漳州東山灣附近海域潮汐特性分析

李振云，熊 偉，劉 杰

(1.海南核電有限公司，昌江 572700；2.天津水運(yùn)工程勘察設(shè)計(jì)院有限公司 天津市水運(yùn)工程測繪技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300456)

東山灣位于臺(tái)灣海峽南口西岸的閩南東山、云霄、漳浦三縣之間，海域總面積247.89 km2，其中水域面積155.5 km2，是閩南最大的海灣。該灣三面為山丘環(huán)抱，呈不規(guī)則的梨形伸入陸地，南北長20 km，東西寬約15 km，灣頂有漳江入海。灣口朝南，口門狹窄，寬僅5 km，其間還有塔嶼等大小島嶼屏障，是個(gè)半封閉型的海灣。灣北有梁山擋住北風(fēng)，東以古雷半島為屏障[1]。

2020年，在漳州東山灣及灣外附近海域設(shè)置H1、H2、H3、H4、H5共5個(gè)觀測站，各站示意圖見圖1。按春夏秋冬四季開展潮位觀測工作，每站每季觀測一個(gè)月，觀測基準(zhǔn)采用1985國家高程基準(zhǔn)。本文則基于這次的觀測數(shù)據(jù)，對(duì)東山灣附近海域的潮汐性質(zhì)、潮位特征值、理論最低潮面、平均海平面、余水位等進(jìn)行分析計(jì)算。國內(nèi)很多專家學(xué)者在潮汐調(diào)和分析及其應(yīng)用領(lǐng)域做了大量研究，例如方國洪等學(xué)者對(duì)潮汐運(yùn)動(dòng)原理及分析做了大量研究并取得相應(yīng)成果[2-6]，王冀等學(xué)者對(duì)基準(zhǔn)面計(jì)算、余水位分離、特征值統(tǒng)計(jì)方法等做了大量研究[7-11]，本文基于這些研究成果，對(duì)東山灣附近水域潮汐特征進(jìn)行分析，分析原理與過程不再贅述。

圖1 潮位站布置示意圖Fig.1 Schematic diagram of the layout of the tide stations

1 潮汐調(diào)和分析模型

天文潮位是水位運(yùn)動(dòng)變化的主體， 由若干分潮綜合而成，假設(shè)分潮個(gè)數(shù)為m，則表達(dá)式為

(1)

式中：MSL為平均海平面高度；H為分潮的振幅；σ為分潮角速率；v為分潮的天文初相角；g為分潮的遲角。對(duì)于某一分潮，σ和v可以通過天體運(yùn)動(dòng)推算得到，H和g為分潮調(diào)和常數(shù)，是該分潮在某點(diǎn)振動(dòng)變化的參數(shù)。根據(jù)2020年4月8日～2020年5月8日(春季)、2020年6月11日～2020年7月11日(夏季)、2020年10月1日～2020年11月1日(秋季)、2020年12月25日～2021年1月25(冬季)期間的潮位觀測數(shù)據(jù)(1985國家高程基準(zhǔn))，采用最小二乘法進(jìn)行潮汐調(diào)和分析，得出11個(gè)主要分潮的調(diào)和常數(shù)。

2 潮汐性質(zhì)

潮汐性質(zhì)可分為正規(guī)半日潮和不正規(guī)半日潮、正規(guī)全日潮和不正規(guī)全日潮，潮汐性質(zhì)以主要全日分潮(K1和O1)振幅之和與主要半日分潮的(M2)振幅的比值F(示性系數(shù))來判別。

潮汐示性系數(shù)按下式計(jì)算

(2)

當(dāng)F≤0.5時(shí)為正規(guī)半日潮；

當(dāng)0.5

當(dāng)2.0

當(dāng)4.0

采用式(2)分季節(jié)計(jì)算各站潮汐示性系數(shù)如表1所示，計(jì)算結(jié)果表明：H1站和H2站為不正規(guī)半日潮， H3站和H4站兼具正規(guī)半日潮和不正規(guī)半日潮的特性，H5站為正規(guī)半日潮。

表1 各潮位站每季度潮汐示性系數(shù)Tab.1 The ratio of the stations for each season(K1+O1) to M2

3 潮位特征值

根據(jù)5個(gè)潮位站的四季潮位數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果可知：觀測期間，H1站最高潮位為2.39 m(秋季)，最低潮位為-1.32 m(冬季)，最大潮差為2.98 m(冬季)，最小潮差為0.56 m(春季)，每季度平均漲潮歷時(shí)基本一致，每季度平均落潮歷時(shí)基本一致，漲潮歷時(shí)大于落潮歷時(shí)；H2站最高潮位為2.82 m(秋季)，最低潮位為-1.75 m(冬季)，最大潮差為3.82 m(冬季)，最小潮差為0.92 m(春季)，每季度平均漲潮歷時(shí)基本一致，每季度平均落潮歷時(shí)基本一致，漲潮歷時(shí)大于落潮歷時(shí)；H3站最高潮位為2.97 m(秋季)，最低潮位為-1.86 m(冬季)，最大潮差為4.10 m(秋季)，最小潮差為1.05 m(春季)，每季度平均漲潮歷時(shí)基本一致，每季度平均落潮歷時(shí)基本一致，漲潮歷時(shí)大于落潮歷時(shí)；H4站最高潮位為3.12 m(秋季)，最低潮位為-1.95 m(冬季)，最大潮差為4.32 m(秋季)，最小潮差為1.14 m(春季)，每季度平均漲潮歷時(shí)基本一致，每季度平均落潮歷時(shí)基本一致，漲潮歷時(shí)大于落潮歷時(shí)；H5站最高潮位為3.17 m(秋季)，最低潮位為-2.15 m(冬季)，最大潮差為4.48 m(冬季)，最小潮差為1.25 m(秋季)，每季度平均漲潮歷時(shí)基本一致，每季度平均落潮歷時(shí)基本一致，漲潮歷時(shí)大于落潮歷時(shí)。

根據(jù)各站四季觀測數(shù)據(jù)，計(jì)算每季的月平均海平面， H1站、H2站、H3站、H4站及H5站的各季月平均海平面如表2所示，各站月平均海平面隨季節(jié)變化過程如圖2所示。平均海平面的變化，主要受天文、氣象等因素的影響。由表2和圖2可知，各站月平均海平面基本一致，各站的月平均海平面均為秋季最高。雖然觀測數(shù)據(jù)不是整年連續(xù)觀測數(shù)據(jù)，無法分析逐月平均海平面的變化規(guī)律，但四季月平均海平面變化趨勢(shì)與自然資源部海洋預(yù)警監(jiān)測司發(fā)布的2019年中國海平面公報(bào)中提及的福建沿海月平均海平面變化規(guī)律基本一致[12]。

表2 各站每季度月平均海平面Tab.2 Monthly MSL of the stations for each season m

圖2 各站月平均海平面變化趨勢(shì)圖Fig.2 Trend of the monthly MSL of each station

5 理論最低潮面

采用潮汐調(diào)和分析得到的主要分潮調(diào)和常數(shù)，根據(jù)《水運(yùn)工程測量規(guī)范》(JTS131-2012)[13]附錄F進(jìn)行理論最低潮面的計(jì)算，按四季分別計(jì)算各站理論最低潮面值如表3所示。

表3 各站理論最低潮面值Tab.3 TLT of each station cm

表3數(shù)據(jù)表明：該海域理論最低潮面值呈現(xiàn)從西南沿岸向東北逐漸變大的特性，這與各站最大潮差變化規(guī)律基本一致，其中H1站最小，H5站最大，兩站各季計(jì)算結(jié)果平均相差約70 cm；各季節(jié)計(jì)算結(jié)果相對(duì)穩(wěn)定，沒有出現(xiàn)大的跳動(dòng)，側(cè)面說明了調(diào)和常數(shù)的穩(wěn)定性，其中尤以H1站最為穩(wěn)定，各季計(jì)算結(jié)果基本一致。

對(duì)H1～H5站的余水位進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析[14-15]，可知該海域的5個(gè)潮位觀測站余水位在時(shí)間上呈現(xiàn)短周期波動(dòng)，波動(dòng)幅度及波動(dòng)周期在不同時(shí)期具有不同的特征，在空間上表現(xiàn)為各站余水位變化具有高度相關(guān)性，余水位變化越劇烈，相關(guān)性越強(qiáng)，這種“波動(dòng)幅度大時(shí)相關(guān)強(qiáng)，波動(dòng)幅度小時(shí)相關(guān)弱”特點(diǎn)有效避免了后續(xù)潮位推算中的誤差累積，有利于實(shí)際應(yīng)用。在時(shí)間上表現(xiàn)為春夏季以減水為主，秋季以增水為主，除了受徑流影響外，可能與月平均海平面變化有關(guān)，造成了這樣的統(tǒng)計(jì)值差異表現(xiàn)，各站余水位極值如表4所示。余水位變化表現(xiàn)出的另一個(gè)特點(diǎn)是在劇烈增水或減水后會(huì)有一個(gè)幅度稍小的反彈，這個(gè)特點(diǎn)在余水位變化過程線中也得到了較好體現(xiàn)，各站余水位變化過程線如圖3～圖6所示。從各站余水位的變化過程線可以看出。從該海域余水位特性和變化規(guī)律得出推論：在今后的該海域工程建設(shè)中，建設(shè)少量的潮位觀測站，采用潮汐預(yù)報(bào)和余水位訂正的方式可有效掌握該海域潮位。

表4 各站余水位統(tǒng)計(jì)值Tab.4 Statistics of residual water level of each station cm

圖3 春季余水位變化過程Fig.3 Hydrograph of residual water level in spring圖4 夏季余水位變化過程Fig.4 Hydrograph of residual water level in summer

7 結(jié)論

(1)漳州東山灣附近海域兼具正規(guī)半日潮和不正規(guī)半日潮特性，H1站最高潮位為2.39 m，最低潮位為-1.32 m，最大潮差為2.98 m，最小潮差為0.56 m；H2站最高潮位為2.82 m，最低潮位為-1.75 m，最大潮差為3.82 m，最小潮差為0.92 m；H3站最高潮位為2.97 m，最低潮位為-1.86 m，最大潮差為4.10 m，最小潮差為1.05 m；H4站最高潮位為3.12 m，最低潮位為-1.95 m，最大潮差為4.32 m，最小潮差為1.14 m；H5站最高潮位為3.17 m，最低潮位為-2.15 m，最大潮差為4.48 m，最小潮差為1.25 m。各測站每季度平均漲潮歷時(shí)基本一致，平均落潮歷時(shí)基本一致，漲潮歷時(shí)大于落潮歷時(shí)。

(2)各觀測站每季度的月平均海平面變化趨勢(shì)基本一致，各站的月平均海平面均為秋季最高。各站理論最低潮面值呈現(xiàn)從西南沿岸向東北逐漸變大的特性，與各站最大潮差變化規(guī)律基本一致，各測站每季度計(jì)算結(jié)果相對(duì)穩(wěn)定，計(jì)算結(jié)果未出現(xiàn)大的波動(dòng)，側(cè)面說明了調(diào)和常數(shù)的穩(wěn)定性，其中尤以H1站最為穩(wěn)定，各季計(jì)算結(jié)果基本一致。

(3)漳州東山灣附近海域余水位在時(shí)間上呈現(xiàn)短周期波動(dòng)，波動(dòng)幅度及波動(dòng)周期在不同時(shí)期具有不同的特征，在空間上表現(xiàn)為各站余水位變化具有高度相關(guān)性，余水位變化越劇烈，相關(guān)性越強(qiáng)。在時(shí)間上表現(xiàn)為春夏季以減水為主，秋季以增水為主。從該海域余水位特性和變化規(guī)律得出推論：在今后的該海域工程建設(shè)中，建設(shè)少量的潮位觀測站，采用潮汐預(yù)報(bào)和余水位訂正的方式可有效掌握該海域潮位。