(長(zhǎng)江水利委員會(huì)水文局 長(zhǎng)江口水文水資源勘測(cè)局，上海 200136)

1 研究背景

涌潮是潮波在進(jìn)入海灣或河口的傳播過(guò)程中發(fā)生強(qiáng)烈變形而產(chǎn)生波陡趨于極限而破碎的潮水暴漲現(xiàn)象，存在于世界上的許多河口地區(qū)[1]，如英國(guó)的塞文河、巴西的亞馬遜河、我國(guó)的錢塘江河口以及長(zhǎng)江口北支。涌潮形成必須滿足2個(gè)條件：一是喇叭形河勢(shì)和水下沙坎，它是涌潮形成的必要條件；二是潮流速大于潮波速，它是涌潮形成的充分條件[2]。潮波進(jìn)入河口由于喇叭形河勢(shì)的過(guò)水?dāng)嗝嫦蛏嫌沃饾u減小，沿程向上的潮流流速隨過(guò)水?dāng)嗝鏈p小而增大；水下沙坎使水深變淺，上溯的潮波隨水深變淺而傳速減小，使得潮波在傳播途中發(fā)生強(qiáng)烈變形，水位和流速發(fā)生突躍[3]。大潮的特點(diǎn)是潮位低(水深淺)、漲潮流速快、進(jìn)潮量大、動(dòng)力強(qiáng)，促使潮位驟漲，導(dǎo)致潮波傳速小而潮流速大，涌潮都出現(xiàn)在大潮低潮后的始漲期。北支涌潮的成因是其既具有喇叭形河勢(shì)，也有水下淺灘，兩者同使潮波變形，導(dǎo)致涌潮的形成。近年來(lái)北支河槽束狹，水深淤淺是促使涌潮增強(qiáng)的主要原因[4]。

劉文虎等[5]在錢塘江河口觀測(cè)到波狀涌潮，水位升高最大幅度為1.37 m；謝東風(fēng)等[6]通過(guò)理論分析及實(shí)測(cè)資料對(duì)比認(rèn)為影響錢塘江河口涌潮傳播速度的主要因素包括下游潮差、河道地形及徑流流量。潘存鴻等[7-8]基于二維數(shù)學(xué)模型研究了錢塘江涌潮對(duì)泥沙輸移及鹽水入侵的影響；黃靜等[9]在水槽試驗(yàn)中復(fù)演出與實(shí)測(cè)資料匹配良好的涌潮形態(tài)。上述成果表明目前借助現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)、理論分析、數(shù)值模擬及室內(nèi)試驗(yàn)等多種方法已對(duì)涌潮進(jìn)行了許多工作，并取得了較大進(jìn)展。

本文研究區(qū)域?yàn)殚L(zhǎng)江口北支河段。20世紀(jì)40年代以來(lái)，長(zhǎng)江北支上口分流比逐漸減少，形成以大新港最窄向下游展寬的喇叭形河勢(shì)，同時(shí)在永隆沙一帶發(fā)育了水下沙坎，永隆沙出現(xiàn)了涌潮[4]。以后隨著北支上段圍墾加劇，江面束狹，河槽進(jìn)一步萎縮，北支口徑流分流繼續(xù)減小，涌潮出現(xiàn)在靈甸港與祟頭之間，80年代以后，涌潮的活動(dòng)范圍擴(kuò)大，從三和港直至北支上口；進(jìn)入90年代，由于好角沙和靈甸沙圈圍,大新港成為北支喇叭口的頂點(diǎn)，涌潮基本上出現(xiàn)在青龍港附近，涌潮出現(xiàn)頻次和潮頭高度增大；近幾年，隨著北支中下段縮窄圈圍工程的實(shí)施，涌潮多出現(xiàn)在崇海汽渡上游淺灘、青龍港上游淺灘處，靈甸沙尾部也有明顯的涌潮。本文通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)的方法分析北支涌潮過(guò)程，觀測(cè)手段包括自記潮位儀采集潮位數(shù)據(jù)、人工岸邊觀測(cè)潮頭、拋設(shè)浮標(biāo)觀測(cè)流速以及快艇迎潮頭(潮頭追快艇)等形式，通過(guò)分析總結(jié)得出北支涌潮的現(xiàn)狀特性。

2 研究河段概況

北支是長(zhǎng)江出海的一級(jí)汊道，西起崇明島頭，東至連興港，全長(zhǎng)約83 km，流經(jīng)上海市崇明縣、江蘇省海門市和啟東市，河道平面形態(tài)彎曲，彎頂在大洪河至大新河之間，彎曲系數(shù)在1.19左右，彎頂上下河道均較順直，最窄處已由原先的青龍港附近下移至廟港上游800 m處，寬約1.6 km。在1984—2016年近32 a間，北支岸線外移幅度較大，北支的平面形態(tài)已由過(guò)去的沿程展寬縮窄成為現(xiàn)在的上、中段為不同寬度的均勻直段，中間由寬度均勻的彎段連接，下段則為展寬段。

根據(jù)河道形態(tài)和水動(dòng)力特性，北支可以分為上、中、下3個(gè)河段：崇頭—青龍港為上段，屬涌潮消能段；青龍港—頭興港(啟東港上游1.4 km)為中段，是北支河寬明顯縮窄的涌潮河段，灘槽交替多變；頭興港—連興港為下段，是典型的喇叭型河口。20世紀(jì)50年代以來(lái)，北支左右兩岸實(shí)施了大范圍的岸線整治工程，淺灘區(qū)域逐漸圈圍成陸，灘涂圈圍引起北支河段河勢(shì)及河床變化，河床演變總體以淤積為主，河道過(guò)水?dāng)嗝婷娣e明顯減小。由于河槽容積和過(guò)水?dāng)嗝婷娣e減少，河段內(nèi)潮水位有所抬高[10-11]。

3 資料來(lái)源與方法

為研究長(zhǎng)江口北支河段近期涌潮情況，根據(jù)河段地形特點(diǎn)及涌潮現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查情況，2016年10月在北支河段北支進(jìn)口、牛棚港、新躍沙淺灘上游側(cè)、新躍沙淺灘下游側(cè)、崇海汽渡上游、靈甸沙尾部、新村沙北側(cè)、崇頭、靈甸港、青龍港、青龍港上游淺灘共布置了11處臨時(shí)潮位站(編號(hào)分別為SW1—SW11，其中牛棚港、靈甸港2站未能收集到有效數(shù)據(jù))，臨時(shí)潮位站潮位觀測(cè)采用壓力式自記水位儀，自記水位儀每隔1 s記錄一個(gè)數(shù)據(jù)。在臨近漲潮時(shí)將測(cè)流浮標(biāo)拋設(shè)在新躍沙淺灘(大洪河閘對(duì)岸北支彎道)淺水區(qū)，施測(cè)漲潮時(shí)潮頭推進(jìn)至該淺水區(qū)域時(shí)的流速。為了解潮頭水流挾沙能力，在岸邊青龍港上游、大洪河閘下、崇海汽渡上游和江中間新躍沙淺灘下游側(cè)、崇海汽渡上游對(duì)潮頭水流取樣。北支涌潮監(jiān)測(cè)布置情況見(jiàn)圖1。利用自記潮位計(jì)采集潮位數(shù)據(jù)的同時(shí)，在啟東港、燈桿港、靈甸港、崇海汽渡上游、大洪河閘下游側(cè)、青龍港、青龍港上游(牛棚港對(duì)岸)岸上布置觀測(cè)點(diǎn)進(jìn)行人工觀測(cè)，記錄發(fā)現(xiàn)明顯涌潮現(xiàn)象的時(shí)間。自靈甸沙尾部潮頭出現(xiàn)時(shí)，采用乘快艇迎潮頭(潮頭追快艇)的形式進(jìn)行觀測(cè)，拍攝潮頭初生地及向上游推進(jìn)時(shí)的現(xiàn)場(chǎng)影像資料，掌握涌潮生成、增強(qiáng)、衰弱及消失的大概位置，并初步了解南支、北支漲潮流交匯區(qū)域。

圖1 北支涌潮監(jiān)測(cè)布置Fig.1 Arrangement of monitoring tidal bore in the north branch of Yangtze River estuary

4 結(jié)果分析

4.1 水動(dòng)力條件

近年來(lái)上游徑流進(jìn)入北支的比例減少，潮汐作用相應(yīng)增強(qiáng)，北支逐漸演變?yōu)闈q潮流占優(yōu)勢(shì)的河道。目前洪季漲潮分流比在10%左右，洪季落潮分流比在4%左右；枯季漲潮分流比在7%左右，枯季落潮分流比在3%左右。漲潮分流比明顯大于同期落潮分流比。2002年9月22—30日北支、北港、南港的同步水文測(cè)驗(yàn)資料顯示，當(dāng)時(shí)北支的戤滧港斷面進(jìn)潮量占長(zhǎng)江口總進(jìn)潮量的25%左右。近年，北支下口連興港、北港、南港3個(gè)斷面開展的水文測(cè)驗(yàn)資料顯示，北支的納潮量約占整個(gè)長(zhǎng)江口納潮量的27%，小潮時(shí)比例甚至超過(guò)30%，表明北支的進(jìn)潮量仍很大[10-11]。

4.2 涌潮分析

沿北支向上游，沿程各潮位站漲潮歷時(shí)逐漸縮短，青龍港附近漲潮歷時(shí)最短，在2 h左右；潮差逐漸增大，青龍港站大潮期間平均漲潮潮差4.22 m；隨著河道逐漸縮窄，漲潮潮位過(guò)程線的前坡變陡，后坡變緩。從圖2漲潮開始一段時(shí)間潮位過(guò)程線可以看出，崇頭—新村沙河段，大潮的漲潮期存在水位陡漲現(xiàn)象，崇海汽渡上游SW5站(圖2(d))、青龍港上游淺灘處SW11站(圖2(i))在漲潮初期過(guò)程線呈“直角”形態(tài)，其余各站潮位在上漲一段時(shí)間后加速上漲。

經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)，在靈甸沙包(圖3(a))、崇海汽渡上游(圖3(b))、新躍沙彎道上游(圖3(c))、青龍港上游淺灘(圖3(d))可見(jiàn)明顯潮頭。為掌握不同河段漲潮特點(diǎn)和涌潮潮頭高度，統(tǒng)計(jì)了不同潮位站漲潮過(guò)程中漲速最快時(shí)段的潮位漲幅及相應(yīng)漲率，見(jiàn)表1。30 s內(nèi)潮位漲幅最大的為SW5，為0.74 m，相應(yīng)60 s內(nèi)潮位漲幅為0.86 m；其次為SW11，30 s內(nèi)潮位漲幅為0.63 m，相應(yīng)60 s內(nèi)潮位漲幅也為0.86 m。SW5與SW11兩站潮位起漲時(shí)，潮位過(guò)程線幾乎呈“直角”，在幾十秒內(nèi)潮位有較大漲幅，這與涌潮發(fā)生時(shí)潮位變化過(guò)程相吻合。其余各站在潮位緩慢上漲一段時(shí)間后，會(huì)出現(xiàn)短時(shí)潮位加速上漲的過(guò)程。以潮位過(guò)程線數(shù)據(jù)推求涌潮高度通常采用起潮后30 s水位與潮前水位相減。據(jù)此推算，汽渡上游淺灘處的涌潮高度大約為0.74 m，青龍港上游淺灘處的涌潮高度大約為0.63 m。人工觀測(cè)在靈甸沙尾部有明顯的涌潮，但潮位過(guò)程未能反映出，可能與潮位站布設(shè)的位置有關(guān)。在靈甸沙尾站布設(shè)潮位站的位置最低潮時(shí)水深為1.08 m，可能水深較大，不利于涌潮的產(chǎn)生。與已有關(guān)于北支涌潮潮頭高度的歷史研究成果(1997年8月晝潮在青龍港觀測(cè)到的潮頭高度0.78 m，在永隆沙觀測(cè)到的潮頭高度1.11 m)相比，本次觀測(cè)潮頭高度略有減??；2016 年漲潮潮差最大時(shí)間出現(xiàn)在9月份，可認(rèn)為9月份時(shí)潮頭高度應(yīng)大于本次觀測(cè)值。另外，涌潮主要發(fā)生在淺灘區(qū)域，深水區(qū)域則不明顯，從淺水區(qū)到深水區(qū)，潮頭高度逐漸減小，并趨于消失。

4.3 北支涌潮的種類、形態(tài)和特點(diǎn)分析

已有研究表明，北支涌潮按強(qiáng)度可分為低頭潮、一線潮和回頭潮3種[3]。低頭潮：潮頭低，高度僅10～30 cm，無(wú)破裂；一線潮：潮頭高30 cm 以上，多破碎；回頭潮：是由一線潮傳至北支上口，傳播方向與長(zhǎng)江主泓接近正交，遭反射而回頭。

目前，北支涌潮依然存在著低頭潮、一線潮及回頭潮現(xiàn)象。據(jù)現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)，一線潮主要分布在靈甸沙(圖3(a))至崇海汽渡上游淺灘(圖3(b))；而回頭潮則出現(xiàn)在崇頭至新躍沙彎道，即北支彎道以上河段。從潮位過(guò)程線分析，崇頭至新躍沙淺灘彎道段潮位上漲過(guò)程中，存在潮位略微下探，爾后又繼續(xù)加速上漲的現(xiàn)象(圖2(b))，可能是受回頭潮影響。新村沙北(圖2(f))也存在潮位下探現(xiàn)象，但它與新躍沙上游不同，新村沙北是由于剛開始漲潮時(shí)，漲潮速度快，遇到上游中間靈甸沙包受阻，水位涌高，表現(xiàn)出潮位加速上漲，隨著潮水沿靈甸沙包兩側(cè)上行，水位有一個(gè)回落的過(guò)程，經(jīng)過(guò)調(diào)整后，繼續(xù)上漲。當(dāng)涌潮潮波由北支進(jìn)入長(zhǎng)江南支，與南支主流的漲潮潮波相遇，反射回的潮波進(jìn)入北支所致。回頭潮波到達(dá)崇頭站(圖2(g))的時(shí)間大概在漲潮后1 min 21 s，崇頭站在緩慢漲潮一段時(shí)間后出現(xiàn)加速上漲，30 s內(nèi)上漲30 cm，以后又逐漸趨緩。到達(dá)青龍港站的時(shí)間大概在漲潮后1 min 56 s，到達(dá)新躍沙彎道上游站的時(shí)間大概在漲潮后2 min 13 s，回頭潮最遠(yuǎn)能影響到新躍沙淺灘彎道附近。從新躍沙彎道上游站(圖2(b))的潮位過(guò)程線可知，該處受2次回頭潮影響，漲潮后約0.5 h，受大洪河閘一側(cè)彎道反射潮波影響，存在第一次回頭潮現(xiàn)象。

圖2 不同潮位站水位過(guò)程線Fig.2 Water level hydrograph at different stations

圖3 涌潮情景Fig.3 Tidal bore at different locations

站名時(shí)刻30 s潮位變幅/m30 s 漲率/(cm·s-1)60 s潮位變幅/m60 s漲率/(cm·s-1)漲潮潮差/m最小水深/mSW82016-10-17T11:340.351.200.410.704.015.51SW12016-10-16T10:440.291.001.101.803.660.12SW112016-10-17T11:040.632.100.861.404.340.18SW102016-10-17T10:550.060.200.280.504.300.55SW32016-10-17T10:480.311.000.591.004.310.30SW42016-10-17T10:380.210.700.430.704.660.58SW52016-10-17T10:160.742.500.861.404.851.00SW62016-10-17T09:570.170.600.530.904.961.08SW72016-10-17T09:490.371.200.731.204.980.80

4.4 涌潮含沙量分析

歷年資料分析，北支上口門含沙量較小，沿程逐漸增大，至紅陽(yáng)港—三條港之間達(dá)到最大，然后逐漸減小，口外最小。垂線平均含沙量最大值均出現(xiàn)在洪季大潮期，洪季漲、落潮分別為4.87 kg/m3和9.19 kg/m3，均出現(xiàn)在三條港[10]。北支中上段含沙量超過(guò)下段最大含沙量而出現(xiàn)峰值，主要是涌潮掀沙的作用。

為了解潮頭水流挾沙能力，在青龍港上游、大洪河閘下、崇海汽渡上游的岸邊和用快艇在江中間的新躍沙淺灘下游側(cè)、崇海汽渡上游對(duì)潮頭水流取樣，崇海汽渡上游岸邊漲潮后1 h取樣，共取得5瓶水樣。經(jīng)分析，青龍港上游靠岸邊潮頭含沙量9.81 kg/m3、大洪河閘下漲潮開始時(shí)靠岸邊含沙量8.17 kg/m3、崇海汽渡上游靠岸邊漲潮后1 h含沙量4.86 kg/m3、新躍沙淺灘下游側(cè)江中間漲潮開始時(shí)的含沙量7.92 kg/m3、崇海汽渡上游江中間潮頭含沙量10.5 kg/m3。漲潮初期，潮頭含沙量較大，淺灘區(qū)域含沙量要高于深水區(qū)，青龍港上游潮頭含沙量達(dá)9.81 kg/m3，崇海汽渡上游岸邊漲潮后1 h含沙量則已顯著降低。

4.5 涌潮流速分析

北支河段洪季漲潮流速?gòu)南掠蜗蛏嫌沃饾u增加，至紅陽(yáng)港達(dá)到最大，到青龍港略有減小，抵北支上口又有增加。北支垂線平均流速最大值、漲落潮洪季分別為2.63 m/s(北支口)和2.41 m/s(青龍港)[10]。

為了解潮頭出現(xiàn)時(shí)流速大小，在臨近漲潮時(shí)將測(cè)流浮標(biāo)(B6 EQ-BID型)拋設(shè)在新躍沙淺灘(大洪河閘對(duì)岸北支彎道)淺水區(qū)，實(shí)測(cè)漲潮時(shí)潮頭推進(jìn)至該淺水區(qū)域時(shí)的流速。利用浮標(biāo)采集的位置及時(shí)間數(shù)據(jù)，計(jì)算出其漂流速度即為水體表層流速。經(jīng)計(jì)算，漲潮初期，新躍沙淺灘彎道處水流流速約為2.6 m/s，達(dá)到北支河段歷史觀測(cè)到的最大流速。

5 結(jié) 論

(1)涌潮的形成與特定的地形條件密不可分，涌潮主要發(fā)生在淺灘區(qū)域，深水區(qū)域則不明顯，從淺水區(qū)到深水區(qū)，潮頭高度逐漸減小，并趨于消失。青龍港上游淺灘及崇海汽渡上游在漲潮初期可明顯觀測(cè)到涌潮現(xiàn)象。

(2)北支涌潮仍然存在著一線潮現(xiàn)象，主要分布在靈甸沙至崇海汽渡上游淺灘。

(3)崇海汽渡上游淺灘處的涌潮高度約為0.74 m，青龍港上游淺灘處的涌潮高度約為0.63 m。2016年漲潮潮差最大時(shí)間出現(xiàn)在9 月份，可認(rèn)為9月份潮頭高度應(yīng)大于本次觀測(cè)值。