劉光生

(浙江省水利河口研究院,浙江 杭州 310020)

1 問(wèn)題的提出

杭州灣是著名強(qiáng)潮海灣,具潮差大、水流急、含沙量高、粒徑細(xì)、水深較淺、沖淤幅度大等特點(diǎn),而且浙江省又是我國(guó)臺(tái)風(fēng)影響最大的省份之一,每年在浙江境內(nèi)登陸的臺(tái)風(fēng)有3～5個(gè),臺(tái)風(fēng)過(guò)境極易形成大沖驟淤現(xiàn)象,杭州灣兩岸經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá),港口碼頭、航道、跨海大橋、海底管道等重大工程較多,杭州灣的水流及泥沙運(yùn)動(dòng)特性直接關(guān)聯(lián)重大涉水工程的安全性能及維護(hù)成本,深入分析研究杭州灣水流泥沙運(yùn)動(dòng)特性對(duì)這些重大工程有著至關(guān)重要的作用。

潮波運(yùn)動(dòng)引起水體的水平流動(dòng)稱為潮流。潮流和潮汐如同孿生兄弟,在一般情況下,潮流變化和潮汐相對(duì)應(yīng),潮汐為半日潮,潮流也為半日潮,并有類似的各種現(xiàn)象。為研究杭州灣水流運(yùn)動(dòng)特性,必先研究杭州灣潮汐運(yùn)動(dòng)形式。本文將從潮汐水文、潮流以及泥沙輸移3個(gè)方面入手研究。

2 潮汐水文

太平洋潮波,經(jīng)琉球群島后分2支進(jìn)入東中國(guó)海,一支向西北經(jīng)東海,進(jìn)入黃海;另一支沿西北偏西方向進(jìn)入浙江沿海,潮波傳播過(guò)程部分通過(guò)金塘水道、秀山水道先后傳入杭州灣。在灣口同一經(jīng)度上,南、北兩岸潮峰到達(dá)時(shí)間比中部早,南部比北部早。由于灣內(nèi)北岸水深比南岸大,潮峰傳播速度也較快,故至金山斷面時(shí),南、北潮峰幾乎同時(shí)到達(dá),過(guò)乍浦后,北部潮峰超前。進(jìn)入澉浦附近潮波受岸線壓縮反射影響,逐漸變形接近駐波,潮波通過(guò)澉浦?jǐn)嗝嫔纤葸^(guò)程中由于存在水下沙坎[1],河床向上游急劇抬高,水深變淺,潮波開(kāi)始劇烈變形,在尖山附近形成舉世聞名的錢(qián)江涌潮,涌潮在海寧鹽官至八堡一帶達(dá)到最大,再上溯又逐漸減小,一般在聞堰一帶消失。潮波可上溯到富春江電站下游(潮區(qū)界)。

澉浦以下水域,主要全日分潮振幅與主要半日潮分潮振幅比值 (H01+Hk1)/Hm2的分布見(jiàn)圖1。由圖1可知,海王山至大洋山一線西北部水域RH＜0.50m,屬正規(guī)半日潮,東南水域RH在0.50～0.70 m,屬不正規(guī)的半日潮。另外,由于杭州灣水深相對(duì)較淺,淺水分潮振幅增大,Hm4、Hm2均大于0.04 m。

圖1 主要全日分潮振幅與主要半日潮分潮振幅的比值(RH)分布圖

河口下段南北岸各站高、低潮位及潮差見(jiàn)表1。由表1可知,南、北岸平均高潮位由灣口向?yàn)稠斞爻淘龈?平均低潮位則降低,因而潮差向?yàn)稠斣龃?。?shí)測(cè)平均潮差平面分布見(jiàn)圖2。圖2中潮差平面分布基本上符合由潮波能量守恒,不計(jì)摩阻損失推導(dǎo)得到的格林定律,其關(guān)系式如下:

式中:A0、B0、H0分別為初始潮波的波高(即潮差)、中潮位河寬、水深,m;Ax、Bx、Hx為初始斷面以上某斷面的相應(yīng)值,m2。

表1 河口下段南、北岸高、低潮位及潮差變化表

河口下段潮汐除縱向有上述顯著變化外,還可看出,南北岸橫向也存在一定的差異。這種差異表現(xiàn)在北岸的高潮位比南岸高,低潮位則相反,因而潮差北岸比南岸大。這種差異由向?yàn)稠斨饾u減小。乍浦以上河道水下存在龐大的沙坎,河底高程向上迅速抬高,水深急劇變淺,低潮位也相應(yīng)增高,潮差自下而上逐漸變小。

圖2 各站實(shí)測(cè)平均潮差等值線圖 單位:cm

外海潮波進(jìn)入河口區(qū)由于受摩阻、岸邊阻擋反射和徑流的頂托等因素影響導(dǎo)致漲潮歷時(shí)縮短,落潮歷時(shí)加長(zhǎng),而出現(xiàn)潮波變形。錢(qián)塘江河口各站漲、落潮歷時(shí)沿程變化見(jiàn)表2。

漲、落潮歷時(shí)的長(zhǎng)短是反映潮波變形的重要指標(biāo)之一,可用兩者的比值表示。由表2可知,河口下段內(nèi)漲潮歷時(shí)比落潮歷時(shí)短1.50 h,二者之比值平均為0.77～0.79,沿程變化很小。澉浦至鹽官的漲、落潮歷時(shí)自0.79 h減小到0.23 h,以上沿程各站二者比值在0.20～0.15變化。澉浦至鹽官段 (尖山河段)漲、落潮歷時(shí)的比值 (即潮波變形)之所以出現(xiàn)明顯的變化,其原因主要是該段內(nèi)沙坎急速抬升,水深減小。

表2 錢(qián)塘江河口沿程各站漲、落潮歷時(shí)變化表

3 潮 流

潮流運(yùn)動(dòng)形式一般可分為旋轉(zhuǎn)流和往復(fù)流2種。在廣闊海區(qū)的潮流有流速的變化,流向也沿一定方向不斷旋轉(zhuǎn),因此潮波每1min的水質(zhì)點(diǎn)軌跡都為橢圓。橢圓要素中的橢圓率K,即橢圓短軸與長(zhǎng)軸之比來(lái)表征橢圓的扁圓程度,K值越小,表明潮流越呈往復(fù)形式;反之,則越呈旋轉(zhuǎn)形式。由于地球自轉(zhuǎn)效應(yīng),在北半球一般呈順時(shí)針?lè)较蛐D(zhuǎn),在南半球則成逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)。在海峽、狹窄的海灣河口,因地形的限制,橢圓很窄,因而水體在一個(gè)方向往復(fù)流動(dòng)。對(duì)往復(fù)流來(lái)說(shuō),當(dāng)漲潮流和落潮流交替時(shí)水體在短軸內(nèi)幾乎停止流動(dòng),成為憩流。

半日潮流占主導(dǎo)地位的地區(qū),潮流運(yùn)動(dòng)形式可用M2分潮流橢圓旋轉(zhuǎn)率K來(lái)表述。杭州灣M2分潮流橢圓旋轉(zhuǎn)率分布見(jiàn)圖3。

圖3 M2分潮流橢圓旋轉(zhuǎn)率分布圖

由圖3可知,杭州灣橢圓率｜K｜＜0.1,最小為0,表明潮流運(yùn)動(dòng)形式仍以往復(fù)流為主。該區(qū)域地形東深西淺和東寬西窄,橢圓率絕對(duì)值大致從灣口向?yàn)硟?nèi)逐漸減小。杭州灣地處北半球,橢圓率為負(fù)值,即主要呈右旋,但在王盤(pán)山附近水域橢圓率為正值,可能是2種有一定相位差的波動(dòng)在此匯合,恰好使流動(dòng)向左轉(zhuǎn)動(dòng)。

杭州灣口附近漲落急流矢圖見(jiàn)圖4。分析全潮漲落潮流速流向過(guò)程,可以歸納杭州灣水流呈現(xiàn)如下特征:

(1)由于杭州灣口處島嶼迭障,潮波主要由島嶼之間的4條水道進(jìn)入灣內(nèi):鎮(zhèn)?！凵?、舟山—岱山、岱山—大衢山、大衢山—北岸,北面2股流匯入金山,南面2股流匯入王盤(pán)山附近。

(2)杭州灣口處南岸對(duì)比北岸先漲先落,在外海邊界水位起漲約2.00 h內(nèi),金山水域以下由鎮(zhèn)?！凵?、舟山—岱山2股水道匯入的漲潮流主要指向西北方向,北岸由岱山—大衢山、大衢山—北岸2股水道匯入的漲潮流也指向西北方向,至蘆潮港一帶時(shí)受北岸岸線約束轉(zhuǎn)而與北岸線一致,其流向基本與等水位線垂直,而澉浦以上仍為落潮流,長(zhǎng)江口的南、北槽仍以落潮流為主。到漲急時(shí)(3.00 h后),北岸等水位線向西扭轉(zhuǎn),北岸水流仍垂直于等水位線,但金山以下南岸的流向并未象等水位線一樣作相應(yīng)的扭轉(zhuǎn),故流向與水位線不一定垂直。4.50 h后,下邊界為高平潮,金山—澉浦為漲急,流向與等水位線垂直,到外海為落急時(shí)(10.00 h后),金山以下的等水位線向東扭轉(zhuǎn)一定角度,流向不完全與等水位線垂直。

圖4 杭州灣漲潮流矢圖

現(xiàn)代杭州灣水域水文測(cè)驗(yàn)資料增多,根據(jù)2010年9月實(shí)測(cè)水文資料[2],研究區(qū)域潮波接近駐波,漲、落潮最大流速大都出現(xiàn)在中潮位附近,最小流速出現(xiàn)在高、低潮位。潮流性質(zhì)為非正規(guī)淺海半日潮流。該區(qū)潮流作用強(qiáng)勁。最大漲潮流速2.60m/s,最大落潮流速2.50 m/s,大潮平均漲潮流速0.98～1.25 m/s;平均落潮流速 0.87～1.12 m/s。該區(qū)漲潮流歷時(shí)通常小于落潮流歷時(shí),漲潮流速大于落潮流速,呈漲潮流優(yōu)勢(shì),這種潮流特性對(duì)長(zhǎng)江入海擴(kuò)散泥沙運(yùn)動(dòng)影響深遠(yuǎn)。從流向看,潮流往復(fù)作用強(qiáng),以灣口HZW01—HZW03站最為明顯,南匯咀前沿站位總體上落潮潮流均向南偏轉(zhuǎn),這主要與長(zhǎng)江沖淡水向東南方向擴(kuò)散并壓迫杭州灣向東方向的落潮水流有關(guān)(見(jiàn)圖5)。

圖5 2010年實(shí)測(cè)站位與潮流圖(2010年9月大潮)

20世紀(jì)90年代利用杭州灣內(nèi)1981年、1983年海岸帶調(diào)查水文資料和浙江省河口海岸研究所測(cè)驗(yàn)隊(duì)多次水文測(cè)驗(yàn)資料,共計(jì)30多個(gè)點(diǎn)位。分析每個(gè)水文測(cè)點(diǎn)的漲、落潮垂線平均最大流速(或單寬潮量)比值的等值線見(jiàn)圖6。

由圖6可知,中心軸線(王盤(pán)山)以北水域的比值多數(shù)大于1.0表明該水域漲潮流速及單寬潮量大于落潮,受漲潮流控制,潮量為凈進(jìn);而王盤(pán)山以南水域則相反,受落潮流控制,潮量為“凈出”。灣內(nèi)漲、落潮動(dòng)力軸線存在明顯的分歧。最近在澉浦至乍浦間水域南岸多次測(cè)得漲潮流速大于落潮流速,可能與錢(qián)塘江河口段大片圍涂,尤其1997年后尖山河段北岸治江圍涂,澉浦?jǐn)嗝嫔?、下游北岸床面出現(xiàn)明顯淤積,而南岸出現(xiàn)沖刷,河勢(shì)發(fā)生一定變化有關(guān)。

圖6 杭州灣漲、落潮垂線平均最大流速比值等值線圖

4 泥沙輸移

懸沙粒徑常以中值粒徑(d50)來(lái)表征。杭州灣懸沙中值粒徑為0.006 0～0.016 0 mm,從下游向上游逐漸變粗。金山斷面為0.006 8～0.009 3 mm,乍浦?jǐn)嗝鏋?.007 2～0.011 0 mm,澉浦?jǐn)嗝鏋?.011 0～0.016 0mm。懸沙中值粒徑從表層向底層增粗,表層為0.006 9～0.011 0 mm,中層為0.007 0～0.013 0mm,底層為0.007 8～0.0150 mm。懸沙中值粒徑在潮周期中變化不顯著,落憩、漲急、漲憩、漲急時(shí)刻分別為0.0071～0.015 7,0.006 8～ 0.015 7,0.007 1～ 0.012 8,0.007 1～0.015 6 mm?？赡苁呛贾轂硲疑沉胶芗?xì),隨流速變化反應(yīng)較遲緩之故。

圖8 杭州灣大潮平均含沙量分布圖單位:kg/m3

根據(jù)澉浦、乍浦、金山和灣口等水文測(cè)驗(yàn)資料分析大潮平均含沙分布等值線 (見(jiàn)圖8)。由圖8可知,含沙量縱向分布由東向西逐漸增大,蘆潮港、金山、乍浦和澉浦?jǐn)嗝嫫骄沉糠謩e為1.99,2.19,2.31,3.21 kg/m3。這種變化趨勢(shì)與潮差和漲潮流速基本一致,說(shuō)明潮流是輸沙的主要?jiǎng)恿?。含沙量的橫向分布灣口斷面北高(3.00 kg/m3)南低(1.45 kg/m3),灣中金山乍浦?jǐn)嗝姹钡?0.85 kg/m3),南高(3.70 kg/m3),灣頂澉浦?jǐn)嗝孀罡哌_(dá)到3.00～4.00 kg/m3。上述分布平面上存在3個(gè)較高含沙量區(qū)和2個(gè)較低含沙區(qū),3個(gè)含沙量較高區(qū)域分別為南岸庵東邊灘前沿,平均含沙量為3.00～5.50 kg/m3,灣頂?shù)钠骄沉?.00～4.00 kg/m3以及灣口北岸南匯咀前沿,平均含沙量2.50～3.00 kg/m3。2個(gè)低含沙量區(qū)域,分別為北岸金山咀—鄭家埭一帶(平均含沙量為0.50～1.00 kg/m3)和灣口南岸 (平均含沙量為1.00～1.50 kg/m3)。

河口下段含沙量隨時(shí)間變化主要反映在隨季節(jié)和大小潮的變化。灘滸、金山咀、澉浦和海王盤(pán)山等站有1 a以上表層含沙量觀測(cè)資料,年內(nèi)月平均含沙量見(jiàn)表3。由表3可知,含沙量季節(jié)性變化十分明顯。冬季(12月至次年2月)含沙量較高,夏季(7—9月)含沙量較低,前者大約是后者的2～3倍,春、秋季節(jié)介于這二者之間,水文年內(nèi)似有周期性變化。分析原因主要是由于冬季長(zhǎng)江入海徑流量減小后,潮流作用相應(yīng)增強(qiáng),在西北風(fēng)浪作用下,長(zhǎng)江口外底部泥沙隨之掀起,同時(shí)臺(tái)灣暖流退縮,黃、渤海沿岸流增強(qiáng),長(zhǎng)江口泥沙以及部分蘇北沿岸流泥沙往南輸移時(shí)帶入杭州灣,造成冬季含沙量較高;夏季長(zhǎng)江徑流強(qiáng)盛,入海的沖淡水在長(zhǎng)江口附近順著汊道方向流向東南,過(guò)E122°30′后,受到向北擴(kuò)展強(qiáng)盛的臺(tái)灣暖流的驅(qū)動(dòng)作用,長(zhǎng)江入海泥沙向東北或東輸移,泥沙向南擴(kuò)散進(jìn)入杭州灣數(shù)量很少,造成夏季含沙量較低。

表3 河口下段沿岸各站月平均含沙量表 kg/m3

杭州灣主要是潮流輸沙。但水域開(kāi)闊,水深相對(duì)較淺,遇大風(fēng)浪時(shí),風(fēng)浪掀沙能力很強(qiáng),因持續(xù)時(shí)間短,與潮流輸沙相比是一種疊加的因素。杭州灣內(nèi)含沙濃度及輸沙量與潮流的關(guān)系較密切,而潮流潮量與潮差關(guān)系也很密切。因此,可根據(jù)澉浦、乍浦、金山和蘆潮港 (灣口)斷面實(shí)測(cè)資料分析的含沙量、潮量與潮差間的關(guān)系,再根據(jù)這幾個(gè)斷面大、中、小潮的潮差推算通過(guò)各斷面潮量和輸沙量,經(jīng)灣口斷面每潮(中潮)進(jìn)、出沙量是錢(qián)塘江流域年輸沙量的3.3倍,泥沙輸移表現(xiàn)為“大進(jìn)大出”;輸沙量從灣頂向?yàn)晨谘杆僭龃?灣口約為灣頂3.5倍,這是因?yàn)槌绷繌臑稠斚驗(yàn)晨诘脑龃舐蔬h(yuǎn)大于平均含沙量從灣頂向?yàn)晨诘臏p小率;大、中、小潮的輸沙量的比例為5.5∶3.0∶1.0。

受外海潮流系及泥沙輸移路徑的影響,通過(guò)灣口斷面輸量也存在冬季輸沙為“凈進(jìn)”,夏季為“凈出”。對(duì)河口下段內(nèi)30個(gè)水文測(cè)點(diǎn)分析得到:北岸漲、落潮流速大于1.0 m/s,說(shuō)明受漲潮流控制,輸水為“凈進(jìn)”;反之南岸漲、落潮流速多數(shù)點(diǎn)小于1.0 m/s,說(shuō)明受落潮流控制,輸水為“凈出”。分析這些測(cè)點(diǎn)的漲、落潮單寬輸沙量之比值也表明,北岸輸沙“凈進(jìn)”,南岸“凈出”,凈輸沙在平面上存在逆時(shí)方向的環(huán)流,一般稱為“α”形輸沙路徑。

杭州灣與長(zhǎng)江口相毗鄰。長(zhǎng)江入海沙量約4.86億t/a。據(jù)分析約50%堆積在口門(mén)附近而形成水下三角洲;另一半則向外海擴(kuò)散輸送,其主要途徑是向東偏南方向。長(zhǎng)江口輸入杭州灣泥沙有2條途徑,一條經(jīng)南匯邊灘直接輸入;另一條沉積在長(zhǎng)江口外水下三角洲泥沙,受風(fēng)浪和潮流作用再懸浮,隨漲潮流輸入杭州灣,稱其為間接輸入。分析1981年以來(lái)富春江電站至杭州灣以及長(zhǎng)江口外海濱共50多個(gè)表層沉積物重礦物表明,河口下段底質(zhì)重礦物的組成以角閃石和綠簾石為主,兩者占80.3%,而長(zhǎng)江口外海濱二者占79.8%,2個(gè)區(qū)域底質(zhì)重礦物組成極為接近。其他礦物種類及其含量也很接近,而與錢(qián)塘江河口河流段底質(zhì)重礦物成份組成差別很大。分析底質(zhì)重礦物組成也說(shuō)明錢(qián)塘江河口泥沙主要來(lái)源灣口外長(zhǎng)江入海泥沙。近年來(lái),由于長(zhǎng)江流域大量修建水庫(kù),種植植被等使長(zhǎng)江入海泥沙量呈現(xiàn)明顯下降趨勢(shì),輸沙量從20世紀(jì)50年代的4.86億t/a減至70年代的4.27億t/a,90年代減至3.37億t/a,2000年后僅為1.76億t/a,減少幅度達(dá)64%,其中,2006年僅0.85億t/a,創(chuàng)歷史新低。從長(zhǎng)期來(lái)看,長(zhǎng)江徑流量基本持平(見(jiàn)圖9)。

圖9 長(zhǎng)江大通站徑流量和輸沙量變化圖

5 結(jié) 語(yǔ)

杭州灣是著名強(qiáng)潮海灣,具潮差大、流速?gòu)?qiáng)、含沙量高、泥沙粒徑細(xì)、水深較淺、沖淤幅度大、水流泥沙運(yùn)動(dòng)復(fù)雜等特點(diǎn)。研究分析發(fā)現(xiàn):

(1)杭州灣南、北岸平均高潮位由灣口向?yàn)稠斞爻淘龈?而平均低潮位灣口至灣頂沿程降低,因而潮差向?yàn)稠斣龃?。北岸的高潮位比南岸?低潮位則相反,潮差北岸比南岸大,這種差異由灣口向?yàn)稠斨饾u減小。乍浦以上水下存在龐大的沙坎,河底高程向上迅速抬高,水深急劇變淺,低潮位也相應(yīng)增高,潮差自下而上逐漸變小。

(2)杭州灣潮流性質(zhì)為非正規(guī)淺海半日潮流,該區(qū)潮流作用強(qiáng)勁,杭州灣口處南岸對(duì)比北岸先漲先落,漲潮歷時(shí)小于落潮歷時(shí);杭州灣內(nèi)漲、落潮動(dòng)力軸線存在明顯的分歧,王盤(pán)山以北水域漲潮流速及單寬潮量大于落潮,受漲潮流控制,潮量為凈進(jìn),王盤(pán)山以南水域則相反,受落潮流控制,潮量為“凈出”。

(3)杭州灣懸沙粒徑很細(xì),中值粒徑0.006 8～0.015 7 mm,懸沙中值粒徑在潮周期中變化不顯著;潮流為杭州灣內(nèi)的主要輸沙動(dòng)力,潮差和漲潮流速越大,含沙量越高,表現(xiàn)為灣口含沙量向?yàn)稠斨饾u增大;杭州灣水域存在3個(gè)較高含沙量區(qū)和2個(gè)較低含沙區(qū),3個(gè)含沙量較高區(qū)域分別為南岸庵東邊灘前沿,平均含沙量為3.0～5.5 kg/m3,灣頂?shù)钠骄沉?.0～4.0 kg/m3以及灣口北岸南匯咀前沿,平均含沙量2.5～3.0 kg/m3。2個(gè)低含沙量區(qū)域,分別為北岸金山咀—鄭家埭一帶(平均含沙量為0.5～1.0 kg/m3)和灣口南岸 (平均含沙量為1.0～1.5 kg/m3)。

近年來(lái),杭州灣兩岸,尤其南岸圍墾工程較多,岸線形式有一定改變,勢(shì)必對(duì)杭州灣的納潮量及泥沙輸移有相應(yīng)的影響,加之長(zhǎng)江口泥沙來(lái)源減少,杭州灣床面沖淤特性也有一定改變。在杭州灣內(nèi)開(kāi)展重大涉水工程,應(yīng)充分認(rèn)識(shí)杭州灣的水流泥沙特性,并經(jīng)充分認(rèn)證,科學(xué)保護(hù)好杭州灣。

[1]韓曾萃,戴澤衡,李光炳.錢(qián)塘江河口治理開(kāi)發(fā)[M].北京:中國(guó)水利出版社,2003.

[2]曾劍,潘存鴻.錢(qián)塘江河口杭州灣數(shù)學(xué)模型研究 [R].杭州:浙江省水利河口研究院,2011.