王 勇 ，欒學(xué)科 ，欒 天 ，閆魯雁 ，鄭 琪

（1. 山東省海岸帶調(diào)查監(jiān)測工程技術(shù)協(xié)同創(chuàng)新中心, 山東 青島 266032；2.青島市勘察測繪研究院,山東青島 266032；3.青島市海陸地理信息集成及應(yīng)用重點實驗室,山東青島 266032）

膠州灣位于黃海中部、膠東半島南岸（120°06′～120°22′E，36°15′～36°36′N），擁有豐富的礦砂、漁業(yè)、風(fēng)能、鹽化等自然資源，是青島經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展的重要依托。近年來青島保持著擁灣發(fā)展的態(tài)勢，建設(shè)了膠州灣大橋、海底隧道，實施了沿岸環(huán)境修復(fù)治理、填海造陸等工程項目。涉海項目的推進(jìn)實施需要對海洋環(huán)境有充分的了解，學(xué)者們針對海流狀況、潮流特征等相關(guān)內(nèi)容進(jìn)行了大量的研究，如丘仲鋒等應(yīng)用調(diào)和分析，對臺灣淺灘南部二測站海流資料進(jìn)行分析[1]；杜巖等用小波變換分析東海定點觀測站海流資料[2]；楊景飛等利用調(diào)和常數(shù)和實測海流數(shù)據(jù)對高嶺電廠附近海域海流狀況進(jìn)行調(diào)查分析[3]；鄭一等對海流流速的誤差及矯正方法進(jìn)行了研究[4]；王春陽等分析了廣東紅海灣海流季節(jié)性特征[5]；林毅輝等分析了高集海堤開口后廈門灣的潮流特征[6]；吳頔等研究了臺灣海峽M2分潮潮汐潮流特征[7]；蔡忠亞等利用ADCP觀測數(shù)據(jù)研究膠州灣灣口夏季海流時空分布特征[8]；張永強等探討了典型時刻膠州灣大橋附近海域的海流情況[9]；等等。

海流是海洋水文要素的重要組成部分，影響著海洋地質(zhì)、物理和化學(xué)等環(huán)境的分布、演化及過程機制，對周邊氣候變化也有一定的影響，研究海流動態(tài)變化及其特征、機理對海洋經(jīng)濟(jì)發(fā)展、海洋生態(tài)環(huán)境保護(hù)等方面具有重要意義。目前，針對膠州灣區(qū)域海流特征的研究相對較少，為進(jìn)一步豐富這一海域的研究成果，本文利用膠州灣不同季節(jié)的海流監(jiān)測數(shù)據(jù)，分析其海流特征，研究成果可以為膠州灣海流分析、灣區(qū)規(guī)劃建設(shè)和環(huán)境保護(hù)等提供理論支撐。

1 數(shù)學(xué)模型

調(diào)和分析是海流分析的重要方法之一，以海流的流速流向作為觀測數(shù)據(jù)，運用調(diào)和分析模型，通過最小二乘法計算海流各分潮的調(diào)和常數(shù)、橢圓要素以及余流等信息[10-11]。橢圓要素可以用于判斷潮流性質(zhì)、潮流運動形式等信息。

1.1 調(diào)和分析模型

式中：v和u分別為北、東分量流速；v0和u0分 別為北、東分量余流；vmax,i和umax,i分別為各分潮北、東分量的最大流速；ξi和 ηi分 別為各分潮北、東分量的遲角；ωi為 各分潮角速度；k0i為天文參數(shù)，是與時間有關(guān)的函數(shù)。

1.2 垂線平均流速計算方法

為了更直觀地分析海流性質(zhì)及運動形式等特征，需要得到監(jiān)測斷面代表性的流速值，且數(shù)值唯一，利用測流傳感器獲取不同水深位置的流速和流向，采用“六點法”和“三點法”計算監(jiān)測點位垂線平均流速（對于水深較深的位置采用“六點法”，對于水深較淺的位置采用“三點法”）[12]，其中，“六點法”計算公式為：

“三點法” 計算公式為：

式中：vm和um分 別為北、東分量的垂線平均流速；vs和us分別為表層北、東分量的流速；viH和uiH分別為各水深層北、東分量的流速，H為水深；vb和ub分別為表底層北、東分量的流速。

1.3 潮流可能最大流速、潮流水質(zhì)點可能最大運移位移

潮流可能最大速度和水質(zhì)點可能最大運移位移對水動力機制研究、沖淤變化分析等具有重要參考價值。具體計算公式如下：

式中：Vmax和Lmax分別為潮流可能最大流速和水質(zhì)點可能最大運移位移；WM2、WS2、WK1、WO1、WM4和WMS4分別為M2、S2、K1、O1、M4和MS4分潮流的最大流速[13]。

2 海流特征分析

為了研究分析膠州灣海流特征，在膠州灣代表性區(qū)域（灣口、海灣西側(cè)、海灣中心、海灣東側(cè)、北側(cè)灣頂）共布設(shè)5個監(jiān)測站，站位分布如圖1所示，各站地理位置及水深統(tǒng)計見表1。2019—2020年，大潮期共進(jìn)行7次水文監(jiān)測，各站同步監(jiān)測時間見表2，內(nèi)容包括海流的流速、流向和潮位變化等，海流流速、流向利用挪威NORTEK公司生產(chǎn)的Aquadopp “小闊龍”聲學(xué)多普勒剖面流速儀進(jìn)行監(jiān)測，采用分層觀測法，深水區(qū)L1站、L2站和L3站分6層（表層、0.2H層、0.4H層、0.6H層、0.8H層、底層），淺水區(qū)L4站和L5站分3層（表層、0.6H層、底層）；潮位變化利用加拿大RBR公司生產(chǎn)的TGR-2050潮位儀進(jìn)行監(jiān)測。監(jiān)測涵蓋春、夏、秋、冬四個季節(jié)，且每次監(jiān)測均不少于26 h，采樣間隔為1 h。本文通過對潮位、海流監(jiān)測資料的處理分析，對膠州灣潮汐性質(zhì)，潮流運動形式等方面展開研究。

表2 各監(jiān)測站同步監(jiān)測時間Table 2 Synchronous monitoring time at the stations

圖1 監(jiān) 測站 位分 布Fig. 1 Distribution of hydrological monitoring stations

表1 各監(jiān)測站地理位置及水深Table 1 Geographical location and water depth of each station

2.1 潮流性質(zhì)分析

將實測海流數(shù)據(jù)進(jìn)行磁差修訂，并計算各站點垂線平均流速、流向作為觀測數(shù)據(jù)，通過調(diào)和分析模型，利用最小二乘平差計算橢圓參數(shù)，進(jìn)一步計算潮流類型系數(shù) (WO1+WK1)/WM2，其中WO1、WK1、WM2分別為主太陰日分潮流、太陰太陽赤緯日分潮流、主太陰半日分潮流的最大流速。L1站、L2站、L3站大潮期水深最小值均超過6 m，采用“六點法”計算垂線平均流速，L4站、L5站大潮期水深最小值均約為3 m，垂線平均流速利用“三點法”計算。為了研究分析膠州灣潮流性質(zhì)，將各測站7次監(jiān)測水深數(shù)據(jù)減去平均值后繪制潮位變化曲線圖（圖2），將各測站潮流類型系數(shù)繪制成柱狀圖（圖3）。

圖2 各站潮位變化曲線Fig. 2 Curves of tidal level change at the stations

圖3 各站潮流類型系數(shù)柱狀圖Fig. 3 Histogram of the tidal current type coefficients at the stations

L1站位于灣口區(qū)域，水深值最大，L3站位于灣區(qū)中心區(qū)域，水深值僅次于灣口區(qū)域。由圖2可知，各站的長落潮最大幅度約為5 m，隨季節(jié)變化不大，漲落潮周期約為12 h，不同季節(jié)之間最高潮、最低潮時差小于2 h。由圖3可知潮流類型系數(shù)均小于0.5，最大值約為0.45，超過70%的潮流類型系數(shù)小于0.3，按《海港水文規(guī)范》中潮流性質(zhì)判別標(biāo)準(zhǔn)，潮流類型為規(guī)則半日潮流[13]。

2.2 潮流的運動形式

潮流的運動形式通常以橢圓要素橢圓率K的絕對值來判斷，|K|通常為0～1，值越大，表示旋轉(zhuǎn)流的形式越顯著，值越小，表示往復(fù)流的形式越顯著。橢圓率K為正數(shù)表示潮流逆時針旋轉(zhuǎn)，負(fù)數(shù)表示潮流順時針旋轉(zhuǎn)。由于觀測海域為正規(guī)淺海半日潮流類型，主要以M2分潮流的橢圓率來對潮流運動形式作近似分析。各測站2020年夏季大潮期漲、落潮垂線平均的平均流速和最大流速值見表3，將各測站2020年夏季大潮期流速、流向監(jiān)測數(shù)據(jù)繪制成極坐標(biāo)圖（圖4），將各測站橢圓率繪制成折線圖（圖5）。

表3 各站漲、落潮垂線平均的平均流速和最大流速(cm/s)Table 3 The average flow velocity and the maximum flow velocity during the rising and falling tides averaged in the vertical direction at the stations (cm/s)

圖4 各 站大 潮期 流速、流 向極 坐標(biāo) 分布Fig. 4 Polar coordinate diagram of the tidal current velocity and direction at the stations

由圖4和表3可知，各站漲潮流最大流速大于落潮流最大流速，漲潮流平均流速不小于落潮流平均流速，除L1站以外，其他測站漲落潮流向變化整體上傾向于一條直線，L1站、L3站、L5站漲潮主要流向均接近正北向，L1站落潮流向整體上指向南偏東方向，由灣口指向外海，L3站、L5站落潮主要流向接近正南向，指向灣口處，L2站、L4站落潮流向指向灣口，整體上與漲潮流向相反。大潮期各站漲、落潮平均流速和最大流速最大值均位于灣口區(qū)域L1站，且與其他各站差值較大，其他各站流速相對接近。圖5中各測站不同季節(jié)M2分潮流橢圓率 |K|接近0，只有L4站2019年春季大于0.1，但小于0.15，其他數(shù)值均不超過0.1，因此大潮期各站潮流運動形式以往復(fù)流為主。

圖5 各站M2分 潮流 橢圓 率Fig. 5 Line chart of ellipticity at the stations

2.3 余流分析

余流的流向常是泥沙運動和污染物擴(kuò)散的方向，余流分析是研究海岸帶泥沙來源和環(huán)境保護(hù)的一種有效手段。通過調(diào)和分析，從海流總矢量中分離出各分潮流，剩下的部分即為余流，將5個測站各水深層7次監(jiān)測數(shù)據(jù)計算的余流繪制成極坐標(biāo)圖（圖6）?？梢钥闯觯噍^于其他測站，位于灣口處的L1站余流流速明顯較大，最大值約為35 cm/s，其余各站最大值均不超過15 cm/s。不同季節(jié)余流流速和流向的差異沒有明顯的規(guī)律性，L1站、L3站、L4站、L5站不同季節(jié)余流整體上流向較為固定，L1站朝向東偏北、L3站朝向西偏北、L4站朝向南偏東、L5站朝向東偏北，靠近岸邊的L1站、L4站、L5站余流流向偏向于鄰近海岸，與海岸垂直，其中L1站偏向于灣口處東側(cè)海岸，L4站偏向于灣區(qū)東側(cè)婁山與大港之間的海岸，L5站偏向于灣區(qū)北側(cè)紅島附近的海岸，L2站不同季節(jié)余流沒有明顯固定朝向。

圖6 各站余流流速、流向極坐標(biāo)分布Fig. 6 Polar coordinate diagram of residual current at the stations

2.4 潮流可能最大流速和水質(zhì)點可能最大運移位移計算分析

按式（4）計算各水深層潮流可能最大流速和流向、潮流水質(zhì)點可能最大運移位移，不同季節(jié)可能最大流速和水質(zhì)點可能最大運移距離最大值均出現(xiàn)在L1站。繪制各測站可能最大流速流向（圖7）和可能最大運移距離折線圖（圖8）。

圖7 各測 站可 能最 大流 速流 向Fig. 7 Line chart of the maximum possible flow velocity at the stations

圖8 各測站可能最大運移位移Fig. 8 The maximum possible migration displacement at the stations

不難看出，潮流可能最大流速和水質(zhì)點可能最大運移位移存在明顯的相關(guān)性，同一季節(jié)同一測站各水深層可能最大流速和水質(zhì)點可能最大運移位移對應(yīng)的海流流向基本一致，流速和距離由表層至底層呈現(xiàn)減小趨勢；2020年春、夏、秋季流向基本一致，整體指向偏北，與2019年冬季流向相反。流速和運移距離，L1、L2站秋季最大，L5站冬季最大，夏季次之，整體上與季節(jié)無明顯相關(guān)性。

3 結(jié) 語

利用2018年冬季至2020年秋季膠州灣潮位及多個測站海流監(jiān)測數(shù)據(jù)，研究驗證膠州灣潮流性質(zhì)特征，研究結(jié)果可以為膠州灣生態(tài)保護(hù)修復(fù)、灣區(qū)發(fā)展建設(shè)、水動力研究等方面提供科學(xué)參考。主要研究結(jié)論如下：

1）膠州灣潮流性質(zhì)為規(guī)則半日潮流，潮流運動形式以往復(fù)流為主，漲落潮最大幅度受季節(jié)影響不大，大潮期漲潮流最大流速大于落潮流最大流速，各測站漲落潮平均流速和最大流速最大值均位于灣口區(qū)域L1站，且與其他各站差值較大，其他各站流速相對接近。

2）位于灣口區(qū)域的L1測站余流流速及可能最大流速、水質(zhì)點可能最大運移距離均最大。不同季節(jié)余流流速和流向的差異沒有明顯的規(guī)律性，除灣區(qū)西側(cè)L2測站以外，其余測站不同季節(jié)余流流向整體上有固定方向，與鄰近海岸垂直。

3）在垂直方向上，各測站可能最大流速和水質(zhì)點可能最大運移距離由表層至底層整體上呈減小趨勢，流向基本一致。