李若華 唐子文 謝東風(fēng)

摘要：錢塘江河口是典型的強潮河口，研究其潮余流特征對于深入了解強潮特性及潮汐資源開發(fā)利用具有重要意義。采用錢塘江河口枯季大潮期沿程5個站點連續(xù)5 d高頻次的流速、潮位、水深等觀測數(shù)據(jù)，分析了強潮作用下潮流、水深及余流的時空變化特征，討論了余流與水深、潮差的關(guān)系。結(jié)果表明：在強潮作用下，河口下游段水流向陸凈輸運，余流主要受斯托克斯余流控制;上游段水流向海凈輸運，余流主要受歐拉余流控制。大潮期前期階段，向陸輸運的余流促使河口段出現(xiàn)蓄潮現(xiàn)象，水深持續(xù)增加，后期階段余流與潮差具有極強的相關(guān)性。

關(guān) 鍵 詞：

潮余流; 強潮作用; 潮差; 潮周期; 錢塘江河口

中圖法分類號： P731.2

文獻標(biāo)志碼： A

DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2021.05.002

潮波運動及其伴隨的振蕩流場是海水最顯著的運動形式，而對物質(zhì)輸運起主要作用的則是對振蕩流場施行某種平均后的剩余部分，即余流[1]。研究余流對了解潮流區(qū)水體交換、污染物輸運、咸潮入侵、泥沙運動等具有重要意義[2-4]。陳相銓等[5]采用珠江伶仃洋的海流資料分析得出，余流在夏季指向下游，而在其他季節(jié)則指向上游。吳創(chuàng)收等[6]采用實測資料分析了枯季溫州甌飛淺灘的余流特征。楊忠勇等[7]采用實測資料分析表明，長江口南港側(cè)向上河槽表層余流指向河槽南側(cè)，底層余流指向河槽北側(cè)，該余流特征對含沙量的空間分布有一定影響。

強潮河口受外海潮汐影響強烈，潮差大、潮流急，是一類特殊的河口[8]。錢塘江河口是世界上著名的強潮河口，潮強流急，泥沙搬運頻繁、咸潮入侵強烈，周邊人口眾多，區(qū)域經(jīng)濟發(fā)達[9-10]，因此，研究潮余流特征對深入了解其強潮特性及資源的開發(fā)利用具有重要意義。本文采用錢塘江河口大潮期連續(xù)5 d高頻次的同步潮流、水深等觀測資料，在分析潮流、水深變化特征的基礎(chǔ)上，論述了沿程各站每個潮周期的余流變化特征，并分析了余流與潮差、潮平均水深的相關(guān)關(guān)系。

1 研究區(qū)域概況

錢塘江河口潮強流急，澉浦站實測最大潮差達9 m[11]，潮汐受M2分潮控制，每日兩漲兩落。聞家堰-澉浦為錢塘江河口的河口段（見圖1），長116 km，水動力受徑流和潮汐共同影響，豐水期主要受徑流控制，枯水期主要受潮汐控制，澉浦以下為杭州灣，水動力主要受外海潮汐控制。受江道縮窄和河床抬高的影響，潮汐在杭州灣上溯至澉浦后潮波發(fā)生嚴(yán)重變形，漲潮時間大幅縮短，落潮時間大幅延長（見表1），例如澉浦站和七堡站的平均漲潮時間分別為5.47 h（5 h 28 min）和1.42 h（1 h 25 min）。錢塘江河口徑流由富春江電站控制，多年平均流量為950 m3/s，每年的4～7月為豐水期，徑流量占全年70%，其他月份為枯水期。

2 數(shù)據(jù)及方法

2.1 野外測驗

野外測驗工作于2007年10月25～30日大潮期進行，分別在澉浦、曹娥江口、鹽官、倉前、七堡等5個斷面的主流位置（見圖1） 進行了定點連續(xù)觀測，取得了5 d連續(xù)的潮位、潮流及水深數(shù)據(jù)。

觀測期間，每個站點固定1條工程測船，采用亞米級差分GPS對工程測船進行定位，每3 h進行位置檢測，確保無測點移位發(fā)生。采用自記水位儀配合直立水尺進行潮位觀測，每日進行水位儀走時核對和人工水尺讀數(shù)比測校核。采用測深儀測量水深，采用直讀式流速儀和ADP測量剖面上水體的流速和流向。垂線上采用六點法觀測流速，即表層 （水面以下0.5 m處）、0.2H（H為水深，下同）、0.4H、0.6H、0.8H、底層 （距河底0.5 m），水深小于2 m時采用三點法觀測。潮位、流速、水深每間隔0.5 h觀測一次。

3 結(jié)果和討論

3.1 潮流變化特征

圖2展示了自下游至上游各站潮位、流速過程。從流速與潮位過程曲線的相位關(guān)系可見，澉浦站的流速與潮位的相位差接近90°，在中潮位附近流速最大，高、低潮位附近流速接近于零，呈現(xiàn)出駐波的特點。上游各站落潮流速變形較為嚴(yán)重，若僅關(guān)注最大漲潮流速與高潮位的相位關(guān)系可見，最大漲潮流速的時間逐漸后移，其中曹娥江口的漲急流速時間出現(xiàn)在高潮位前2～3 h，鹽官站出現(xiàn)在高潮位前1～2 h，倉前站與高潮位同步或出現(xiàn)在高潮位前1 h，七堡站基本與高潮位同步并呈現(xiàn)出類似前進波的特點。由此可見，澉浦站的潮波呈駐波特性，曹娥江口、鹽官站的潮波介于前進波和駐波之間，而倉前、七堡站則類似前進波。

比較漲、落潮流速的大小可見，澉浦站的漲、落急流速值接近，漲急流速略大于落急流速。曹娥江口及上游站點的漲急流速則明顯大于落急流速，曹娥江口站的漲急流速均在2 m/s以上，甚至在3 m/s以上，而落急流速均小于2 m/s;鹽官站的漲急流速基本在2 m/s以上，而落急流速基本在1 m/s左右，流速大小相差一倍以上;倉前、七堡站的漲急流速與落急流速相差也接近1倍。由此可見，除澉浦站外，其他各站的漲潮流速均顯著大于落潮流速，鹽官、倉前、七堡站的漲急流速可達落急流速的2倍左右。

比較漲、落潮流速的持續(xù)時間可見，澉浦站漲潮流時間為4～5 h，落潮流時間為7～8 h;曹娥江口站漲潮流時間為3～4 h，落潮流時間為8～9 h;鹽官、倉前、七堡站漲潮流時間為2～4 h，落潮流時間為8～10 h。各站漲潮流時間明顯小于落潮流時間，同時因各站漲急流速顯著大于落急流速（澉浦站除外），導(dǎo)致各站的漲潮流過程曲線呈現(xiàn)尖角的“V”形，落潮流過程曲線接近于“U”形，在落潮期的中間段流速變化較小。

比較漲、落潮流速在各潮周期內(nèi)的均勻度可知，澉浦、曹娥江口站的漲急、落急流速在各潮周期內(nèi)比較均勻，而鹽官、倉前、七堡3個站點的漲急、落急流速差異較大，尤其是漲急流速波動更為明顯，各潮周期的漲急流速可相差1倍以上。

從潮位變化過程可見，澉浦、曹娥江口、鹽官站的高潮位呈現(xiàn)一高一低的交替變化，對應(yīng)潮周期的漲急流速也呈現(xiàn)相應(yīng)的變化趨勢。倉前、七堡站的變化可分為2段，在前5個潮周期內(nèi)，高、低潮位逐漸抬升，漲潮流速逐漸增大，之后高潮位和漲潮流速同步呈現(xiàn)一高一低的交替變化。

3.2 潮平均水深變化特征

以漲潮初為起點，統(tǒng)計測驗期間各潮周期內(nèi)的平均水深及漲潮潮差，其變化過程見圖3。5個站中，澉浦站水深最大，其次排序為七堡、曹娥江口、倉前站，鹽官站水深最小。

澉浦站在前5個潮周期內(nèi)潮平均水深總體逐漸增大，然后呈現(xiàn)潮差大則潮平均水深大、潮差小則潮平均水深小的特點，潮平均水深變化幅度在1 m左右。曹娥江口及上游各站也呈現(xiàn)類似的特征，前5個潮周期內(nèi)潮平均水深基本呈增大趨勢，之后與潮差同步變化，其中倉前、七堡站在前5個潮周期內(nèi)潮平均水深均呈嚴(yán)格的遞增趨勢。根據(jù)后5個潮周期的潮平均水深與潮差的相關(guān)分析表明，除澉浦站的相關(guān)系數(shù)（R2） 為0.78外，其他4站的相關(guān)系數(shù)達0.92～0.99，表明在大潮期的中后期河口段的潮平均水深與潮差具有極強的相關(guān)性。

對照圖2的潮位變化過程和圖3的水深變化過程可見，各站點在大潮期初期高、低潮位均逐漸抬升，導(dǎo)致潮平均水深逐漸增大，從第1個潮周期到第5個潮周期，各站點的潮平均水深分別增加了0.4～0.8 m。由于測驗期間上游徑流量基本保持不變，潮平均水深變化主要由下游潮汐影響，由此表明，在潮汐的影響下，錢塘江河口段在大潮期初期呈現(xiàn)典型的蓄潮現(xiàn)象。

3.3 余流時空變化特征

各站在每個潮周期的余流分量見圖4。由圖4可見，整個大潮期間，沿程各站各潮周期的斯托克斯余流均向陸輸運，其中曹娥江口和鹽官站的斯托克斯余流較大，最大達0.38 m/s，澉浦、倉前站次之，七堡站最小。而歐拉余流的方向則相反，除澉浦站外，其他4個站的歐拉余流以向海輸運為主，其中曹娥江口、鹽官、倉前3個站的歐拉余流較大。從拉格朗日余流的方向看，澉浦、曹娥江口、鹽官3個站均向陸輸運，倉前站向海輸運，七堡站向陸、向海輸運的潮周期個數(shù)各占一半，但向海輸運的數(shù)值較大，故大潮期間總拉格朗日余流仍是向海輸運的。

歐拉余流是指對某一固定點1個潮周期內(nèi)流速時間序列的矢量和求平均，其大小和方向取決于該潮周期漲、落潮流速強度和歷時的對比關(guān)系。澉浦站的漲潮歷時略小于落潮歷時，但漲潮流速略大于落潮流速，即漲潮期流速的矢量和與落潮期流速的矢量和勢均力敵，各潮周期的歐拉余流方向不論是向海還是向陸，其數(shù)值均較小，最大不足0.1 m/s。曹娥江口及上游站點的漲急流速雖明顯大于落急流速，但落潮歷時是漲潮歷時的2倍以上，故在1個潮周期內(nèi)落潮流仍占優(yōu)勢，歐拉余流方向以向海為主，且數(shù)值較大。

歐拉余流僅與潮周期內(nèi)的流速變化過程相關(guān)，而斯托克斯余流與流速、水深、水位的變化均密切相關(guān)，反映的是潮周期內(nèi)水位變化量、流速變化量及水位、流速的相位關(guān)系，同時還與漲、落潮流歷時的對比相關(guān)。前進波的流速和水位的相位基本同步，而駐波的流速和水位的相位相差90°，因斯托克斯余流是由各時間序列的振蕩流速與振蕩水位的乘積之和除以潮平均水深得到，故從理論上講，前進波的斯托克斯余流要大于駐波的斯托克斯余流;而從水深角度分析，深水區(qū)潮平均水深大，因此就垂向平均的斯托克斯余流而言，深水區(qū)要小于淺水區(qū)。對于錢塘江河口，澉浦站潮波呈現(xiàn)駐波特性，且水深較大，故斯托克斯余流較小;曹娥江口、鹽官站潮波介于前進波和駐波之間，且水深較淺，斯托克斯余流較大;倉前、七堡站潮波雖呈類似前進波特性，但漲潮流速與落潮流速的比值較鹽官小，且漲潮歷時進一步縮短，故斯托克斯余流方向雖向陸，但數(shù)值較小。

拉格朗日余流是反映物質(zhì)輸運的重要指標(biāo)，由歐拉余流與斯托克斯余流的矢量和而得。澉浦站的歐拉余流與斯托克斯余流的方向均主要向陸，斯托克斯余流大于歐拉余流，表明澉浦站的拉格朗日余流主要由斯托克斯余流控制;曹娥江口、鹽官站的歐拉余流方向向海，斯托克斯余流方向向陸，但拉格朗日余流方向向陸，表明曹娥江口、鹽官站的拉格朗日余流也主要由斯托克斯余流控制;倉前站的歐拉余流與斯托克斯余流方向相反，拉格朗日余流向海輸運，表明倉前站的拉格朗日余流主要由歐拉余流控制;七堡站的拉格朗日余流在第6，8，10潮周期內(nèi)主要由歐拉余流控制，在其他潮周期數(shù)值較小，主導(dǎo)因素不明顯，總體來說，大潮期間拉格朗日余流是向海輸運的。拉格朗日余流方向即為水體凈輸送的方向，上述分析表明，在枯水大潮期，澉浦、曹娥江口、鹽官3個站的水體凈向陸輸運，潮汐作用大于徑流作用;而倉前、七堡站則相反，水體凈向海輸運，表明雖測驗期間的徑流量較小，但對物質(zhì)的長期輸運來說徑流作用仍大于潮汐作用。

3.4 余流與潮差、水深的關(guān)系

觀察圖4中鹽官、倉前、七堡站的余流可見，一般情況下，潮差大時斯托克斯余流較大，而歐拉余流較小。為量化分析各站余流分量與潮差的相關(guān)性，對各站余流分量與潮差進行相關(guān)分析，相關(guān)系數(shù)（R2） 見表2。若以R2大于0.5作為是否具有較強相關(guān)性的指標(biāo)，可知鹽官、倉前、七堡站的斯托克斯余流、拉格朗日余流與潮差具有較強的相關(guān)性，尤以倉前、七堡站的斯托克斯余流與潮差的相關(guān)性較好，澉浦、曹娥江口站的余流分量與潮差的相關(guān)性較差。

再細致觀測圖4可見，前5個潮周期中，澉浦、曹娥江口、鹽官3個站點的拉格朗日余流主要向陸輸運，倉前站雖向海輸運但數(shù)值較小，七堡在第1～3個潮中向陸輸運，第4～5個潮中雖向海輸運但數(shù)值很小，在此期間各站的潮平均水深和潮差呈逐漸增大趨勢（見圖3）。由此可知，在大潮的前期階段，向陸輸運的拉格朗日余流導(dǎo)致上游下泄的徑流量和下游上溯的潮量在河口段蓄積，促成了河口段的蓄潮。

在后5個潮周期中，倉前、七堡站的拉格朗日余流呈現(xiàn)一大一小的交替變化，其中3個潮周期中拉格朗日余流（主要受歐拉余流主導(dǎo)）較大，此時潮差和潮平均水深均較小，另外2個潮周期中向陸的拉格朗日余流較小，此時潮差和潮平均水深均較大，表明河口段呈現(xiàn)出蓄潮和泄潮交替變化的特征，由此可見余流與潮差、水深之間具有相關(guān)性。對后5個潮周期的余流與潮差進行相關(guān)分析（見表2） 可見，倉前、七堡站的拉格朗日余流與潮差的相關(guān)性可達0.9以上，且5個站點的歐拉余流、拉格朗日余流均與潮差具有較強的相關(guān)性，鹽官、倉前、七堡站的斯托克斯余流與潮差的相關(guān)性極強，相關(guān)關(guān)系可達0.99。經(jīng)分析表明，除澉浦站外，拉格朗日余流與潮周期水深也具有較強的相關(guān)性。由此可見，在大潮期的后期階段，外海潮汐導(dǎo)致澉浦站潮差增大，而潮差增大加強了河口段向陸的拉格朗日余流，抬高了河口段的水位。

4 結(jié) 論

（1） 錢塘江河口自下游澉浦站至上游七堡站，漲潮歷時逐漸縮短，落潮歷時逐漸延長。除澉浦站外，其他各站的漲潮流速均顯著大于落潮流速，漲潮流過程曲線呈現(xiàn)尖角的“V”形，落潮流過程曲線接近于“U”形。

（2） 河口下游段的余流主要受向陸的斯克托斯余流控制，水體以向陸輸運為主;上游段的余流主要受向海的歐拉余流控制，但大潮期的前期階段余流向海的輸運能力較弱。

（3） 大潮期的前期階段，水流向上游凈輸運，導(dǎo)致河口出現(xiàn)蓄潮現(xiàn)象，水位逐漸抬高、潮差逐漸增大;后期階段，潮位、水深、余流隨潮差波動，余流與潮差、潮平均水深具有較強的相關(guān)性。

參考文獻：

[1] 陳宗鏞.潮汐學(xué)（第1版）[M].北京：科學(xué)出版社，1980：249-253.

[2] FENG S Z.A three-dimensional weakly nonlinear model of tide-induced Lagrangian residual current and mass-transport，with an application to the Bohai Sea [J].Elsevier Oceanography Series，1987（45）：471-488.

[3] 蔣杰，何青，朱磊，等.長江口渾濁帶核心區(qū)北槽水動力特征研究[J].海洋學(xué)報.2019，41（1）：11-20.

[4] 唐玉杰，王永紅，吳加學(xué)，等.長江口漲落潮槽水動力特性的同步觀測及其輸運機制研究[J].海洋地質(zhì)前沿，2008，24（5）：26-30.

[5] 陳相銓，朱良生，王青，等.珠江伶仃洋余流垂向分布的季節(jié)變化及其與徑流的關(guān)系研究[J].熱帶海洋學(xué)報，2010，29（5）：24-28.

[6] 吳創(chuàng)收，趙鑫，黃世昌.溫州甌飛淺灘及其附近海域枯季懸沙輸運機制研究[J].泥沙研究，2017，42（6）：66-72.

[7] 楊忠勇，蔣永強，郭興杰.長江口南港水動力及懸沙的時空分布特征[J].人民長江，2017，48（3）：13-18.

[8] 季榮耀，陸永軍.強潮河口水沙動力過程研究進展[J].水利水運工程學(xué)報，2008（9）：65-74.

[9] 李若華，曲璐，高亮，等.錢塘江河口低溶解氧現(xiàn)象及形成機理初探[J].人民長江，2013，44（21）：100-103.

[10] 潘存鴻，韓曾萃.錢塘江河口保護與治理研究[M].北京：中國水利水電出版社，2017.

[11] 李若華，史英標(biāo)，張舒羽.錢塘江河口抗咸流量預(yù)報模式及其檢驗[J].水利水電科技進展，2016，36（5）：75-80.

[12] 高敏，李占海，張國安，等.長江河口北槽近期鹽淡水混合與懸沙輸運研究[J].人民長江，2017，48（14）：12-18.

（編輯：李 慧）