錢塘江涌潮觀測及其動(dòng)力學(xué)特性研究

劉文虎,朱小華,張鐘哲,張傳正,馬云龍,

龍鈺2,樊孝鵬2,朱澤南2、3,趙瑞祥2,任晨悅2

(1.大連海洋大學(xué)海洋科技與環(huán)境學(xué)院,遼寧大連116023;2.國家海洋局第二海洋研究所 衛(wèi)星海洋環(huán)境動(dòng)力學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,浙江杭州310012;3.浙江大學(xué)海洋學(xué)院,浙江杭州310058)

錢塘江涌潮觀測及其動(dòng)力學(xué)特性研究

劉文虎1、2,朱小華2、1、3,張鐘哲1,張傳正2,馬云龍1、2,

龍鈺2,樊孝鵬2,朱澤南2、3,趙瑞祥2,任晨悅2

(1.大連海洋大學(xué)海洋科技與環(huán)境學(xué)院,遼寧大連116023;2.國家海洋局第二海洋研究所 衛(wèi)星海洋環(huán)境動(dòng)力學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,浙江杭州310012;3.浙江大學(xué)海洋學(xué)院,浙江杭州310058)

為了研究錢塘江涌潮的動(dòng)力特征,于2013年11月5—6日在錢塘江杭州段采用沿海聲層析 (Coastal acoustic tomography,CAT)和溫鹽深儀 (Conductivity temperature depth,CTD)進(jìn)行了涌潮觀測試驗(yàn)。兩個(gè)觀測站位分別設(shè)置在沿江兩岸,站間距為3050 m,試驗(yàn)歷時(shí)26 h,成功觀測到兩次涌潮的全過程。結(jié)果表明:兩次涌潮到來前后,由雙向傳播時(shí)間差計(jì)算得到的斷面平均流速的變化范圍分別為0.39～-1.08、0.31～-0.85 m/s(東向流為正),水位升高的最大幅度分別為1.38、1.14 m;兩次涌潮通過觀測站位的波速分別為-8.69、-8.43 m/s;觀測斷面流量的變化范圍為-7753.00～3504.49 m3/s,整個(gè)試驗(yàn)期間的平均流量為644.14 m3/s;涌潮的弗勞德數(shù)介于1.19～1.29之間,表明觀測涌潮為波狀涌潮;涌潮到達(dá)前后能量的損耗率小于0.6%,符合波狀涌潮的能量守恒關(guān)系。

錢塘江;涌潮;沿海聲層析;動(dòng)力特性

錢塘江是浙江省第一大河,發(fā)源于安徽南部,流經(jīng)皖、浙兩省,最后經(jīng)杭州灣注入東海,全長600多千米,流域面積約為55 558 km2。涌潮是入?？诤涌诙蔚囊环N潮水暴漲現(xiàn)象[1]。當(dāng)海水漲潮時(shí),潮水涌入錢塘江漏斗狀河口,潮水堆積會(huì)形成涌潮。每逢大潮期間,錢塘江都會(huì)形成雄偉壯觀的涌潮。涌潮在傳播過程中,由于河床地形和河道平面形態(tài)變化而呈現(xiàn)不同的形態(tài)潮景,最具代表性的有 “一線潮”、 “交叉潮” 和 “回頭潮等[1]。 涌潮蘊(yùn)藏著巨大的能量,同時(shí)也是一種自然災(zāi)害。它對(duì)河道、岸堤和涉水建筑沖擊嚴(yán)重,不但影響航運(yùn)交通和沿江兩岸的開發(fā),而且對(duì)兩岸人民的生命和財(cái)產(chǎn)也構(gòu)成潛在危脅。因此,研究涌潮對(duì)開發(fā)涌潮和防御潮災(zāi)都具有重要意義。

目前國內(nèi)常用數(shù)值模擬的方法研究涌潮的宏觀性質(zhì)和微觀性質(zhì)。在涌潮宏觀性質(zhì)方面,蘇銘德等[2-3]采用激波捕捉法初步模擬了錢塘江涌潮的形成和發(fā)展過程;李紹武等[4]建立了準(zhǔn)三維涌潮數(shù)學(xué)模型,模擬河口區(qū)涌潮流場;潘存鴻等[5]應(yīng)用基于KFVS格式的二維數(shù)值模型模擬了錢塘江涌潮形成、發(fā)展和衰減的全過程。在涌潮微觀性質(zhì)方面,曾劍等[6]用徑向基函數(shù) (RBF)建立模型預(yù)測了鹽官站涌潮潮頭的高度;楊火其等[7]通過水槽試驗(yàn)建立了涌潮流速與潮前水深、涌潮高度和涌潮傳播速度的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系;潘存鴻等[5]結(jié)合實(shí)測數(shù)據(jù)分析了涌潮高度、流速、形態(tài)和壓力等涌潮特性;謝東風(fēng)等[8]建立了涌潮潮頭坡度的解析式,復(fù)演了涌潮到達(dá)時(shí)刻潮頭急劇增加的過程;林炳堯[1]綜合分析了錢塘江涌潮的特性。在國外,Wolanskia等[9]基于實(shí)測數(shù)據(jù)分析了澳大利亞戴利河波狀涌潮的動(dòng)力特性;Bonneton等[10]首次在法國加倫河上觀測了大振幅涌潮,研究了涌潮的流態(tài)和斷面特征;Chanson[11]結(jié)合觀測和數(shù)值模擬對(duì)涌潮進(jìn)行了詳細(xì)的綜述。

由于涌潮能量巨大,并且錢塘江涌潮段水淺流急,使用常規(guī)儀器觀測流速具有一定困難,故有關(guān)涌潮流速的資料相對(duì)匱乏[1]。目前,沿海聲層析(Coastal acoustic tomography,CAT)為涌潮流速觀測提供了新的方法,這是一種利用雙向聲傳播方法觀測流速的儀器,該儀器已經(jīng)在中國舟山、臺(tái)州三門灣、膠州灣、瓊州海峽和錢塘江等地區(qū)成功完成了測流試驗(yàn)[12-16]。張傳正等[15]首次利用CAT方法對(duì)錢塘江局部流速進(jìn)行了觀測,通過傳播時(shí)間差計(jì)算的流速與多普勒流速剖面儀 (Acoustic doppler profiler,ADP)走航觀測的結(jié)果基本一致,驗(yàn)證了CAT觀測涌潮河段流速的可行性。隨后,Zhu等[16]根據(jù)傳播時(shí)間差與走航ADP觀測流量建立了經(jīng)驗(yàn)關(guān)系,得到了試驗(yàn)期間斷面流量的時(shí)間序列,成功捕捉到了因錢塘江涌潮而引起的流量變化。本研究中,利用CAT和溫鹽深儀 (Conductivity temperature depth,CTD)對(duì)錢塘江杭州段涌潮進(jìn)行了觀測試驗(yàn),對(duì)涌潮動(dòng)力學(xué)特性進(jìn)行了分析。

1 觀測地點(diǎn)與方法

涌潮觀測試驗(yàn)在距離杭州灣大約90 km的錢塘江杭州段進(jìn)行。試驗(yàn)從2013年11月5日11:00開始到次日13:00結(jié)束,歷時(shí)26 h。觀測站位E站和W站的布置如圖1所示,E站位于復(fù)興大橋的橋墩上面,W站位于靠近錢塘江大橋附近的閘口水文站,兩站相距3050 m,站位間的平均水深約為6 m。兩站各設(shè)置一套CAT系統(tǒng),儀器連接GPS和收發(fā)兩用的換能器,換能器置于水中約3 m處。試驗(yàn)使用聲信號(hào)為5 kHz的10階M序列信號(hào),發(fā)聲間隔為15 s,換能器同時(shí)接收對(duì)方發(fā)射的聲信號(hào),數(shù)據(jù)自動(dòng)儲(chǔ)存在內(nèi)部SD卡中。

圖1 試驗(yàn)站位設(shè)置示意圖Fig.1 Schematic view of experimental set-up

通過對(duì)數(shù)據(jù)的相關(guān)處理,可以獲得對(duì)方站位發(fā)射的聲信號(hào)到達(dá)的時(shí)間。假設(shè)沿著聲傳播路徑的平均流速為Vm,聲音在水中傳播的平均速度為Cm,則從W站到E站的傳播時(shí)間τ1和從E站到W站的傳播時(shí)間τ2可以表示為[17]

其中:L為站位之間的距離。將式 (1)和 (2)進(jìn)行簡單推導(dǎo)可得:

其中:ˉτ=(τ1+τ2)/2, Δτ=τ2-τ1。 假設(shè) ˉτ≈τ1≈τ2,對(duì)式 (3)和式 (4)進(jìn)行微分和變換,得到Vm的相對(duì)誤差為

由于GPS時(shí)鐘精確同步,ˉτ?δτ,則Δτ?δ(Δˉτ), 故式 (5)中第二項(xiàng)和第三項(xiàng)可以忽略,式 (5)可簡化為

在本次試驗(yàn)中,兩站位間距L=3 km,GPS誤差為10 m,流速相對(duì)誤差δVm/Vm=0.003 3,即當(dāng)平均流速為Vm=1 m/s時(shí),對(duì)應(yīng)的誤差值為0.003 3 m/s。這樣,在保證高精度傳播時(shí)間的觀測條件下,由距離誤差導(dǎo)致平均流速的觀測誤差極小。

由于兩個(gè)站位離岸距離相對(duì)于整個(gè)江面的寬度(1200 m)都較小且站位靠近岸邊的水深較淺,本研究中假定觀測站位距岸邊的流量忽略不計(jì)。根據(jù)張傳正[18]提出的觀測區(qū)域雙向聲信號(hào)傳播時(shí)間差Δτ與流量Q的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系式對(duì)斷面流量進(jìn)行推算:

為了觀測涌潮期間水位、溫度和鹽度的變化,本研究中在兩個(gè)觀測站位處各放置了一臺(tái)錨系CTD(RBR,XR-420)。CTD距河床高度為0.35 m,采樣間隔為2 s。

如圖2所示,涌潮沿錢塘江自下游向上游傳播,通常把潮波傳播的速度稱為波速。這里將涌潮波速和涌潮高度的計(jì)算近似地視為一維問題。涌潮波速可用下面的理論公式[9]進(jìn)行估算:

其中:h1和h2分別為涌潮到來前后的水深 (m); g為重力加速度 (m/s2)。根據(jù)波速的定義,實(shí)際觀測波速的表達(dá)式如下:

其中:R為涌潮從E站到W站的傳播距離;t1和t2分別為涌潮到達(dá)E站和W站的時(shí)間。

圖2 涌潮示意圖Fig.2 Sketch of the tidal bores

涌潮高度是衡量涌潮大小的重要參數(shù)之一。用Δη=h2-h1表示涌潮前后高度,Δv=v2-v1表示斷面平均流速差,則涌潮前后流速差與涌潮高度的理論關(guān)系為[17]

其中,Δv可通過傳播時(shí)間差計(jì)算得到,涌潮前后的水深可通過CTD觀測得到。假設(shè)涌潮前后能量守恒,則可以通過涌潮前后的流速差來推測當(dāng)時(shí)理論上的涌潮高度。

2 結(jié)果與分析

2.1 聲信號(hào)

圖3為W站和E站接收到信號(hào)信噪比 (Signal to noise ratio,SNR)的時(shí)間序列。試驗(yàn)觀測顯示, SNR在2.056～2.066 s之間有明顯的峰值,SNR的峰值介于100～300之間,SNR最大峰值對(duì)應(yīng)的時(shí)間認(rèn)為是聲信號(hào)到達(dá)的時(shí)間。從圖3可知,聲信號(hào)實(shí)際到達(dá)時(shí)間與預(yù)期到達(dá)時(shí)間基本一致 (3050/ 1480=2.06 s,3050 m為兩站距離,1480 m/s為根據(jù)現(xiàn)場觀測的溫度、鹽度和深度計(jì)算所得到的聲波在水中的傳播速度)。由于試驗(yàn)期間W站在11月5日16:00至17:30之間GPS天線發(fā)生故障,故出現(xiàn)少量數(shù)據(jù)缺失。

圖3 信噪比時(shí)間序列Fig.3 Tim e series of signal-to-noise ratio

2.2 水深、鹽度、溫度、聲傳播時(shí)間、流速和流量的觀測

圖4-A為試驗(yàn)期間在E站和W站用CTD觀測得到的水深時(shí)間序列。第一次涌潮到來時(shí),E站和W站水位升高的最大幅度分別為1.31、1.38 m;第二次涌潮到來時(shí),E站和W站水位升高的最大幅度分別為0.94、1.14 m。根據(jù)涌潮到來前后的水深,由式 (8)計(jì)算得到兩次涌潮到來時(shí)E站和W站的理論波速的平均值分別為8.62、8.54 m/s。另外,根據(jù)站位水深的變化可確定涌潮到達(dá)的時(shí)刻,由式 (9)可得到實(shí)際波速分別為8.69、8.43 m/s。理論波速與實(shí)際波速基本一致。

圖4-B為在E站和W站用CTD觀測得到的鹽度時(shí)間序列。第一次涌潮開始約2 h,E站鹽度由0.4逐漸增大至1.34,W站鹽度由0.4逐漸增大至0.71。表明第一次涌潮期間,有海水從下游入侵到上游。第二次涌潮過后,觀測區(qū)域的鹽度沒有出現(xiàn)明顯的變化。

圖4-C為在E站和W站用CTD觀測得到的水溫時(shí)間序列。在整個(gè)試驗(yàn)觀測期間,水溫變化不大,其變化范圍為19.4～20.2℃。涌潮過后,水溫整體有降低的趨勢。

圖4-D為根據(jù)CAT觀測得到的雙向聲信號(hào)平均傳播時(shí)間的時(shí)間序列。整個(gè)試驗(yàn)期間,雙向聲信號(hào)的平均傳播時(shí)間為2.058～2.062 s。兩次涌潮到來前后,雙向聲信號(hào)平均傳播時(shí)間均發(fā)生較大變化,與之相對(duì)應(yīng)的是聲速減小。如果傳播時(shí)間的增大是由溫度變化引起,則溫度變化必須降低大約0.52℃,而從圖中可以看出,涌潮過后水溫變化不大,而且僅第一次涌潮過后溫度稍微升高,因此,雙向聲信號(hào)的平均傳播時(shí)間增大的主要原因不是溫度的變化,而是涌潮的到來讓換能器的相對(duì)位置發(fā)生了一定變化。

圖4 水深、鹽度、溫度、雙向聲信號(hào)平均傳播時(shí)間和計(jì)算得到的流速和流量時(shí)間序列Fig.4 Time series of water depth,salinity,tem perature,mean reciprocal travel time,velocity and calculated discharge

根據(jù)式 (3)和雙向聲信號(hào)傳播時(shí)間差求得斷面平均流速的時(shí)間序列如圖4-E所示。兩次涌潮到來之前,流速基本穩(wěn)定在0.39、0.31 m/s。涌潮到來之后,涌潮流 (西向流)與上游淡水流(東向流)的流速相互抵消,流向發(fā)生逆轉(zhuǎn),流速在20 min內(nèi)達(dá)到最大。兩次涌潮中觀測到的最大流速分別為-1.08、-0.85 m/s。流向逆轉(zhuǎn)為西向流之后大約1.5 h,漲潮流轉(zhuǎn)變成落潮流,流速逐漸減小,直到流向轉(zhuǎn)向東向流之后流速緩慢增大,并逐漸趨于平穩(wěn)。從涌潮開始到結(jié)束的整個(gè)作用過程大約持續(xù)了5 h 40 min。

根據(jù)式 (7)和雙向傳播時(shí)間差求得斷面流量的時(shí)間序列如圖4-F所示。試驗(yàn)觀測期間,最大東向流 (最大落潮流量)出現(xiàn)在無涌潮影響期間,最大西向流 (最大漲潮流量)出現(xiàn)在第一次涌潮到來之后。對(duì)缺失數(shù)據(jù)進(jìn)行插值,得到觀測期間最大東向流量和西向流量分別為3504.49、-7753.00 m3/s,平均流量為644.14 m3/s。兩次涌潮帶來的西向輸運(yùn)量分別為9.09×107、6.83×107m3,相當(dāng)于5～6個(gè)西湖的總蓄水量 (1.43×107m3)[19]。

3 討論

為了判別涌潮的類型,本研究中引入了弗勞德數(shù) (Froude number,Fr),其為水躍強(qiáng)度的動(dòng)力參數(shù),可用潮流速與波速間的關(guān)系表示[9]:

當(dāng)Fr＜1時(shí),潮波推進(jìn)的波列未形成涌潮;當(dāng)1≤Fr＜1.7時(shí),涌潮為波狀涌潮;當(dāng)Fr≥1.7時(shí),流態(tài)發(fā)生根本變化,不再具有波動(dòng)性,變成破碎涌潮。根據(jù)觀測數(shù)據(jù)求得兩次涌潮的 Fr=1.19～1.29,表明觀測期間的涌潮類型屬于波狀涌潮。

當(dāng)波速和流速相等時(shí)的水流為臨界流,臨界流對(duì)應(yīng)的水深即為臨界水深,臨界水流對(duì)應(yīng)的Fr為1,臨界水深 (dc)可由潮流速(v1)、水深(h1)和波速(C)表示[11]:

當(dāng)實(shí)際水深大于臨界水深時(shí),對(duì)應(yīng)的水流為亞臨界流,流速小于臨界流速,則Fr＜1;當(dāng)實(shí)際水深小于臨界水深時(shí),對(duì)應(yīng)的水流為超臨界流,流速大于臨界流速,則Fr＞1。在觀測的流場中,計(jì)算得出兩次涌潮中E站臨界水深分別為4.98、4.80 m, W站臨界水深分別為6.63、6.48 m,E站和W站的臨界水深均介于涌潮前后觀測的水深之間,說明涌潮導(dǎo)致流向逆轉(zhuǎn),本次觀測到的兩次涌潮流場中均存在亞臨界流和超臨界流轉(zhuǎn)換的流動(dòng)。

涌潮的種類不同,其能量的耗散也不同。根據(jù)涌潮前后的水深關(guān)系,可得出涌潮前后單位水體的能量差,且涌潮的能量耗散為[20]

式 (13)表明,涌潮的能量耗散與Fr有關(guān)。假如涌潮發(fā)生前后的能量耗散忽略不計(jì),可認(rèn)為能量近似守恒。根據(jù)能量和動(dòng)量守恒得到如下關(guān)系[11]:

其中:M為動(dòng)量;E為單位質(zhì)量的能量 (比能)。

圖5-A為根據(jù)式 (13)計(jì)算得到的能量耗散和Fr的關(guān)系。當(dāng) Fr＜1.2時(shí),能量耗散率小于0.22%;當(dāng)Fr=1.2～2.0時(shí),能量損耗率會(huì)增加到9.08%,增幅較快;當(dāng)Fr＞2.0時(shí),能量損耗增加趨勢變緩。對(duì)錢塘江涌潮的觀測表明,涌潮能量損失小于0.6%,可以忽略不計(jì),涌潮到來前后的能量基本守恒。圖5-B為根據(jù)式 (14)、(15)計(jì)算得到本次觀測涌潮能量與動(dòng)量的關(guān)系圖,可以看出,試驗(yàn)所觀測的數(shù)據(jù)完全處于參數(shù)化的M-E曲線上,表明觀測數(shù)據(jù)滿足能量近似守恒關(guān)系。

圖6為根據(jù)式 (10)計(jì)算得到的涌潮前后流速差與涌潮高度的關(guān)系,可以看出,流速差越大對(duì)應(yīng)的潮頭高度就越高,試驗(yàn)觀測值與理論值基本吻合。

4 結(jié)論

2013年11月5—6日在錢塘江杭州段進(jìn)行了一次涌潮觀測試驗(yàn),成功地觀測到兩次涌潮期間水位、流速的變化,得到主要結(jié)論如下:

(1)兩次涌潮發(fā)生時(shí),涌潮前后觀測斷面流速的變化范圍分別為 0.39～-1.08 m/s和0.31～-0.85 m/s(東向流為正),水位升高的最大幅度分別為1.38、1.14 m,兩次涌潮通過觀測站位的波速分別為-8.69、-8.43 m/s。

圖5 涌潮能量耗散率與弗勞德數(shù)及涌潮能量與動(dòng)量的關(guān)系Fig.5 General relationship between energy dissipation rates and Froude num ber,and the relationship between energy and momentum of the tidal bores

圖6 流速差與涌潮高度關(guān)系Fig.6 Relationship between velocity difference and wave height

(2)觀測期間,最大東向流 (最大落潮流量)出現(xiàn)在無涌潮影響期間,最大西向流 (最大漲潮流量)出現(xiàn)在涌潮導(dǎo)致江水逆流階段,最大東向流和西向流流量分別為3504.49、-7753.00 m3/s,平均流量為644.14 m3/s。兩次涌潮帶來的西向輸運(yùn)量分別為9.09×107、6.83×107m3。

(3)涌潮的弗勞德數(shù)為1.19～1.29,表明觀測的涌潮是波狀涌潮。臨界水深均介于涌潮前后的水深之間,涌潮流場中存在亞臨界流和超臨界流轉(zhuǎn)換的流動(dòng)。

(4)涌潮到達(dá)前后能量的損耗率小于0.6%,表明波狀涌潮的能量損耗可基本忽略不計(jì),觀測數(shù)據(jù)都處于參數(shù)化的M-E曲線上,涌潮的能量基本保持守恒。

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[20] 張瑋,徐金環(huán),李國臣,等.涌潮分析與波速計(jì)算[J].水利水運(yùn)科學(xué)研究,1999,6(2):158-164.

Observation and dynam ic characteristics of tidal bore in Qiantang River,China

LIUWen-hu1,2,ZHU Xiao-hua2,1,3,ZHANG Zhong-zhe1,ZHANG Chuan-zheng2,MA Yun-long1,2, LONG Yu2,FAN Xiao-peng2,ZHU Ze-nan2,3,ZHAO Rui-xiang2,REN Chen-yue2
(1.College of Marine Science and Environment,Dalian Ocean University,Dalian 116023,China;2.State Key Laboratory of Satellite Ocean Environment Dynamics,Second Institute of Oceanography,State Oceanic Administration,Hangzhou310012,China;3.Ocean College,Zhejiang University,Hangzhou 310058,China)

A 26-hour observation of tidal boreswas carried out by a coastal acoustic tomography(CAT)system and conductivity temperature depth(CTD)in two stations at both sides with a distance of 3050 m diagonally across Qiantang River from 5 to 6 November,2013 to valuate the dynamic characteristics of tidal bore in Qiantang River, China.The range-averaged current velocities calculated from the reciprocal sound transmission data were changed from 0.39 m/s to-1.08 m/s before arrival of tidal bore with themaximalwater level changes of 1.38 m and from 0.31 m/s to-0.85 m/s after arrival of tidal borewith themaximalwater level changes of1.14 m(the positive velocity towards the east).Themean phase speeds of two tidal bores were estimated to be-8.69 m/s and-8.43 m/s at the two stations,respectively.During the whole experiment,the volume transport was varied from -7753.00 m3/s to 3504.49 m3/s through the section,with amean of644.14 m3/s.The Froude numbers of tidal bores were estimated to be from 1.19 to 1.29,indicating that the observed tidal boreswere undular bore,with tidal bore energy losses of less than 0.6%,conforming to energy conservation relations for undular bores.

Qiantang River;tidal bore;coastal acoustic tomography system;dynamic characteristics

P731.23

A

2015-01-12

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目 (41276095,41476020,41321004,41176021,41576001);國家海洋局第二海洋研究所基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng) (JT1402);衛(wèi)星海洋環(huán)境動(dòng)力學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室自主項(xiàng)目 (SOEDZZ1403,SOEDZZ1501);國家海洋局第二海洋研究所SOED開放課題基金資助項(xiàng)目 (SOED1511);遼寧省教育廳科研項(xiàng)目 (L2012268)

劉文虎 (1989—),男,碩士研究生。E-mail:liuwh026@163.com

朱小華 (1963—),男,博士,研究員。E-mail:xhzhu@sio.org.cn

張鐘哲 (1965—),男,博士,教授。E-mail:zzz@dlou.edu.cn

10.16535/j.cnki.dlhyxb.2015.05.022

2095-1388(2015)05-0567-06