長江口北支涌潮現(xiàn)狀分析

(長江水利委員會水文局 長江口水文水資源勘測局，上海 200136)

1 研究背景

涌潮是潮波在進入海灣或河口的傳播過程中發(fā)生強烈變形而產(chǎn)生波陡趨于極限而破碎的潮水暴漲現(xiàn)象，存在于世界上的許多河口地區(qū)[1]，如英國的塞文河、巴西的亞馬遜河、我國的錢塘江河口以及長江口北支。涌潮形成必須滿足2個條件：一是喇叭形河勢和水下沙坎，它是涌潮形成的必要條件；二是潮流速大于潮波速，它是涌潮形成的充分條件[2]。潮波進入河口由于喇叭形河勢的過水斷面向上游逐漸減小，沿程向上的潮流流速隨過水斷面減小而增大；水下沙坎使水深變淺，上溯的潮波隨水深變淺而傳速減小，使得潮波在傳播途中發(fā)生強烈變形，水位和流速發(fā)生突躍[3]。大潮的特點是潮位低(水深淺)、漲潮流速快、進潮量大、動力強，促使潮位驟漲，導致潮波傳速小而潮流速大，涌潮都出現(xiàn)在大潮低潮后的始漲期。北支涌潮的成因是其既具有喇叭形河勢，也有水下淺灘，兩者同使潮波變形，導致涌潮的形成。近年來北支河槽束狹，水深淤淺是促使涌潮增強的主要原因[4]。

劉文虎等[5]在錢塘江河口觀測到波狀涌潮，水位升高最大幅度為1.37 m；謝東風等[6]通過理論分析及實測資料對比認為影響錢塘江河口涌潮傳播速度的主要因素包括下游潮差、河道地形及徑流流量。潘存鴻等[7-8]基于二維數(shù)學模型研究了錢塘江涌潮對泥沙輸移及鹽水入侵的影響；黃靜等[9]在水槽試驗中復演出與實測資料匹配良好的涌潮形態(tài)。上述成果表明目前借助現(xiàn)場觀測、理論分析、數(shù)值模擬及室內(nèi)試驗等多種方法已對涌潮進行了許多工作，并取得了較大進展。

本文研究區(qū)域為長江口北支河段。20世紀40年代以來，長江北支上口分流比逐漸減少，形成以大新港最窄向下游展寬的喇叭形河勢，同時在永隆沙一帶發(fā)育了水下沙坎，永隆沙出現(xiàn)了涌潮[4]。以后隨著北支上段圍墾加劇，江面束狹，河槽進一步萎縮，北支口徑流分流繼續(xù)減小，涌潮出現(xiàn)在靈甸港與祟頭之間，80年代以后，涌潮的活動范圍擴大，從三和港直至北支上口；進入90年代，由于好角沙和靈甸沙圈圍,大新港成為北支喇叭口的頂點，涌潮基本上出現(xiàn)在青龍港附近，涌潮出現(xiàn)頻次和潮頭高度增大；近幾年，隨著北支中下段縮窄圈圍工程的實施，涌潮多出現(xiàn)在崇海汽渡上游淺灘、青龍港上游淺灘處，靈甸沙尾部也有明顯的涌潮。本文通過現(xiàn)場觀測的方法分析北支涌潮過程，觀測手段包括自記潮位儀采集潮位數(shù)據(jù)、人工岸邊觀測潮頭、拋設浮標觀測流速以及快艇迎潮頭(潮頭追快艇)等形式，通過分析總結(jié)得出北支涌潮的現(xiàn)狀特性。

2 研究河段概況

北支是長江出海的一級汊道，西起崇明島頭，東至連興港，全長約83 km，流經(jīng)上海市崇明縣、江蘇省海門市和啟東市，河道平面形態(tài)彎曲，彎頂在大洪河至大新河之間，彎曲系數(shù)在1.19左右，彎頂上下河道均較順直，最窄處已由原先的青龍港附近下移至廟港上游800 m處，寬約1.6 km。在1984—2016年近32 a間，北支岸線外移幅度較大，北支的平面形態(tài)已由過去的沿程展寬縮窄成為現(xiàn)在的上、中段為不同寬度的均勻直段，中間由寬度均勻的彎段連接，下段則為展寬段。

根據(jù)河道形態(tài)和水動力特性，北支可以分為上、中、下3個河段：崇頭—青龍港為上段，屬涌潮消能段；青龍港—頭興港(啟東港上游1.4 km)為中段，是北支河寬明顯縮窄的涌潮河段，灘槽交替多變；頭興港—連興港為下段，是典型的喇叭型河口。20世紀50年代以來，北支左右兩岸實施了大范圍的岸線整治工程，淺灘區(qū)域逐漸圈圍成陸，灘涂圈圍引起北支河段河勢及河床變化，河床演變總體以淤積為主，河道過水斷面面積明顯減小。由于河槽容積和過水斷面面積減少，河段內(nèi)潮水位有所抬高[10-11]。

3 資料來源與方法

為研究長江口北支河段近期涌潮情況，根據(jù)河段地形特點及涌潮現(xiàn)場調(diào)查情況，2016年10月在北支河段北支進口、牛棚港、新躍沙淺灘上游側(cè)、新躍沙淺灘下游側(cè)、崇海汽渡上游、靈甸沙尾部、新村沙北側(cè)、崇頭、靈甸港、青龍港、青龍港上游淺灘共布置了11處臨時潮位站(編號分別為SW1—SW11，其中牛棚港、靈甸港2站未能收集到有效數(shù)據(jù))，臨時潮位站潮位觀測采用壓力式自記水位儀，自記水位儀每隔1 s記錄一個數(shù)據(jù)。在臨近漲潮時將測流浮標拋設在新躍沙淺灘(大洪河閘對岸北支彎道)淺水區(qū)，施測漲潮時潮頭推進至該淺水區(qū)域時的流速。為了解潮頭水流挾沙能力，在岸邊青龍港上游、大洪河閘下、崇海汽渡上游和江中間新躍沙淺灘下游側(cè)、崇海汽渡上游對潮頭水流取樣。北支涌潮監(jiān)測布置情況見圖1。利用自記潮位計采集潮位數(shù)據(jù)的同時，在啟東港、燈桿港、靈甸港、崇海汽渡上游、大洪河閘下游側(cè)、青龍港、青龍港上游(牛棚港對岸)岸上布置觀測點進行人工觀測，記錄發(fā)現(xiàn)明顯涌潮現(xiàn)象的時間。自靈甸沙尾部潮頭出現(xiàn)時，采用乘快艇迎潮頭(潮頭追快艇)的形式進行觀測，拍攝潮頭初生地及向上游推進時的現(xiàn)場影像資料，掌握涌潮生成、增強、衰弱及消失的大概位置，并初步了解南支、北支漲潮流交匯區(qū)域。

圖1 北支涌潮監(jiān)測布置Fig.1 Arrangement of monitoring tidal bore in the north branch of Yangtze River estuary

4 結(jié)果分析

4.1 水動力條件

近年來上游徑流進入北支的比例減少，潮汐作用相應增強，北支逐漸演變?yōu)闈q潮流占優(yōu)勢的河道。目前洪季漲潮分流比在10%左右，洪季落潮分流比在4%左右；枯季漲潮分流比在7%左右，枯季落潮分流比在3%左右。漲潮分流比明顯大于同期落潮分流比。2002年9月22—30日北支、北港、南港的同步水文測驗資料顯示，當時北支的戤滧港斷面進潮量占長江口總進潮量的25%左右。近年，北支下口連興港、北港、南港3個斷面開展的水文測驗資料顯示，北支的納潮量約占整個長江口納潮量的27%，小潮時比例甚至超過30%，表明北支的進潮量仍很大[10-11]。

4.2 涌潮分析

沿北支向上游，沿程各潮位站漲潮歷時逐漸縮短，青龍港附近漲潮歷時最短，在2 h左右；潮差逐漸增大，青龍港站大潮期間平均漲潮潮差4.22 m；隨著河道逐漸縮窄，漲潮潮位過程線的前坡變陡，后坡變緩。從圖2漲潮開始一段時間潮位過程線可以看出，崇頭—新村沙河段，大潮的漲潮期存在水位陡漲現(xiàn)象，崇海汽渡上游SW5站(圖2(d))、青龍港上游淺灘處SW11站(圖2(i))在漲潮初期過程線呈“直角”形態(tài)，其余各站潮位在上漲一段時間后加速上漲。

經(jīng)現(xiàn)場觀測，在靈甸沙包(圖3(a))、崇海汽渡上游(圖3(b))、新躍沙彎道上游(圖3(c))、青龍港上游淺灘(圖3(d))可見明顯潮頭。為掌握不同河段漲潮特點和涌潮潮頭高度，統(tǒng)計了不同潮位站漲潮過程中漲速最快時段的潮位漲幅及相應漲率，見表1。30 s內(nèi)潮位漲幅最大的為SW5，為0.74 m，相應60 s內(nèi)潮位漲幅為0.86 m；其次為SW11，30 s內(nèi)潮位漲幅為0.63 m，相應60 s內(nèi)潮位漲幅也為0.86 m。SW5與SW11兩站潮位起漲時，潮位過程線幾乎呈“直角”，在幾十秒內(nèi)潮位有較大漲幅，這與涌潮發(fā)生時潮位變化過程相吻合。其余各站在潮位緩慢上漲一段時間后，會出現(xiàn)短時潮位加速上漲的過程。以潮位過程線數(shù)據(jù)推求涌潮高度通常采用起潮后30 s水位與潮前水位相減。據(jù)此推算，汽渡上游淺灘處的涌潮高度大約為0.74 m，青龍港上游淺灘處的涌潮高度大約為0.63 m。人工觀測在靈甸沙尾部有明顯的涌潮，但潮位過程未能反映出，可能與潮位站布設的位置有關。在靈甸沙尾站布設潮位站的位置最低潮時水深為1.08 m，可能水深較大，不利于涌潮的產(chǎn)生。與已有關于北支涌潮潮頭高度的歷史研究成果(1997年8月晝潮在青龍港觀測到的潮頭高度0.78 m，在永隆沙觀測到的潮頭高度1.11 m)相比，本次觀測潮頭高度略有減?。?016 年漲潮潮差最大時間出現(xiàn)在9月份，可認為9月份時潮頭高度應大于本次觀測值。另外，涌潮主要發(fā)生在淺灘區(qū)域，深水區(qū)域則不明顯，從淺水區(qū)到深水區(qū)，潮頭高度逐漸減小，并趨于消失。

4.3 北支涌潮的種類、形態(tài)和特點分析

已有研究表明，北支涌潮按強度可分為低頭潮、一線潮和回頭潮3種[3]。低頭潮：潮頭低，高度僅10～30 cm，無破裂；一線潮：潮頭高30 cm 以上，多破碎；回頭潮：是由一線潮傳至北支上口，傳播方向與長江主泓接近正交，遭反射而回頭。

目前，北支涌潮依然存在著低頭潮、一線潮及回頭潮現(xiàn)象。據(jù)現(xiàn)場觀測，一線潮主要分布在靈甸沙(圖3(a))至崇海汽渡上游淺灘(圖3(b))；而回頭潮則出現(xiàn)在崇頭至新躍沙彎道，即北支彎道以上河段。從潮位過程線分析，崇頭至新躍沙淺灘彎道段潮位上漲過程中，存在潮位略微下探，爾后又繼續(xù)加速上漲的現(xiàn)象(圖2(b))，可能是受回頭潮影響。新村沙北(圖2(f))也存在潮位下探現(xiàn)象，但它與新躍沙上游不同，新村沙北是由于剛開始漲潮時，漲潮速度快，遇到上游中間靈甸沙包受阻，水位涌高，表現(xiàn)出潮位加速上漲，隨著潮水沿靈甸沙包兩側(cè)上行，水位有一個回落的過程，經(jīng)過調(diào)整后，繼續(xù)上漲。當涌潮潮波由北支進入長江南支，與南支主流的漲潮潮波相遇，反射回的潮波進入北支所致。回頭潮波到達崇頭站(圖2(g))的時間大概在漲潮后1 min 21 s，崇頭站在緩慢漲潮一段時間后出現(xiàn)加速上漲，30 s內(nèi)上漲30 cm，以后又逐漸趨緩。到達青龍港站的時間大概在漲潮后1 min 56 s，到達新躍沙彎道上游站的時間大概在漲潮后2 min 13 s，回頭潮最遠能影響到新躍沙淺灘彎道附近。從新躍沙彎道上游站(圖2(b))的潮位過程線可知，該處受2次回頭潮影響，漲潮后約0.5 h，受大洪河閘一側(cè)彎道反射潮波影響，存在第一次回頭潮現(xiàn)象。

圖2 不同潮位站水位過程線Fig.2 Water level hydrograph at different stations

圖3 涌潮情景Fig.3 Tidal bore at different locations

站名時刻30 s潮位變幅/m30 s 漲率/(cm·s-1)60 s潮位變幅/m60 s漲率/(cm·s-1)漲潮潮差/m最小水深/mSW82016-10-17T11:340.351.200.410.704.015.51SW12016-10-16T10:440.291.001.101.803.660.12SW112016-10-17T11:040.632.100.861.404.340.18SW102016-10-17T10:550.060.200.280.504.300.55SW32016-10-17T10:480.311.000.591.004.310.30SW42016-10-17T10:380.210.700.430.704.660.58SW52016-10-17T10:160.742.500.861.404.851.00SW62016-10-17T09:570.170.600.530.904.961.08SW72016-10-17T09:490.371.200.731.204.980.80

4.4 涌潮含沙量分析

歷年資料分析，北支上口門含沙量較小，沿程逐漸增大，至紅陽港—三條港之間達到最大，然后逐漸減小，口外最小。垂線平均含沙量最大值均出現(xiàn)在洪季大潮期，洪季漲、落潮分別為4.87 kg/m3和9.19 kg/m3，均出現(xiàn)在三條港[10]。北支中上段含沙量超過下段最大含沙量而出現(xiàn)峰值，主要是涌潮掀沙的作用。

為了解潮頭水流挾沙能力，在青龍港上游、大洪河閘下、崇海汽渡上游的岸邊和用快艇在江中間的新躍沙淺灘下游側(cè)、崇海汽渡上游對潮頭水流取樣，崇海汽渡上游岸邊漲潮后1 h取樣，共取得5瓶水樣。經(jīng)分析，青龍港上游靠岸邊潮頭含沙量9.81 kg/m3、大洪河閘下漲潮開始時靠岸邊含沙量8.17 kg/m3、崇海汽渡上游靠岸邊漲潮后1 h含沙量4.86 kg/m3、新躍沙淺灘下游側(cè)江中間漲潮開始時的含沙量7.92 kg/m3、崇海汽渡上游江中間潮頭含沙量10.5 kg/m3。漲潮初期，潮頭含沙量較大，淺灘區(qū)域含沙量要高于深水區(qū)，青龍港上游潮頭含沙量達9.81 kg/m3，崇海汽渡上游岸邊漲潮后1 h含沙量則已顯著降低。

4.5 涌潮流速分析

北支河段洪季漲潮流速從下游向上游逐漸增加，至紅陽港達到最大，到青龍港略有減小，抵北支上口又有增加。北支垂線平均流速最大值、漲落潮洪季分別為2.63 m/s(北支口)和2.41 m/s(青龍港)[10]。

為了解潮頭出現(xiàn)時流速大小，在臨近漲潮時將測流浮標(B6 EQ-BID型)拋設在新躍沙淺灘(大洪河閘對岸北支彎道)淺水區(qū)，實測漲潮時潮頭推進至該淺水區(qū)域時的流速。利用浮標采集的位置及時間數(shù)據(jù)，計算出其漂流速度即為水體表層流速。經(jīng)計算，漲潮初期，新躍沙淺灘彎道處水流流速約為2.6 m/s，達到北支河段歷史觀測到的最大流速。

5 結(jié) 論

(1)涌潮的形成與特定的地形條件密不可分，涌潮主要發(fā)生在淺灘區(qū)域，深水區(qū)域則不明顯，從淺水區(qū)到深水區(qū)，潮頭高度逐漸減小，并趨于消失。青龍港上游淺灘及崇海汽渡上游在漲潮初期可明顯觀測到涌潮現(xiàn)象。

(2)北支涌潮仍然存在著一線潮現(xiàn)象，主要分布在靈甸沙至崇海汽渡上游淺灘。

(3)崇海汽渡上游淺灘處的涌潮高度約為0.74 m，青龍港上游淺灘處的涌潮高度約為0.63 m。2016年漲潮潮差最大時間出現(xiàn)在9 月份，可認為9月份潮頭高度應大于本次觀測值。