王煜祺， 陳 珺， 2， 吳 崢， 李曉坤

(1. 河海大學(xué) 水利水電學(xué)院, 江蘇 南京 210098； 2. 河海大學(xué) 水文水資源與水利工程科學(xué)國家重點實驗室， 江蘇 南京 210098)

甬江及河口附近海域枯季水沙特性分析

王煜祺1， 陳 珺1， 2， 吳 崢1， 李曉坤1

(1. 河海大學(xué) 水利水電學(xué)院, 江蘇 南京 210098； 2. 河海大學(xué) 水文水資源與水利工程科學(xué)國家重點實驗室， 江蘇 南京 210098)

基于2016年1月甬江及河口附近海域水文、泥沙觀測資料，從水動力條件和泥沙環(huán)境兩方面分析該水域枯季水沙特性。分析表明：①甬江最高潮位沿程變化不大，最低潮位沿程下降，最大潮差沿程增大；甬江河口附近海域的最高潮位、最大潮差和平均潮位都呈西北高于東南的特點。②甬江流速從上游至下游逐漸增加，河口附近海域流速總體上呈北強(qiáng)南弱的平面分布特點。③甬江從上游至下游含沙量先增后減，大潮含沙量大于小潮。河口附近海域西北側(cè)含沙量大于東南側(cè)，大潮含沙量大于小潮。輸沙量和含沙量的規(guī)律較為一致。④甬江在同一個漲落潮周期內(nèi)，含沙量存在兩個峰值，分別出現(xiàn)在漲急、落急之后1～2 h。河口附近海域與河道內(nèi)不同，含沙量存在單峰和雙峰兩種情況。

甬江； 金塘水道； 枯季； 水沙特性； 輸沙

甬江是寧波市的母親河，南源奉化江，北源姚江，兩江匯合于寧波市三江口，自三江口以下為甬江干流，于鎮(zhèn)海外游山入東海，全長25.6 km。甬江入海口處正對金塘島，中間海域稱為金塘水道，北接灰鱉洋，東南側(cè)有大榭島，這片海域呈半封閉內(nèi)灣形態(tài)，有較深水道與外部溝通，外海潮汐由大榭島東北螺頭水道向西北經(jīng)金塘水道進(jìn)入杭州灣。針對該區(qū)域河道與海域的水沙特性，國內(nèi)已經(jīng)存在一些研究成果：嚴(yán)文武研究了1959年到2010年各種涉水工程造成的水動力的改變以及河床演變，發(fā)現(xiàn)甬江河道受各涉水工程、水資源開發(fā)等影響，正處于緩慢淤積期[1]；李文杰等利用觀測的潮位資料建立了水力學(xué)非恒定流計算模型，研究了甬江的入海徑流量[2]；嵇敏等根據(jù)2010年洪季和2011年枯季的實測資料，研究了甬江河道洪枯季的水沙特性，總結(jié)了含沙量的垂線分布規(guī)律，建立了甬江河道水流挾沙能力的計算式[3]；王康墡等通過平均流場、真流場、潮流場和余流場幾方面研究了金塘水道的流場特性，發(fā)現(xiàn)了強(qiáng)、弱流區(qū)的分布，漲落潮流的不對稱性和潮流渦旋[4]；李占海等根據(jù)1986和1987年的流速含沙量實測資料，利用懸沙質(zhì)量守恒原理，研究了金塘水道懸沙輸運和再懸浮作用機(jī)制[5]；馮應(yīng)俊等通過多次全面的水文泥沙測驗，掌握了北侖港域水下地形、地貌及底質(zhì)分布環(huán)境[6]；蔣文志等根據(jù)2010年實測資料分析，發(fā)現(xiàn)甬江口附近海域潮差小、潮流強(qiáng)，呈往復(fù)流，金塘水道北部含沙量大于南部[7]。上述文獻(xiàn)均單獨分析甬江河道或甬江河口附近海域的潮流泥沙特性，考慮到甬江和河口附近海域的相互影響，開展該區(qū)域大范圍的同步水文測驗，綜合分析甬江及河口附近海域的水沙特性具有重要的研究意義。本文采用2016年1月甬江河道及河口附近海域同步水文測驗的資料，綜合分析該區(qū)域的枯季水沙特性。

1 水動力環(huán)境

1.1 潮汐特征

本文采用2016年1月的實測資料進(jìn)行分析，其中2016年1月3—4日為小潮， 2016年1月9—10日為大潮，測點及潮位站布置如圖1所示。

圖1 測點及潮位站布置Fig.1 Arrangement of measuring points and tide stations

甬江潮汐屬于不正規(guī)半日潮，潮位特征值見表1。大小潮期間，甬江各潮位站的最高潮位差距很小，其中大潮約2 m，小潮約1 m，而各潮位站觀測到的最低潮位均沿程減小。大小潮期間最大潮差均沿程增大，而其中大潮大于小潮，且沿程增大斜率也大于小潮。

表1 甬江河道潮位特征值及漲落潮歷時統(tǒng)計Tab.1 Tidal characteristic values and ebb and flood duration time of the Yong River

甬江口屬緩混合海相河口[8]，潮位特征值見表2。河口附近海域各潮位站中，炮臺山站大潮最高潮位最大，為2.07 m，舟山大橋站小潮最高潮位最大，為1.15 m，這兩個站都位于甬江口北側(cè)。比較最大潮差也能發(fā)現(xiàn)以北部的舟山大橋和炮臺山兩站為大。甬江口西北側(cè)的舟山大橋平均高潮位、平均潮位值均最大，東南側(cè)的榭北閘最小，潮位分布在空間上呈自西北到東南逐漸降低的趨勢。

表2 甬江河口附近海域潮位特征值及漲落潮歷時統(tǒng)計Tab.2 Tidal characteristic values and ebb and flood duration time of sea area outside the estuary

1.2 漲落潮歷時

根據(jù)2016年1月甬江河道主要潮位站潮流歷時統(tǒng)計，枯季大小潮漲潮歷時都由三江口站到鎮(zhèn)?？谡狙爻踢f增，其中大潮為5.45～6.37 h，小潮為5.95～6.75 h。落潮歷時規(guī)律為三江口到鎮(zhèn)海站沿程減小，其中大潮三江口落潮歷時6.92 h，鎮(zhèn)海站落潮歷時6.00 h，小潮三江口落潮歷時6.95 h，鎮(zhèn)海站落潮歷時5.87 h。大小潮河道以清水浦附近為界限，上游落潮歷時大于漲潮歷時，下游反之。

分析甬江河口附近海域歷時成果，小潮潮周期大于大潮，且在大小潮期間，各潮位站的漲落潮的歷時相差都在10 min以內(nèi)，所以甬江河口附近海域各區(qū)域漲落潮歷時是接近的。

1.3 流速規(guī)律

甬江河道漲落潮流速統(tǒng)計見表3。由表3可知，甬江CS4斷面大小潮漲潮平均流速都最大，分別為0.74和0.43 m/s；大潮落潮平均流速CS4斷面最大，為0.83 m/s，小潮落潮CS5斷面平均流速最大，為0.50 m/s。河道內(nèi)平均流速的變化大致呈從上游至下游遞增的趨勢；河道的各斷面最大流速的對比規(guī)律與平均流速相似，且除小潮CS5斷面特例外，都是落潮最大流速大于漲潮。

表3 甬江河道漲落潮流速統(tǒng)計Tab.3 Velocity of ebb and flood tides of the Yong River

海域流速矢量圖如圖2所示。海域流速在平面上的分布規(guī)律從西北到東南呈現(xiàn)為先減小后增大，但仍然具有北強(qiáng)南弱的特點。大潮漲落潮平均流速V4點最大，分別為1.14和1.34 m/s；小潮漲潮平均流速V7點最大，為0.71 m/s，落潮平均流速V1點最大，為0.71 m/s。甬江口西北部的灰鱉洋水深較小(7～15 m)，而金塘水道的水深為30～100 m，過流面積對于流速產(chǎn)生了一定的影響。海域潮流為往復(fù)流，流向呈放射狀，漲落潮流路并不完全一致；對比發(fā)現(xiàn)，V8點大小潮的流向差異較大，而其余垂線并沒有明顯的差異。

圖2 河口附近海域測點流速矢量Fig.2 Velocity vector diagram of sea area outside the estuary

1.4 潮量特征

表4為枯季大潮甬江各斷面全潮漲落潮潮量，可見：甬江河道枯季大潮漲潮潮量為2 241～4 706 萬m3，落潮潮量為2 495～5 084 萬m3；小潮漲潮潮量為1 472～2 583 萬m3，落潮潮量為2 050～3 392 萬m3。大小潮漲落潮量都滿足由CS2—CS5遞增，且落潮潮量大于漲潮的規(guī)律。

表4 甬江河道潮量統(tǒng)計Tab.4 Tidal volume of the Yong River (萬m3)

表5為河口附近海域全潮單寬潮量。河口附近海域的漲落潮量很大程度上受到了地形的限制，如V1位于甬江口外西北部的淺灘處，雖然流速較大，潮量卻較小，單寬潮量為2～4萬m2；而V10處水深較大，則潮量最大，單寬潮量為19～33萬m2。

表5 甬江河口附近海域單寬潮量統(tǒng)計Tab.5 Unit tidal volume of sea area outside the estuary (萬m2)

2 泥沙環(huán)境

甬江泥沙由陸域來沙和海域來沙兩部分組成。據(jù)實測資料，上游溪口站多年平均輸沙量4.35萬t[9]，而據(jù)以往資料，河口附近CS5斷面大潮一次漲潮的輸沙量即能達(dá)5萬t[3]，故甬江泥沙以海域來沙為主。

2.1 泥沙粒徑與泥沙來源

枯季甬江河道懸沙中值粒徑0.004～0.010 mm，底質(zhì)中值粒徑0.008～0.028 mm，懸沙和底沙均以黏土質(zhì)粉沙為主；甬江河口附近海域懸沙中值粒徑0.005～0.009 mm，底質(zhì)中值粒徑0.008～0.188 mm。

2.2 含沙量

甬江河道斷面平均含沙量見表6。由表6可知，河道含沙量規(guī)律為漲潮大于落潮，大潮大于小潮。大潮期間，甬江各斷面平均含沙量自上游至下游(CS2—CS5)有先增大后減小的趨勢，且CS4斷面平均含沙量較高，最大可達(dá)1.36 kg/m3。這一點恰好是流速最大的點，同時也與甬江河道枯季的沖淤規(guī)律“河道段淤積口門段沖刷”[11]相印證。小潮期間規(guī)律有所不同，CS5斷面平均含沙量為4個斷面中最大，其2#垂線(深泓位置)平均含沙量為0.49 kg/m3。小潮期間河道最大含沙量的分布規(guī)律與平均含沙量類似，而大潮期間則不同，CS3斷面的3#垂線(靠近右岸)漲落潮測得的最大含沙量都最大。對每個測驗斷面，甬江河道漲潮含沙量大于落潮，但是含沙量最高處不一定在口門附近，這說明甬江河道內(nèi)底質(zhì)與懸沙存在一定強(qiáng)度的交換。

表6 甬江河道斷面平均含沙量統(tǒng)計Tab.6 Sediment concentration of the Yong River (kg/m3)

甬江河口附近海域含沙量分布見表7，各點垂線平均含沙量呈現(xiàn)“大潮>小潮”總體規(guī)律，甬江口外西北側(cè)海域V1，V4，V7的含沙量明顯高于東南側(cè)海域V6，V9，V10測點的含沙量,且這一空間對比規(guī)律大潮比小潮更為明顯。大潮漲落潮V1點平均含沙量都最大，分別為1.78和1.95 kg/m3，小潮漲潮平均含沙量V3點最大，為0.80 kg/m3，落潮平均含沙量V1點最大，為0.58 kg/m3。最大含沙量的分布規(guī)律也與平均含沙量規(guī)律類似，大潮和小潮期間分別在V1和V3垂線測得最大值。

表7 甬江河口附近海域含沙量統(tǒng)計Tab.7 Sediment concentration of sea area outside the estuary (kg/m3)

2.3 含沙量垂向分布

河口附近海域大小潮漲、落急時刻含沙量的垂向分布如圖3所示。

圖3 河口附近海域測點垂向含沙量分布Fig.3 Vertical distribution of sediment concentration of sea area outside the estuary

由圖3可見，該區(qū)域水深較大，故垂線方向上存在一定的含沙量變化。在該海域有代表性地選取V1～V10垂線，分別研究其漲急和落急時刻含沙量垂向分布。由圖3可知，大潮時北侖沿岸的V2，V5，V6，V9垂線的漲落潮含沙量垂向分布形態(tài)都比較接近，在20%～80%水深的范圍內(nèi)含沙量差別不大，且大榭島北側(cè)的V10垂線也顯示這一規(guī)律。而位于西北部鎮(zhèn)海沿岸淺灘處的V1，V7垂線則明顯不同，呈現(xiàn)顯著的從海底到水面含沙量減小的趨勢。小潮期間則各垂線由海底到水面的含沙量減小的規(guī)律比較明顯。

2.4 流速含沙量關(guān)系

在不考慮風(fēng)浪等作用，且忽略泥沙運動滯后于潮流現(xiàn)象的條件下，潮流作用是影響泥沙輸運的主要因素。

圖4為甬江河道流速含沙量過程圖，大潮測量時間為2016-01-09T16：00/2016-01-10T22：00，小潮測量時間為2016-01-03T09：00/2016-01-04T15：00。由圖4可知，在1個漲落潮周期內(nèi)，河道各斷面含沙量一般存在兩個峰值，分別出現(xiàn)在漲急、落急之后1～2 h，含沙量最低值也出現(xiàn)在漲、落憩之后的1～2 h。甬江全段都存在這一規(guī)律，但其中CS4，CS5斷面漲落潮含沙量的兩個峰值差異較大，表現(xiàn)為落潮含沙量峰值明顯小于漲潮峰值，這一規(guī)律小潮比大潮更為明顯，幾乎表現(xiàn)為單峰值。這一現(xiàn)象的成因，一方面為甬江河道泥沙的主要來源是海域來沙，漲潮流攜帶的泥沙量較大，而河道中隨徑流輸移的泥沙量較小，另一方面CS4，CS5斷面離口門較近，徑流作用相對于潮流作用較弱，故在漲潮時有較大的峰值。

圖4 甬江河道流速及含沙量過程線Fig.4 Hydrograph of velocity and sediment concentration of the Yong River

甬江河口附近海域的含沙量隨漲落潮變化更復(fù)雜。在忽略含沙量滯后于流速變化的條件下，針對2016年1月甬江口外各垂線的流速含沙量過程線進(jìn)行對比分析。特選取V4,V2,V6這3個分別位于西北部、口門處及中部沿岸的垂線的流速含沙量過程線，如圖5。

大潮期間，甬江口及其西北部海域V1,V4,V7,V8,V2的5個垂線表現(xiàn)為落潮時的單峰值；東北側(cè)海域的V10點在漲落潮分別對應(yīng)1個含沙量峰值，但是漲潮時的峰值不明顯；北侖沿岸V5,V6,V9的3個點含沙量隨流速變化并不明顯，而是一直在0.3～1.0 kg/m3的范圍內(nèi)波動；V3點位于V2,V5兩點之間，含沙量僅存在落潮時的單峰值，在峰值之外含沙量的波動很小。

小潮期間，西北部海域V1,V4,V7,V8,V2的5個垂線及V10垂線漲落潮各有1個含沙量峰值；北侖沿岸的V3,V5,V6,V9點含沙量則與大潮相似，在0.3～1.0 kg/m3的范圍內(nèi)波動。

根據(jù)以上分析發(fā)現(xiàn)，甬江河口附近海域的水沙特性可以依據(jù)空間分為西北、中部和東部3個特性區(qū)。大潮時潮量較大，落潮流攜帶大量泥沙自北方杭州灣入海擴(kuò)散的泥沙進(jìn)入西北測區(qū)，同時由于金塘水道內(nèi)漲潮流攜帶的泥沙較少，造成了落潮單峰值現(xiàn)象；而小潮時水量較小，泥沙更多的是隨水流在一定區(qū)域內(nèi)擺動，從而產(chǎn)生了漲落雙峰值的現(xiàn)象。值得注意的是，小潮的V1,V4,V7點出現(xiàn)了漲潮雙峰，即漲潮對應(yīng)的含沙量的峰有兩個峰尖，這一現(xiàn)象可能是由于東海漲潮進(jìn)入杭州灣時向南進(jìn)入灰鱉洋的一股北股漲潮流造成的[10]。V3,V5,V6,V9一線位于北侖沿岸，是天然的深水港，經(jīng)過此處的懸沙多是“過路沙”[11]，即隨水流運動而很少產(chǎn)生沖刷和淤積，這與本次測驗此處泥沙在小范圍內(nèi)波動的現(xiàn)象一致。

圖5 河口附近海域測點流速及含沙量過程線Fig.5 Hydrograph of velocity and sediment concentration of sea area outside the estuary

2.5 輸沙情況

甬江河道全潮輸沙量統(tǒng)計見表8，由表可見各斷面漲落潮輸沙量呈現(xiàn)“大潮>小潮”的總體規(guī)律。大潮時漲落潮輸沙量沿程增大，小潮時沿河道自上游至下游，斷面輸沙量有先增大后減小的趨勢?？菁攫拥垒斏称毡槌霈F(xiàn)了負(fù)凈輸沙量，其中2016年枯季大潮CS4斷面負(fù)凈輸沙量最大，為-15 382 t。河道各段面的凈輸沙量一定程度上能反映河段的沖淤情況，由表8數(shù)據(jù)分析可知，大潮期間CS4—CS5發(fā)生沖刷，CS2—CS4發(fā)生淤積；小潮期間CS3—CS5發(fā)生淤積，CS2—CS3發(fā)生沖刷。

表8 甬江河道輸沙量統(tǒng)計Tab.8 Sediment discharge of the Yong River t

甬江河口附近全潮平單寬輸沙量統(tǒng)計見表9，由表可見所有測點的半潮平均單寬輸沙量都呈現(xiàn)“大潮>小潮”的規(guī)律。大潮期間，西北側(cè)海域測點都呈現(xiàn)落潮平均單寬輸沙量小于漲潮平均單寬輸沙量的規(guī)律，而東部海域V6，V9，V10測點落潮平均單寬輸沙量均大于落潮。小潮期間，北部的V1，V4兩點落潮輸沙量大于漲潮，而V7，V8反之；中部沿岸的V3到V9點規(guī)律與大潮相同；東部的V10點與大潮相反，漲潮單寬輸沙量大于落潮。這里會發(fā)現(xiàn)輸沙量的變化規(guī)律并不能完全遵循2.3節(jié)中描述的含沙量的峰值關(guān)系。事實上，這是由于含沙量變化滯后于流速流向的變化。如大潮V4點在1月10日06：00對應(yīng)了一個含沙量峰值，然而此時已經(jīng)是落憩時刻，也就是說落潮造成的含沙量增大的現(xiàn)象反映在了漲潮過程的輸沙量里面。

表9甬江河口附近海域單寬輸沙量統(tǒng)計

Tab.9 Unit width sediment discharge of sea area outside the estuary (t/m)

測點大潮小潮漲潮落潮漲潮落潮V1288.72282.7361.3273.11V4714.59637.76103.82128.87V7628.62427.96232.28120.01V2377.77468.1789.00142.14V8650.51556.02319.35186.75V31005.04477.06384.78220.07V5787.55409.91394.92147.73V6521.10664.38178.27228.87V9132.10149.8742.7162.93V10618.41769.44230.38224.26

3 結(jié) 語

本文通過2016年1月甬江及河口附近海域的枯季水文泥沙資料的統(tǒng)計分析，得出以下結(jié)論：

(1)甬江河道最高潮位在同一潮周期內(nèi)沿程變化不大，最低潮位沿程減小，最大潮差沿程增大；河口西北部的海域最高潮位高于東南部海域，最大潮差和平均潮位呈西北大于東南的特點。

(2)甬江河道流速規(guī)律為自上游至下游逐漸增大，然而流速最大的斷面往往不是入?？谔幍腃S5斷面，而多是出現(xiàn)在偏上游的CS4斷面附近；河口附近海域流速分布從西北到東南先減小后增大，滿足“北強(qiáng)南弱”的特點。

(3)甬江河道的漲潮含沙量大于落潮含沙量，小潮期間CS5斷面為四個斷面中含沙量最大的斷面，而大潮期間的含沙量最大斷面為CS4或CS3斷面，即口門處不一定含沙量最大。河口附近海域含沙量平面空間上西北大于東南；垂向分布上，由于近岸、淺灘與深槽的地理形態(tài)不同，造成了多種垂向分布規(guī)律。

(4)甬江河道斷面在同一個漲落潮周期內(nèi)，含沙量存在兩個峰值，分別出現(xiàn)在漲急、落急之后1～2 h。河口附近海域與河道內(nèi)不同，含沙量存在單峰和雙峰兩種情況，且同一區(qū)域的峰值情況會根據(jù)大小潮而改變，這一方面取決于流速造成泥沙的起動，另一方面取決于泥沙輸移的來源。

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Analysisofwater-sedimentcharacteristicsoftheYongRivermouthandadjacentseawatersduringdryseason

WANG Yuqi1， CHEN Jun1, 2， WU Zheng1， LI Xiaokun1

(1.InstituteofWaterConservancyandHydroelectricPower,HohaiUniversity,Nanjing210098,China; 2.StateKeyLaboratoryofHydrology-WaterResourcesandHydraulicEngineering，HohaiUniversity，Nanjing210098，China)

Based on the measured data of hydrology and sediment in January 2016, the hydrodynamic environment and sediment environment of the Yong River mouth and its adjacent sea waters are analysed in this paper. Some conclusions are achieved as follows: ① The differences among highest water levels along the river are not significant, while the lowest water level reduces along the river; the tidal power of the sea waters in the northwest of the mouth is stronger than the tidal power of the southeastern sea waters. ②The flow velocities gradually increase from the upper section to the lower along the river, and their distribution around the mouth is characterized by being stronger in the north side and weaker in the south side. Around the estuary, the flow velocities in the river and in the sea waters are similar. ③The sediment concentration of the Yong River first increases and then decreases along the river. There is a higher sediment concentration in the northwest of the estuary than that in the southeast. ④In the Yong River there are two peak values of the sediment concentration during the same tidal cycle, which appear respectively 1-2 hours after the maximum flood and the maximum ebb. Different from what it is like in the river, there are two types of sediment concentration in the sea area outside the estuary, namely the single-peak and the double-peak.

Yong River; Jingtang channel; dry season; water-sediment characteristics; sediment transportation

TV148+.1

A

1009-640X(2017)05-0051-09

10.16198/j.cnki.1009-640X.2017.05.008

王煜祺， 陳珺， 吳崢， 等. 甬江及河口附近海域枯季水沙特性分析[J]. 水利水運工程學(xué)報, 2017(5): 51-59. (WANG Yuqi, CHEN Jun, WU Zheng, et al. Analysis of water-sediment characteristics of the Yong River mouth and adjacent sea waters during dry season[J]. Hydro-Science and Engineering, 2017(5): 51-59. (in Chinese))

2016-10-22

國家自然科學(xué)基金資助項目(50909037)； 江蘇省高校優(yōu)勢學(xué)科建設(shè)工程資助項目

王煜祺(1993—)， 男， 浙江杭州人， 碩士研究生， 主要從事水力學(xué)及河流動力學(xué)方面研究。

E-mail: cn_wyq@126. com 通信作者： 陳 珺(E-mail: chenjunhhu@hhu.edu.cn)