貝京陽，陳 杲，俞曉天

(國(guó)家海洋局寧波海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)中心站，浙江 寧波 315000)

引 言

作為大陸與海洋的結(jié)合部，海灣地帶常年受到海洋與陸地的相互作用，往往會(huì)形成自己獨(dú)特的自然環(huán)境和區(qū)域特點(diǎn)[1-3]。然而近幾十年來，由于人類活動(dòng)的影響，不少海灣的水動(dòng)力條件以及泥沙沖淤發(fā)生了不可逆的變化[4-7]。三門灣是浙江省第二大海灣，屬于典型的半封閉海灣，灣內(nèi)島嶼眾多，文獻(xiàn)梳理發(fā)現(xiàn)，不少學(xué)者已經(jīng)對(duì)三門灣的岸線變化和水動(dòng)力變化進(jìn)行了研究，例如黃潘陽等[8]利用2003和2013年的高分辨率水深地形和岸線資料，采用Delft3D數(shù)值模型研究了10年間水動(dòng)力環(huán)境變化對(duì)圍涂工程的響應(yīng)；宋澤坤等[9]利用夏季大中小潮的同步水文觀測(cè)資料，系統(tǒng)分析了三門灣近海的潮動(dòng)力時(shí)空變化特征；宋文杰等[10]利用多期遙感影像，提取了1985—2015年間7個(gè)時(shí)期的海岸線矢量數(shù)據(jù)，分析了三門灣海岸線的時(shí)空變化特征及其人類干擾的影響程度。南田島位于三門灣口門處，其海域的海底地形變化比較復(fù)雜，各季不同，其潮流特征研究至今少有涉及。因此，本文利用2020年6月(夏季)大潮潮流觀測(cè)資料，開展該海域潮流特征分析研究，為該海域的海洋工程開發(fā)和海洋環(huán)境保護(hù)提供參考。

1 研究區(qū)域與方法

1.1 測(cè)點(diǎn)布置

本次研究主要利用2020年夏季大潮的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)開展，采用的儀器為聲學(xué)多普勒流速儀，采樣頻率為400 Hz，采樣間隔1 h。水文測(cè)驗(yàn)點(diǎn)見圖1，測(cè)量時(shí)間見表1。

表1 觀測(cè)站位位置及觀測(cè)時(shí)間

圖1 定點(diǎn)水文測(cè)驗(yàn)測(cè)站位置示意圖

1.2 研究方法

準(zhǔn)調(diào)和分析方法[11]在短期潮汐潮流觀測(cè)資料處理中應(yīng)用較為廣泛，也是目前最常用的方法。在實(shí)際潮流調(diào)和分析中，為了便于計(jì)算，一般將潮流分解為北分量和東分量，記為u和v，和潮汐類似，潮流也是許多分潮流之和，其模型表示為：

(1)

式中，Ui和ξi為北分量的調(diào)和常數(shù)；Vi和ηi為東分量的調(diào)和常數(shù)；U0和V0分別為兩個(gè)方向的余流；Dui、Dvi和dui、dvi分別為準(zhǔn)調(diào)和分析的振幅訂正和遲角訂正，是時(shí)間的函數(shù)；v0i和σi為各分潮的天文初相角和角速率。由公式(1)可知，每個(gè)分潮潮流都有北分量和東分量?jī)山M調(diào)和常數(shù)，對(duì)不同水層而言，各層均有獨(dú)立的北分量和東分量。因此，在利用程序計(jì)算時(shí)，應(yīng)該加以區(qū)分。

準(zhǔn)調(diào)和分析的方法簡(jiǎn)單來講就是：將實(shí)測(cè)潮流數(shù)據(jù)按照(1)式分解為北分量和東分量，一般采用線性化的方程分析求解，以北分量為例，u可以寫成：

(2)

利用最小二乘原理對(duì)公式(2)進(jìn)行求解，可得到各分潮調(diào)和常數(shù)。將調(diào)和常數(shù)和余流代入(1)式，可以得到北分量和東分量流速，繼而得到潮流的流速和流向。

2 研究結(jié)果

2.1 流速流向的統(tǒng)計(jì)分析

觀測(cè)期間各測(cè)站表中底層海流過程見圖2，垂線平均流速統(tǒng)計(jì)結(jié)果見表2。由圖2和表2可知：

表2 各垂線平均最大漲潮流速及其對(duì)應(yīng)流向

圖2 觀測(cè)期間各站位不同水層流速圖

(1)研究區(qū)域整體上實(shí)測(cè)平均最大漲、落潮流由東向西逐漸增強(qiáng)，這可能和地形有一定關(guān)系，東面水深相對(duì)西面較淺，同時(shí)西面觀測(cè)點(diǎn)位于水道中，因此流速較大。夏季各垂線平均最大漲潮流流速，東側(cè)海域(H5～H7)介于0.69～0.74 m/s，南側(cè)海域(H3—H4)介于0.82～0.91 m/s，西側(cè)海域(H1～H2)為0.89～0.97 m/s；實(shí)測(cè)垂線平均最大落潮流流速，東側(cè)海域介于0.59～0.78 m/s，南側(cè)海域?yàn)?.79～0.88 m/s，西側(cè)海域?yàn)?.90～0.96 m/s。

(2)夏季測(cè)區(qū)垂線平均最大漲潮流介于0.69～0.97 m/s，最大漲潮流發(fā)生在H2垂線，最小漲潮流發(fā)生在H5垂線；垂線平均最大落潮流介于0.59～0.96 m/s，最大落潮流發(fā)生在H2和H3垂線，最小落潮流則發(fā)生在H6垂線。

(3)可以明顯看出，對(duì)于H1和H2點(diǎn)，呈現(xiàn)出往復(fù)流的特征，流向?yàn)镹W—SE方向，其余站位為旋轉(zhuǎn)流特征。

(4)從不同水層而言，表層流速最大，中層次之，底層最小，各站位表中底流向基本一致，差別較小。

2.2 漲、落潮流歷時(shí)比較

根據(jù)圖2可知，南田島周邊海域H1和H2站位的表中底層均呈現(xiàn)處往復(fù)流性質(zhì)，其余站位為旋轉(zhuǎn)流。通過對(duì)不同站位的垂線平均漲落潮時(shí)間統(tǒng)計(jì)分析，結(jié)果顯示：觀測(cè)期間各站位漲、落潮流歷時(shí)互差介于10 min～2 h 40 min，多數(shù)在1 h內(nèi)?？傮w上漲潮流歷時(shí)長(zhǎng)于落潮流歷時(shí)。

2.3 潮流類型

通過潮流調(diào)和分析可以給出測(cè)區(qū)潮流的類型、運(yùn)動(dòng)形式，尋求其理論上的基本規(guī)律。在獲得M2、S2、O1、K1、M4和MS4等主要分潮流調(diào)和常數(shù)和余流的基礎(chǔ)上，又可進(jìn)一步計(jì)算其潮流的橢圓要素和可能最大流速的矢量，從而對(duì)實(shí)測(cè)流況分析所得的主要特征及基本規(guī)律給予理論上的解釋與印證。

通常，測(cè)區(qū)潮流的類型以主要全日分潮流K1、O1的橢圓長(zhǎng)半軸之和與主要半日分潮流M2橢圓長(zhǎng)半軸之比、即(WK1+WO1)/WM2作為判據(jù)進(jìn)行分類。為了考察測(cè)區(qū)淺海分潮流的大小與作用，往往又將四分之一日主要淺海分潮流M4與主要半日分潮流M2的橢圓長(zhǎng)半軸之比作為判據(jù)進(jìn)行分析。各垂線夏季垂線平均潮流類型的判據(jù)(WK1+WO1)/WM2和WM4/WM2的結(jié)果見表4。

表3 垂線平均漲、落潮流歷時(shí)統(tǒng)計(jì)(小時(shí)：分鐘)

表4 各站夏季垂線平均潮流類型計(jì)算結(jié)果

由表4可知：夏季各站(WK1+WO1)/WM2之比都在0.50以內(nèi)，屬正規(guī)半日潮流類型。

2.4 潮流的運(yùn)動(dòng)形式

潮流運(yùn)動(dòng)形式一般可分為旋轉(zhuǎn)流和往復(fù)流兩種。在半日潮流占主導(dǎo)地位的測(cè)區(qū)，潮流運(yùn)動(dòng)可用M2分潮流的橢圓率K值來表述，一般認(rèn)為當(dāng)|K|值大于0.25時(shí)，潮流表現(xiàn)出較強(qiáng)的旋轉(zhuǎn)性，潮流運(yùn)動(dòng)可定義為旋轉(zhuǎn)流，當(dāng)|K|值小于0.25時(shí)，潮流方向主要集中在漲、落流的兩個(gè)方向上,潮流運(yùn)動(dòng)可定義為往復(fù)流。其中，潮流的旋轉(zhuǎn)方向則以K值的正負(fù)來表征，正值為逆時(shí)針的左旋，負(fù)值為順時(shí)針的右旋。表5即為夏季各垂線平均的M2分潮流K值的統(tǒng)計(jì)。

表5 夏季各垂線平均的M2分潮流橢圓率(K值)一覽表

由上表可知：在夏季研究海域內(nèi)，南田島東側(cè)各垂線|K|值介于0.39～0.54，均大于0.25，具有明顯的旋轉(zhuǎn)流特征，南田島南側(cè)、西側(cè)各垂線|K|值多小于0.25，具有往復(fù)流特征，這和圖2各層的潮流矢量圖表現(xiàn)一致。

各站位不同水層的潮流橢圓見圖3。由圖可以看出不同站位不同水層的潮流特征，對(duì)不同水層而言，表層流速最大，底層流速最小，從表至底，長(zhǎng)軸和短軸的比值逐漸增大，往復(fù)流特性逐漸明顯；對(duì)不同站位而言，H1長(zhǎng)短與軸對(duì)比值大于其他各站，橢圓表現(xiàn)更為扁平，底層接近直線，表現(xiàn)出明顯的往復(fù)流特性，H5表層潮流橢圓最為圓滑，體現(xiàn)出旋轉(zhuǎn)流特性。各層潮流橢圓表現(xiàn)出的特征與圖2和表5結(jié)果一致。

圖3 不同站位各水層潮流橢圓

2.5 可能最大流速

在潮流橢圓要素計(jì)算的基礎(chǔ)上可按《港口與航道水文規(guī)范》(JTS 145-2015)中的有關(guān)公式，對(duì)潮流的可能最大流速進(jìn)行計(jì)算；各站夏季垂線平均的計(jì)算結(jié)果見表6。

表6 夏季各垂線平均可能最大潮流計(jì)算結(jié)果統(tǒng)計(jì)

由表可知夏季各測(cè)站垂線平均可能最大流速分別介于1.00～1.37 m/s。

2.6 余流

由潮流調(diào)和分析所得的夏季各站垂線平均的余流，見表7。由表可見，測(cè)區(qū)垂線平均余流不大，夏季垂線平均余流介于0.01～0.21 m/s，余流多在0.10 m/s以內(nèi)。整體上看，夏季余流方向多為偏漲潮流方向。

表7 夏季各站垂線平均余流的統(tǒng)計(jì)

3 結(jié)論

基于南田島周邊海域夏季大潮實(shí)測(cè)資料，本文開展該海域潮流特征分析，對(duì)其垂向平均漲落潮流、漲落潮歷時(shí)、潮汐類型、潮流運(yùn)動(dòng)形式、可能最大潮流和余流展開分析，得出如下結(jié)論：

(1)研究海域垂向最大平均流速自東向西逐漸增強(qiáng)，造成這種現(xiàn)象的原因主要為地形因素，其中東部水深較淺，南部和西部水深較大；西部和南部相比，西部水通道變窄，流速增大。

(2)南田島周邊海域，測(cè)驗(yàn)垂線有往復(fù)流特征，漲、落潮流歷時(shí)互差多數(shù)在1 h內(nèi)?？傮w上漲潮流歷時(shí)長(zhǎng)于落潮流歷時(shí)。

(3)調(diào)和分析顯示，該海域?yàn)檎?guī)半日潮海域，南田島東側(cè)具有明顯的旋轉(zhuǎn)流特征，南田島南側(cè)、西側(cè)具有往復(fù)流特征。

(4)夏季各測(cè)站垂線平均可能最大流速介于1.00～1.37 m/s,測(cè)區(qū)垂線平均余流不大，多在0.10 m/s以內(nèi)，整體上看，夏季余流方向多為偏漲潮流方向。