輻射沙洲海域潮汐不對稱對岸線變化的響應(yīng)

錢 沛 ，馮 曦 ，馮衛(wèi)兵 ，張 蔚

(1. 海岸災(zāi)害及防護教育部重點實驗室(河海大學(xué))，江蘇 南京 210098；2. 河海大學(xué) 港口海岸與近海工程學(xué)院，江蘇 南京 210098)

潮汐不對稱是指漲落潮歷時之間的差異，其成因是潮波自外海向近岸傳播時，水深、徑流等因素使得潮波能量發(fā)生消減，進而導(dǎo)致潮波變形。這種變形對泥沙運動、地形變化及物質(zhì)遷移有著重要影響。在半日潮海區(qū)，外海對稱的M2分潮波與其在近岸產(chǎn)生的M4，M6等倍潮波疊加后發(fā)生變形，呈現(xiàn)不對稱形式[1-2]。通常用振幅比（M4/M2）描述潮波變形程度，用相對相位（2M2- M4）描述不對稱特性[3-4]。Friedrichs等[5]利用上述指標(biāo)對河口的潮汐和潮流不對稱現(xiàn)象作了定量研究。Blanton等[6]在研究不同類型河口時增加了對M6分潮的分析。在全日潮海區(qū)，K1，O1等分潮取代M2，M4等分潮在潮汐運動中占主要作用，半日潮海區(qū)的研究方法不再適用。Ranasinghe等[7]采用概率分布和頻譜方法研究了K1，O1，M2和M4分潮間的能量遷移。Elgar等[8-9]利用統(tǒng)計學(xué)中的“偏度”和“不對稱度”對潮汐和潮流不對稱現(xiàn)象進行了研究。Song等[10]基于Nidzieko的研究，進一步闡明了潮汐不對稱的計算方法，并對全球多個站的潮汐不對稱性進行了研究。童朝鋒等[11]基于偏度和復(fù)分析方法，對海南紅塘灣的潮汐不對稱現(xiàn)象做了研究。李誼純[12]基于偏度的概念，探討了潮流不對稱與推移質(zhì)泥沙凈輸運的關(guān)系。

江蘇省海岸線長，水動力條件復(fù)雜，近幾十年來，輻射沙洲區(qū)域的大規(guī)模圍墾深刻改變了該區(qū)域的地形和岸線，海岸線的向海延伸也勢必會給輻射沙洲區(qū)域水動力特性帶來影響。針對輻射沙洲海域圍墾對該海域水動力環(huán)境的影響，一些學(xué)者做了相關(guān)研究。陳可鋒等[13]基于歷史資料研究了江蘇海岸的演變過程并復(fù)現(xiàn)了不同時期海岸線的位置，同時通過對南黃海區(qū)域數(shù)值模擬發(fā)現(xiàn)該區(qū)域岸線變化對潮波影響巨大，潮汐振幅的最大變化值發(fā)生在輻射沙洲海域；張弛等[14]以探討江蘇近海圍墾工程對周圍水動力特性的影響為研究目標(biāo)，對技術(shù)路線及預(yù)期成果作了具體闡述；張長寬等[15]探討了潮灘的大規(guī)模開發(fā)利用對近岸水動力條件及生態(tài)環(huán)境的影響，同時提出了相應(yīng)的環(huán)境保護措施；劉曉東等[16]基于環(huán)境流體力學(xué)代碼EFDC對條子泥圍墾前后潮流場進行了三維數(shù)值模擬并探討了圍墾對周邊海域水動力環(huán)境的影響；張松等[17]采用大小網(wǎng)格嵌套的二維數(shù)值模型，探討了江蘇輻射沙洲海域圍墾前后潮流及懸沙特性的變化。

綜上所述，目前針對輻射沙洲區(qū)域岸線變化導(dǎo)致的周邊海域水動力環(huán)境變化的研究主要集中在圍墾前后潮位和潮流場的變化，對該海域岸線變化對潮汐不對稱的影響特征分析尚待進一步研究。

圖 1 站點分布及網(wǎng)格劃分Fig. 1 Distribution of stations and mesh generation

1 數(shù)據(jù)和方法

采用Delft3D模型系統(tǒng)（版本：4.03.01），該模型采用了貼體的正交曲線網(wǎng)格，相較于矩形網(wǎng)格能更平滑地描述河口海岸邊界，減小離散誤差；在垂向上采用σ坐標(biāo)，能夠較好地擬合復(fù)雜的海底地形。

本文模擬范圍東西橫跨 119°～123°E，南北覆蓋 31°～37°N，囊括了整個中國南黃海區(qū)域（圖 1），該區(qū)域東部有一段兩端接岸的弧形海洋開邊界，為了提高模擬精準(zhǔn)度，將其細分為19段，其余的北、西和南邊界都為陸地邊界?？紤]到外海區(qū)域工程建設(shè)少、水深測圖較少且資料更新慢的特點，盡可能多地搜集了外海水深資料，并利用ETOPO全球地形數(shù)據(jù)集進行補充，在近岸地區(qū)則分別采用1984年及2014年前后的實測水深數(shù)據(jù)，初始水深地形如圖1(a)所示。模型采用曲線正交網(wǎng)格，為了更好地擬合南黃海海域復(fù)雜的海岸線邊界和海底地形，對近岸區(qū)域的網(wǎng)格進行了加密，網(wǎng)格分辨率由海向岸增大，最高網(wǎng)格分辨率為500 m，最低為4.5 km，共有45 539個網(wǎng)格節(jié)點，垂向上設(shè)置1個σ層，模型的時間步長為60 s。采用潮位控制驅(qū)動模型，計算時給定開邊界不同節(jié)點處的潮位值，節(jié)點處的潮位值可由日本潮汐預(yù)報軟件NAOTIDE獲得并插值代入模型進行計算。該潮汐預(yù)報軟件同化了T/P衛(wèi)星高度計和東亞地區(qū)沿岸驗潮站觀測資料，精度較高。模型采用冷啟動方式，假設(shè)開始時海洋是靜止的，初始條件為在所有計算節(jié)點上的水位值都為0，因此預(yù)留了2個月的冷啟動的加速時間，以避免由于冷啟動和靜止假設(shè)帶來的誤差，模型每隔1 h輸出1個數(shù)據(jù)。

輻射沙洲海域岸線在1984—2014年間變遷較為劇烈，因此選擇2個典型時期（1984年和2014年）的岸線作為研究對象，且均利用2013年11月1日至2014年12月31日的潮位數(shù)據(jù)作為開邊界條件。其中2014年的岸線數(shù)據(jù)可從Google Earth Pro中較為準(zhǔn)確地提取，但該軟件提供的1984年岸線并不清晰，故從美國地質(zhì)勘查局USGS的網(wǎng)站(https://earthexplorer.usgs.gov)上選取Landsat 4-5 TM C1 Level-1 數(shù)據(jù)集，并篩除了云量較多的圖片，最終選取6張衛(wèi)圖，WRS2坐標(biāo)下的Path（條帶號）自北向南分別為119，119，120，120，119 和 118，對應(yīng)的 Row（行編號）分別為 34，35，35，36，37 和 38，最后將帶有坐標(biāo)信息的衛(wèi)圖導(dǎo)入到Google Earth Pro中，形成圖像疊加層覆蓋原先不清晰的區(qū)域，并提取圖片中的岸線坐標(biāo)信息。

2 模型驗證

2.1 潮位驗證

本文盡可能地收集了多個潮位站的潮位數(shù)據(jù)，這些測站由北向南覆蓋了大部分南黃海的海岸線，測站位置如圖1所示，從北至南依次為連云港、響水、大豐、洋口港、蠣蚜山，其中洋口港的實測資料來自中心站，其余4個測站由河海大學(xué)建立。考慮到輻射沙洲海域2014年和2016年的岸線基本一致，本文分別利用河海大學(xué)各測站2014年的潮位數(shù)據(jù)，和洋口港2016年的數(shù)據(jù)進行模型的驗證。同時對輻射沙洲海域的蠣蚜山站增加1組2007年的潮位驗證，與流速驗證保持時間同步。

將江蘇沿海5個測站的水位數(shù)據(jù)與模型輸出結(jié)果進行比對（圖2），比對時間段為2007年1月1日至2007年1月19日、2014年2月11日至2014年3月1日及2016年2月11日至2016年3月1日。結(jié)果顯示除連云港大潮期間模擬值偏大外，其余測站相位擬合很好，潮位相關(guān)系數(shù)均較高，其中蠣蚜山潮位相關(guān)系數(shù)最低，為0.97，其他測站均接近于1。

圖 2 潮位驗證Fig. 2 Tidal level verification

2.2 潮流驗證

本文還對潮流流速進行了驗證。鑒于只有2007年1月相關(guān)測站冬季水文流速觀測資料（數(shù)據(jù)資料來源于FENG[18]），流速測站的位置如圖1(b)所示，模擬時間段為2006年6月1日至2007年1月31日，并提取2007年1月的流速資料進行驗證（圖3）。其中Y12，Y13，R23三個測站為大潮時期（2007年1月4日）流速，流速較大；Y9，R20，R24三個測站為小潮時期（2007年1月11日）流速，流速較小。從圖3中可以看出，6個測站的流速流向均模擬較好。

圖 3 潮流驗證Fig. 3 Validation of tidal current velocity

3 結(jié)果與討論

3.1 潮汐變形和不對稱空間分布特征

輻射沙洲海域?qū)儆诎肴粘焙^(qū)，由此可引入Friedrichs和Aubrey[19]定義的M4/M2振幅比和2M2-M4相對相位參數(shù)：

通過對潮汐分潮進行相關(guān)運算，得到如圖4所示的輻射沙洲海域基于1984年和2014年海岸線的潮汐分潮振幅比和分潮相位差的空間分布。如圖4(a)，整個輻射沙洲海域的分潮振幅比較大，經(jīng)統(tǒng)計分析，86%以上區(qū)域的分潮振幅比均超過0.01的標(biāo)準(zhǔn)，說明輻射沙洲海域中潮波發(fā)生了顯著變形，具有M2相對較弱或M4相對較強的特點。同時從分潮振幅比的空間分布情況不難看出，岸線變化前，輻射沙洲近岸地區(qū)的潮波發(fā)生了嚴重變形，這種現(xiàn)象在弶港北部近海水域尤為明顯，某些地區(qū)振幅比甚至達到0.9，相對來說，弶港南部近海水域發(fā)生嚴重變形的潮波區(qū)域范圍就小得多，這可能和弶港北部近岸地區(qū)灘涂分布廣泛有關(guān)。此外，在這些潮波變形劇烈的地區(qū)，分潮振幅比呈現(xiàn)出交錯分布的態(tài)勢，這也與輻射沙洲海域復(fù)雜多變的地形特征相吻合。近幾十年的人類圍墾活動使得該海域岸線不斷向海推進，尤以弶港及其北部地區(qū)為最，如圖4(b)所示。整體上來看，該海域的潮波變形仍很顯著，局部來看，近岸地區(qū)的潮波變形程度在岸線變化前后發(fā)生了明顯的變化。在弶港及其北部近岸區(qū)域，除了灣口部分仍有較大的振幅比存在，其余部分的振幅比均小于0.1，在弶港南部近岸區(qū)域仍有較大的振幅比出現(xiàn)，但其范圍相對岸線變化之前有所減小，這主要是該區(qū)域圍墾活動相對較少導(dǎo)致的。

圖 4 1984和2014岸線情況下分潮振幅比和相位差分布Fig. 4 Amplitude ratio and phase difference distribution of tidal components under 1984 and 2014 coastline conditions

本文除給出分潮相關(guān)參數(shù)的空間分布情況，還進一步分析給出了縱向分潮流振幅比和相位差分布，如圖5所示?？紤]到潮波變形一般是相對于波形而言的，所以潮位振幅比更能反應(yīng)潮波變形的程度，而分潮流振幅比反映的是流速過程曲線的變形程度，其對泥沙等物質(zhì)的輸運過程有某種程度的影響[19]。由圖5(a)和(b)可見，分潮流振幅比的分布與上述分潮振幅比的分布差別較大，且其分布與輻射沙洲地形較為貼合，水深淺的地方，分潮流振幅比相對較大，說明分潮流振幅比的分布與水下地形密切相關(guān)。漲潮占優(yōu)的不對稱性使?jié)q潮時輸沙量大于落潮時輸沙量，使懸沙向上游輸送[20]，結(jié)合輻射沙洲頂部沖刷和根部淤積的趨勢，可推測泥沙是由振幅比相對小的外海凈輸運至振幅比相對大的近岸，最終數(shù)值上趨于一致，達到一種動態(tài)平衡。對比岸線變化前后的分潮流振幅比分布圖可以發(fā)現(xiàn)，隨著岸線的向海侵入，近岸出現(xiàn)較大振幅比的區(qū)域逐漸消退，但爛沙洋通道附近某沙脊的振幅比不降反升，且有明顯的接岸趨勢，說明未來不短的時間內(nèi)仍有大量的泥沙輸運至該區(qū)域，這對于后續(xù)的圍墾活動有一定的參考價值。

分潮振幅比主要反映潮波變形的程度，而相位差可以反映不對稱特性。圖4(c)和圖4(d)反映了岸線變化前后分潮相位差的分布情況。該海域大部分區(qū)域的分潮相位差分布在0°～180°，表明該海域漲潮歷時小于落潮歷時，注意到東南部分區(qū)域分潮相位差在180°～360°，并在岸線變化前后有較大區(qū)別，可能是該處復(fù)雜的地形條件導(dǎo)致了這一現(xiàn)象，但總體上來看，輻射沙洲海域的漲潮歷時小于落潮歷時。圖5(c)和(d)反映了岸線變化前后分潮流相位差的分布情況。岸線變化前，近岸區(qū)域相位差分布在0°～90°，說明該區(qū)域漲潮流速大于落潮流速，同時可以發(fā)現(xiàn)該區(qū)域分潮相位差分布在0°～180°，表明漲潮歷時短于落潮歷時，依據(jù)前文的判別標(biāo)準(zhǔn)，該區(qū)域?qū)儆跐q潮占優(yōu)型。岸線變化后，近岸區(qū)域漲潮流速大于落潮流速的現(xiàn)象不是很明顯，甚至出現(xiàn)了相反的情況。淺灘處的分潮流相位差分布在270°～90°，漲潮流速大于落潮流速，而深槽中的分潮流相位差分布在120°～180°，落潮流速大于漲潮流速。同時還可以發(fā)現(xiàn)，岸線的變化導(dǎo)致漲潮流速大于落潮流速的區(qū)域有所增加，表明該海域漲潮占優(yōu)的特性越發(fā)顯著。

圖 5 1984和2014岸線情況下縱向分潮流振幅比和相位差分布Fig. 5 Amplitude ratio and phase difference distribution of the longitudinal velocity of tidal components in 1984 and 2014

3.2 潮汐通道相關(guān)分析

輻射沙洲主要受東海前進潮波和黃海旋轉(zhuǎn)潮波兩系統(tǒng)輻聚的影響，輻射沙脊群南翼爛沙洋水道及北翼西洋水道的相關(guān)變化在一定程度上反映東海前進波與黃海旋轉(zhuǎn)潮波的相關(guān)變化特征。選取爛沙洋及西洋水道各自沿程10個點進行分析，具體位置如圖1(c)所示。圖6展示了岸線變化前爛沙洋及西洋水道大、小潮期間各點的水位歷時曲線，可以發(fā)現(xiàn)爛沙洋水道潮差自西向東遞減，西洋水道潮差自南向北遞減，這可能是靠近輻射沙洲根部的區(qū)域水深較小，遠離根部的區(qū)域水深較大導(dǎo)致的。同時可以發(fā)現(xiàn)無論是大潮還是小潮時期，各水道漲落潮潮高都有著一定的不對稱性。大潮期間，爛沙洋水道相鄰兩個低潮之間的日不等性較為明顯，而相鄰兩個高潮之間的日不等性很不明顯，西洋水道相鄰兩個低潮和高潮之間的日不等性均較為明顯；小潮期間，各水道高、低潮的日不等性均有所增加。

為了量化漲落潮潮高的不對稱性，分別統(tǒng)計了爛沙洋及西洋水道各自10個點處大、小潮期間的各類潮高差，由圖7可以發(fā)現(xiàn)岸線變化對爛沙洋水道潮高不對稱性的沿程變化趨勢影響不大，但對數(shù)值上的影響較大。岸線變化后，大潮期間的潮高不對稱性受到較大影響，高潮與低低潮之間的潮高差有所減小且越往外海減小的趨勢越不明顯，高潮與高低潮之間的潮高差有所增加且越往外海增加的趨勢越不明顯。相對來說，岸線變化對小潮期間的潮高不對稱性的影響較弱，無論是近岸還是外海處的點，潮高差的變化幅度都較小。由圖8可以發(fā)現(xiàn)，岸線變化對西洋水道沿程各點潮高不對稱性的影響較弱，無論是大潮還是小潮期間，潮高差的沿程變化趨勢及數(shù)值大小均無明顯變化。

圖 6 爛沙洋水道和西洋水道大小潮期間各點的水位歷時曲線Fig. 6 Water level diachronic curve at each point in the Lanshayang and Xiyang channels during spring and neap tides

圖 7 爛沙洋水道各點各類潮高差Fig. 7 Difference of tidal height in the Lanshayang channel

圖 8 西洋水道各點各類潮高差Fig. 8 Difference of tidal height in the Xiyang channel

上面較為詳細地闡述了岸線變化對爛沙洋及西洋水道各自沿程10個點處的潮高不對稱性產(chǎn)生的影響，下面進一步對這些位置處的漲落潮歷時不對稱性開展研究，采用Song等[10]偏度統(tǒng)計的方法對其進行分析，這種方法不僅能量化潮汐不對稱性而且能給出造成這種不對稱性的主要分潮組合：

由圖9 (a)可以發(fā)現(xiàn)，爛沙洋水道沿程偏度自近岸向海由正逐漸轉(zhuǎn)為負，相應(yīng)地，潮汐不對稱性由漲潮占優(yōu)轉(zhuǎn)為落潮占優(yōu)，并且越往外海偏度減小的趨勢越不明顯。岸線的變化導(dǎo)致1和2號點的偏度有所減小，其余點的偏度有所增加，分界點大致在3號點處。同時經(jīng)分析，岸線變化前后，造成該通道沿程潮汐不對稱的主要分潮組合始終為MS4/M2/S2。由圖9 (b)可以發(fā)現(xiàn)，西洋水道偏度自南向北呈現(xiàn)出先減小后增加的趨勢，且始終為正值，說明西洋水道的潮汐不對稱表現(xiàn)為漲潮占優(yōu)。岸線變化使西洋水道各點的偏度均有所增加，漲潮占優(yōu)的特性越發(fā)顯著。岸線變化前，M2/O1/K1是造成4～7號點潮汐不對稱的主要分潮組合，而MS4/M2/S2對剩余點的潮汐不對稱貢獻最大；岸線變化后，MS4/M2/S2成為造成全部點潮汐不對稱的主要分潮組合。

圖 9 爛沙洋水道和西洋水道偏度沿程變化Fig. 9 Changes of skewness along the Lanshayang and Xiyang channels

4 結(jié) 語

基于Delft3D模型系統(tǒng)模擬了南黃海輻射沙洲海域的潮汐狀況，并與實測潮位流速數(shù)據(jù)進行比較驗證，確保模型結(jié)果的可靠性。在此基礎(chǔ)上，采用振幅比和相位差的概念對輻射沙洲海域的潮汐不對稱進行了研究，分析了爛沙洋與西洋水道的潮高不對稱性及基于偏度概念的漲落潮歷時不對稱性。

研究表明，輻射沙洲海域分潮振幅比較大，潮波變形顯著，且弶港北部近海水域較南部水域變形明顯。近岸地區(qū)的分潮振幅比在岸線變化后明顯減小，但總體上該海域的潮波變形仍然很顯著；分潮流振幅比的分布與水下地形密切相關(guān)，對泥沙等物質(zhì)的輸運過程有一定程度的影響，泥沙是由分潮流振幅比相對小的外海輸運至振幅比相對大的近岸；總體來看輻射沙洲海域漲潮歷時小于落潮歷時，淺灘處的漲潮流速大于落潮流速，而深槽處的漲潮流速小于落潮流速，岸線的變化使得該海域漲潮占優(yōu)的特性越發(fā)顯著。

爛沙洋、西洋水道的漲落潮潮高不對稱性各有特點，大潮期間，爛沙洋水道相鄰兩個低潮之間的日不等性較為明顯，而相鄰兩個高潮之間的日不等性很不明顯，西洋水道相鄰兩個低潮和高潮之間的日不等性均較為明顯，小潮期間，各水道高、低潮的日不等性均有所增加。

爛沙洋水道大潮期潮高不對稱受岸線變化影響較大，小潮期潮高不對稱受岸線變化影響較弱，西洋水道大、小潮期潮高不對稱受岸線變化影響均較弱；爛沙洋水道沿程由漲潮占優(yōu)轉(zhuǎn)為落潮占優(yōu)，且越往外海偏度減小的趨勢越不明顯，大部分點處的偏度在岸線變化后有所增加，造成該通道沿程潮汐不對稱的主要分潮組合為MS4/M2/S2，西洋水道沿程始終呈漲潮占優(yōu)，偏度自南向北先減小后增加，岸線變化使西洋水道各點偏度均有所增加，造成水道中間部分潮汐不對稱的主要分潮組合由岸線變化前的M2/O1/K1轉(zhuǎn)為岸線變化后的MS4/M2/S2。

綜上，岸線變化對傳入輻射沙洲南部水域的東海前進波的影響：大潮期漲落潮潮高不對稱性在岸線變化前后差別大，偏度在岸線變化后有略微增加。岸線變化對傳入輻射沙洲北部水域的黃海旋轉(zhuǎn)潮波的影響：偏度在岸線變化后增加明顯，造成潮汐不對稱的主要分潮組合可能發(fā)生改變。