錢塘江涌潮流速研究

潘存鴻，潘冬子，魯海燕，謝東風(fēng)，張沈陽

(1.浙江省水利河口研究院，浙江 杭州 310020; 2.浙江省海洋規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院，浙江 杭州 310020; 3.浙江省河海測繪院，浙江 杭州 310008)

錢塘江涌潮流速研究

潘存鴻1, 2，潘冬子1, 2，魯海燕1, 2，謝東風(fēng)1, 2，張沈陽3

(1.浙江省水利河口研究院，浙江 杭州 310020; 2.浙江省海洋規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院，浙江 杭州 310020; 3.浙江省河海測繪院，浙江 杭州 310008)

涌潮流速是涌潮的重要特征，一直深受涌潮研究者的關(guān)注。21世紀(jì)以來，隨著聲學(xué)剖面流速儀的使用，涌潮流速觀測有了突破性的進(jìn)展。本文收集了2003年以來9次錢塘江涌潮流速觀測資料，結(jié)合理論分析和數(shù)值模型計(jì)算成果，分析了影響涌潮流速的因素、涌潮流速時(shí)空分布規(guī)律。結(jié)果表明：影響涌潮流速的微觀因素主要有涌潮高度和陡度、潮前流速和潮前水深、風(fēng)速風(fēng)向等；在涌潮河段，最大流速即為最大涌潮流速，與當(dāng)?shù)爻辈畛柿己玫恼嚓P(guān)關(guān)系；在彎道段，涌潮流速在彎道凸岸大于凹岸；涌潮到達(dá)后流速從落潮迅速轉(zhuǎn)化為漲潮，沒有明顯的憇流現(xiàn)象，且漲潮流速過程存在多峰現(xiàn)象；涌潮垂向流速基本上比縱向流速小1個(gè)量級，在涌潮時(shí)段垂向流速相對較大。

錢塘江河口；涌潮；涌潮流速；時(shí)空分布；影響因素

錢塘江河口以涌潮聞名古今中外。平面上喇叭形的杭州灣，以及縱向上龐大的錢塘江沙坎，使潮波淺水效應(yīng)顯著，在尖山河段形成涌潮。錢塘江涌潮是世界獨(dú)特的自然景觀和寶貴的旅游資源，但也是引起錢塘江兩岸毀堤成災(zāi)、涉水建筑物破壞的主要原因之一。為保護(hù)錢塘江涌潮這一寶貴的自然資源，同時(shí)緩解乃至消除其災(zāi)害，開展錢塘江涌潮流速研究，加深對涌潮的認(rèn)知，具有十分重要的學(xué)術(shù)意義和實(shí)際價(jià)值。

涌潮有波狀涌潮(弱涌潮)和漩滾涌潮(強(qiáng)涌潮)之分。世界上大約有450個(gè)河口受到涌潮影響[1]，除錢塘江與巴西的亞馬遜河涌潮較大外，絕大多數(shù)河口的涌潮較弱，基本上為波狀涌潮。涌潮過后，水流迅速從落潮流轉(zhuǎn)變?yōu)闈q潮流，并在數(shù)分鐘至數(shù)十分鐘內(nèi)流速達(dá)到極值，涌潮過后數(shù)十分鐘內(nèi)流速較大，稱為涌潮流速，俗稱“快水”[2-3]。

涌潮流速是涌潮的重要特征，一直深受涌潮研究者的關(guān)注。特別是21世紀(jì)以來，隨著聲學(xué)剖面流速儀的使用，涌潮流速觀測有了突破性的進(jìn)展。Wolanskia等人[4]觀測了澳大利亞戴利河口波狀涌潮水位、流速、泥沙等資料，分析了波狀涌潮的水動力特性。Simpson 等人[5]觀測了英國迪河河口涌潮水位、流速，分析了涌潮水位、流速、雷諾剪切應(yīng)力和紊動動能等變化特性。Reungoat等人[6]觀測了Garonne 河口涌潮水位、流速，據(jù)此分析了涌潮流場、涌潮性質(zhì)、涌潮流速和紊動雷諾應(yīng)力。

1 錢塘江涌潮概況及涌潮觀測資料

東海潮波向錢塘江(圖1)上游傳播過程中，受河道平面束窄和河床抬升的影響，潮波能量不斷集中，同時(shí)產(chǎn)生淺水非線性變形。在錢塘江澉浦上游形成水位驟然抬升的漲潮潮波前鋒線，即為涌潮。錢塘江涌潮高度一般1～3 m，最大可達(dá)3 m以上，涌潮傳播速度大多為4～8 m/s，涌潮到達(dá)時(shí)刻潮位瞬間暴漲，最大可達(dá)1 m以上，水位驟漲時(shí)，落潮流速迅速轉(zhuǎn)為漲潮流速，并且流速驟增。涌潮在澉浦上游形成后，逐漸增大，在八堡-鹽官河段達(dá)到最大，再往上游，涌潮逐漸衰減，最后消失于聞堰上游，涌潮河段長達(dá)120 km左右。

圖1 錢塘江河口流速測點(diǎn)位置Fig.1 Locations of flow velocity observation points in the Qiantang estuary

2003年以來，采用多普勒剖面流速儀進(jìn)行了10余次涌潮流速觀測。表1列出了有代表性的9個(gè)測次41個(gè)測點(diǎn)的基本情況，包括觀測時(shí)間、測點(diǎn)位置、測點(diǎn)數(shù)、分層和采樣間隔以及觀測期間的澉浦最大潮差，其中除第1次和第7次個(gè)別測點(diǎn)采用海流計(jì)觀測外，其余均采用ADCP、ADP、ADI、ADV等流速儀測流。圖1 為上述流速測點(diǎn)的位置圖。由圖1和表1可知，從2003～2015年間的13年間，流速觀測范圍從下游的澉浦(也是涌潮起潮點(diǎn)下游)至上游的之江(接近涌潮的消失段)，全長100余公里，且流速測點(diǎn)分布比較均勻，涵蓋了嘉紹大橋至老鹽倉的強(qiáng)涌潮河段。9個(gè)測次的流速觀測均包含大潮期間，以澉浦潮差(澉浦多年平均潮差為5.57 m，歷史最大潮差為9 m)為參考值，觀測期間澉浦最大潮差介于6.90～8.06 m之間，遠(yuǎn)大于澉浦多年平均潮差。觀測歷時(shí)短(2～4天)的測次僅觀測大潮期間的流速，中等歷時(shí)(5～6天)的測次觀測大、中潮期間的流速，歷時(shí)長(7天以上)的測次則涵蓋了大、中、小潮期間的流速觀測。測流分層一般為0.2～0.5 m，采樣間隔大多為1 min，最小的只有1 s(用ADV儀器觀測)。除觀測水平流速外，2010年和2015年測次還觀測了垂向流速。

表1 涌潮流速觀測情況表Tab.1 Observations of tidal bore velocity

2 影響涌潮流速的因素

影響涌潮流速的因素較多，從宏觀角度看，主要有潮波(潮差與潮波變形)、江道地形、河床阻力、徑流量、氣象因素(風(fēng)況與氣壓)以及涉水工程等；從微觀角度看，主要有涌潮高度和陡度(潮頭水面比降)、潮前(落潮)流速、潮前水深、風(fēng)速風(fēng)向等。實(shí)際上，影響涌潮流速的宏觀因素與微觀因素是相關(guān)聯(lián)的，如宏觀因素中的潮波(潮差與潮波變形)主要與微觀因素的涌潮高度和陡度相關(guān)聯(lián)，涌潮高度與當(dāng)?shù)爻辈钕嚓P(guān)性很好[8]，涌潮陡度與相對Froude數(shù)有很好的關(guān)系[11]；江道地形與潮前水深關(guān)系最為密切，并對涌潮高度和陡度、潮前流速等有一定影響；徑流量主要影響潮前流速；宏觀中的氣象因素(風(fēng)況與氣壓)在微觀中體現(xiàn)為風(fēng)速和風(fēng)向；河床阻力和涉水工程對涌潮的影響相對比較復(fù)雜，可能影響到微觀因素的涌潮高度和陡度、潮前流速和潮前水深等。圖2列出了影響涌潮流速的宏觀和微觀因素及其它們之間的關(guān)系。

基于忽略源項(xiàng)的一維水流連續(xù)方程和動量方程，潘存鴻等[2]得到

式中：h為水深，u為流速(下標(biāo)d和u分別表示下游側(cè)(潮后)和上游側(cè)(潮前))，Δh表示涌潮高度。

由式(1)可見：①涌潮高度越大，潮后流速即涌潮流速越大。②當(dāng)涌潮高度相同的情況下，潮前水深越小，涌潮流速越大。③因潮前流速即落潮流速與涌潮流速方向相反，故潮前流速越大，涌潮流速越小。上述涌潮流速變化規(guī)律也被涌潮水槽試驗(yàn)所證實(shí)[11]。

由于式(1)假定涌潮無厚度，即涌潮潮頭成直角，故不能分析潮頭陡度對涌潮流速的影響。但從定性上來看，潮頭陡度越陡，涌潮流速越大。另外，風(fēng)速風(fēng)向?qū)τ砍绷魉俚挠绊懕容^復(fù)雜，并且缺乏實(shí)測資料，張舒羽和潘存鴻[13]應(yīng)用數(shù)值模型僅研究了概化河道中風(fēng)對涌潮的影響，順風(fēng)條件下，風(fēng)速越大，涌潮高度越大，從而涌潮流速也越大。

圖2 影響涌潮流速的宏觀和微觀因素及其關(guān)系Fig.2 Macro and micro factors affecting tidal bore velocity and their relationship

3 涌潮流速時(shí)空分布

3.1涌潮流速縱向分布

表1中9 個(gè)測次測流范圍絕大多數(shù)為局部河段，只有第7測次2007年10月測流范圍較大，故以該次測流資料為基礎(chǔ)分析涌潮流速縱向分布。該次測流范圍從下游澉浦至上游七堡，全長93 km，共布置12個(gè)測流點(diǎn)，其中澉浦?jǐn)嗝?個(gè)測流點(diǎn)，蓋北斷面3個(gè)測流點(diǎn)，嘉紹大橋斷面2個(gè)測流點(diǎn)，八堡附近、鹽官、倉前、七堡各為1個(gè)測流點(diǎn)。

圖3 潮位和垂線平均流速隨時(shí)間變化(落潮為+，漲潮為-)Fig.3 Tidal elevation and depth-averaged velocity evolution with time

圖3為2007年10月不同河段潮位(假定基面)、流速隨時(shí)間變化過程。從圖可見，涌潮形成前的澉浦?jǐn)嗝娉辈ㄒ炎冃?，接近駐波，高潮位附近流速接近零；漲潮歷時(shí)4:44，落潮歷時(shí)為7:41，漲落潮歷時(shí)之比為0.62；漲潮流歷時(shí)為4:18，落潮流歷時(shí)為8:07，漲落潮流歷時(shí)之比為0.53。因潮差大，加上潮波變形，最大漲潮垂線平均流速已很大，達(dá)到了3.54 m/s，最大落潮垂線平均流速為3.35 m/s，漲落潮流速比為1.06。

潮波繼續(xù)向上游傳播，漲潮歷時(shí)進(jìn)一步縮短，落潮歷時(shí)進(jìn)一步延長，至嘉紹大橋斷面(圖3(b))，已可見涌潮，潮來時(shí)潮位突然升高，流速變化更加劇烈，漲落潮歷時(shí)之比為0.32，漲落潮流歷時(shí)之比為0.37。最大漲、落潮垂線平均流速分別為3.55 m/s(最大涌潮流速)、2.27 m/s，漲落潮流速比為1.56。

潮波上溯到鹽官河段(圖3(c))，潮波變形更加急劇，同時(shí)涌潮也達(dá)到最大，漲落潮歷時(shí)之比為0.18，漲落潮流歷時(shí)之比為0.28。最大漲、落潮垂線平均流速分別為3.75 m/s(最大涌潮流速)、1.05 m/s，漲落潮流速比達(dá)3.57。

潮波上溯到七堡河段(圖3(d))，涌潮已是強(qiáng)弩之末，整個(gè)漲潮面即為涌潮，換言之，漲潮潮差即為涌潮高度；漲潮歷時(shí)僅為0:12，漲落潮歷時(shí)之比為0.02；由于該點(diǎn)位于涌潮末端，且處于彎道凹岸，潮波受岸線反射，漲潮流速過程落后于漲潮潮位過程，高潮位處仍存在較大的漲潮流速，漲潮流歷時(shí)反而較下游長，漲潮流歷時(shí)為4:50，漲落潮流歷時(shí)之比為0.64。最大漲、落潮垂線平均流速分別為1.57 m/s(最大涌潮流速)、0.51 m/s，漲落潮流速比達(dá)3.08。

圖4 潮差、涌潮高度和最大測點(diǎn)漲潮流速沿程變化Fig.4 Tidal range,tidal bore height and maximum velocity at flood measuring points along river

圖4為2007年10月連續(xù)6天大、中潮期間實(shí)測的最大潮差、最大涌潮高度和最大測點(diǎn)漲潮流速(即圖例中的“流速”)沿程變化。由圖可知，澉浦最大潮差為7.98 m，向上游潮差增大，至蓋北最大達(dá)8.72 m，再往上潮差逐漸減小，至鹽官潮差下降至3.86 m，至閘口潮差只有1.0 m。涌潮形成于蓋北附近，向上游逐漸增大，至嘉紹大橋潮頭高度已在1 m以上，八堡附近涌潮達(dá)到極值，最大為2.5 m，向上游涌潮逐漸減小，各地因岸線形狀和河床起伏涌潮大小有所波動，至七堡涌潮高度已降至1.3 m左右，閘口在1 m以下。漲潮最大測點(diǎn)流速在澉浦已達(dá)4.04 m/s，向上游增大，至蓋北河段最大達(dá)5.83 m/s，鹽官以上流速逐漸降低，至倉前已在4 m/s以下，至七堡僅2.2 m/s左右。盡管圖4中的潮位測點(diǎn)(位于岸邊)與流速測點(diǎn)并非同一位置，故存在同步性問題。但從圖4仍可見：①從下游到上游，涌潮從無到有，從小到大，再從大到小，最大漲潮流速存在從小到大，再從大到小的縱向變化規(guī)律；涌潮從無到有，最大漲潮流速不存在突變現(xiàn)象，而是逐漸增大。②在無涌潮河段，漲潮流速隨潮差增大而增大；在涌潮河段，總趨勢是流速隨潮差和涌潮高度增大而增大，但個(gè)別點(diǎn)因潮位與流速測點(diǎn)距離較遠(yuǎn)而例外。

2007年10月由于八堡以上河床淤積較嚴(yán)重，導(dǎo)致鹽官以上潮差和涌潮高度不是很大，相應(yīng)涌潮流速也不是很大。故將多次測流得到的最大測點(diǎn)漲潮流速值(即圖例中的“最大流速”)同繪于圖4。由圖可知，最大漲潮流速(最大涌潮流速)位于蓋北～鹽官河段，在6 m/s左右或以上。至今，實(shí)測最大測點(diǎn)涌潮流速為6.65 m/s，最大垂線平均涌潮流速為5.58 m/s，均位于嘉紹大橋斷面，但二者并不位于同一測點(diǎn)。著名涌潮勝地鹽官2010年10月實(shí)測最大測點(diǎn)涌潮流速為6.09 m/s，最大垂線平均涌潮流速為5.46 m/s。

3.2涌潮流速橫向分布

涌潮流速橫向分布與下游河勢密切相關(guān)，特別是岸線形狀和河床地形。嘉紹大橋及以下河段江面寬闊，河床灘槽分布復(fù)雜，而鹽官斷面河槽成U字形，代表性不好。故取江東和之江兩個(gè)斷面分析之。江東斷面位于二個(gè)彎道的過渡段(圖1)，兩岸均發(fā)育小主槽(圖5)，但河床相對較平緩，靠左岸的JD1測流點(diǎn)河床相對較高，靠右岸的JD3測流點(diǎn)河床最低，JD2河床高程處于JD1和 JD3之間；之江斷面處于急彎上游(圖1)，左岸為深槽，右岸為灘地(圖6)。圖5和圖6為江東和之江斷面實(shí)測漲、落潮最大垂線平均流速橫向變化，無論是江東斷面還是之江斷面，最大垂線平均落潮流速橫向分布規(guī)律與一般河道的流速分布規(guī)律相同，即主槽處流速大，淺灘處流速小，江東斷面最大落潮流速JD3比JD1大2.4倍，之江斷面最大落潮流速ZJ1比ZJ3大3.8倍。但兩個(gè)斷面的最大漲潮流速(即最大涌潮流速)橫向分布規(guī)律恰好與落潮流速相反，即淺灘處涌潮流速大，主槽處涌潮流速小，江東斷面涌潮流速JD1比JD3大1.9倍，之江斷面ZJ3比ZJ1大2.8倍。

圖5 江東斷面實(shí)測漲、落潮最大垂線平均流速橫向變化Fig.5 Transverse distribution of measured maximum flood and ebb depth-averaged velocities at Jiangdong cross section

圖6 之江斷面實(shí)測漲、落潮最大垂線平均流速橫向變化Fig.6 Transverse distribution of measured maximum flood and ebb depth-averaged velocities at Zhijiang cross section

圖7 數(shù)模計(jì)算得到的漲潮最大垂線平均流速等值線(單位：m/s)Fig.7 Computational contours of maximum flood depth-averaged velocity

上述現(xiàn)象應(yīng)用二維涌潮數(shù)學(xué)模型也能復(fù)演，圖7為用數(shù)學(xué)模型[2,14]計(jì)算得到的江東河段漲潮最大垂線平均流速平面分布，由圖可見，計(jì)算得到的江東斷面最大漲潮流速(最大涌潮流速)橫向分布規(guī)律在定性上與實(shí)測結(jié)果一致，在定量上基本接近。此外，在圖中還可明顯看出，老鹽倉和下沙兩個(gè)彎道凹岸涌潮流速小，凸岸涌潮流速大。老鹽倉彎道涌潮流速凸岸是凹岸的2.3倍左右，下沙彎道涌潮流速凸岸是凹岸的3倍左右。事實(shí)上，在實(shí)體模型試驗(yàn)中也發(fā)現(xiàn)了相同的現(xiàn)象。

上述現(xiàn)象可應(yīng)用式(1)的分析結(jié)果來解釋：①即當(dāng)涌潮高度、潮前流速相同的情況下，潮前水深越小(即為淺灘)，涌潮流速越大；反之，潮前水深越大(即為深槽)，涌潮流速越小。②深槽處潮前流速較大，淺灘處潮前流速較小。上述兩個(gè)原因?qū)е聫澋劳拱队砍绷魉俅笥诎及丁?/p>

3.3涌潮流速垂向分布

涌潮流速垂向分布規(guī)律比較復(fù)雜，涌潮大小、涌潮的不同時(shí)段、河床地形、風(fēng)速風(fēng)向等都對流速垂向分布有影響?？紤]到內(nèi)容的完整性，這里引用他人成果。謝東風(fēng)等[8]基于鹽官斷面實(shí)測資料分析了涌潮縱向流速的垂向分布規(guī)律，對于大潮期間的強(qiáng)涌潮，涌潮縱向流速(潮到后1小時(shí)內(nèi))在垂線上呈拋物線分布，最大流速位于中層附近，最小流速位于河床底部；而其它時(shí)間段和中小潮縱向流速在垂線上呈對數(shù)分布，與一般河道的流速分布規(guī)律相同。黃靜等[11]利用涌潮水槽試驗(yàn)研究了涌潮縱向流速的垂向分布規(guī)律，潮頭流速垂向分布呈拋物線狀，最小流速位于河床底部；最大流速波狀涌潮位于相對水深0.2～0.7區(qū)間，旋滾涌潮位于相對水深0.2～0.5區(qū)間。

3.4涌潮流速時(shí)間分布

圖8為2010年10月鹽官涌潮前后實(shí)測流速剖面隨時(shí)間(1分鐘)變化過程圖，時(shí)間上以涌潮到達(dá)時(shí)刻為0，涌潮前為負(fù)，涌潮后為正，每1 min記錄1 次三維流速，圖中水平流速已為合成流速；圖9為2010年10月鹽官初漲半小時(shí)內(nèi)涌潮垂線平均流速隨時(shí)間(1分鐘)變化圖。

圖8 鹽官涌潮前后流速剖面隨時(shí)間變化Fig.8 Flow velocity profile evolution with time before and after tidal bore at Yanguan

圖9 鹽官垂線平均涌潮流速過程線(2010年10月)Fig.9 Depth-averaged tidal bore velocity evolution with time at Yanguan

表2 最大漲潮流速(涌潮流速)在潮到后出現(xiàn)的時(shí)間Tab.2 Occurrence time of maximum flood velocity after tidal bore arrival

表2為最大漲潮流速(最大涌潮流速)在潮到后出現(xiàn)的時(shí)間，結(jié)合圖3，可得涌潮流速隨時(shí)間變化規(guī)律如下：

1)最大漲潮流速(最大涌潮流速)明顯大于最大落潮流速。在涌潮河段，潮波已嚴(yán)重變形，漲潮流速過程線像直角三角形，尖而瘦；落潮流速過程線矮而胖。

2)落潮轉(zhuǎn)漲潮沒有明顯的憇流現(xiàn)象。潮前流速(落潮流速)隨時(shí)間變化平緩，涌潮到達(dá)前的潮前流速大多在0.5～1.5 m/s范圍內(nèi)，主槽甚至大于1.5 m/s，見圖9。涌潮到達(dá)后流速從落潮迅速轉(zhuǎn)化為漲潮，一般在1～3分鐘內(nèi)完成這一過程，涌潮越強(qiáng)，落潮轉(zhuǎn)漲潮過程的轉(zhuǎn)換時(shí)間越短。因轉(zhuǎn)流時(shí)間極短，幾乎不存在憇流現(xiàn)象。圖8表明，涌潮到達(dá)前1 min(即橫坐標(biāo)-1 min)的落潮垂線平均流速(潮前流速)達(dá)1.76 m/s，涌潮到達(dá)后(即橫坐標(biāo)0 min)變?yōu)闈q潮垂線平均流速3.28 m/s，在1 min之內(nèi)流速變幅達(dá)5.04 m/s。

3)漲潮流速過程存在多峰現(xiàn)象。在無涌潮河段，漲潮流速過程一般只有1 個(gè)峰值，如圖3(a)的澉浦測點(diǎn)，但在涌潮區(qū)，大多出現(xiàn)2個(gè)或2個(gè)以上的多峰，如圖3(b)的蓋北測點(diǎn)和圖3(c)的鹽官測點(diǎn)以及圖9、圖3(d)的七堡測點(diǎn)，因測流間隔為半小時(shí)，沒有體現(xiàn)出多峰現(xiàn)象，但從2015年七堡下游七格的測流資料來看，也存在多峰現(xiàn)象。

4)最大漲潮流速(最大涌潮流速)出現(xiàn)時(shí)間。其變化較復(fù)雜，同一斷面不同測點(diǎn)存在較大差異，同一測點(diǎn)不同的潮型也有較大差異。一般情況是強(qiáng)涌潮時(shí)，最大漲潮流速出現(xiàn)時(shí)間較早；反之，弱涌潮或無涌潮時(shí)，最大漲潮流速出現(xiàn)時(shí)間較遲。鹽官測點(diǎn)最大漲潮流速出現(xiàn)在涌潮到達(dá)后13～33 min，平均為21 min，最大與最小時(shí)間相差20 min，有的測點(diǎn)變化范圍更大，如上游的倉前、七格。其原因是漲潮流速過程線存在多峰現(xiàn)象，而最大流速并非固定在某個(gè)峰值，有時(shí)在第1個(gè)峰值，有時(shí)在第2個(gè)甚至第3個(gè)峰值或以后，從而導(dǎo)致最大流速出現(xiàn)時(shí)間變化較大，如圖9鹽官測點(diǎn)的漲潮流速過程線存在5個(gè)峰值，最大漲潮流速出現(xiàn)在第4個(gè)峰值。一般地，從下游到上游，最大漲潮流速出現(xiàn)時(shí)間存在從大到小、又從小到大的變化規(guī)律，澉浦?jǐn)嗝娉霈F(xiàn)時(shí)間平均為58 min，至八堡為最短，僅8 min，以后又增大到20～30 min。強(qiáng)涌潮河段八堡～鹽官最大漲潮流速出現(xiàn)時(shí)間相對較短。縱觀涌潮河段，最大漲潮流速基本上出現(xiàn)在涌潮過后的數(shù)分鐘至40分鐘內(nèi)，與駐波相比(駐波的最大漲潮流速出現(xiàn)在中潮位附近)，最大漲潮流速出現(xiàn)時(shí)間明顯提前。

3.5最大漲潮流速與潮差的關(guān)系

圖4說明了涌潮河段最大漲潮流速(最大涌潮流速)的總趨勢是隨潮差和涌潮高度增大而增大，而涌潮高度與當(dāng)?shù)爻辈畲嬖诹己玫恼嚓P(guān)關(guān)系[8]。為此，采用2010年10月鹽官流速觀測資料和鹽官潮差，點(diǎn)繪最大漲潮垂線平均流速與潮差的關(guān)系，如圖10所示。圖中觀測范圍包括大、中、小潮，最小、最大潮差分別為1.39 m和5.11 m，相應(yīng)的最大漲潮垂線平均流速分別為0.75 m/s和5.43 m/s。鹽官最大漲潮垂線平均流速Vmax與潮差H的關(guān)系為

Vmax=1.406 5H-1.620 8

相關(guān)系數(shù)達(dá)0.98 ，表明相關(guān)性非常好。其原因主要是因?yàn)闇y流期間為枯水期，上游徑流較小，導(dǎo)致潮前流速變化小，同時(shí)測流期間潮前水深變化也較小。因此，最大漲潮流速與潮差或涌潮高度有較好的關(guān)系。

圖10 鹽官最大漲潮垂線平均流速與鹽官潮差的關(guān)系Fig.10 Relation between maximum flood depth-averaged velocity and tidal range at Yanguan

3.6涌潮垂向流速

2010年10月9～17日在鹽官河段布置了5個(gè)測流點(diǎn)，其中鹽官斷面為3個(gè)測流點(diǎn)，進(jìn)行了連續(xù)9天的三維流速觀測，測流時(shí)間間隔為1 min，圖11為大潮期鹽官斷面靠北測點(diǎn)水深1.5 m處垂向流速隨時(shí)間變化圖。分析上述觀測資料和圖11，垂向流速具有以下特點(diǎn)：

1)垂向流速較小，基本上在10-1量級，遠(yuǎn)小于縱向速度的100量級。

2)大潮垂向流速較大，小潮較小，與縱向流速變化規(guī)律相同。

3)涌潮到達(dá)時(shí)垂向流速急劇增大，至涌潮過后1小時(shí)內(nèi)，垂向流速較大，大多在±0.2 m/s范圍，最大可達(dá)1 m/s以上，其余時(shí)間段大多在±0.05 m/s范圍內(nèi)波動。

圖11 鹽官水深1.5 m處垂向流速隨時(shí)間的變化Fig.11 Vertical velocity evolution with time under water surface of 1.5 m at Yanguan

4 結(jié) 語

1)影響涌潮流速的宏觀因素主要有潮波、江道地形、河床阻力、徑流量、氣象因素以及涉水工程等，微觀因素主要有涌潮高度和陡度、潮前流速、潮前水深、風(fēng)速風(fēng)向等，影響涌潮流速的宏觀因素與微觀因素是相關(guān)聯(lián)的。

2)涌潮流速縱向分布規(guī)律：從下游無涌潮河段到上游涌潮河段(包括涌潮形成、發(fā)展、衰減河段)，流速存在從小到大，再從大到小的縱向變化規(guī)律；在涌潮河段，最大流速即為最大涌潮流速。2003年以來應(yīng)用實(shí)測聲學(xué)多普勒流速剖面儀測得最大測點(diǎn)涌潮流速為6.65 m/s，最大垂線平均涌潮流速為5.58 m/s，均位于嘉紹大橋斷面。

3)涌潮流速橫向分布規(guī)律：涌潮流速橫向分布與下游河勢密切相關(guān)，特別是岸線形狀和河床地形。在彎道段，不同于一般河道的流速橫分布，彎道凸岸的涌潮流速大于凹岸。

4)涌潮流速時(shí)間分布規(guī)律：在涌潮河段，漲潮流速過程線尖而窄，存在多峰現(xiàn)象，落潮流速過程線矮而寬，最大漲潮流速(最大涌潮流速)明顯大于最大落潮流速，且最大漲潮流速基本上出現(xiàn)在涌潮過后的數(shù)分鐘至40分鐘內(nèi)；最大漲潮流速與當(dāng)?shù)爻辈畲嬖诹己玫恼嚓P(guān)關(guān)系；涌潮到達(dá)后流速從落潮迅速轉(zhuǎn)化為漲潮，時(shí)間極短，沒有明顯的憇流現(xiàn)象。

5)涌潮垂向流速特征：涌潮垂向流速基本上在10-1量級，遠(yuǎn)小于縱向流速的100量級；大潮垂向流速較大，小潮較小，與縱向流速變化規(guī)律相同；涌潮到達(dá)時(shí)垂向流速急劇增大，涌潮過后1小時(shí)及其它時(shí)段垂向流速較小。

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Study on velocity of tidal bore in Qiantang Estuary

PAN Cunhong1,2,PAN Dongzi1,2,LU Haiyan1,2,XIE Dongfeng1,2,ZHANG Shenyang3

(1.Zhejiang Institute of Hydraulics and Estuary,Hangzhou 310020,China; 2.Zhejiang Institute of Marine Planning and Design,Hangzhou 310020,China; 3.Zhejiang Surveying Institute of Estuary and Coast,Hangzhou 310008,China)

The tidal bore velocity is one of the important indexes of the tidal bore,to which much attention has been paid.Since the 21st century,the observations on tidal bore velocity have a breakthrough by use of Acoustic Doppler Current Profilers (ADCP).In this paper,based on the data of tidal bore velocity collected from 9 times field work since 2003,the theoretical analysis and the computational results of numerical models,the influence factors and space-time distribution of tidal bore velocity are analyzed.The results show that the major micro influence factors of the tidal bore velocity are the height and steepness of tidal bore,the ebb velocity and depth ahead of the tidal bore,wind speed and direction,etc.In the tidal bore section of the river,the maximum flow velocity is the maximum tidal bore velocity,and a good positive correlation to the local tidal range.In the bend section of the river,tidal bore velocity near the convex bank is greater than that near the concave bank.After tidal bore arrival,velocity of ebb tide rapidly becomes that of flood tide with no obvious slack water phenomenon,and there is a multimodal phenomenon in the flood velocity process.The vertical flow velocity is larger in the tidal bore period,which is around one order of magnitude smaller than its longitudinal velocity.

Qiantang estuary; tidal bore; tidal bore velocity; spatial and temporal distribution; influence factors

TV143

A

10.16483/j.issn.1005-9865.2017.05.004

1005-9865(2017)05-0033-09

2017-02-08

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51379190；41306082)

潘存鴻(1963-)，男，浙江寧波人，博士，教授級高級工程師，主要從事河口海岸水動力學(xué)、泥沙、水環(huán)境研究。E-mail：panch@zjwater.gov.cn