林道寬,崔力維,雷學(xué)鐵,楊 娜

(自然資源部北海海洋中心,廣西 北海 536000)

引 言

潮流是海洋內(nèi)部能量和物質(zhì)傳輸?shù)闹匾獎(jiǎng)恿υ?對(duì)港址選擇、水工建筑物和航道的布置、拋泥地選擇以及泥沙的淤積和沖刷等問(wèn)題有影響[1-4],因此成為研究者關(guān)注的焦點(diǎn)。目前,針對(duì)潮流的研究有很多[4-7],涉及廣西及欽州海域的潮流特征研究也有不少,例如施華斌等[8]采用二維淺水模型模擬分析了北部灣海域潮流系統(tǒng),通過(guò)引進(jìn)沿海河流,分析了近海海域潮致余流場(chǎng)及其對(duì)近海污染物輸移擴(kuò)散的影響。陳波等[9]利用二維數(shù)值模型計(jì)算了廣西重要海灣的潮流特征,指出欽州灣由于受地理環(huán)境的影響,潮流的變化和大小相當(dāng)明顯。李樹(shù)華等[10]利用1986年和1996年報(bào)告的實(shí)測(cè)資料,分析了廣西重點(diǎn)港灣的潮流和余流,指出欽州灣形似一個(gè)葫蘆海灣,岸線曲折,島嶼星羅棋布,潮流較為復(fù)雜。實(shí)測(cè)資料計(jì)算,該灣流速的區(qū)域性變化較大,其變化趨勢(shì)是外灣比內(nèi)灣大,灣頸處最大。李少朗等[11]基于實(shí)測(cè)潮流觀測(cè)資料,分析了欽州灣外潮流特征,其研究區(qū)域中沒(méi)有灣內(nèi)站點(diǎn)。楊建強(qiáng)等[12]利用數(shù)值模擬的手段,研究了欽州灣海域典型工程造成的溢油模擬。此外,針對(duì)工程建設(shè)帶來(lái)的影響,呂赫等[13]和張敏等[14]分別利用數(shù)值模擬的手段研究了圍填海工程對(duì)欽州灣水動(dòng)力和地形演變的影響。

金鼓江屬于欽州市欽州灣的沿海岬灣,其地理位置見(jiàn)圖1,水深相對(duì)較淺,大部分情況下不足5 m,該水深條件下,潮流容易受海底地形和底質(zhì)的影響,其變化相對(duì)外海而言更為復(fù)雜。目前,金鼓江沿岸建有碼頭等海洋結(jié)構(gòu)物,是欽州海上運(yùn)輸?shù)闹匾M成部分之一,因此研究該海域的潮流特征對(duì)海洋工程安全、泥沙物質(zhì)輸運(yùn)以及溢油擴(kuò)散等具有重要意義。但是,前文分析我們發(fā)現(xiàn),雖然有學(xué)者研究了欽州灣海域,但是其研究?jī)H限于內(nèi)灣(茅尾海)和外灣(欽州灣),沒(méi)有專(zhuān)門(mén)針對(duì)金鼓江潮流特征的分析,因此,本文利用一個(gè)周日潮實(shí)測(cè)資料,開(kāi)展該海域的潮流特征研究,可填補(bǔ)該區(qū)域的研究不足。

圖1 研究區(qū)域及潮流觀測(cè)點(diǎn)

1 研究區(qū)域及數(shù)據(jù)來(lái)源

金鼓江海域水深及本文分析使用的潮流觀測(cè)站位見(jiàn)圖1和表1。觀測(cè)時(shí)間為2020年9月3日—2020年9月4日(農(nóng)歷七月十六至十七)大潮期。觀測(cè)單位在該海區(qū)設(shè)立6個(gè)測(cè)流點(diǎn),使用日本ALEC公司生產(chǎn)的AEM213-D型電磁海流計(jì)進(jìn)行海流觀測(cè),進(jìn)行了連續(xù)25 h的周日海流觀測(cè)。觀測(cè)時(shí)間間隔為1 h,因大部分站點(diǎn)水深較淺,雖然觀測(cè)時(shí)間內(nèi)存在5 m以上的水深,但是本研究?jī)H僅取表層。

表1 觀測(cè)站位信息統(tǒng)計(jì)

2 潮流特征及準(zhǔn)調(diào)和分析

2.1 漲落潮平均流速和最大流速

2020年9月觀測(cè)站位潮流過(guò)程見(jiàn)圖2,統(tǒng)計(jì)得到平均流速和最大流速情況(見(jiàn)表2),從圖2可以看出,各站實(shí)測(cè)最大漲潮流流速為0.55 m/s,最大落潮流流速為0.52 m/s;對(duì)應(yīng)流向?yàn)?50.6°和169.9°;該海域觀測(cè)期間流向并不相同,對(duì)L1—L4而言,其潮流走向主要受地形的影響,走向基本與岸線平行,其中L1、L3和L4為NNE—SSW走向,L2也與岸線平行,潮流為NNW—SSE走向,L5和L6位于灣外,其中L5走向以NNE—SSW為主,L6走向以NNW—SSE為主。

表2 潮流平均流速和最大流速(m/s)

圖2 觀測(cè)期間各站位流速圖

圖3 觀測(cè)期間各站位余流圖

結(jié)合前人研究[11-15],對(duì)漲潮流而言,外海潮流從北部灣海域以NNW向進(jìn)入欽州灣,大部分進(jìn)入茅尾海,小部分以NNE向進(jìn)入金鼓江,從流速分布上看,L5流速低于L6,也驗(yàn)證了僅有部分進(jìn)入金鼓江。對(duì)落潮流而言,潮水沿著SSE向出龍門(mén)水道回到北部灣,而金鼓江潮水則沿著SSW向流出,和SSE向海水匯合后,流入北部灣。因水流合并,因此在落潮流中,可以看出L5和L6流向的不同。

表2為各測(cè)站漲落潮平均流速和最大流速統(tǒng)計(jì)結(jié)果,從表中可以看出:各站平均漲、落潮流速不一致,對(duì)漲潮流而言,流向多為NNW—NNE方向,平均流速介于0.14～0.25 m/s之間,最大流速為0.55 m/s,出現(xiàn)在L6站;對(duì)落潮流而言,流速大于漲潮流流速,平均流速介于0.22～0.28 m/s,最大流速為0.52 m/s,也是出現(xiàn)在L6測(cè)站。根據(jù)前人研究,欽州灣落潮流速遠(yuǎn)大于漲潮流速。這種漲落潮流速度的不同在整個(gè)欽州灣都有體現(xiàn),在外灣表現(xiàn)更加明顯;在某些海區(qū),落潮流可達(dá)漲潮流的1.8倍以上[16],本文中落潮流為漲潮流的1.1—1.4倍之間。對(duì)全潮而言,流速介于0.19～0.25 m/s之間。

2.2 平均漲、落潮歷時(shí)

分別取一個(gè)太陰日內(nèi)一次漲潮流歷時(shí)和一次落潮流歷時(shí)之和的平均值近似作為平均漲、落潮流歷時(shí),通過(guò)統(tǒng)計(jì)實(shí)測(cè)資料可以算出:表層的平均漲潮流歷時(shí)大約為14 h 20 min,平均落潮流歷時(shí)約為10 h 40 min?？梢钥闯?該海區(qū)表層的平均漲潮流歷時(shí)大于平均落潮流歷時(shí)。

2.3 潮流性質(zhì)

利用潮流類(lèi)型分類(lèi)判別標(biāo)準(zhǔn)[17],根據(jù)調(diào)和計(jì)算結(jié)果算得潮流性質(zhì)比值。需要指出的是,實(shí)測(cè)平均漲、落潮流流速和最大流速有很大的隨機(jī)性,它會(huì)隨潮相的不同而不同。2020年9月海流觀測(cè)為25 h周日觀測(cè),數(shù)據(jù)長(zhǎng)度較短,故而需引入M2、S2、O1、K1、M4、MS4六個(gè)主要分潮的差比關(guān)系以完成主要分潮的調(diào)和分析[17]?？紤]到基于周日觀測(cè)的準(zhǔn)調(diào)和分析因?yàn)橛^測(cè)資料長(zhǎng)度的局限性,故而準(zhǔn)調(diào)和分析只能反映潮流大致的特征和運(yùn)動(dòng)形式。由表3可以看出,觀測(cè)站K值均大于2,且L1—L4均大于4,所以觀測(cè)期間L1—L4站潮流性質(zhì)為正規(guī)全日潮流,L5和L6站位潮流性質(zhì)為不正規(guī)全日潮流,其結(jié)論和之前研究一致。

表3 2020年9月觀測(cè)各站位潮流性質(zhì)

2.4 潮流的運(yùn)動(dòng)形式

反映潮流運(yùn)動(dòng)形式的參量為旋轉(zhuǎn)率(亦稱橢圓率)K′,其值為該分潮流橢圓短軸與橢圓長(zhǎng)的比值,其符號(hào)有“+”“-”之分,正號(hào)表示分潮流為逆時(shí)針旋轉(zhuǎn),負(fù)號(hào)則為順時(shí)針旋轉(zhuǎn),K值代表潮流運(yùn)動(dòng)的形式,若K值小于0.5,則潮流運(yùn)動(dòng)形式為往復(fù)流,若K值大于0.5,則潮流運(yùn)動(dòng)形式為旋轉(zhuǎn)流。

潮流橢圓分析結(jié)果表明觀測(cè)站位潮流以全日潮流為主,O1、P1分潮流的貢獻(xiàn)最大,從潮流的運(yùn)動(dòng)形式來(lái)看,經(jīng)計(jì)算L1站O1、P1分潮流的橢圓率K′值為-0.01,其潮流運(yùn)動(dòng)形式以往復(fù)流為主,且方向?yàn)轫槙r(shí)針;L2、L3、L4、L6站O1、P1分潮流的橢圓率同樣以往復(fù)流為主,K′值均在0.1以下,甚至個(gè)別站位出現(xiàn)K′值為0的情況,其旋轉(zhuǎn)方向并不一致,L2為順時(shí)針旋轉(zhuǎn),其余為逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)。只有L5站位其K′值達(dá)到0.3,故而L5站具有一定的旋轉(zhuǎn)流性質(zhì),旋轉(zhuǎn)方向?yàn)轫槙r(shí)針,從圖2也可以看出L5的旋轉(zhuǎn)流性質(zhì)。

2.5 余流分析

根據(jù)周日觀測(cè)數(shù)據(jù)求出觀測(cè)站位的各層次的余流見(jiàn)表4。觀測(cè)各站位余流流速位于2.7～6.5 cm/s區(qū)間范圍內(nèi),從金鼓江頂部向外海呈現(xiàn)出余流增大的趨勢(shì),代表物質(zhì)輸運(yùn)能力從外海向金鼓江頂部逐步減弱。流向方面,L1—L6站余流在168.1°～213.6°方向之間,流向以SE—SW方向?yàn)橹?意味著該海域的物質(zhì)輸運(yùn)以向南輸運(yùn)為主,金鼓江物質(zhì)輸運(yùn)具有重要意義,表示金鼓江物質(zhì)以向外海輸移為主。

表4 觀測(cè)站位余流

3 金鼓江納潮量分析

根據(jù)研究海域的潮波運(yùn)動(dòng)規(guī)律,在確保計(jì)算區(qū)域邊界效應(yīng)對(duì)研究海域無(wú)影響的前提下,利用MIKE計(jì)算了金鼓江納潮情況,其計(jì)算范圍如圖4所示,開(kāi)邊界取越南云屯縣-北海市大風(fēng)江口。大海域水深分布如圖5所示,為了能清楚了解茅尾海分流量,在近岸水域進(jìn)行了網(wǎng)格加密。經(jīng)統(tǒng)計(jì),計(jì)算區(qū)域東西寬約150 km,南北長(zhǎng)約75 km,總面積約為50 km2,外海的計(jì)算網(wǎng)格步長(zhǎng)在1～2 km之間,網(wǎng)格最小分辨率約為10 m,整個(gè)計(jì)算區(qū)域內(nèi)水平方向上共有節(jié)點(diǎn)數(shù)24 926個(gè),網(wǎng)格數(shù)46 588個(gè)。

圖4 計(jì)算區(qū)域網(wǎng)格設(shè)置

圖5 計(jì)算區(qū)域水深地形分布

外海水深數(shù)據(jù)采用美國(guó)國(guó)家地學(xué)測(cè)量中心(National Geodetic Center,Boulder,Colorado)提供的DBDB5(Digital Bathymetric Database Version 5.2)原始數(shù)據(jù)集,近岸水深選取中國(guó)人民解放軍海軍航海保證部制作電子海圖水深,利用海圖水深過(guò)程中,根據(jù)沿海海洋站潮位與最低理論基準(zhǔn)面關(guān)系對(duì)海圖水深進(jìn)行訂正。其中,欽州港平均海平面在海圖基準(zhǔn)面上250 cm;企沙港平均海平面在海圖基準(zhǔn)面上230 cm;防城港平均海平面在海圖基準(zhǔn)面上240 cm;白龍尾平均海平面在海圖基準(zhǔn)面上256 cm。岸界采用以上海圖的岸界和Google earth最新岸線信息。

水動(dòng)力驗(yàn)證時(shí)間為2020.9.3 11:00～2020.9.4 12:00的實(shí)測(cè)資料,站位見(jiàn)圖1,驗(yàn)證結(jié)果見(jiàn)圖6,由圖可知,水動(dòng)力驗(yàn)證結(jié)果良好,該模型可以較好地模擬金鼓江及附近海域的潮流特征。

圖6 流速流向驗(yàn)證結(jié)果

經(jīng)計(jì)算可知,在秋季漲急時(shí)刻,欽州灣納潮量為44 070.9 m3,金鼓江納潮量為1 956.49 m3,占比4.44%;落急時(shí)刻,欽州灣納潮量為-51 252.2 m3,金鼓江納潮量為-1 368.58 m3,占比2.67%。

4 結(jié)論

利用金鼓江2020年9月3日—2020年9月4日(農(nóng)歷七月十六至十七)大潮期6個(gè)站位25 h潮流連續(xù)觀測(cè)數(shù)據(jù),經(jīng)準(zhǔn)調(diào)和分析及數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)得到如下結(jié)論:

(1)觀測(cè)期間,各站流速流向差異性較小,其中最大漲潮流流速為0.55 m/s,最大落潮流流速為0.52 m/s;對(duì)應(yīng)流向?yàn)?50.6°和169.9°。各站平均漲、落潮流速不一致,對(duì)漲潮流而言,流向多為NNW—NNE方向;對(duì)落潮流而言,流速大于漲潮流流速,平均流速介于0.22～0.28 m/s;觀測(cè)海區(qū)潮流以往復(fù)流為主,且往復(fù)流特點(diǎn)十分顯著,L5站具有一定的旋轉(zhuǎn)性;各站最大輸運(yùn)距離和最大可能流速方向一致,基本為北向;觀測(cè)各站位余流流速以SE—SW方向?yàn)橹鳌?/p>

(2)利用MIKE模型計(jì)算了金鼓江海域的秋季納潮情況,可知金鼓江納潮僅占?xì)J州灣的5%以下,分量較少。