穿山半島東部海域潮流泥沙運動特征分析

蔡相蕓，周朝豐，章衛(wèi)勝，王金城，張金善

(1.南京水利科學研究院，江蘇 南京 210029;2.寧波港股份有限公司，浙江 寧波 315000;3.河海大學港口海岸與近海工程學院，江蘇 南京 210098)

穿山半島位于杭州灣南岸、舟山島以南的半島部分，其東部海域分布著六橫島、桃花島、蝦峙島和梅山島等大小幾十個島嶼，島嶼間分布著縱橫交錯的潮汐水道，如蝦峙門水道、佛渡水道、笤帚門水道等，因其水深條件優(yōu)良，航程較短，是大型船舶從外海進入寧波和舟山港的重要通道，是近年來寧波、舟山地區(qū)航道和港口發(fā)展的主要海域之一。

穿山半島東部水域諸水道是杭州灣南岸潮流進出杭州灣的主要通道，平洋潮波由東海進入舟山海域后，基本保持了外海前進波的特性，但由于受到海島的阻擋和堵截，水深不斷變化，加上入射潮波與反射潮波的疊加和摩擦等因素的影響，潮波發(fā)生反射、繞射。穿山半島東部水域諸水道是杭州灣南岸潮流進出杭州灣的主要通道，起著輸沙、輸流的作用，水深流急，從歷史到現(xiàn)在一直維持著良好的天然水深，水道保持長期穩(wěn)定，為附近島嶼和水道的開發(fā)創(chuàng)造了條件。海域的地貌已經(jīng)有了許多研究及應用［1-6］，本文對此不做深入研究。潮流及泥沙運動是港口、航道開發(fā)的重要因素，本文主要研究潮流和泥沙的運動，提高對當?shù)爻绷骱湍嗌尺\動的認識，為本海域的港口及航道開發(fā)奠定基礎。

1 潮汐特征

據(jù)蝦峙島2009年的實測逐時潮位資料統(tǒng)計，本區(qū)平均高潮位為3.60m，平均低潮位為1.03m，平均潮為差2.57m，最高高潮位可達5.02m，最低低潮位僅-0.19m(當?shù)乩碚摶鶞拭?，下?。實測最大潮差達到4.75m，屬中強潮海區(qū)。經(jīng)計算:蝦峙島測站的 (HO1+HK1)/HM2=0.405＜0.500，屬于正規(guī)半日潮。受淺海分潮的影響，漲落潮潮差和歷時均不對稱，落潮潮差大于漲潮潮差，其比值約為1.03，落潮歷時大于漲潮歷時，比值為1.10～1.30。因此，確切地說，該區(qū)的潮汐變化具有非正規(guī)半日潮性質(zhì)。

2 潮流特征

2.1 潮流性質(zhì)

近年來隨著港口、航道的開發(fā)，本海域進行了多次水文測量。據(jù)東白蓮島8個臨時測站 (2011年05月大潮)、象山港對峙山站3條固定垂線 (2007年05月大、中、小潮)、郭巨11個臨時測站 (2007年09月大潮)以及梅山島7個臨時測站 (2011年03月大、中、小潮)的水文測量資料［7-10］統(tǒng)計分析 (測站位置見圖1)，本海域主要潮汐通道的潮流落潮歷時長于漲潮歷時，個別點受局部地形或水道的影響，差異不大。

受潮汐通道的影響，潮汐通道內(nèi)的潮流是典型的往復流，漲落潮流特征明顯;在外海開敞區(qū)域，則表現(xiàn)為順時針方向的旋轉流，漲落潮流特征不明顯［11］。

圖1 測點布置圖

2.2 潮流速時空分布

本海域漲落潮流速的特點是流速大，在狹窄通道更明顯。各測區(qū)實測流速、流向見表1(流速方向以北向為基線，順時針旋轉計算)。

蝦峙門和笤帚門水道海域除了少數(shù)測點外，海區(qū)內(nèi)漲潮流速大于落潮流速，測量期間漲潮最大流速為1.75m/s(測點V3)，落潮最大流速為1.48m/s(測點V4)，漲潮平均流速為0.21～0.84m/s，落潮平均流速為0.37～0.84m/s，除測點V6以外，其余測點漲、落潮平均流速的差值均小于0.20m/s。

象山港測區(qū)在大、中、小潮時期，漲潮最大流速基本都大于落潮最大流速，且漲、落潮最大流速隨著潮差的增大而增大，最大漲潮流速為1.75m/s(垂線sw2大潮)，最大落潮流速為1.24m/s(垂線sw2大潮)。各測點大、中、小潮時期的漲、落潮平均流速相差不大，且兩者的差值隨著潮差的增大而增大。漲潮平均流速為0.25～0.73m/s，落潮平均流速為0.29～0.62m/s。

佛渡水道內(nèi)，測點2、6、7、10的漲潮最大流速大于落潮最大流速，其余測點處規(guī)律相反，這主要是受多水道漲落潮流的相互作用所致，最大漲潮流速為2.12m/s(測點1)，最大落潮流速為1.80m/s(測點2、10)，可以發(fā)現(xiàn)強流速發(fā)生在多股水流交匯處。漲潮平均流速為0.38～1.07m/s，落潮平均流速為0.33～0.97m/s。

梅山水道測區(qū)各測點的落潮最大流速基本上均大于漲潮最大流速，漲、落潮最大流速隨著潮差的增大而增大，漲、落潮平均流速的規(guī)律也是如此，兩者的差值隨著潮差的增大而增大。最大漲潮流速為1.00m/s(6#、7#測點)，最大落潮流速位1.25m/s(7#測點)。漲潮平均流速為0.18～0.52m/s，落潮平均流速為0.14～0.56m/s，以落潮流為主。

幾個測區(qū)各測點在測驗代表潮期間，實測最大流速主要出現(xiàn)在水面附近，各層流速從水面向水底基本上呈遞減的趨勢。

總體上看，海域除了梅山水道外，漲潮流一般大于落潮流，且流速較大，是泥沙運動的主要動力。

2.3 余流

余流是從實際測得的海流中剔除周期性的潮流所剩下的部分，余流的流向往往是泥沙運動和污染物質(zhì)擴散運移的方向，因此余流分析常是研究海岸帶泥沙運動來源和環(huán)境保護工程的一種有效手段。

浙江近海余流主要受制于河川徑流，特別是長江徑流入海后的運動路徑、風的季節(jié)變化和外海流系的消長［12］。

對幾個測區(qū)的余流分析表明，本海域的余流主要流向都是指向外海，也證實了杭州灣南岸的金塘水道是杭州灣的主要輸流、輸沙通道。

表1 實測流速統(tǒng)計表

續(xù)表1

續(xù)表1

3 泥沙運動特性

長江口泥沙南下，在漲潮流的作用下通過諸水道進入本區(qū)，成為本海區(qū)懸沙的主要物質(zhì)來源。雖然本海區(qū)的懸沙主要來自長江口，就本地來說，泥沙的主要來源除了來自杭州灣外，由于本海區(qū)潮流的流速較大，對床底泥沙有一定的沖刷作用，因此底部泥沙掀揚成為本區(qū)懸沙的另一個物質(zhì)來源［13］。

3.1 含沙量時空分布

東白蓮島測區(qū)的蝦峙門和笤帚門水道內(nèi)的測點 V1、V2、V4、V8的落潮最大含沙量大于漲潮最大含沙量，其余測點規(guī)律相反，最大漲潮含沙量為1.17kg/m3(測點V7)，最大落潮含沙量為1.04kg/m3(測點V5)，漲潮平均含沙量為0.29～0.65kg/m3，落潮平均含沙量為0.34～0.47kg/m3，1個潮周期的全潮平均含沙量為0.33～0.56kg/m3。

象山港牛鼻山水道測區(qū)的3條固定垂線在大、中、小潮時期，落潮最大含沙量基本都大于漲潮最大含沙量，且漲、落潮含沙量隨著潮差的增大而增大。最大漲潮含沙量為1.62kg/m3(垂線sw1)，最大落潮含沙量為2.13kg/m3(垂線w)，漲潮平均含沙量為0.05～0.40kg/m3，落潮平均含沙量為0.07～0.56kg/m3，1個潮周期的全潮平均含沙量為0.07～0.48kg/m3。

佛渡水道的測點1、2、4、8、10的落潮最大含沙量大于漲潮最大含沙量，其余測點規(guī)律相反，最大漲潮含沙量為1.68kg/m3(測點7)，最大落潮含沙量為1.98kg/m3(測點8)。漲潮平均含沙量為0.20～0.54kg/m3，落潮平均含沙量為0.23～0.57kg/m3，1個潮周期的全潮平均含沙量為0.24～0.59kg/m3，漲、落潮含沙量差別不大。

梅山水道測區(qū)1#、2#、7#測點在測量期間落潮最大含沙量大于漲潮最大含沙量，其余測點規(guī)律相反，最大漲潮含沙量為1.34kg/m3(7#測點)，最大落潮含沙量為1.61kg/m3(7#測點)。漲潮平均含沙量為0.23～0.84kg/m3，落潮平均含沙量為0.22～0.87kg/m3，1個潮周期的全潮平均含沙量為0.23～0.86kg/m3。

幾個測區(qū)各測點最大含沙量主要見于底層，各層水體含沙量從水面到水底基本呈遞增的趨勢。

從幾個測區(qū)的含沙量分布規(guī)律看，一般落潮含沙量大于漲潮含沙量，但差別不大，局部測點漲潮含沙量大于落潮含沙量，表明了不同水道輸沙特征的差異。

歷史資料顯示［11，13-14］:本海區(qū)含沙量的季節(jié)變化較為顯著，冬季水體含沙量明顯高于夏季水體含沙量，兩者差異可達1倍，其主要原因是該海區(qū)地處杭州灣南岸，受到蒙古低氣壓和太平洋副熱帶高壓的影響，季風現(xiàn)象顯著，西北風是沿岸的常風向和強風向，其中尤以冬半年最盛［15］，因而相應的風成浪季節(jié)性變化較強，冬季風浪大，其掀沙作用明顯，且冬季水溫低，泥沙的沉速也小，因此，本海區(qū)冬季水體的含沙量高于夏季。

3.2 含沙量隨潮流速逐時變化特征

分析3個測區(qū)測量期間含沙量與流速的逐時同步過程曲線 (見圖2)，本海區(qū)的泥沙運動過程在1個潮周期內(nèi)含沙量的變化與流速大小密切相關，水體中的含沙量呈現(xiàn)出隨潮流速的波動而波動的特征，僅在時間上存在1個相位差。該海區(qū)含沙量最大值一般發(fā)生在漲、落急后1～3h，含沙量最小值發(fā)生在漲、落憩后1～3h。但不同區(qū)域表現(xiàn)也有差異，有的出現(xiàn)在漲、落急，有的出現(xiàn)在漲落急后一定時間。這表明，該海區(qū)潮流水動力的大小與其對水體中含沙量大小的影響效應存在滯后現(xiàn)象，滯后的時間差值一般在1～3h。主要原因是流速發(fā)生變化，導致底沙和懸沙發(fā)生交換，水動力條件的變化引起泥沙再懸浮，改變了水體中的懸沙濃度，再懸浮泥沙由海床擴散到測量點的滯后時間間隔取決于垂向湍流擴散系數(shù)、泥沙的垂向梯度、流速和泥沙顆粒大小、測點與河床間的距離大?。?6］。

圖2 含沙量與潮流速逐時對比圖

3.3 含沙量隨潮位逐時變化特征

分析3個測區(qū)測量期間含沙量與潮位的逐時同步過程曲線 (見圖3)。可以看出，含沙量與潮位的逐時同步性較好，最高含沙量基本上出現(xiàn)在高、低潮位附近，在半潮面附近含沙量最低 (為1985黃?；?，部分測點會有偏移，這表明本海域含沙量對水位的一種響應，但部分測點規(guī)律性不強，還需要進一步研究。

圖3 含沙量與潮位逐時同步曲線圖

3.4 凈輸沙

凈輸沙的方向和大小對泥沙遷移和周圍岸線的變化具有決定性的作用。

分析幾個測區(qū)計算得到的單寬凈輸沙率可知，蝦峙門和條帚門水道內(nèi)的凈輸沙量相對較大，牛鼻山水道和佛渡水道內(nèi)的凈輸沙量相對較小，梅山島南側的測區(qū)內(nèi)凈輸沙量最小，而且凈輸沙的大小隨著潮差的增大而增大。測驗海區(qū)內(nèi)凈輸沙的方向大部分與周圍岸線平行，即與各水道的走向相同，進一步指明了杭州灣落潮流所挾帶泥沙的運移趨勢。

3.5 懸沙粒徑及底質(zhì)粒徑分析

東白蓮島測區(qū)各垂線間的懸移質(zhì)大部分為粉砂，少部分為黏土質(zhì)粉砂。中值粒徑分布在0.007～0.014mm，平均中值粒徑為0.009mm。象山港測區(qū)懸沙粒徑較細，中值粒徑均小于0.062mm，絕大多數(shù)中值粒徑小于0.008mm，屬黏土質(zhì)粉砂。郭巨測區(qū)懸沙中值粒徑變化不大，在0.002～0.004mm。梅山島測區(qū)各測點的懸沙中值粒徑較為接近，屬于細粉砂。大潮、中潮、小潮粒徑均在0.008mm左右。

測區(qū)底質(zhì)分布比較均勻，大部分為黏土質(zhì)粉砂，極個別為粉質(zhì)砂和砂質(zhì)粉砂。中值粒主要底質(zhì)中值粒徑在0.004～0.014mm，平均中值粒徑為0.006mm。

懸沙與底泥的粒徑比較接近，表明懸沙垂向間的交換比較頻繁。大、中、小潮的中值粒徑粗細差異較小，大潮略粗于中、小潮。床沙和懸沙的粒徑粗細比較接近，均屬于黏土質(zhì)粉砂，床沙中值粒徑均大于0.008mm。

4 結語與討論

蝦峙門海區(qū)主要受太平洋潮波系統(tǒng)的影響，潮汐為非正規(guī)淺海半日潮，落潮潮差大于漲潮潮差，落潮歷時大于漲潮歷時。由于受到狹道地形的影響，狹道內(nèi)及口門處潮流性質(zhì)為往復流，外海開敞區(qū)域為順時針方向的旋轉流。

測區(qū)各測點潮流速比較大，最大流速近2.00m/s，流速隨潮差的增大而增大，各層流速從水面向水底基本上呈遞減趨勢，表明了本地區(qū)潮汐通道特征明顯。

各測點落潮最大含沙量均大于漲潮最大含沙量，含沙量隨潮差的增大而增大，含沙量從水面向水底呈遞增趨勢。整體上表明了水道的輸沙特征。

最大含沙量一般發(fā)生在漲、落急后1～3h，含沙量最小值發(fā)生在漲、落憩后1～3h。表明測區(qū)潮流水動力的大小與其對水體中含沙量大小的影響效應存在一種滯后現(xiàn)象，滯后的時間差值一般在1～3h。且含沙量與潮位的逐時同步性較好，最大含沙量一般出現(xiàn)在高、低潮位附近，最小含沙量一般在半潮面附近。

本海域含沙量中等，平均含沙量0.50kg/m3以下，流速較強，潮流順沿岸線，具有開發(fā)港口的優(yōu)良條件，采用順岸樁基式碼頭比較適合于本地區(qū)的潮流及泥沙運動，航道開挖適宜于順流建設，梅山港區(qū)一期碼頭及蝦峙門航道的建設，都證明了在本地區(qū)開發(fā)港口建設是適宜的。

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