廣東海門灣海域水文測(cè)驗(yàn)與分析

沈小明

（交通運(yùn)輸部天津水運(yùn)工程科學(xué)研究所，天津300456）

廣東省海門灣位于潮陽市與惠來縣東部交界處。海門灣口寬12.1 km，縱深6.2 km，弧長(zhǎng)24.4 km，面積65 km2，水深5～14 m，灣內(nèi)沉積物以沙為主。為滿足位于該海域的某海洋工程前期可研要求，在2009年夏季對(duì)海門灣及周邊海域進(jìn)行了海洋水文測(cè)驗(yàn)。根據(jù)工作大綱要求，測(cè)驗(yàn)內(nèi)容包括3個(gè)臨時(shí)潮位站觀測(cè)及10個(gè)固定站水文泥沙全潮觀測(cè)等。測(cè)驗(yàn)操作、樣品處理及基本資料計(jì)算，參照《海洋調(diào)查規(guī)范》、《濱海水文觀測(cè)規(guī)范》、《海港水文規(guī)范》和《水運(yùn)工程測(cè)量規(guī)范》等有關(guān)規(guī)定進(jìn)行［1-4］。

1 水文測(cè)驗(yàn)

1.1 站位布設(shè)

本期測(cè)驗(yàn)共布設(shè)3個(gè)臨時(shí)潮位觀測(cè)站，驗(yàn)潮1號(hào)站（廣澳站）位于工程港區(qū)北部水域馬耳角，控制數(shù)模研究北邊界，2號(hào)站（海門站）位于工程港區(qū)中部水域海門角，控制海門灣主要內(nèi)河入水對(duì)周邊潮位的影響，3號(hào)站（靖海站）位于工程港區(qū)南部水域北炮臺(tái)角，控制數(shù)模研究南邊界，在工程廠址附近建有周年潮位觀測(cè)站，不納入本次水文測(cè)驗(yàn)。在北起海門角南至北炮臺(tái)角海域布設(shè)了10個(gè)水文全潮觀測(cè)站，測(cè)站站位重點(diǎn)安排在工程涉海區(qū)域及物模研究邊界周圍，遠(yuǎn)處站位的布設(shè)，主要考慮現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)實(shí)際情況及數(shù)模研究與環(huán)境影響評(píng)價(jià)的需要（圖1）。

圖1水文泥沙測(cè)驗(yàn)水文測(cè)站、驗(yàn)潮站站位示意圖Fig.1 Sketch of hydrological stations and tidal stations

1.2 測(cè)驗(yàn)時(shí)間選取

水文全潮測(cè)驗(yàn)所選擇的潮型要具有典型代表性。本次水文測(cè)驗(yàn)的具體潮型選擇，主要根據(jù)國(guó)家海洋信息中心編制的2009年《潮汐表》中海門站的潮汐預(yù)報(bào)值，通過對(duì)全年的潮汐預(yù)報(bào)值進(jìn)行日最大潮差累積頻率統(tǒng)計(jì)，得到日最大潮差累積頻率曲線。由曲線上可得出10%、50%、90%累積頻率對(duì)應(yīng)大潮、中潮及小潮的潮差值，以此確定實(shí)際施測(cè)時(shí)間。小潮：8月12日09:00至13日12:00，低潮～低潮；中潮：8月15日11:00至16日14:00，低潮～低潮；大潮：8月18日07:00至19日13:00，高潮～高潮。潮位觀測(cè)時(shí)間為2009年8月8日12:00至8月24日09:00，歷時(shí)15 d，其間包含了水文全潮測(cè)驗(yàn)大、中、小潮時(shí)間段。

1.3 測(cè)驗(yàn)采用主要設(shè)備

潮位觀測(cè)采用壓力式自記潮位儀Level TROLL 700，測(cè)量精度為測(cè)量值的±0.1%。流速、流向測(cè)量使用聲學(xué)多普勒流速流向儀“闊龍”以及SLC9-2型直讀式海流計(jì)?！伴燒垺睖y(cè)量流向誤差為±2°，流速誤差為測(cè)量值的±1%±0.5 cm/s，由于受設(shè)備工作原理限制，在近儀器處存在盲區(qū)，在近水面或近海底處存在“旁瓣”區(qū)；SLC9-2型直讀式海流計(jì)流向誤差為±4°，流速誤差為±1.5%。懸移質(zhì)含沙量、鹽度、水溫采用COMPACT-CTD自容式溫鹽深濁度測(cè)量?jī)x，水溫測(cè)量精度為±0.02℃，鹽度測(cè)量精度為±0.03，濁度測(cè)量精度為測(cè)量值的±2%［5］。

1.4 潮位觀測(cè)

潮位觀測(cè)采用座底式安裝潮位儀。潮位儀每10 min自記一次觀測(cè)數(shù)據(jù)，潮位記錄至0.01 m。在潮位儀附近岸邊垂直固定臨時(shí)水尺，由工作水準(zhǔn)點(diǎn)引測(cè)水尺零點(diǎn)高程，定期進(jìn)行人工水尺觀測(cè)，通過水面?zhèn)鬟f求得潮位儀改正數(shù)。

1.5 水文泥沙全潮測(cè)驗(yàn)

水文泥沙全潮觀測(cè)內(nèi)容包括流速、流向、懸移質(zhì)含沙量、水溫、鹽度測(cè)驗(yàn)、風(fēng)速風(fēng)向觀測(cè)及懸沙粒度分析等。

各個(gè)測(cè)站同步進(jìn)行單船定點(diǎn)周日連續(xù)觀測(cè)，觀測(cè)時(shí)間26 h以上［6］。測(cè)流間隔為1 h，每次測(cè)流歷時(shí)120 s，“闊龍”測(cè)流剖面分層設(shè)置為0.5 m，由于側(cè)舷安裝需要一定的入水深度及設(shè)備盲區(qū)的存在，配備SLC9-2型直讀式海流計(jì)進(jìn)行表、底層流速、流向的觀測(cè)。

采用自容式溫鹽深濁度測(cè)量?jī)xCOMPACT-CTD以深度測(cè)量模式與測(cè)流同步進(jìn)行懸移質(zhì)含沙量、鹽度、水溫測(cè)量，每0.5 m采集一組數(shù)據(jù)，每小時(shí)整點(diǎn)采集垂線剖面數(shù)據(jù)一次。

在工作現(xiàn)場(chǎng)使用CTD直接測(cè)量一系列典型水體濁度值，即在漲急、落急及高、低潮平潮時(shí)段實(shí)測(cè)表、中、底層水體濁度值，同步采取水樣，經(jīng)過濾、烘干、稱重獲得水樣的含沙量數(shù)值。經(jīng)過率定分析處理建立濁度和含沙量之間的函數(shù)關(guān)系式，具體關(guān)系式如下

式中：X為CTD讀數(shù)，ppm；Y為含沙量，kg/m3，相關(guān)性最小值為98.7%。

每測(cè)站在大、中、小潮期間的漲急時(shí)段按表、中、底三層取樣，由于水質(zhì)清澈，最后把表、中、底三層取樣混合作為每個(gè)潮每個(gè)測(cè)站的懸沙樣品，用于懸沙粒徑分析。

2 數(shù)據(jù)處理與分析

2.1 潮位統(tǒng)計(jì)分析

從實(shí)測(cè)大、中、小潮潮位過程線（圖2）來看：測(cè)驗(yàn)海域的潮汐屬非正規(guī)半日潮性質(zhì)，日潮不等現(xiàn)象明顯，潮汐強(qiáng)度較弱。廣澳、海門及靖海三站實(shí)測(cè)大、中、小潮平均潮差分別為1.00 m、0.79 m和0.76 m；平均值為0.85 m；高、低潮潮位發(fā)生時(shí)間相差不大，均在1 h之內(nèi)；漲、落潮平均歷時(shí)分別為6 h 58 min和5 h 28 min，漲潮歷時(shí)大于落潮歷時(shí)，歷時(shí)差1.5 h。3個(gè)測(cè)站實(shí)測(cè)歷時(shí)15 d平均潮差分別為1.00 m、0.87 m和0.69 m，廣澳最大，其次是海門，靖海最小［7-9］。

2.2 流速、流向統(tǒng)計(jì)分析

聲學(xué)多普勒流速流向儀“闊龍”測(cè)流剖面分層設(shè)置為0.5 m，各垂線每測(cè)次數(shù)據(jù)數(shù)量不一，為了便于統(tǒng)計(jì)計(jì)算，按六點(diǎn)法將測(cè)驗(yàn)數(shù)據(jù)錄入計(jì)算機(jī)編制成流速流向觀測(cè)報(bào)表，然后采用矢量合成法計(jì)算各垂線平均流速、流向。具體的計(jì)算方法為：

（1）先將各層實(shí)測(cè)流速、流向分解為北分量VN和東分量VE，即

式中：V為各層實(shí)測(cè)流速，m/s；θ為各層實(shí)測(cè)流向，（°）。

（2）采用加權(quán)平均法計(jì)算垂線平均北分量VNm和東分量VEm，即

式中：V0.0N為表層實(shí)測(cè)流速北分量；V0.0E為表層實(shí)測(cè)流速東分量，m/s；其他層次依次類推。

（3）采用矢量合成法計(jì)算垂線平均流速Vm、流向θm即

圖2各驗(yàn)潮站潮位過程線Fig.2 Tidal level process of each tidal station

由實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)：觀測(cè)海域?qū)崪y(cè)漲、落潮平均流速分別為0.21 m/s和0.13 m/s，漲潮流速均大于落潮流速，其比值為1.6；漲落潮平均流速大、中、小潮分別為0.18 m/s、0.15 m/s和0.18 m/s，大潮流速和小潮流速相當(dāng)，中潮流速最小，大、小潮為中潮1.2倍，小潮水流強(qiáng)度較強(qiáng)，可能是受作業(yè)前剛過的臺(tái)風(fēng)影響。實(shí)測(cè)垂線最大流速漲、落潮分別為0.53 m/s和0.32 m/s；實(shí)測(cè)垂線上測(cè)點(diǎn)最大流速漲、落潮分別為0.73 m/s和0.46 m/s；觀測(cè)海域水流強(qiáng)度以離岸水域?yàn)樽顝?qiáng)，漲、落潮平均流速約為0.21 m/s，海門灣口水域次之，為0.18 m/s，海門灣水域最弱，為0.11 m/s；垂線上流速呈表層到底層逐減的分布趨勢(shì)，底層流速約為表層的62%。

根據(jù)分層數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)：分層流速與各自表層流速之比，自表至底，漲潮平均為 1.00、0.89、0.87、0.84、0.78 和 0.65，落潮平均為 1.00、0.84、0.74、0.70、0.69 和 0.61；漲、落潮底層流速分別為表層流速的65%和61%，實(shí)測(cè)垂線上流速呈從表層到底層逐漸減小的分布趨勢(shì)。垂線上流速梯度，落潮大于漲潮。

根據(jù)潮流及潮位測(cè)驗(yàn)資料，對(duì)規(guī)劃工程區(qū)水域各測(cè)點(diǎn)漲、落潮憩流發(fā)生時(shí)間與海門驗(yàn)潮站的高、低潮位時(shí)間差進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，施測(cè)海區(qū)平均漲、落潮流歷時(shí)分別為7 h 44 min和4 h 54 min，漲潮流歷時(shí)大于落潮流歷時(shí)。

根據(jù)各站漲、落潮潮段合成流向計(jì)算結(jié)果統(tǒng)計(jì)，施測(cè)海區(qū)潮流為明顯的往復(fù)流。落潮實(shí)測(cè)平均流向與漲潮實(shí)測(cè)平均流向反向的差值在V3～V6和V9等5個(gè)測(cè)點(diǎn)不足15°。

采用準(zhǔn)調(diào)和分析的方法對(duì)潮流觀測(cè)資料進(jìn)行分析：測(cè)驗(yàn)海域潮流屬正規(guī)半日潮流性質(zhì)，各站垂線平均的F值在0.10～0.27之間，G值介于0.14～0.32之間，淺水分潮流影響系數(shù)并不顯著。

對(duì)于規(guī)則半日潮流海域，潮流的可能最大流速由下式計(jì)算

對(duì)于規(guī)則全日潮流海域，潮流的可能最大流速由下式計(jì)算

對(duì)于不規(guī)則半日潮流海域和不規(guī)則全日潮流海域，采用以上兩式中的大值。式中的max為潮流的可能最大流速，單位為 cm/s，WM2、WS2、WK1、WO1、WM4、WSM4分別為主太陰半日分潮流、主太陽半日分潮流、太陰太陽赤緯日分潮流、主太陰日分潮流、太陰四分之一日分潮流和太陰太陽四分之一日分潮流的橢圓長(zhǎng)半軸矢量。

依據(jù)公式計(jì)算可能最大流速以南部水域V9測(cè)站為最大，為0.75 m/s，其方向?yàn)槁涑狈较颍挥^測(cè)海域余流速度均較小，一般不足0.15 m/s，平均僅0.08 m/s。

余流是指海流中除天文引潮力作用所引起的潮流以外的海流。在近海海區(qū)，一般情況下余流相對(duì)于潮流的量級(jí)較小，但在某些特定海域，余流影響不能被忽略。觀測(cè)海區(qū)余流流速，以離岸水域?yàn)樽畲螅?、中、小潮平均約為0.12 m/s，其次是海門灣口水域?yàn)?.08 m/s，海門灣水域最小，為0.04 m/s，余流方向一般為漲潮方向。

2.3 含沙量統(tǒng)計(jì)分析

觀測(cè)海區(qū)位于廣東汕頭市海門灣水域，沒有大的河流入海，僅有一條練江小河，沙源有限。在水文測(cè)驗(yàn)時(shí)段內(nèi)，海水較清，所取水樣清澈，水體含沙濃度很低?，F(xiàn)場(chǎng)采用CTD以深度測(cè)量模式與測(cè)流同步進(jìn)行測(cè)量。測(cè)量時(shí)，每小時(shí)整點(diǎn)將儀器勻速下放至海底，采集剖面數(shù)據(jù)一次，測(cè)量結(jié)束后再按“六點(diǎn)法”計(jì)算水深，摘取“六點(diǎn)法”分層數(shù)據(jù)，經(jīng)過率定分析處理獲得水體懸移質(zhì)含沙量。

垂線平均含沙量計(jì)算公式如下

由實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)：漲、落潮平均含沙量分別為0.018 kg/m3和0.014 kg/m3，漲潮略大于落潮；瞬時(shí)實(shí)測(cè)最大含沙量漲、落潮分別為0.067 kg/m3和0.040 kg/m3；水體含沙濃度平面分布相差不大，以海門灣口水域相對(duì)較高，為0.018 kg/m3，其次是離岸水域，為0.016 kg/m3，海門灣水域較低，為0.014 kg/m3，平面分布比較均勻；含沙量垂線分布呈自表層至底層逐層增大的分布。

2.4 鹽度及水溫統(tǒng)計(jì)分析

實(shí)測(cè)海水鹽度漲、落潮基本相同，分別為33.95‰和33.92‰；漲落潮平均海水鹽度，大、中、小潮平均為33.85‰，大、中潮基本相當(dāng)，小潮相對(duì)較?。畸}度的平面分布相差不大，但鹽度的垂直分布，自表層至底層逐層增大，在0.2 H處有突增。

觀測(cè)海域?qū)崪y(cè)海水溫度漲、落潮基本相同，分別為22.81°C和22.86°C；水溫的平面分布相差不大，以海門灣水域相對(duì)較高，海門灣口水域和離岸水域基本相當(dāng)；水溫垂直分布，自表層至底層逐層降低，在0.4 H處有突降；觀測(cè)期間海水溫度相對(duì)穩(wěn)定，水溫的時(shí)空分布及其變化均在5°C左右，且與氣溫直接相關(guān)。

3 結(jié)語

（1）聲學(xué)多普勒剖面流速流向儀盲區(qū)及旁瓣區(qū)的處理，通常有一定的經(jīng)驗(yàn)公式，但是經(jīng)驗(yàn)公式并不是在所有水域條件下都成立，本項(xiàng)目采用傳統(tǒng)的SLC9-2型直讀式海流計(jì)進(jìn)行表層與底層的同步觀測(cè)，彌補(bǔ)了聲學(xué)多普勒剖面流速流向儀原理上的缺陷。

（2）在水文全潮測(cè)驗(yàn)期間，采用采水器同步采取現(xiàn)場(chǎng)水樣，待測(cè)驗(yàn)結(jié)束后，在室內(nèi)經(jīng)過過濾、洗鹽、烘干及稱重得到含沙量，并進(jìn)行率定分析，得到CTD濁度值率定含沙量的曲線公式，總結(jié)出低含沙條件下，采用CTD濁度值率定含沙量的準(zhǔn)確快速率定法。

（3）在進(jìn)行潮位站布設(shè)、水文垂線數(shù)量及站位設(shè)計(jì)時(shí)，充分考慮了數(shù)學(xué)模型和物理模型研究的需要，并兼顧了評(píng)估海洋工程對(duì)附近海域環(huán)境的影響和海域使用論證各方對(duì)現(xiàn)場(chǎng)水文數(shù)據(jù)的需求，對(duì)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行了系統(tǒng)、全面的分析，尤其對(duì)各測(cè)站流速的平面分布及垂向分布進(jìn)行分析，反映了施測(cè)海域海流的三維分布狀況。

［1］GB/T12763-2007，海洋調(diào)查規(guī)范［S］.

［2］GB/T14914-2006，濱海水文觀測(cè)規(guī)范［S］.

［3］JTJ213-98，海港水文規(guī)范［S］.

［4］JTJ203-2001，水運(yùn)工程測(cè)量規(guī)范［S］.

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