黃衛(wèi)明,王維華,章衛(wèi)勝,張金善

(1.寧波港建設開發(fā)公司,浙江 寧波 315000;2.江蘇省贛榆縣水利局,江蘇 贛榆 222100;3.南京水利科學研究院,江蘇 南京 210024)

潮流和波浪是塑造海岸地貌形態(tài)、促進海岸演變的主要動力因素[1].。江蘇海岸從古黃河奪淮入海到黃河北歸渤海數(shù)百年的變遷正是在復雜動力作用下泥沙運動引起地貌沖淤演變的結果。因此,研究動力特征可以為研究泥沙運動、岸灘演變提供基礎條件,不僅可以加深對海岸發(fā)展規(guī)律的認識,也為海岸資源的合理開發(fā)利用,海灣與河口地區(qū)港口建設、航道開發(fā)以及海岸工程等提供科學依據(jù)。

圖1 連云港及兩翼海域地形圖

連云港及兩翼海域海岸線北自繡針河口南至灌河口,岸線全長162 km,包括海州灣大部、連云港基巖岸線海岸和廢黃河三角洲北翼的灌河口以西部分。連云港近海海床自西向東緩傾,是江蘇沿海深水靠岸相對較近的岸段(見圖1),擁有目前江蘇沿海唯一的大型深水港口。根據(jù)港口和海岸工程建設的需要,近10多a來在連云港及附近海域進行了多次大范圍的水文測驗,為認識海域的動力泥沙環(huán)境提供了寶貴的現(xiàn)場資料,如1997年連云港核電海域夏季水文測驗(江蘇省水文水資源勘測局)、2004年連云灣 (即連云港老港區(qū))水文測驗 (國家海洋局上海海洋環(huán)境監(jiān)測中心站)、2005年9月與2006年1月連云港及兩翼海域夏冬季水文測驗 (長江水利委員會水文局長江下游水文水資源勘測局)。本文主要通過對幾次現(xiàn)場實測潮汐、潮流資料的分析,探討連云港海域潮汐與潮流的特征。

1 潮波運動特征

連云港海域的潮波來自于太平洋前進潮波,進入東海以后,潮波幾乎以平頂?shù)男问絺魅朦S海;首先在西部遇到山東半島的阻擋而反射,相互疊加形成廢黃河口外海的左旋旋轉(zhuǎn)潮波系統(tǒng)[2].,連云港及其南、北側(cè)海域的潮波運動正處于該旋轉(zhuǎn)潮波系統(tǒng)的控制之下。受旋轉(zhuǎn)性質(zhì)的影響,海州灣的潮波由北向南推進,潮差分布則由無潮點向四周遞增,海州灣頂較兩端大(見圖2)。

圖2 黃海M2分潮分布圖

2 潮汐特征

根據(jù)連云港1965—1991年潮位資料統(tǒng)計,連云港海域平均潮差約3.4m。

從連云港海域2005年9月3—10日共8 d的實測資料來看,潮位由北邊的嵐山頭先漲,逐漸向南,最高潮位出現(xiàn)的時間嵐山頭、海頭鎮(zhèn)及秦山島(見圖1)相差不大,連云港供油碼頭和小丁港的站高潮位遲后0.5 h,燕尾港站高潮位遲后1 h,翻身河閘下站高潮位遲后1 h。各站最低潮位間隔時間基本與高潮間隔時間一致(見圖3)[3].,與前面提到的M2分潮潮波的傳播過程是一致的。

從最高潮位的高低比較看,測驗期間,潮位由北向南減小,與山東半島對潮波的反射作用有關;但燕尾港潮位受河口地形影響,相對較高。翻身河閘下站受開閘放水影響,水位有時抬高(見表1)。海域潮差以海頭鎮(zhèn)、連云港供油站、小丁港相對較大,往北嵐山頭稍小,往南燕尾港和翻身河閘下逐漸減小。平均潮差嵐山頭3.74 m,海頭鎮(zhèn)3.76m,連云港供油站3.72m,小丁港3.81m,燕尾港3.50 m,翻身河閘下2.42m。平均潮差的分布與距離M2分潮無潮點距離和局部地形有關。

圖3 潮位站實測潮位過程線圖

測驗期間各水位站1個全日潮從低潮到低潮歷時24.2～25.0 h,各測站漲潮歷時小于落潮歷時,相差1.33～2.50 h。相對而言,燕尾港受徑流影響,翻身河閘下受放水影響,漲落潮歷時差異最明顯;其它站位漲落潮歷時相差1.50 h左右,且海頭鎮(zhèn)漲潮歷時最短,落潮歷時最長(見表2),與海頭鎮(zhèn)海域水深小且潮波傳播距離長有關。

表1 2005年9月連云港海域?qū)崪y特征潮位和潮差值表 m

表2 2005年9月連云港海域?qū)崪y漲、落潮歷時表h

3 潮流特征

3.1 潮流與潮位相位關系

潮汐和潮流是潮波運動的2個方面,潮波運動在垂直方向上表現(xiàn)為潮位的升降,而在水平方向上表現(xiàn)為潮流的進退。潮汐升降和潮流進退是海水質(zhì)點在潮波傳播過程中能量傳遞和轉(zhuǎn)換的結果[4].。

從潮位和潮流的相位關系可以進一步認識潮波的性質(zhì)。一般海域的潮波多表現(xiàn)為前進駐波,即潮位和潮流的相位不一致,二者相差0～90°。圖4為現(xiàn)場部分測點垂線平均流速與水位、水深過程關系圖,點位見圖4。可以看出,海州灣的1#、2#和4#測點潮流與潮位基本相差90°,表現(xiàn)為較強的駐波性質(zhì);連云港海域6#、7#、8#測點則表現(xiàn)較多的前進波性質(zhì),二者相位幾乎一致;灌河口12#及南部的17#測點二者相位關系則相差近90°,體現(xiàn)駐波的性質(zhì)。

3.2 潮流橢圓特性

表3為2005年9月夏季測點的潮流橢圓特征值表。由表3可以看出:①各測點潮流以半日分潮占絕對優(yōu)勢,其中尤其以M2分潮為主;連云港北翼振幅為19～45 cm,南翼為26～79 cm;南翼大于北翼,且往南有逐漸增加趨勢;②整個海域除個別測點外,絕大部分測點 (WO1+WK1)/WM2在0.50以下,屬于規(guī)則半日潮流,2005年夏季的11#測點受徑流影響,比值達 0.70。各測點WM4/WM2基本在0.10～0.35,淺海分潮流作用明顯。因此,海域潮流基本屬于規(guī)則半日淺海潮流性質(zhì);③北翼海域M2分潮的橢圓率在0.02～0.58,南翼海域在0.22～0.77。連云港老航道附近橢圓率大,越往兩側(cè)橢圓率越小;近岸附近橢圓率小于外海。橢圓率量值大表示海域旋轉(zhuǎn)流性質(zhì)強,小則表示往復流性質(zhì)強。由于半日分潮橢圓率基本為正值,所以海域潮流沿逆時針方向旋轉(zhuǎn)。

圖4 潮流與水深過程線圖

表3 2005年9月夏季實測潮流橢圓特征值表

3.3 流速平面分布

根據(jù)2005年9月和2006年1月連云港及其附近海域 (圖5a、b,表4)和 2004年 6—7月連云灣海域水文觀測資料[3,5-7].,連云港附近海域的潮流特征表現(xiàn)為如下幾個方面:

(1)連云港北翼的海州灣及其外圍以往復流為主,潮流主流向為SW—NE(以1#、2#、3#、4#、5#、16#垂線為代表),與魯南岸線走向一致;灌河口以西的連云港南翼海域旋轉(zhuǎn)流特征明顯,主流向自西向東由SW—NE逐漸過渡到 SE—NW(6#、7#、8#、9#、10#、12#、13#、14#垂線);到灌河口以東轉(zhuǎn)變?yōu)橹髁飨騍E—NW的往復流(17#垂線),與廢黃河三角洲北翼岸線走向一致;

(2)海區(qū)流速變化較大,除河口和港池口門測點外,開敞水域的流速大小表現(xiàn)為自西向東逐漸增大。海州灣外各測點大潮漲落潮期間垂線平均流速的最大值均在0.60m/s以下;小丁港對面的14#、7#、15#測點的也僅為0.40～0.60m/s;埒子口外增大到0.60～0.80m/s;灌河口外的12#和13#測點為0.80～0.90m/s,灌河口以東的17#測點盡管水深較淺(理論基面-5 m),但漲落潮垂線平均最大流速均可達1.20m/s左右。

(3)灌河口以西各測點漲、落潮最大流速一般分別出現(xiàn)在高、低潮位前2 h左右;但灌河口及其以東的3個測點(12#、13#、17#)漲落潮最大流速均出現(xiàn)在高、低潮位前3 h左右,且均為往復流特征較為明顯的SE—NW流。

(4)夏季測量 (2005年9月)結果顯示,大部分測點漲潮最大流速大于落潮最大流速,只有2#、5#、8#測點落潮最大流速略大于漲潮最大流速,且大潮和中潮具有相同的結果;冬季測量(2006年1月)結果則顯示,所有測點的漲潮最大流速均大于落潮最大流速。

(5)灌河口兩側(cè)潮流特征差異明顯,即自灌河口向東由旋轉(zhuǎn)流過渡到往復流,潮流主軸向由SW—NE向過渡到SE—NW向,潮流流速顯著增大。

(6)老港區(qū)潮流為往復流,漲潮流進入口門后,隨著灣域展寬潮流轉(zhuǎn)為NW向,主體朝著西大堤邊灘流動;落潮流主體基本沿著漲潮流路返回,到達灣口水域后主要在入海航道以北流向外海。港內(nèi)流速相對較弱,大潮最大流速0.17～0.72m/s,平均流速 0.17～0.43 m/s,口門流速大于灣底流速。

此外,通過數(shù)值模擬方法得到海域整體流場,通過建立連云港及兩翼海域平面二維潮流數(shù)學模型并對現(xiàn)場實測資料進行驗證對研究海域的潮流運動進行了模擬[8].,圖6為模擬得到的整體海域漲落潮流態(tài)圖。可以看出,受黃海旋轉(zhuǎn)潮波系統(tǒng)影響,海州灣海域的潮流大體上呈逆時針方向旋轉(zhuǎn)。在海州灣北部海域,外海潮流基本沿NE—SW方向運動,即與魯南岸線基本平行;連云港南翼海域,從外海向近岸漲潮流的方向變化較大:由外海的SW走向轉(zhuǎn)為S向,在灌河口南部轉(zhuǎn)為沿岸的SE向。在大體趨勢上,海州灣以北和灌河口以東以沿岸的往復流運動為主,兩者中間海域以旋轉(zhuǎn)流為主,其中海州灣內(nèi)和小丁港附近海域潮流主軸方向為離向岸方向,連云港老航道海域主流向不明顯。

圖5 實測潮流矢量圖

表4 夏季大潮 (2005年9月)實測流速統(tǒng)計表 m/s

圖6 連云港及兩翼海域漲、落潮流場圖 (數(shù)學模型結果[8].)

3.4 流速垂線分布

連云港海域除灌河口和連云灣灣口外,各測點分層流速時間相位較為一致,一般最大流速出現(xiàn)在表層或次表層,底層流速最小;各層流向較為一致。灌河口測點,由于受到徑流影響,在漲落潮初期,表、底層流向不盡一致。連云灣灣口受局部地形影響,流速流向相對復雜。其中灣口斷面A3站大潮平均流速為中層小、表底層大,其余2站的漲潮平均流速和落潮平均流速均為表層大、中層次之、底層最小,自表至底趨于減小;灣內(nèi)斷面漲、落潮流速的垂向變化視測站所在的部位而異,B2站位于航道的轉(zhuǎn)折部位,落潮時流向大致與出海航道段的走向一致,下層落潮水體受到航道落潮流的牽引作用較大,故該站的落潮流速呈現(xiàn)為下層大、上層小;B3站位于西大堤邊灘前緣的中部,落潮流指向航道,在落水歸槽的效應下,也使底層的落潮流速增大;而B4站位處近灣頂?shù)暮降琅?因接近航道終端部位,流速小,其垂向變化的規(guī)律不明顯,大潮時上下層流速較一致,小潮時漲潮流速為上層大、下層小。

4 余流特征

表5為測量結果的余流值表。從表5中可以看出,除灌河口和老港區(qū)港池內(nèi)部分測點外,海域的余流不到10 cm/s。灌河口受徑流影響,余流相對較大,且均指向外海;老港區(qū)港池內(nèi)測點由于受局部地形和工程影響,余流稍大,且流向分散。

從余流分布來看,實測期間海州灣外海余流主要指向西北,近岸余流指向東南,形成一個逆時針方向回旋。連云港南翼海域余流整體上以西北向為主。大部分測點冬夏季,大中潮余流方向較為一致。由于現(xiàn)場余流受多種因素影響,分析結果主要代表實測期間結果。然而,對比連云港海域的泥沙輸移方向[9].可以看出近岸的余流與泥沙的輸移趨勢相近,但這方面的結論還需要更多的實測資料和進一步的研究證實。

表5 連云港海域?qū)崪y余流表 (2005年9月和2006年1月實測資料)

5 結 論

本文通過對現(xiàn)場實測潮位、潮流資料進行分析,從潮位特征、潮位與流速關系、流速平面分布、垂線分布以及余流等角度對連云港海域的潮汐與潮流特征進行了探討。得到以下主要結論:

(1)連云港海域潮汐主要受廢黃河口旋轉(zhuǎn)潮波影響,潮汐為正規(guī)半日潮。潮位由北邊的嵐山頭先漲、逐漸向南,且高潮位由北向南逐漸降低。海域潮差以海頭鎮(zhèn)、連云港供油站和小丁港相對較大,往北嵐山頭稍小,往南燕尾港和翻身河閘下逐漸減小。海域漲潮歷時小于落潮歷時,除徑流影響外,一般相差1.5 h左右,海頭鎮(zhèn)漲潮歷時最短,落潮歷時最長。

(2)連云港北翼的海州灣測點潮流與潮位基本相差90°,表現(xiàn)為較強的駐波性質(zhì);老港區(qū)附近海域測點則表現(xiàn)為前進波性質(zhì),二者相位幾乎一致;灌河口及南部測點二者相位關系相差近90°,體現(xiàn)駐波的性質(zhì)。

(3)海域潮流屬于規(guī)則半日淺海潮流性質(zhì)。海州灣北部和灌河口以南海域潮流基本以往復流性質(zhì)為主,橢圓率較小;其中海州灣北部潮流的主流向為NE—SW,而灌河口往南的水域主流向呈NW—SE向。連云港老港區(qū)外海潮流旋轉(zhuǎn)流性質(zhì)強,橢圓率較大。海域潮流的旋轉(zhuǎn)方向為逆時針方向。

(4)海區(qū)流速變化較大,除河口和港池口門測點外,開敞水域的流速大小表現(xiàn)為自西向東逐漸增大。海州灣海域北部平均流速較小,大潮漲落潮平均流速在0.20～0.55 m/s,而灌河口以南海域潮流動力較強,大潮漲落潮平均流速接近1.00m/s,其中灌河口受徑流和地形邊界影響,流速更大。

(5)除灌河口和連云灣灣口外,連云港海域各測點分層流速時間相位較為一致,一般最大流速出現(xiàn)在表層或次表層,底層流速最小;各層流向較為一致。

(6)除灌河口和老港區(qū)港池內(nèi)部分測點外,海域的余流不到10 cm/s。實測期間,海州灣外海余流主要指向西北,近岸余流指向東南,形成一個逆時針方向回旋;連云港南翼海域余流整體上以西北向為主;大部分測點冬夏季,大中潮余流方向較為一致。

[1].劉家駒.海岸泥沙運動研究與應用[M]..北京:海洋出版社,2009.

[2].林琿,閭國年,宋志堯,等.東中國海潮波系統(tǒng)與海岸演變模擬研究[M]..北京:科學出版社,2000.

[3].蔣建平,常太平.連云港新港區(qū)初步可行性研究現(xiàn)場水文測量技術報告 [R]..南京:長江水利委員會水文局長江下游水文水資源勘測局,2005.

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[5].蔣建平,常太平.連云港新港區(qū)初步可行性研究現(xiàn)場冬季水文測驗技術報告[R]..南京:長江水利委員會水文局長江下游水文水資源勘測局,2006.

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