Regulation of Qiantang River estuary and scientific and technological innovations
Pan Cunhong，Han Zengcui
Abstract: The natural characteristics of Qiantang River estuary have brought extremely adverse effects on flood control，tide resistance，drainage as well as protection and utilization of estuary resources. Therefore，it is necessary to regulate Qiantang River estuary. Since the 1960s，with systematic analysis and research，regulation has been undertaken by narrowing the estuary. During the past 50 years of research and practice，a series of scientific and technological innovations have been made in many aspects，such as the ideas and results of river regulation, the theory of strong tide estuary，research methods，and engineering technologies. Remarkable achievements have been made in regulating Qiantang River estuary.
Key words: Qiantang River estuary； river regulation through narrowing method； scientific and technological innovations；strong tide estuary
中图分类号：TV856 文献标识符:A 文章编号：1000-1123（2011）10-0019-04
钱塘江河口是世界上典型的强潮河口，潮强流急，泥沙易冲易淤，河床冲淤剧烈，主槽摆动频繁，并且存在闻名中外的涌潮。因此，钱塘江河口的治理有其独特性和复杂性。
新中国成立后，特别是改革开放30 余年来，治江理念发生了根本性的改变，从过去单一的防洪御潮治理目标到目前防灾减灾、资源保护和开发等多目标的治理，以达到“人江和谐”。钱塘江河口治理50 年来，其治理思想、治理目标、治理研究方法及治理施工技术上都有了较大的创新。本文简要介绍钱塘江河口的自然特性、治理必要性，重点总结河口治理中的科技创新。
一、钱塘江河口自然特性以及治理必要性
1.钱塘江河口自然特性
钱塘江从富春江电站至杭州湾口，全长282 km。钱塘江（富春江电站）多年平均流量952 m3/s，年际、年内分布不均。钱塘江澉浦站多年平均潮差5.57 m，历史最大潮差9.0 m。潮强流急，存在举世闻名的涌潮。钱塘江陆域来沙很少，泥沙主要来自海域，泥沙属细粉砂，易冲易淤，在一个潮周期内含沙量变幅极大。钱塘江河口平面上呈喇叭形，河床宽浅。上述水动力条件、泥沙条件和边界条件导致了钱塘江河口河床冲淤剧烈，河势很不稳定。
综上所述，钱塘江河口的自然特性可概括为：宽浅的河床，年际年内变幅较大的径流，强劲的潮动力，海域来沙丰富和易冲易淤的泥沙条件，河床冲淤变化剧烈，主槽摆动频繁，是一个典型的强潮游荡性河口。
2.钱塘江河口治理必要性
钱塘江河口的自然特性给防洪、御潮和排涝带来了极为不利的影响。历史上，钱塘江河口发生近千次洪、涝、潮灾。从唐武德六年直到新中国成立前夕的1331 年间，仅有史可查的潮灾年就有183 年，平均7.3 年中有1 年。钱塘江河口潮灾，或由风暴助潮肆虐，堤塘漫溃，或因急溜逼岸，堤塘坍毁。由于组成岸滩的粉沙不耐冲刷，其崩势之猛、坍速之快、成灾之烈，远非其他河流的江岸坍蚀可比。海潮入侵以后，不仅淹溺成灾，而且咸潮所到之处，挟带泥沙，掩埋农田，淤塞河道，使内河水质变咸，贻害长久，不易消除。
钱塘江河口段存在洪冲潮淤、冲淤幅度很大，主槽丰水走直、枯水弯曲等河床演变特点。当流域出现连续枯水年时，主槽极度弯曲，泄洪线路长，同时因泥沙大量淤积，河道过水断面小，对泄洪最为不利。另外，因主槽摆动频繁，每处堤防均可能成为主流的顶冲点，整个堤防需全面防御。因钱塘江河口河床宽浅，当主槽摆到一岸时，另一岸则发育大片滩地，滩面高程可能高于河水水位，严重影响两岸的排涝。
钱塘江河口的自然特性给河口资源开发利用和保护也带来了极为不利的影响。由于主槽摆动幅度大，摆动频繁，对取排水口、排涝闸和港口航道等岸线资源利用极为不利，常常出现排涝闸下因主槽摆动而被淤死，甚至在1968 年出现著名观潮胜地盐官无涌潮的现象。此外，滩涂资源、受盐水入侵影响的淡水资源等开发利用也需要对钱塘江河口进行治理。
二、钱塘江河口治理与科技创新
1．创建了海域来沙丰富、宽浅游荡型强潮河口的治理模式
钱塘江河口潮强流急，历史上受工程技术水平所限，采用“以宽治猛”的指导思想，两岸堤距达10～30 km，远大于河道输水输沙所需要的宽度，河床又为易冲易淤的粉沙土，受径流丰枯的变化，主流在宽广的堤距内任意摆动，造成主流摆动幅度大、摆动频繁，河床冲淤变幅大和潮汐特征值变幅大的特点，江道十分不稳定。
20 世纪60 年代初，以钱宁为首的专家分析钱塘江河口实测水下地形资料得知，不同于其他河口口门外存在的拦门沙，钱塘江河口内存在庞大的沙坎。这是由于山、潮水比值小，上溯的强劲潮水长期挟带口门外泥沙堆积在河口内而形成。沙坎是海域来沙强潮河口的最主要特征，也是涌潮产生的最重要原因之一，而河床宽浅、涨落潮流路分歧是主槽游荡的原因。因此，从理论上论证了治江的指导思想是：减少进潮量，加大山、潮水比值，缩窄江道，减少河床摆动。这是治江指导思想上的重大转变，即从“被动防守”转变为“主动治江”。
根据上述治江指导思想以及两岸经济社会发展需求，围绕防洪、御潮、排涝、涌潮保护、滩涂资源开发、水资源利用、岸线资源利用、航道资源开发等众多的治理目标，比较研究了河口建闸、建潜坝和全线缩窄三大类方案。最后选定了既稳妥又灵活、既能满足治江又能获得土地的全线缩窄治理方案。在钱塘江河口最重要和最复杂的尖山河段治理研究中，经充分论证，多方案比较，提出并实施了钱塘江河口全线缩窄、尖山河段主槽走中、平面形态弯曲的治江缩窄方案。
在治江过程中，提出并始终坚持“治江结合围涂，围涂服从治江”的原则。以后，根据多年治江实践，提出了“自上而下，分步实施”的治江方针。上述治江指导思想、治江原则和治江方针的提出，为治江指明了方向，大大加快了治江进程。经多次观测、修正逐步达到治理规划线。从而创建了海域来沙丰富、宽浅游荡型强潮河口的治理模式。
通过50 年大规模治江缩窄，澉浦以上河口段基本达到了治理规划线，至2008 年年末，澉浦以上河口段累计围涂125 万亩（8.33 万hm2）。
2.取得了多目标治理成果，成为世界上治理强潮河口的成功典范
治江过程是“实践、认识，再实践、再认识”的过程，随着治江的深入，筑堤技术的进步，经济社会的发展，人民生活水平的提高，治江理念的转变，治江目标也发生了质的改变。从20 世纪70 年代以前单纯的防洪御潮，到20 世纪七八十年代的防灾减灾、资源综合开发利用，再到20世纪八九十年代的防灾减灾、资源保护和资源综合开发利用，再到21 世纪的防灾减灾、资源保护和资源综合开发利用、河口健康等。
在治江目标上，对涌潮的认识更是发生了颠覆性的变化。涌潮往往淘空堤防基础，是造成潮灾的主要原因之一，历史上曾以削弱甚至消灭涌潮作为治江目标之一。20 世纪80 年代中后期以来，随着经济社会的发展，涌潮作为独特的自然景观和宝贵的旅游资源日益受到人们的重视，保护涌潮的呼声越来越高，涌潮保护作为治江的控制性目标之一，真正实现了“人江和谐”。
经过50 年的治江缩窄，治理达到了预期的目的，获得了多目标的治理成果，成为世界上治理强潮河口的成功典范。治江缩窄后，显著改善了河口段的游荡特性，提高了防洪、御潮和排涝能力，保护了涌潮强度并创造了涌潮景观的多样性，增加了水资源利用率，获得了125 万亩（8.33 万hm2）宝贵的土地资源，为岸线资源开发创造了条件，改善了通航条件，并有利于河口健康。同时，为支流曹娥江大闸建设创造了闸下淤积可以解决的基本条件，曹娥江大闸的建成彻底解决了萧绍平原排涝问题，提高了曹娥江河口两岸的防洪御潮能力，大大增加了曹娥流域水资源利用率，提高了杭甬运河的通航保证率，为浙东引水工程提供了便利，并为曹娥江河口两岸的经济布局奠定了基础。
3.丰富了强潮河口理论
钱塘江河口是世界上典型的强潮河口，在潮汐河口领域中占有重要的地位。治理钱塘江必须认识钱塘江。在50 年的研究与实践中，提出了许多创新性的理论。主要有：
①发现了强潮河口钱塘江最重要的地貌单元——沙坎，分析了沙坎的形成条件，即钱塘江河口特殊的边界条件、来水条件和来沙条件，揭示了沙坎的演变规律，分析了沙坎对钱塘江河口的影响。上述研究成果奠定了海域来沙、强潮河口河床演变的理论基础。
②提出了海域来沙、冲淤性强潮河口的演变模式。揭示了径流、河床、潮汐三者独特的相互关系，特别是河床对潮汐的反馈作用，径流具有维持河口生命的作用；分析了长系列连续丰水年和连续枯水年不同的河床演变模式，揭示了流域建库和治江缩窄等人类活动对河口河床演变的影响，对其他河口的治理具有指导意义。
③创建了考虑涌潮作用、又有普遍意义的强潮河口河相关系式。包括断面积、河宽、水深与流量、含沙量的关系，河宽放宽率及面积放大率，考虑非恒定流的潮汐河口弯道凹岸水深河相关系式。钱塘江河口潮流动力强，拓宽河道的主要动力是涨潮流，因此，采用涨潮流量和涨潮含沙量代替传统河相关系式中的落潮流量和落潮含沙量来计算河宽更为合理。
④提出了涌潮的形成条件、影响因素，揭示了涌潮传播规律、涌潮特性、涌潮形态的转化，分析了涌潮水力学结构、涌潮对泥沙输移的影响、涌潮与工程的相互作用，为涌潮的防灾减灾和涌潮保护、钱塘江河口治理、涉水工程建设提供了理论依据。
⑤提出了强潮海域来沙河口生态和环境需水量的含义、组成及定量计算方法。钱塘江河口环境与生态需水包括河口输沙平衡需水、河口御咸需水、河口环境需水及河口最小生态需水。河口生态和环境需水量计算成果为钱塘江河口的水资源配置提供了理论依据。
此外，还建立了强潮河口江水氯度弥散系数计算公式、挟沙能力公式等。
4.创建了强潮河口保护和治理开发研究应用技术体系
在钱塘江河口研究中，不但丰富了强潮河口理论，并且还针对钱塘江河口的自然特性和治理需求，创建了强潮河口保护和治理开发研究应用技术体系。
①应用强潮河口河相关系设计规划堤线，并预报治江缩窄后沿程平衡断面形态。钱塘江河口治理前河宽较大，尖山河段河宽从12～25 km 缩窄到3～16.5 km，规划堤线可供选择的空间很大，应用前文提出的强潮河口河相关系并结合其他分析方法确定河宽和断面积放大率、堤线位置、弯曲河段的曲率半径，并预测了治江缩窄后沿程平衡断面形态、河宽、断面积、水深，以及弯曲河段的主槽位置、凹岸水深等，经实践检验，提出的强潮河口河相关系具有较高的预报精度，已推广应用到其他河口和海湾的断面形态预测。
②研制开发了考虑河床冲淤影响的动床洪水预报模型。钱塘江河口具有大冲大淤和易冲易淤的冲淤性河床特点，河床刷深时过水断面面积大，导致洪水位低；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，洪水预报须考虑河床冲淤的动床作用。经过多年的研究和预报实践，研制开发了两种预报方法:一是应用多年实测资料得到的合轴相关图预报方法，该方法综合考虑了上游洪峰流量、下游潮汐大小（以高潮位作为指标）和河道容积等因素；二是采用动床数学模型预报方法。两种方法相互印证、相互补充，已应用于钱塘江河口洪水预报20 余年，预报精度能满足实际要求，在多次洪水调度中发挥了关键作用。
③研制开发了能模拟强涌潮的钱塘江涌潮数学模型。成功地解决了涌潮模拟中存在的间断捕获、非齐次底坡源项的处理、强间断大流速情况下的动边界模拟、计算范围大与计算单元小的矛盾等关键技术问题，开发了基于无结构三角形网格具有空间二阶精度的二维涌潮数值模型（KFVS格式和Godunov 格式），模型具有计算精度高、涌潮分辨率好、计算稳定且守恒等优点；模型首次准确模拟了涌潮的形成、发展和衰减的全过程，复演了交叉潮、一线潮和回头潮等涌潮潮景，并进行了涌潮特性和广泛的实际应用研究，如钱塘江河口治理方案、治江围涂工程和桥梁工程等对涌潮的影响研究，同时推广到溃坝波和海啸传播过程的数值模拟。研究成果为钱塘江河口科学治理、涌潮保护发挥了重要作用。
④在实体模型中成功地模拟了涌潮形成、传播和消失的全过程，以及涌潮多样性景观；针对钱塘江河口含沙量变化大的特点，研制了能考虑较高含沙量随潮变化的自动加沙系统；研制了浑水生潮控制系统和自耦式潜水泵；研制了水槽模型中的涌潮生潮系统，并建造了我国第一座涌潮水槽。实体模型为钱塘江河口治理规划制订、规划实施和重大涉水工程建设等发挥了重大的作用。
⑤强潮河口咸度预报技术。杭州市生活用水85%取自钱塘江河口，在每年秋季大潮汛期间取水口常受咸水入侵的影响，因此进行钱塘江河口咸度预报具有重要的实际意义。长历时盐度预报模型中考虑了天文潮、动床冲淤等对防咸下泄流量的影响，提出了“大潮多放、小潮少放”的水库最优放水方式。至今，已为杭州市进行了30 年的咸度预报，预报精度满足实际需求，为杭州市的用水安全作出了重大的贡献。
⑥提出了适用于强潮河口的海塘防冲技术、护塘工程型式和促淤围垦工程技术。因钱塘江潮强流急，要实施治理规划新建海塘和保护已建海塘仍存在巨大的困难。根据多年治江实践，在实施程序上，逐渐总结出“自上而下，逐步实施”“先凹岸，后凸岸”“乘淤围涂”等治理经验。高涂采用“以围代坝”的因势利导实施方案，低滩采取科学的抛坝促淤围涂技术，大大加快了治江进程。
在抛坝促淤基础防冲和围垦施工技术方面，针对钱塘江河口的水动力条件和底沙特性，应用并改进了充泥管袋（或沙垫）基础防冲技术、砂肋软体排基础防冲技术。围涂筑堤时采用泥浆泵充填土工充泥袋代替块石作为建筑材料，适宜于中低滩面上施工，具有施工简单、速度快、能就地取材及造价低等优点，是20 世纪90 年代钱塘江河口治江围涂技术重大创新。
为保护钱塘江河口海塘堤脚防冲，多采用短潜丁坝群，针对钱塘江河口涌潮汹涌、丁坝坝头保护难的特点，提出了沉井、沉箱、排桩、挂桩等防护工程措施。近年，提出了以柔克刚的桩式丁坝，既保护了塘前滩地，又彻底解决了过去不透水丁坝坝头保护的难题。
三、结语
20 世纪60 年代以来，通过对钱塘江河口系统的研究和多方案比较，确定采用围涂缩窄方案治理钱塘江河口，制订并实施了治江规划线。至今，钱塘江澉浦以上河口段治理规划线已基本到位，治理目标也已基本实现。在50 年的治江研究与实践中，实现了一系列的学术和技术创新，培养了一支专门研究钱塘江河口的人才队伍，并且取得了巨大的社会和经济效益。
参考文献：
[1] 韩曾萃，戴泽蘅，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．
[2] 潘存鸿，符宁平．钱塘江河口治理回顾[J]．水利水电科技进展，1999，19（4）．
[3] 钱宁，周志德，谢汉祥，等．钱塘江河口沙坎的近代过程[J]．地理学报，1964，30（2）．
[4] 潘存鸿，史英标，尤爱菊．钱塘江河口治理与河口健康[J]．中国水利，2010（14）．
[5] 余炯，曹颖．治江缩窄后钱塘江河口泥沙淤积和成因探讨[J]．泥沙研究，2006（1）．
[6] 韩曾萃，符宁平，徐有成．河口河相关系及其受人类活动的影响[J]．水利水运工程学报，2001（1）．
[7] 韩曾萃，尤爱菊，徐有成，等．强潮河口环境和生态需水及其计算方法[J]．水利学报，2006（4）．
[8] 潘存鸿，徐昆．三角形网格下求解二维浅水方程的KFVS 格式[J]．水利学报，2006，37（7）．
[9] 潘存鸿，鲁海燕，曾剑．钱塘江涌潮特性及其数值模拟[J]．水利水运工程学报，2008（2）．
[10] 韩曾萃，程杭平．钱塘江江水含盐度计算的研究[J]．水利学报，1981（6）．
[11] 史英标，林炳尧，徐有成．钱塘江河口洪水特性及动床数值预报模型[J]．泥沙研究，2005（1）．
[12] 熊绍隆．潮汐河口泥沙物理模型设计方法[J]．水动力学研究与进展，1995，10（4）．
作者简介：潘存鸿，博士，教授级高级工程师，总工程师。
