沈小明

（交通運(yùn)輸部天津水運(yùn)工程科學(xué)研究所，天津300456）

廣東省海門灣位于潮陽市與惠來縣東部交界處。海門灣口寬12.1 km，縱深6.2 km，弧長24.4 km，面積65 km2，水深5～14 m，灣內(nèi)沉積物以沙為主。為滿足位于該海域的某海洋工程前期可研要求，在2009年夏季對海門灣及周邊海域進(jìn)行了海洋水文測驗。根據(jù)工作大綱要求，測驗內(nèi)容包括3個臨時潮位站觀測及10個固定站水文泥沙全潮觀測等。測驗操作、樣品處理及基本資料計算，參照《海洋調(diào)查規(guī)范》、《濱海水文觀測規(guī)范》、《海港水文規(guī)范》和《水運(yùn)工程測量規(guī)范》等有關(guān)規(guī)定進(jìn)行［1-4］。

1 水文測驗

1.1 站位布設(shè)

本期測驗共布設(shè)3個臨時潮位觀測站，驗潮1號站（廣澳站）位于工程港區(qū)北部水域馬耳角，控制數(shù)模研究北邊界，2號站（海門站）位于工程港區(qū)中部水域海門角，控制海門灣主要內(nèi)河入水對周邊潮位的影響，3號站（靖海站）位于工程港區(qū)南部水域北炮臺角，控制數(shù)模研究南邊界，在工程廠址附近建有周年潮位觀測站，不納入本次水文測驗。在北起海門角南至北炮臺角海域布設(shè)了10個水文全潮觀測站，測站站位重點安排在工程涉海區(qū)域及物模研究邊界周圍，遠(yuǎn)處站位的布設(shè)，主要考慮現(xiàn)場作業(yè)實際情況及數(shù)模研究與環(huán)境影響評價的需要（圖1）。

圖1水文泥沙測驗水文測站、驗潮站站位示意圖Fig.1 Sketch of hydrological stations and tidal stations

1.2 測驗時間選取

水文全潮測驗所選擇的潮型要具有典型代表性。本次水文測驗的具體潮型選擇，主要根據(jù)國家海洋信息中心編制的2009年《潮汐表》中海門站的潮汐預(yù)報值，通過對全年的潮汐預(yù)報值進(jìn)行日最大潮差累積頻率統(tǒng)計，得到日最大潮差累積頻率曲線。由曲線上可得出10%、50%、90%累積頻率對應(yīng)大潮、中潮及小潮的潮差值，以此確定實際施測時間。小潮：8月12日09:00至13日12:00，低潮～低潮；中潮：8月15日11:00至16日14:00，低潮～低潮；大潮：8月18日07:00至19日13:00，高潮～高潮。潮位觀測時間為2009年8月8日12:00至8月24日09:00，歷時15 d，其間包含了水文全潮測驗大、中、小潮時間段。

1.3 測驗采用主要設(shè)備

潮位觀測采用壓力式自記潮位儀Level TROLL 700，測量精度為測量值的±0.1%。流速、流向測量使用聲學(xué)多普勒流速流向儀“闊龍”以及SLC9-2型直讀式海流計?！伴燒垺睖y量流向誤差為±2°，流速誤差為測量值的±1%±0.5 cm/s，由于受設(shè)備工作原理限制，在近儀器處存在盲區(qū)，在近水面或近海底處存在“旁瓣”區(qū)；SLC9-2型直讀式海流計流向誤差為±4°，流速誤差為±1.5%。懸移質(zhì)含沙量、鹽度、水溫采用COMPACT-CTD自容式溫鹽深濁度測量儀，水溫測量精度為±0.02℃，鹽度測量精度為±0.03，濁度測量精度為測量值的±2%［5］。

1.4 潮位觀測

潮位觀測采用座底式安裝潮位儀。潮位儀每10 min自記一次觀測數(shù)據(jù)，潮位記錄至0.01 m。在潮位儀附近岸邊垂直固定臨時水尺，由工作水準(zhǔn)點引測水尺零點高程，定期進(jìn)行人工水尺觀測，通過水面?zhèn)鬟f求得潮位儀改正數(shù)。

1.5 水文泥沙全潮測驗

水文泥沙全潮觀測內(nèi)容包括流速、流向、懸移質(zhì)含沙量、水溫、鹽度測驗、風(fēng)速風(fēng)向觀測及懸沙粒度分析等。

各個測站同步進(jìn)行單船定點周日連續(xù)觀測，觀測時間26 h以上［6］。測流間隔為1 h，每次測流歷時120 s，“闊龍”測流剖面分層設(shè)置為0.5 m，由于側(cè)舷安裝需要一定的入水深度及設(shè)備盲區(qū)的存在，配備SLC9-2型直讀式海流計進(jìn)行表、底層流速、流向的觀測。

采用自容式溫鹽深濁度測量儀COMPACT-CTD以深度測量模式與測流同步進(jìn)行懸移質(zhì)含沙量、鹽度、水溫測量，每0.5 m采集一組數(shù)據(jù)，每小時整點采集垂線剖面數(shù)據(jù)一次。

在工作現(xiàn)場使用CTD直接測量一系列典型水體濁度值，即在漲急、落急及高、低潮平潮時段實測表、中、底層水體濁度值，同步采取水樣，經(jīng)過濾、烘干、稱重獲得水樣的含沙量數(shù)值。經(jīng)過率定分析處理建立濁度和含沙量之間的函數(shù)關(guān)系式，具體關(guān)系式如下

式中：X為CTD讀數(shù)，ppm；Y為含沙量，kg/m3，相關(guān)性最小值為98.7%。

每測站在大、中、小潮期間的漲急時段按表、中、底三層取樣，由于水質(zhì)清澈，最后把表、中、底三層取樣混合作為每個潮每個測站的懸沙樣品，用于懸沙粒徑分析。

2 數(shù)據(jù)處理與分析

2.1 潮位統(tǒng)計分析

從實測大、中、小潮潮位過程線（圖2）來看：測驗海域的潮汐屬非正規(guī)半日潮性質(zhì)，日潮不等現(xiàn)象明顯，潮汐強(qiáng)度較弱。廣澳、海門及靖海三站實測大、中、小潮平均潮差分別為1.00 m、0.79 m和0.76 m；平均值為0.85 m；高、低潮潮位發(fā)生時間相差不大，均在1 h之內(nèi)；漲、落潮平均歷時分別為6 h 58 min和5 h 28 min，漲潮歷時大于落潮歷時，歷時差1.5 h。3個測站實測歷時15 d平均潮差分別為1.00 m、0.87 m和0.69 m，廣澳最大，其次是海門，靖海最?。?-9］。

2.2 流速、流向統(tǒng)計分析

聲學(xué)多普勒流速流向儀“闊龍”測流剖面分層設(shè)置為0.5 m，各垂線每測次數(shù)據(jù)數(shù)量不一，為了便于統(tǒng)計計算，按六點法將測驗數(shù)據(jù)錄入計算機(jī)編制成流速流向觀測報表，然后采用矢量合成法計算各垂線平均流速、流向。具體的計算方法為：

（1）先將各層實測流速、流向分解為北分量VN和東分量VE，即

式中：V為各層實測流速，m/s；θ為各層實測流向，（°）。

（2）采用加權(quán)平均法計算垂線平均北分量VNm和東分量VEm，即

式中：V0.0N為表層實測流速北分量；V0.0E為表層實測流速東分量，m/s；其他層次依次類推。

（3）采用矢量合成法計算垂線平均流速Vm、流向θm即

圖2各驗潮站潮位過程線Fig.2 Tidal level process of each tidal station

由實測數(shù)據(jù)統(tǒng)計：觀測海域?qū)崪y漲、落潮平均流速分別為0.21 m/s和0.13 m/s，漲潮流速均大于落潮流速，其比值為1.6；漲落潮平均流速大、中、小潮分別為0.18 m/s、0.15 m/s和0.18 m/s，大潮流速和小潮流速相當(dāng)，中潮流速最小，大、小潮為中潮1.2倍，小潮水流強(qiáng)度較強(qiáng)，可能是受作業(yè)前剛過的臺風(fēng)影響。實測垂線最大流速漲、落潮分別為0.53 m/s和0.32 m/s；實測垂線上測點最大流速漲、落潮分別為0.73 m/s和0.46 m/s；觀測海域水流強(qiáng)度以離岸水域為最強(qiáng)，漲、落潮平均流速約為0.21 m/s，海門灣口水域次之，為0.18 m/s，海門灣水域最弱，為0.11 m/s；垂線上流速呈表層到底層逐減的分布趨勢，底層流速約為表層的62%。

根據(jù)分層數(shù)據(jù)統(tǒng)計：分層流速與各自表層流速之比，自表至底，漲潮平均為 1.00、0.89、0.87、0.84、0.78 和 0.65，落潮平均為 1.00、0.84、0.74、0.70、0.69 和 0.61；漲、落潮底層流速分別為表層流速的65%和61%，實測垂線上流速呈從表層到底層逐漸減小的分布趨勢。垂線上流速梯度，落潮大于漲潮。

根據(jù)潮流及潮位測驗資料，對規(guī)劃工程區(qū)水域各測點漲、落潮憩流發(fā)生時間與海門驗潮站的高、低潮位時間差進(jìn)行統(tǒng)計，施測海區(qū)平均漲、落潮流歷時分別為7 h 44 min和4 h 54 min，漲潮流歷時大于落潮流歷時。

根據(jù)各站漲、落潮潮段合成流向計算結(jié)果統(tǒng)計，施測海區(qū)潮流為明顯的往復(fù)流。落潮實測平均流向與漲潮實測平均流向反向的差值在V3～V6和V9等5個測點不足15°。

采用準(zhǔn)調(diào)和分析的方法對潮流觀測資料進(jìn)行分析：測驗海域潮流屬正規(guī)半日潮流性質(zhì)，各站垂線平均的F值在0.10～0.27之間，G值介于0.14～0.32之間，淺水分潮流影響系數(shù)并不顯著。

對于規(guī)則半日潮流海域，潮流的可能最大流速由下式計算

對于規(guī)則全日潮流海域，潮流的可能最大流速由下式計算

對于不規(guī)則半日潮流海域和不規(guī)則全日潮流海域，采用以上兩式中的大值。式中的max為潮流的可能最大流速，單位為 cm/s，WM2、WS2、WK1、WO1、WM4、WSM4分別為主太陰半日分潮流、主太陽半日分潮流、太陰太陽赤緯日分潮流、主太陰日分潮流、太陰四分之一日分潮流和太陰太陽四分之一日分潮流的橢圓長半軸矢量。

依據(jù)公式計算可能最大流速以南部水域V9測站為最大，為0.75 m/s，其方向為落潮方向；觀測海域余流速度均較小，一般不足0.15 m/s，平均僅0.08 m/s。

余流是指海流中除天文引潮力作用所引起的潮流以外的海流。在近海海區(qū)，一般情況下余流相對于潮流的量級較小，但在某些特定海域，余流影響不能被忽略。觀測海區(qū)余流流速，以離岸水域為最大，大、中、小潮平均約為0.12 m/s，其次是海門灣口水域為0.08 m/s，海門灣水域最小，為0.04 m/s，余流方向一般為漲潮方向。

2.3 含沙量統(tǒng)計分析

觀測海區(qū)位于廣東汕頭市海門灣水域，沒有大的河流入海，僅有一條練江小河，沙源有限。在水文測驗時段內(nèi)，海水較清，所取水樣清澈，水體含沙濃度很低?，F(xiàn)場采用CTD以深度測量模式與測流同步進(jìn)行測量。測量時，每小時整點將儀器勻速下放至海底，采集剖面數(shù)據(jù)一次，測量結(jié)束后再按“六點法”計算水深，摘取“六點法”分層數(shù)據(jù)，經(jīng)過率定分析處理獲得水體懸移質(zhì)含沙量。

垂線平均含沙量計算公式如下

由實測數(shù)據(jù)統(tǒng)計：漲、落潮平均含沙量分別為0.018 kg/m3和0.014 kg/m3，漲潮略大于落潮；瞬時實測最大含沙量漲、落潮分別為0.067 kg/m3和0.040 kg/m3；水體含沙濃度平面分布相差不大，以海門灣口水域相對較高，為0.018 kg/m3，其次是離岸水域，為0.016 kg/m3，海門灣水域較低，為0.014 kg/m3，平面分布比較均勻；含沙量垂線分布呈自表層至底層逐層增大的分布。

2.4 鹽度及水溫統(tǒng)計分析

實測海水鹽度漲、落潮基本相同，分別為33.95‰和33.92‰；漲落潮平均海水鹽度，大、中、小潮平均為33.85‰，大、中潮基本相當(dāng)，小潮相對較??；鹽度的平面分布相差不大，但鹽度的垂直分布，自表層至底層逐層增大，在0.2 H處有突增。

觀測海域?qū)崪y海水溫度漲、落潮基本相同，分別為22.81°C和22.86°C；水溫的平面分布相差不大，以海門灣水域相對較高，海門灣口水域和離岸水域基本相當(dāng)；水溫垂直分布，自表層至底層逐層降低，在0.4 H處有突降；觀測期間海水溫度相對穩(wěn)定，水溫的時空分布及其變化均在5°C左右，且與氣溫直接相關(guān)。

3 結(jié)語

（1）聲學(xué)多普勒剖面流速流向儀盲區(qū)及旁瓣區(qū)的處理，通常有一定的經(jīng)驗公式，但是經(jīng)驗公式并不是在所有水域條件下都成立，本項目采用傳統(tǒng)的SLC9-2型直讀式海流計進(jìn)行表層與底層的同步觀測，彌補(bǔ)了聲學(xué)多普勒剖面流速流向儀原理上的缺陷。

（2）在水文全潮測驗期間，采用采水器同步采取現(xiàn)場水樣，待測驗結(jié)束后，在室內(nèi)經(jīng)過過濾、洗鹽、烘干及稱重得到含沙量，并進(jìn)行率定分析，得到CTD濁度值率定含沙量的曲線公式，總結(jié)出低含沙條件下，采用CTD濁度值率定含沙量的準(zhǔn)確快速率定法。

（3）在進(jìn)行潮位站布設(shè)、水文垂線數(shù)量及站位設(shè)計時，充分考慮了數(shù)學(xué)模型和物理模型研究的需要，并兼顧了評估海洋工程對附近海域環(huán)境的影響和海域使用論證各方對現(xiàn)場水文數(shù)據(jù)的需求，對實測數(shù)據(jù)進(jìn)行了系統(tǒng)、全面的分析，尤其對各測站流速的平面分布及垂向分布進(jìn)行分析，反映了施測海域海流的三維分布狀況。

［1］GB/T12763-2007，海洋調(diào)查規(guī)范［S］.

［2］GB/T14914-2006，濱海水文觀測規(guī)范［S］.

［3］JTJ213-98，海港水文規(guī)范［S］.

［4］JTJ203-2001，水運(yùn)工程測量規(guī)范［S］.

［5］馬應(yīng)良，陳峰，詹進(jìn)源，等.中國海灣志.廣東省東部海灣［M］.北京:海洋出版社，1998.

［6］楊鯤，吳永亭，趙鐵虎，等.海洋調(diào)查技術(shù)及應(yīng)用［M］.武漢:武漢大學(xué)出版社，2009.

［7］劉杰，盧佐.AWAC在黃驊港水文測量中的應(yīng)用及其與海流計的比較分析［J］.港工技術(shù)，2009（46）：94-96.LIU J，LU Z.Application of AWAC in Hydrographic in Huanghua Port&Comparative Analysis for AWAC and Ocean Current Instrument［J］.Port Engineering Technology，2009（46）：94-96.

［8］劉盾.簡介 COMPACT-CTD 在海洋水文測驗中的應(yīng)用簡介［J］.水道港口，2011，32（S1）:40-43.

［9］范東華，相雷.自容式 COMPACT-CTD 儀測量含沙量原理及精度分析［J］.水道港口，2011，32（S1）:44-47.