接觸涌潮的設(shè)備和三維攝影測(cè)量方法[10]。

6）涌潮作用時(shí)間短，為觀測(cè)涌潮瞬間變化，宜選用采樣頻率高的觀測(cè)設(shè)備[11]。

7）近年涌潮存在起潮點(diǎn)下移、南岸涌潮強(qiáng)度較強(qiáng)等現(xiàn)象，建議在嘉紹大橋下游南北兩岸和錢塘江南岸上游段合適位置增設(shè)涌潮觀測(cè)設(shè)備。

8）更大范圍的涌潮觀測(cè)建設(shè)、更長時(shí)間、更多要素的觀測(cè)積累，才能獲取更大空間和時(shí)間尺度上的涌潮變化規(guī)律。建議在左右岸、河中加密布設(shè)，或研發(fā)其他高科技觀測(cè)手段，以更好地刻畫涌潮空間變化規(guī)律。