杭州灣水沙運動特性分析

劉光生

(浙江省水利河口研究院,浙江 杭州 310020)

1 問題的提出

杭州灣是著名強潮海灣,具潮差大、水流急、含沙量高、粒徑細、水深較淺、沖淤幅度大等特點,而且浙江省又是我國臺風影響最大的省份之一,每年在浙江境內登陸的臺風有3～5個,臺風過境極易形成大沖驟淤現象,杭州灣兩岸經濟發(fā)達,港口碼頭、航道、跨海大橋、海底管道等重大工程較多,杭州灣的水流及泥沙運動特性直接關聯重大涉水工程的安全性能及維護成本,深入分析研究杭州灣水流泥沙運動特性對這些重大工程有著至關重要的作用。

潮波運動引起水體的水平流動稱為潮流。潮流和潮汐如同孿生兄弟,在一般情況下,潮流變化和潮汐相對應,潮汐為半日潮,潮流也為半日潮,并有類似的各種現象。為研究杭州灣水流運動特性,必先研究杭州灣潮汐運動形式。本文將從潮汐水文、潮流以及泥沙輸移3個方面入手研究。

2 潮汐水文

太平洋潮波,經琉球群島后分2支進入東中國海,一支向西北經東海,進入黃海;另一支沿西北偏西方向進入浙江沿海,潮波傳播過程部分通過金塘水道、秀山水道先后傳入杭州灣。在灣口同一經度上,南、北兩岸潮峰到達時間比中部早,南部比北部早。由于灣內北岸水深比南岸大,潮峰傳播速度也較快,故至金山斷面時,南、北潮峰幾乎同時到達,過乍浦后,北部潮峰超前。進入澉浦附近潮波受岸線壓縮反射影響,逐漸變形接近駐波,潮波通過澉浦斷面上溯過程中由于存在水下沙坎[1],河床向上游急劇抬高,水深變淺,潮波開始劇烈變形,在尖山附近形成舉世聞名的錢江涌潮,涌潮在海寧鹽官至八堡一帶達到最大,再上溯又逐漸減小,一般在聞堰一帶消失。潮波可上溯到富春江電站下游(潮區(qū)界)。

澉浦以下水域,主要全日分潮振幅與主要半日潮分潮振幅比值 (H01+Hk1)/Hm2的分布見圖1。由圖1可知,海王山至大洋山一線西北部水域RH＜0.50m,屬正規(guī)半日潮,東南水域RH在0.50～0.70 m,屬不正規(guī)的半日潮。另外,由于杭州灣水深相對較淺,淺水分潮振幅增大,Hm4、Hm2均大于0.04 m。

圖1 主要全日分潮振幅與主要半日潮分潮振幅的比值(RH)分布圖

河口下段南北岸各站高、低潮位及潮差見表1。由表1可知,南、北岸平均高潮位由灣口向灣頂沿程增高,平均低潮位則降低,因而潮差向灣頂增大。實測平均潮差平面分布見圖2。圖2中潮差平面分布基本上符合由潮波能量守恒,不計摩阻損失推導得到的格林定律,其關系式如下:

式中:A0、B0、H0分別為初始潮波的波高(即潮差)、中潮位河寬、水深,m;Ax、Bx、Hx為初始斷面以上某斷面的相應值,m2。

表1 河口下段南、北岸高、低潮位及潮差變化表

河口下段潮汐除縱向有上述顯著變化外,還可看出,南北岸橫向也存在一定的差異。這種差異表現在北岸的高潮位比南岸高,低潮位則相反,因而潮差北岸比南岸大。這種差異由向灣頂逐漸減小。乍浦以上河道水下存在龐大的沙坎,河底高程向上迅速抬高,水深急劇變淺,低潮位也相應增高,潮差自下而上逐漸變小。

圖2 各站實測平均潮差等值線圖 單位:cm

外海潮波進入河口區(qū)由于受摩阻、岸邊阻擋反射和徑流的頂托等因素影響導致漲潮歷時縮短,落潮歷時加長,而出現潮波變形。錢塘江河口各站漲、落潮歷時沿程變化見表2。

漲、落潮歷時的長短是反映潮波變形的重要指標之一,可用兩者的比值表示。由表2可知,河口下段內漲潮歷時比落潮歷時短1.50 h,二者之比值平均為0.77～0.79,沿程變化很小。澉浦至鹽官的漲、落潮歷時自0.79 h減小到0.23 h,以上沿程各站二者比值在0.20～0.15變化。澉浦至鹽官段 (尖山河段)漲、落潮歷時的比值 (即潮波變形)之所以出現明顯的變化,其原因主要是該段內沙坎急速抬升,水深減小。

表2 錢塘江河口沿程各站漲、落潮歷時變化表

3 潮 流

潮流運動形式一般可分為旋轉流和往復流2種。在廣闊海區(qū)的潮流有流速的變化,流向也沿一定方向不斷旋轉,因此潮波每1min的水質點軌跡都為橢圓。橢圓要素中的橢圓率K,即橢圓短軸與長軸之比來表征橢圓的扁圓程度,K值越小,表明潮流越呈往復形式;反之,則越呈旋轉形式。由于地球自轉效應,在北半球一般呈順時針方向旋轉,在南半球則成逆時針旋轉。在海峽、狹窄的海灣河口,因地形的限制,橢圓很窄,因而水體在一個方向往復流動。對往復流來說,當漲潮流和落潮流交替時水體在短軸內幾乎停止流動,成為憩流。

半日潮流占主導地位的地區(qū),潮流運動形式可用M2分潮流橢圓旋轉率K來表述。杭州灣M2分潮流橢圓旋轉率分布見圖3。

圖3 M2分潮流橢圓旋轉率分布圖

由圖3可知,杭州灣橢圓率｜K｜＜0.1,最小為0,表明潮流運動形式仍以往復流為主。該區(qū)域地形東深西淺和東寬西窄,橢圓率絕對值大致從灣口向灣內逐漸減小。杭州灣地處北半球,橢圓率為負值,即主要呈右旋,但在王盤山附近水域橢圓率為正值,可能是2種有一定相位差的波動在此匯合,恰好使流動向左轉動。

杭州灣口附近漲落急流矢圖見圖4。分析全潮漲落潮流速流向過程,可以歸納杭州灣水流呈現如下特征:

(1)由于杭州灣口處島嶼迭障,潮波主要由島嶼之間的4條水道進入灣內:鎮(zhèn)海—舟山、舟山—岱山、岱山—大衢山、大衢山—北岸,北面2股流匯入金山,南面2股流匯入王盤山附近。

(2)杭州灣口處南岸對比北岸先漲先落,在外海邊界水位起漲約2.00 h內,金山水域以下由鎮(zhèn)?！凵?、舟山—岱山2股水道匯入的漲潮流主要指向西北方向,北岸由岱山—大衢山、大衢山—北岸2股水道匯入的漲潮流也指向西北方向,至蘆潮港一帶時受北岸岸線約束轉而與北岸線一致,其流向基本與等水位線垂直,而澉浦以上仍為落潮流,長江口的南、北槽仍以落潮流為主。到漲急時(3.00 h后),北岸等水位線向西扭轉,北岸水流仍垂直于等水位線,但金山以下南岸的流向并未象等水位線一樣作相應的扭轉,故流向與水位線不一定垂直。4.50 h后,下邊界為高平潮,金山—澉浦為漲急,流向與等水位線垂直,到外海為落急時(10.00 h后),金山以下的等水位線向東扭轉一定角度,流向不完全與等水位線垂直。

圖4 杭州灣漲潮流矢圖

現代杭州灣水域水文測驗資料增多,根據2010年9月實測水文資料[2],研究區(qū)域潮波接近駐波,漲、落潮最大流速大都出現在中潮位附近,最小流速出現在高、低潮位。潮流性質為非正規(guī)淺海半日潮流。該區(qū)潮流作用強勁。最大漲潮流速2.60m/s,最大落潮流速2.50 m/s,大潮平均漲潮流速0.98～1.25 m/s;平均落潮流速 0.87～1.12 m/s。該區(qū)漲潮流歷時通常小于落潮流歷時,漲潮流速大于落潮流速,呈漲潮流優(yōu)勢,這種潮流特性對長江入海擴散泥沙運動影響深遠。從流向看,潮流往復作用強,以灣口HZW01—HZW03站最為明顯,南匯咀前沿站位總體上落潮潮流均向南偏轉,這主要與長江沖淡水向東南方向擴散并壓迫杭州灣向東方向的落潮水流有關(見圖5)。

圖5 2010年實測站位與潮流圖(2010年9月大潮)

20世紀90年代利用杭州灣內1981年、1983年海岸帶調查水文資料和浙江省河口海岸研究所測驗隊多次水文測驗資料,共計30多個點位。分析每個水文測點的漲、落潮垂線平均最大流速(或單寬潮量)比值的等值線見圖6。

由圖6可知,中心軸線(王盤山)以北水域的比值多數大于1.0表明該水域漲潮流速及單寬潮量大于落潮,受漲潮流控制,潮量為凈進;而王盤山以南水域則相反,受落潮流控制,潮量為“凈出”。灣內漲、落潮動力軸線存在明顯的分歧。最近在澉浦至乍浦間水域南岸多次測得漲潮流速大于落潮流速,可能與錢塘江河口段大片圍涂,尤其1997年后尖山河段北岸治江圍涂,澉浦斷面上、下游北岸床面出現明顯淤積,而南岸出現沖刷,河勢發(fā)生一定變化有關。

圖6 杭州灣漲、落潮垂線平均最大流速比值等值線圖

4 泥沙輸移

懸沙粒徑常以中值粒徑(d50)來表征。杭州灣懸沙中值粒徑為0.006 0～0.016 0 mm,從下游向上游逐漸變粗。金山斷面為0.006 8～0.009 3 mm,乍浦斷面為0.007 2～0.011 0 mm,澉浦斷面為0.011 0～0.016 0mm。懸沙中值粒徑從表層向底層增粗,表層為0.006 9～0.011 0 mm,中層為0.007 0～0.013 0mm,底層為0.007 8～0.0150 mm。懸沙中值粒徑在潮周期中變化不顯著,落憩、漲急、漲憩、漲急時刻分別為0.0071～0.015 7,0.006 8～ 0.015 7,0.007 1～ 0.012 8,0.007 1～0.015 6 mm。可能是杭州灣懸沙粒徑很細,隨流速變化反應較遲緩之故。

圖8 杭州灣大潮平均含沙量分布圖單位:kg/m3

根據澉浦、乍浦、金山和灣口等水文測驗資料分析大潮平均含沙分布等值線 (見圖8)。由圖8可知,含沙量縱向分布由東向西逐漸增大,蘆潮港、金山、乍浦和澉浦斷面平均含沙量分別為1.99,2.19,2.31,3.21 kg/m3。這種變化趨勢與潮差和漲潮流速基本一致,說明潮流是輸沙的主要動力。含沙量的橫向分布灣口斷面北高(3.00 kg/m3)南低(1.45 kg/m3),灣中金山乍浦斷面北低(0.85 kg/m3),南高(3.70 kg/m3),灣頂澉浦斷面最高達到3.00～4.00 kg/m3。上述分布平面上存在3個較高含沙量區(qū)和2個較低含沙區(qū),3個含沙量較高區(qū)域分別為南岸庵東邊灘前沿,平均含沙量為3.00～5.50 kg/m3,灣頂的平均含沙量3.00～4.00 kg/m3以及灣口北岸南匯咀前沿,平均含沙量2.50～3.00 kg/m3。2個低含沙量區(qū)域,分別為北岸金山咀—鄭家埭一帶(平均含沙量為0.50～1.00 kg/m3)和灣口南岸 (平均含沙量為1.00～1.50 kg/m3)。

河口下段含沙量隨時間變化主要反映在隨季節(jié)和大小潮的變化。灘滸、金山咀、澉浦和海王盤山等站有1 a以上表層含沙量觀測資料,年內月平均含沙量見表3。由表3可知,含沙量季節(jié)性變化十分明顯。冬季(12月至次年2月)含沙量較高,夏季(7—9月)含沙量較低,前者大約是后者的2～3倍,春、秋季節(jié)介于這二者之間,水文年內似有周期性變化。分析原因主要是由于冬季長江入海徑流量減小后,潮流作用相應增強,在西北風浪作用下,長江口外底部泥沙隨之掀起,同時臺灣暖流退縮,黃、渤海沿岸流增強,長江口泥沙以及部分蘇北沿岸流泥沙往南輸移時帶入杭州灣,造成冬季含沙量較高;夏季長江徑流強盛,入海的沖淡水在長江口附近順著汊道方向流向東南,過E122°30′后,受到向北擴展強盛的臺灣暖流的驅動作用,長江入海泥沙向東北或東輸移,泥沙向南擴散進入杭州灣數量很少,造成夏季含沙量較低。

表3 河口下段沿岸各站月平均含沙量表 kg/m3

杭州灣主要是潮流輸沙。但水域開闊,水深相對較淺,遇大風浪時,風浪掀沙能力很強,因持續(xù)時間短,與潮流輸沙相比是一種疊加的因素。杭州灣內含沙濃度及輸沙量與潮流的關系較密切,而潮流潮量與潮差關系也很密切。因此,可根據澉浦、乍浦、金山和蘆潮港 (灣口)斷面實測資料分析的含沙量、潮量與潮差間的關系,再根據這幾個斷面大、中、小潮的潮差推算通過各斷面潮量和輸沙量,經灣口斷面每潮(中潮)進、出沙量是錢塘江流域年輸沙量的3.3倍,泥沙輸移表現為“大進大出”;輸沙量從灣頂向灣口迅速增大,灣口約為灣頂3.5倍,這是因為潮量從灣頂向灣口的增大率遠大于平均含沙量從灣頂向灣口的減小率;大、中、小潮的輸沙量的比例為5.5∶3.0∶1.0。

受外海潮流系及泥沙輸移路徑的影響,通過灣口斷面輸量也存在冬季輸沙為“凈進”,夏季為“凈出”。對河口下段內30個水文測點分析得到:北岸漲、落潮流速大于1.0 m/s,說明受漲潮流控制,輸水為“凈進”;反之南岸漲、落潮流速多數點小于1.0 m/s,說明受落潮流控制,輸水為“凈出”。分析這些測點的漲、落潮單寬輸沙量之比值也表明,北岸輸沙“凈進”,南岸“凈出”,凈輸沙在平面上存在逆時方向的環(huán)流,一般稱為“α”形輸沙路徑。

杭州灣與長江口相毗鄰。長江入海沙量約4.86億t/a。據分析約50%堆積在口門附近而形成水下三角洲;另一半則向外海擴散輸送,其主要途徑是向東偏南方向。長江口輸入杭州灣泥沙有2條途徑,一條經南匯邊灘直接輸入;另一條沉積在長江口外水下三角洲泥沙,受風浪和潮流作用再懸浮,隨漲潮流輸入杭州灣,稱其為間接輸入。分析1981年以來富春江電站至杭州灣以及長江口外海濱共50多個表層沉積物重礦物表明,河口下段底質重礦物的組成以角閃石和綠簾石為主,兩者占80.3%,而長江口外海濱二者占79.8%,2個區(qū)域底質重礦物組成極為接近。其他礦物種類及其含量也很接近,而與錢塘江河口河流段底質重礦物成份組成差別很大。分析底質重礦物組成也說明錢塘江河口泥沙主要來源灣口外長江入海泥沙。近年來,由于長江流域大量修建水庫,種植植被等使長江入海泥沙量呈現明顯下降趨勢,輸沙量從20世紀50年代的4.86億t/a減至70年代的4.27億t/a,90年代減至3.37億t/a,2000年后僅為1.76億t/a,減少幅度達64%,其中,2006年僅0.85億t/a,創(chuàng)歷史新低。從長期來看,長江徑流量基本持平(見圖9)。

圖9 長江大通站徑流量和輸沙量變化圖

5 結 語

杭州灣是著名強潮海灣,具潮差大、流速強、含沙量高、泥沙粒徑細、水深較淺、沖淤幅度大、水流泥沙運動復雜等特點。研究分析發(fā)現:

(1)杭州灣南、北岸平均高潮位由灣口向灣頂沿程增高,而平均低潮位灣口至灣頂沿程降低,因而潮差向灣頂增大。北岸的高潮位比南岸高,低潮位則相反,潮差北岸比南岸大,這種差異由灣口向灣頂逐漸減小。乍浦以上水下存在龐大的沙坎,河底高程向上迅速抬高,水深急劇變淺,低潮位也相應增高,潮差自下而上逐漸變小。

(2)杭州灣潮流性質為非正規(guī)淺海半日潮流,該區(qū)潮流作用強勁,杭州灣口處南岸對比北岸先漲先落,漲潮歷時小于落潮歷時;杭州灣內漲、落潮動力軸線存在明顯的分歧,王盤山以北水域漲潮流速及單寬潮量大于落潮,受漲潮流控制,潮量為凈進,王盤山以南水域則相反,受落潮流控制,潮量為“凈出”。

(3)杭州灣懸沙粒徑很細,中值粒徑0.006 8～0.015 7 mm,懸沙中值粒徑在潮周期中變化不顯著;潮流為杭州灣內的主要輸沙動力,潮差和漲潮流速越大,含沙量越高,表現為灣口含沙量向灣頂逐漸增大;杭州灣水域存在3個較高含沙量區(qū)和2個較低含沙區(qū),3個含沙量較高區(qū)域分別為南岸庵東邊灘前沿,平均含沙量為3.0～5.5 kg/m3,灣頂的平均含沙量3.0～4.0 kg/m3以及灣口北岸南匯咀前沿,平均含沙量2.5～3.0 kg/m3。2個低含沙量區(qū)域,分別為北岸金山咀—鄭家埭一帶(平均含沙量為0.5～1.0 kg/m3)和灣口南岸 (平均含沙量為1.0～1.5 kg/m3)。

近年來,杭州灣兩岸,尤其南岸圍墾工程較多,岸線形式有一定改變,勢必對杭州灣的納潮量及泥沙輸移有相應的影響,加之長江口泥沙來源減少,杭州灣床面沖淤特性也有一定改變。在杭州灣內開展重大涉水工程,應充分認識杭州灣的水流泥沙特性,并經充分認證,科學保護好杭州灣。

[1]韓曾萃,戴澤衡,李光炳.錢塘江河口治理開發(fā)[M].北京:中國水利出版社,2003.

[2]曾劍,潘存鴻.錢塘江河口杭州灣數學模型研究 [R].杭州:浙江省水利河口研究院,2011.