東吾洋特大橋海域氣象及水文動(dòng)力條件分析

■肖 宇

（福建省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)院有限公司，福州 350004）

1 工程概況

東吾洋特大橋位于霞浦縣東沖半島蝦山島至東安島牛梁崗之間（圖1），橋梁全長2250 m，其中，通航孔橋采用（100+2×180+100）m 的矮塔斜拉橋方案，非通航孔采用90 m 鋼混組合梁和50 m 預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁方案[1]。東吾洋特大橋所處的三沙灣海域?yàn)橐豢谛「勾蟮陌敕忾]型海灣，四周陸域地貌以低山丘陵為主，海拔高度一般小于500 m。工程海域岸線蜿蜒曲折，由山地基巖海岸、臺地海岸、砂質(zhì)海岸、淤泥海岸和人工海岸組成。灣內(nèi)海底地形崎嶇不平，灣中有可航水道、暗礁、島嶼和淺灘。

圖1 工程位置示意圖

林航[2]根據(jù)三沙灣內(nèi)實(shí)測潮位資料，分析了福建三沙灣的潮汐特征，表明三沙灣潮汐性質(zhì)屬于正規(guī)半日潮，潮汐日不等現(xiàn)象明顯，潮差從灣口向?yàn)稠斞爻讨鸩竭f增；林建偉等[3]運(yùn)用二維水動(dòng)力數(shù)值模型，對三沙灣潮流場進(jìn)行模擬，表明三沙灣內(nèi)潮流為往復(fù)流，且受地形影響明顯；孔俊等[4]建立一種新的淺水方程數(shù)值模式，并用于三沙灣三都島附近潮流模擬計(jì)算；葉海桃等[5]根據(jù)三沙灣多年實(shí)測潮位資料和2 個(gè)臨時(shí)潮位站的實(shí)測資料，計(jì)算了納潮量、海水的平均交換率和海水半更換期；官寶聰?shù)萚6]根據(jù)三都澳地區(qū)的自然地理?xiàng)l件和地質(zhì)地貌狀況，將三都澳沿岸的主要海洋災(zāi)害類型分為海洋氣象災(zāi)害（臺風(fēng)風(fēng)暴潮）、生物災(zāi)害（赤潮）和地質(zhì)災(zāi)害（海岸侵蝕、山體滑坡與崩塌）等3 種類型；張午等[7]以三沙灣海域環(huán)境為研究對象，基于驗(yàn)證的MIKE21中的HD 和MT 模型，計(jì)算分析漁港工程建設(shè)對東吾洋海域潮流場和泥沙場的影響；濮鳴鋒[8]首先通過建立東吾洋附近海域潮流數(shù)值模型，在驗(yàn)證良好的基礎(chǔ)上，考慮油類在水中行為及歸宿，進(jìn)一步進(jìn)行溢油數(shù)值模擬。綜合上述分析，目前研究主要針對三沙灣內(nèi)的三都澳海域，且集中于潮位、潮流特性方面，缺乏對東吾洋海域氣象條件和鹽度、波浪等水文條件的系統(tǒng)研究。然而，氣溫、降水、相對濕度、風(fēng)等氣象條件直接關(guān)系到橋梁混凝土澆筑與養(yǎng)護(hù)、橋面排水、抗風(fēng)設(shè)計(jì)等；鹽度、含沙量、潮汐、波浪等水文動(dòng)力條件直接關(guān)系到橋梁基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)防腐設(shè)計(jì)、沖刷以及波流力計(jì)算；基于此，本文對東吾洋海域氣象和水文條件展開研究，以期為該海域同類工程提供參考。

2 氣象特征分析

本次氣象特征分析主要依據(jù)工程附近的霞浦氣象站和寧德氣象站的1981—2018 年氣象觀測數(shù)據(jù)，在工程區(qū)大風(fēng)天數(shù)統(tǒng)計(jì)和重現(xiàn)期風(fēng)速推算中還參考了北礵海洋站1964—2015 年長期風(fēng)速資料。

2.1 氣溫

工程區(qū)域氣候溫和，多年平均氣溫約19.2℃，年內(nèi)各月氣溫相差較大（圖2）。其中6—9 月份的月平均氣溫均在25℃以上，12 月至翌年3 月的月平均氣溫保持在10℃左右；7 月氣溫為年內(nèi)最高，多年平均氣溫為28.7℃，平均最高氣溫為32.6℃，平均最低氣溫為25.4℃；1 月氣溫為年內(nèi)最低，平均氣溫為9.9℃，平均最高氣溫為13.5℃，平均最低氣溫為7.4℃。

圖2 霞浦氣象站氣溫逐月變化

2.2 降水

工程區(qū)域?qū)儆谥衼啛釒ШＱ笮约撅L(fēng)氣候，雨量充沛，多年平均年降水量在1434 mm 左右。降水量的年際差別較大，如2006 年降水量達(dá)到2298 mm，而2003 年降水量為771 mm，僅為2006 年的1/3。降水量的年內(nèi)分配也不均勻，從逐月的分布來看（圖3），降水主要集中在5—9 月，該時(shí)段內(nèi)降水量約占全年降水量的61%；10 月至翌年1 月降水較少，月平均降水量基本保持在50 mm 左右。

圖3 霞浦氣象站降水量逐月變化

2.3 風(fēng)

工程地區(qū)冬季以東北風(fēng)為主，夏季則以東南風(fēng)居多。多年平均風(fēng)速為1.6 m/s，最大風(fēng)速為26.1 m/s，常風(fēng)向?yàn)镾E 向，強(qiáng)風(fēng)向?yàn)镋NE 向。通過北礵海洋站多年風(fēng)速觀測資料（10 min 平均風(fēng)速），并訂正至東吾洋特大橋工程區(qū)，得到工程海域不同風(fēng)級大風(fēng)的出現(xiàn)日數(shù)（圖4）。由圖4 可以看出，東吾洋特大橋工程海域6 級及以上大風(fēng)出現(xiàn)天數(shù)約120～160 d，平均為141 d，8 級及以上大風(fēng)天數(shù)平均每年8.4 d。重現(xiàn)期風(fēng)速是工程抗風(fēng)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵參數(shù)，為研究工程區(qū)重現(xiàn)期風(fēng)速，利用北礵海洋站1964—2015 年長期風(fēng)速資料，對測站的風(fēng)速進(jìn)行高度訂正和海陸訂正至工程海域，并采用極值I 型曲線擬合，得到工程附近海面以上10 m 高度處，100 年一遇風(fēng)速（10 min 平均風(fēng)速）為40.8 m/s。

圖4 工程區(qū)不同風(fēng)級大風(fēng)天數(shù)統(tǒng)計(jì)

2.4 相對濕度

工程區(qū)域相對濕度較大，多年平均相對濕度保持在79%左右，各月份之間的月平均相對濕度略有差別。其中，2—8 月的相對濕度較大，相對濕度達(dá)到80%～84%；9 月至翌年1 月為年內(nèi)相對濕度較小的月份，相對濕度在74%～78%。

2.5 臺風(fēng)、風(fēng)暴潮

工程海域?yàn)榕_風(fēng)（或熱帶氣旋）影響次數(shù)較多的地區(qū)，多發(fā)生于每年的7—9 月，臺風(fēng)經(jīng)過本區(qū)時(shí)，將出現(xiàn)短時(shí)大風(fēng)，瞬時(shí)風(fēng)速可達(dá)40 m/s 以上。據(jù)統(tǒng)計(jì)，1948—2018 年影響本地區(qū)的臺風(fēng)共有212 個(gè)[9]，年均約3 個(gè)。2018 年超強(qiáng)臺風(fēng)“瑪莉亞”在連江縣黃岐半島沿海登陸，在臺風(fēng)影響期間，三沙灣內(nèi)的東沖驗(yàn)潮站、城澳驗(yàn)潮站和白馬港驗(yàn)潮站最大風(fēng)暴增水分別為164 cm、180 cm 和148 cm[10]。受臺風(fēng)風(fēng)暴潮和近岸浪的共同影響，霞浦縣多處養(yǎng)殖魚排和基礎(chǔ)設(shè)施受到損壞。

2.6 霧

工程海域霧日多出現(xiàn)于春季（3—5 月），并以4 月為最多。年平均霧日數(shù)為6.2 d，年最多霧日為14 d。

3 水文動(dòng)力條件

為研究工程海域水文動(dòng)力條件變化，2019 年9—10 月在工程海域附近實(shí)施了鹽度、含沙量、潮位、流速等參數(shù)的現(xiàn)場觀測[11]。本次觀測共布置6 個(gè)水文測驗(yàn)點(diǎn)（S1～S6）和2 個(gè)臨時(shí)潮位站（三都澳潮位站、東安島臨時(shí)潮位站），位置如圖5 所示。6 個(gè)水文測驗(yàn)點(diǎn)（S1～S6）觀測了大小潮期間逐時(shí)不同深度的鹽度、含沙量、流速等參數(shù)，2 個(gè)臨時(shí)潮位站觀測了逐時(shí)潮位變化過程。

圖5 水文測驗(yàn)點(diǎn)及臨時(shí)潮位站位置示意圖

3.1 鹽度

根據(jù)對工程海域6 個(gè)測點(diǎn)（S1～S6）的鹽度觀測分析表明，大潮期間平均鹽度為29.9‰，最高鹽度為31.2‰，出現(xiàn)于S1 測站漲潮底層。小潮期間平均鹽度為29.7‰，最高鹽度為31.7‰，出現(xiàn)于S1 測站落潮底層。由此可見大潮期間的鹽度略大于小潮期間。以S1、S4 和S6 測點(diǎn)為例，進(jìn)一步對比鹽度的垂向變化，如圖6 所示。由圖6 可知，隨水深的增加，各測點(diǎn)鹽度均呈增加趨勢，底層的鹽度較表層平均增加2%左右。

圖6 不同測點(diǎn)鹽度沿垂向變化（圖中h 為水深）

3.2 含沙量

工程海域6 個(gè)測點(diǎn)（S1～S6）的含沙量變化如圖7 所示。由圖7 可知，工程區(qū)不同位置以及大小潮期間的含沙量均存在一定差異。其中，最大含沙量為0.210 kg/m3，出現(xiàn)于S5 測站大潮漲潮底層；最小含沙量為0.068 kg/m3，出現(xiàn)于S1 測站小潮漲潮表層。對比各測點(diǎn)大潮和小潮含沙量可知，大潮期間的含沙量均大于小潮期間的含沙量。其中，大潮期間的平均含沙量較小潮期間高10%～20%。

圖7 各測點(diǎn)含沙量對比

3.3 潮汐

（1）潮位

根據(jù)工程區(qū)東安島臨時(shí)潮位站觀測資料分析，工程海域?qū)崪y最高潮位為5.59 m（1985 國家高程基準(zhǔn)面，下同），最低潮位-3.54 m，平均高潮位3.65 m，平均低潮位-1.74 m，最大潮差9.13 m，最小潮差1.34 m，平均潮差5.42 m，平均漲潮歷時(shí)6 h 45 min，平均落潮歷時(shí)5 h 41 min。其中，2019 年9 月7—14 日的潮位過程曲線如圖8 所示。由圖8 可以看出，工程海域一天內(nèi)有2 次高潮和2 次低潮，即屬于半日潮。進(jìn)一步對潮汐調(diào)和常數(shù)計(jì)算分析表明，（HO1+HK1）/HM2值約為0.46，因此嚴(yán)格意義上屬于規(guī)則半日潮。這與林航[2]的研究結(jié)論基本一致。受月球赤緯的變化的影響，工程區(qū)潮位存在日不等現(xiàn)象，即每天的第1 次高潮（低潮）與第2 次高潮（低潮）潮高基本不相等。對比東安島臨時(shí)潮位站與三都澳潮位站同步潮位過程（圖8）可知，兩測站的潮位變化過程基本一致，兩測站潮位具有良好的相關(guān)性。因此，可用三都澳潮位站的長期統(tǒng)計(jì)特征值推算工程區(qū)潮位特征值。根據(jù)東安島臨時(shí)測站與三都澳測站之間高潮位和低潮位相關(guān)關(guān)系，推算得到工程區(qū)100 年一遇設(shè)計(jì)高潮位為5.49 m，設(shè)計(jì)高潮位為3.88 m，設(shè)計(jì)低潮位為-3.06 m，100 年一遇低潮位為-4.51 m。

圖8 東安島測站與三都澳測站同步潮位過程曲線

（2）潮流

根據(jù)潮流觀測資料，經(jīng)調(diào)和分析計(jì)算，各測站不同深度處的潮流類型判數(shù)：F′＝（WK1＋WO1）/WM2和G＝WM4/WM2，見表1。由表1 可知，各測點(diǎn)處的F′值均小于0.5，表明工程海域半日潮流占優(yōu)勢。實(shí)測資料也表明本水域潮流流向和流速具有明顯的半日周期變化特點(diǎn)。此外，各測點(diǎn)垂線平均G 值較大，表明工程海域淺海分潮流較為顯著，在海流分潮所占比重較大。進(jìn)一步對各測點(diǎn)M2 分潮流的橢圓率K值計(jì)算表明，工程海域各測點(diǎn)K 值均遠(yuǎn)小于0.5，故測點(diǎn)呈往復(fù)流運(yùn)動(dòng)形式。

表1 各測站F ′值、G 值和K 值（M2 分潮）統(tǒng)計(jì)

各測點(diǎn)漲落潮實(shí)測最大流速及對應(yīng)的流向見表2。由表2 可知，工程區(qū)實(shí)測最大流速為1.29 m/s，出現(xiàn)于S3 測點(diǎn)漲潮時(shí)期的表層。從各測點(diǎn)流速的垂向變化來看，表層流速略大，隨深度增加流速略有減小，但總體差異不大。從工程區(qū)流速的平面變化來看，S3 測點(diǎn)處流速大于其余各測點(diǎn)，這主要是由S3 測點(diǎn)位于關(guān)門江水道，受地形影響所致。從各測點(diǎn)垂線平均流向變化來看，各測點(diǎn)漲、落潮流路存在一定差異。以大潮垂線平均流速的流向變化為例，漲落潮流路夾角分別為：S1 測點(diǎn)16°、S2測點(diǎn)0°、S3 測點(diǎn)1°、S4 測點(diǎn)28°、S5 測點(diǎn)6°、S6 測點(diǎn)8°。

表2 實(shí)測最大流速及其流向統(tǒng)計(jì)

余流是指剔除了周期性變化的潮流后的一種相對穩(wěn)定的流動(dòng)，其量值雖然不大，但直接指示著水體的運(yùn)移、交換。表3 為各測點(diǎn)余流流速、流向變化。由表3 可知，各測點(diǎn)余流流速整體相對較小，除S3 測點(diǎn)大潮期間余流流速接近15 cm/s 外，其余各測點(diǎn)的余流流速均小于10 cm/s。從余流的流向變化來看，S1 和S3 測點(diǎn)處指向漲潮流方向，S2、S4 和S6 測點(diǎn)處指向落潮流方向，S5 測點(diǎn)處大潮期間指向漲潮流方向，小潮期間指向落潮流方向。

表3 各測點(diǎn)的余流流速、流向

（3）潮位與潮流位相關(guān)系

工程海域流速流向與潮位的位相關(guān)系分析表明，工程海域漲落潮流差異較大，落潮流最大流速出現(xiàn)在最低潮位前3 h，而漲潮流最大流速則出現(xiàn)在最高潮位前3～4 h，轉(zhuǎn)流基本出現(xiàn)在平潮前后。以S1 點(diǎn)處大潮期間的流速流向與位相圖（圖9）為例，落潮流在高平潮（10∶20）后轉(zhuǎn)為落潮流，于3 h 后流速達(dá)到最大（13∶00），繼而逐漸減小，于低潮（16∶30）后轉(zhuǎn)為漲潮流，于4 h 后流速達(dá)到最大（20∶30），隨后逐漸減小，于高平潮后（22∶40）轉(zhuǎn)為落潮流，周而復(fù)始。

圖9 S1 測點(diǎn)處流速流向與潮位的位相圖

3.4 波浪

波浪是東吾洋特大橋工程海域重要的動(dòng)力要素。由于三沙灣口門寬度僅約3 km，外海波浪在口門處被大量耗散；加之工程海域處于三沙灣深處，受灣內(nèi)地形和島嶼掩護(hù)影響，工程海域基本不受外海波浪影響，主要為灣內(nèi)風(fēng)浪。為計(jì)算工程海域設(shè)計(jì)波浪要素，本研究基于緩坡方程，并考慮波能損耗和風(fēng)能輸入，建立了綜合考慮折射、繞射和反射的波浪數(shù)學(xué)模型。圖10 為工程海域不同方向100年一遇高水時(shí)的100 年一遇有效波高H13%的分布情況。由圖10 可知，工程海域100 年一遇設(shè)計(jì)波要素主要受N 和NE 向小風(fēng)區(qū)波浪控制。在N 和NE 向設(shè)計(jì)風(fēng)速作用下，100 年一遇高水位+100 年一遇的有效波高H13%可達(dá)3.0 m。

圖10 100 年一遇高潮位+100 年一遇波浪波高H13%分布

4 結(jié)語

東吾洋特大橋工程海域受地形地貌影響，氣象和水文動(dòng)力條件復(fù)雜。通過收集工程海域氣象和水文站多年資料，分析了工程海域氣溫、降水、風(fēng)、相對濕度、風(fēng)暴潮、霧、鹽度、含沙量、潮位、潮流以及波浪等氣象和水文動(dòng)力條件特征，得到主要結(jié)論如下：（1）工程海域氣候溫和濕潤，降水充沛，臺風(fēng)天氣頻繁，多年平均氣溫約19.2℃，平均年降水量約1434 mm，相對濕度約79%，6 級及以上大風(fēng)天數(shù)平均約為141 d，有影響的臺風(fēng)年平均約3 次；（2）工區(qū)海域平均鹽度約30‰，且底層的鹽度較表層平均增加2%。最大含沙量可達(dá)0.210 kg/m3。工程區(qū)潮汐性質(zhì)為半日潮，潮差較大，潮流為典型往復(fù)流運(yùn)動(dòng)形式，實(shí)測最大流速為1.29 m/s，最大余流為0.146 m/s。工程海域主要受灣內(nèi)風(fēng)浪作用，100 年一遇高水位+100 年一遇的有效波高H13%可達(dá)3.0m。