河口、海湾断面与潮量关系的一致性及其应用

韩曾萃,朱宝土,唐子文

(浙江省水利河口研究院,浙江 杭州 310020)

1 问题的提出

浙江省有众多的淤泥质海湾 (非国际海洋公约法中定义的海湾)深入陆地20～40 km。海湾周围被山体环绕,水动力以潮流作用为主,风浪作用较小,潮差从湾口向内增大,最大潮差可达8～9 m,为我国最大潮差岸段之一。湾内有丰富的土地、港口和水产资源。由于湾内有堵港、围涂、建码头、航道及上游建库等人类活动,在一定程度上改变了湾内的水动力条件。预测这些人类活动对湾内水动力、断面面积、水深条件的变化是这些工程立项的前期研究课题。

研究上述问题的方法之一为:以水动力、泥沙运动学为主要手段的水动力学方法,其中外文献浩如烟海,数不胜举。该方法优点是从力学机理出发,概念明确,比较严格,但它难以完全模拟水动力及泥沙运动与床底长历时相互交换、反馈的全过程,且计算中有误差累积的问题。另一种方法(即本文采用的方法)是地貌与水动力相结合的经验统计法。河床演变学中常用的河相关系法即是其中之一。它利用河床断面特征(面积、河宽、水深)与造床流量 (可根据逐日径流进行统计计算)、含沙量等因子建立经验的相关关系。

国内外对潮汐通道形态的研究,如M.P.O′Brien[1]在1969年提出的美国西部砂质海岸的关系式:A=C·Pn(其中C、n为常数,A为平均海平面时断面面积;P为潮量)。此后Jarrett,J.T[2]在1976年对美国东、西海岸的100多个海湾的资料中进行分析得到类似的关系,但C、n值略有变化。我国学者高抒[3]在1988年对我国东海11个海湾通道资料进行了统计后得到以下关系式:

其中A为平均海平面下湾口断面面积,P为平均大潮潮差下的纳潮量,且利用五万分之一比尺的海图得到 P=RS(R为平均大潮潮差,S为大潮平均潮位时的海湾面积),计算十分方便,也有一定精度。曹沛奎等[4]也对浙闽的众多海湾进行了类似的研究,取得了一些有用的成果。

已有研究对海湾通道的断面特性与潮量建立了定量关系,但也存在以下值得改进之处:首先它仅是海湾口门某一断面的关系,未能推广到海湾内部任意断面,这就局限了它的适用性;其次,动力因素中只考虑潮量,而对影响断面大小的泥沙特性(含沙量)未涉及;第三,它未包括径流以及径流在年内的丰、枯变化,虽然海湾的动力以潮量占绝大部分,但径流的作用并不能忽视;第四,河口与海湾在本质上有许多—致的地方,如果能将两者的断面大小与动力特性用统一的公式概括,将会大大扩展学术上和应用上的价值。本文正是从这一宗旨出发,对以上问题进行深入的探讨。

2 河口、海湾断面关系的一致性验证

本文涉及的海湾断面不再局限于湾口某处一个断面,而是湾内的任意断面面积与动力(包括潮量、含沙量、涨落潮历时、径流量)的关系。可以借用河流、河口已有的研究成果进行探讨。窦国仁[5]用落潮流量 (含径流、涨潮潮量、落潮历时及落潮含沙量等因素)将河流的河相关系扩展到河口,文献[6]用十余条河口的口门、中段及末端断面面积、河宽、水深与相应断面落潮流量、落潮含沙量建立经验统计关系:

其中 A、B、H分别为多年平均潮位下的过水面积(m2)、河宽 (m)、水深(m)。其中Qe=(Wf+QOT)/Te,式中 Qe、Se、Te分别为平均落潮流量、平均落潮含沙量和平均落潮流历时(与高潮位到低潮位的历时有差别)。Wf为平均潮差的涨潮潮量(m3),QO为多年平均径流量(m3/s),T为1个潮周历时(即12 h 25 min)。由于海湾的各断面宽度、水深受边界如地质、地貌等因素影响变化很大,但其过水面积主要受动力泥沙条件的影响,可以自动调整。为此,本文主要以(2-a)式对海湾内多个断面进行验证。

由于湾口与湾顶的潮位、潮差不同,甚至湾口南、北岸水位亦不同,为提高精度,不再简单用P=R·S计算潮量,为了与文献[6]中公式保持一致性,在确定 A、Qe、Se等参数的定量时,考虑到大、中、小潮时的参数值都不相同,因此必须严格用二维平面潮波方程(可以考虑上游径流的来量大小)经过大、中、小潮(6～10个潮以上)的水位及垂线潮流速、流向验证后,再通过长年潮位站的潮差频率计算建立潮差、潮量相关线后,选定50%频率的潮差来确定Wf并计算Qe值。Se也是用多次、多点、不同季节观测值确定的,而断面面积A是用与测流期同步的万分之一地形图量测而确定。限于篇幅,其全部水动力(潮位、潮流速、潮量等)验证和计算本文一律从略,而直接采用相关文献提供经严格验证合格的成果和数据。

2.1 象山港的验证[7]

象山港集雨面积1 455 km2,水面面积562 km2,水陆面积之比为1∶1.58,象山港的平面形态及沿程任意选取的5个断面位置见图1所示,采用式(2-a)验证结果如表1。

图1 象山港平面位置及断面示意图

表1 象山港各断面面积的验证

由表1知,如用式(2-a)最大误差16.7%,平均误差10.5%。

2.2 三门湾的验证[8]

三门湾的集雨面积3 160 km2,水面面积775 km2,水陆面积之比为1∶3。落潮历时由口门处的6 h:15 min逐步缩短到湾顶的6 h:05 min,平均潮差由口门3.50 m,逐步增大到湾顶处的4.35 m。大潮潮差又比平均潮潮差大1.20 m,图2为其断面位置示意图,断面与潮量验算见表2。

图2 三门湾断面位置示意图

由表2知,用式 (2-a)计算最大误差29%,平均误差12.4%。

表2 三门湾各断面面积关系式验证计算

2.3 乐清湾的验证[9]

乐清湾的集雨面积为1 470 km2,水面面积463 km,陆水面积之比为1∶2.17,湾内潮差大于湾口,但含沙量则是湾内小于湾口,落潮历时由口门的6 h:10 min向湾内递减为5 h:50 min。用2003年的实测水文资料,经验证后得到4个典型断面的平均潮流量、落潮流量、含沙量及断面面积,如图3和表3所示。

由表3知,用式(2-a)计算最大误差 9.4%,平均7.2%。

图3 乐清湾断面位置、形态示意图

表3 乐清湾断面潮量验证表

2.4 杭州湾断面验证[10]

杭州湾是河口湾,或称为三角江型的河口,其集雨面积为55 558 km2,水面面积5 500 km2,水陆面积之比为1∶10。由于杭州湾口门处的南北水位相差1.26 m,口门与湾顶潮差相差2.68～4.0 m,且落潮潮流历时也差1 h:40 min～1 h:00,又因上游治江围涂,断面潮量都发生了较大变化。因此用2003年的最新地形图及水文资料进行了重新的验证和统计,特别是断面落潮含沙量,经大量测点资料统计取得。统计的潮汐特征值如表4,数模计算水域上下边界及断面位置见图4。图5为口门及湾顶2个断面实测及数模计算的潮差～潮量关系曲线。由图知点群还是比较集中,数模与实测点群是一致的,详情从略。表5是5个断面面积与潮量验证的结果。

图4 杭州湾测流点位、断面及数模边界图

图5 2个断面实测及数模的潮差～潮量关系图

表4 杭州湾典型站潮汐特征值表

表5 杭州湾各断面面积与潮量验证的结果表

由表5可知,用式 (2-a)计算最大误差为15.2%,平均误差8.0%。

综合以上4个海湾25个断面,用式(2-a)计算的平均误差为9.6%,可基本满足生产的要求,结果见图6。

图6 式(2-a)计算与实测断面面积比较图

3 应用和讨论

3.1 应 用

对式 (2-a)的自变量 Qe、Se进行全微与并整理后得下式:

通常含沙量变化幅度较小(除研究年内季节变化,大小潮变化外),故式(3)通常情况下可简化为:

式(3′)的含义表示为人类活动改变了落潮流量(或总落潮潮量、落潮历时)、落潮含沙量,则同时会造成过水断面的变化,其宏观的、平衡的定量关系可用式 (3′)预测。

例1:钱塘江河口澉浦以上从1967年至2005年,由于治江、围涂其平均潮量发生了较大的变化,为此利用1956—1960年 (代表治江前)和2001—2005年的平均潮差、潮量、断面面积,进行形澉浦断面实测与按式(3′)进行验证计算,结果见表6。

例2:三门湾近20 a由于流域内堵港如大塘港车岙港、胡陈港、毛屿港、一市港等合计港域水面面积39.6 km2,相应潮量 (平均潮差4 m)1.6亿m3,三门湾围垦高低不同滩涂295 km2,相当减少平均潮量2.4亿m3。2项合计减少总潮量4.0亿m3。它们对湾内的几个主要断面的潮量与断面面积必然有反映。表6列出实测断面面积的变化率与按(3′)式计算面积变化率。

表6 人类活动后断面变化率的验证表

由表6知,由于杭州湾有多年资料,数据较准,成果较准。三门湾历史资料相对较少,故数据欠准,但用式(3′)计算值与实测断面积基本接近,误差较小。因此可知,用此方法可以在宏观上预测人类活动对断面面积的变化。

3.2 河口、海湾断面面积与动力关系一致性的讨论

对于浙江省的绝大部分海湾的断面面积与潮汐动力特征的关系,与河口的河相关系为何表现出如此地一致性,这可以从以下几方面予以解释。

3.2.1 起动流速

将式(2-a)修改后可得

一般 Se=0.08～2.15 则Se0.22=0.7～1.20

Qe=(0.1～20)×104则Qe0.1=2～3.4m3/s

从而可以代入式(4),得到:

此值即为一般粉砂质床沙(d50=0.01～0.04 mm)在水深为2～10m的起动流速变化范围,这说明达到平衡断面时的临界起动流速的范围,浙江省的河口及海湾其河床质起动流速都在此值的范围以内,故河口、海湾的断面面积与潮量的关系具有一致性。

3.2.2 物理化学环境

按Prichard对河口的定义“河口是一个与外海自由连通的半封闭海岸水体,其中海水可以量测出被陆地径流冲淡[11],这个定义海湾也完全适合,所以在美国的许多大河口海湾如Chesapeake Bay都是当作最典型的河口进行研究的。南美州的拉普拉塔 (Rio de Plata)河口的口门宽为200 km,也当作典型的三角江河口进行研究[12]。河口与海湾的许多物理、化学、生物特征并无本质差别,只是径流所占比重不同。

3.3 径流对海湾的维持作用不可忽略

随着人类活动的频繁和工程建设后对河口、海湾断面形态影响的加大,径流对维持河口断面形态的重要性已越来越被科技工作者所重视,并加以研究。永宁江在长潭水库建库后引走90%径流而引起库下游江道逐步淤积消亡就是其中典型的工程实例。文献 [6]已有论述,径流在海湾潮量中的比重可以不到0.1%,但它的存在并不能忽视,因为海湾涨潮输沙是由外口向内输送,到湾顶流速由大变小,为饱和输沙,而落潮由湾顶向外,流速由小到大,为未饱和输沙,全潮过程中泥沙以净输入为主,断面表现为淤积。汛期短时期集中的径流或山洪下泄将湾内淤积泥沙冲出湾外,以维持海湾内断面的年内冲淤平衡。当湾内建水库后,洪水径流减少或拦蓄,径流集中冲刷作用大幅度减少,湾内已淤积的泥沙不能向口外带出,湾顶开始累积性淤积,长年累月会使湾顶淤积,地形反馈后潮量进一步减少,最终影响到整个湾内潮量的减少和淤积的发展。文献 [13]对此已有初步计算,系统的研究留待另文讨论。

[1]O′Brien,M.P.Estuary tidal prism related to Entrance areas[J].Civil Engr.I,1931(8):738-739.

[2]Jarrett.J.T.Tidal Prism-inlet area Relationships GITI Rep.3USCE,1976.

[3]高抒.东海沿岸潮汐河道的P—A关系 [J].海洋科学,,1988(1):15-19.

[4]曹沛奎.浙闽游泥质港湾潮波对湖滩沉积影响的研究[R].上海:华东师范大学河口海岸研究所,1994.

[5]窦国仁.平原冲积河流及潮汐河口的河床形态 [J].水利学报,1964(2):1-13.

[6]韩曾萃,符宁平,徐有成.河口河相关系及其受人类活动的影响 [J].水利水运工程学报,2001(1):30-37.

[7]黄世昌,谢亚力.浙江宁波强蛟电厂厂址及航道定性分析[R].杭州:浙江省水利河口研究院 ,2006.

[8]谢亚力.宁海下洋涂围垦工程环境影响评价报告 [R].杭州:浙江省水利河口研究院,2006.

[9]赵鑫,倪勇强.乐清电厂岸滩稳定分析专题研究 [R].杭州:浙江省水利河口研究院,2003.

[10]史英标,鲁海燕.钱塘江河口综合规划——数学模型专题[R].杭州:浙江省水利河口研究院,2002.

[11]D.W.Pritchard.What is Estuary—From Point of Physics[M].Duff edit.Estuaries.Washington,D.C,1998.

[12]钱宁,张仁,周志德.河床演变学 [M].北京:科学出版社,1987.

[13]唐子文,黄世昌.健跳港上游引水时河床冲淤影响的数值模拟分析 [J].海洋学研究,2007(1):23-33.