连云港附近海域潮汐与潮流特征分析

黄卫明,王维华,章卫胜,张金善

(1.宁波港建设开发公司,浙江 宁波 315000;2.江苏省赣榆县水利局,江苏 赣榆 222100;3.南京水利科学研究院,江苏 南京 210024)

潮流和波浪是塑造海岸地貌形态、促进海岸演变的主要动力因素[1].。江苏海岸从古黄河夺淮入海到黄河北归渤海数百年的变迁正是在复杂动力作用下泥沙运动引起地貌冲淤演变的结果。因此,研究动力特征可以为研究泥沙运动、岸滩演变提供基础条件,不仅可以加深对海岸发展规律的认识,也为海岸资源的合理开发利用,海湾与河口地区港口建设、航道开发以及海岸工程等提供科学依据。

图1 连云港及两翼海域地形图

连云港及两翼海域海岸线北自绣针河口南至灌河口,岸线全长162 km,包括海州湾大部、连云港基岩岸线海岸和废黄河三角洲北翼的灌河口以西部分。连云港近海海床自西向东缓倾,是江苏沿海深水靠岸相对较近的岸段(见图1),拥有目前江苏沿海唯一的大型深水港口。根据港口和海岸工程建设的需要,近10多a来在连云港及附近海域进行了多次大范围的水文测验,为认识海域的动力泥沙环境提供了宝贵的现场资料,如1997年连云港核电海域夏季水文测验(江苏省水文水资源勘测局)、2004年连云湾 (即连云港老港区)水文测验 (国家海洋局上海海洋环境监测中心站)、2005年9月与2006年1月连云港及两翼海域夏冬季水文测验 (长江水利委员会水文局长江下游水文水资源勘测局)。本文主要通过对几次现场实测潮汐、潮流资料的分析,探讨连云港海域潮汐与潮流的特征。

1 潮波运动特征

连云港海域的潮波来自于太平洋前进潮波,进入东海以后,潮波几乎以平顶的形式传入黄海;首先在西部遇到山东半岛的阻挡而反射,相互叠加形成废黄河口外海的左旋旋转潮波系统[2].,连云港及其南、北侧海域的潮波运动正处于该旋转潮波系统的控制之下。受旋转性质的影响,海州湾的潮波由北向南推进,潮差分布则由无潮点向四周递增,海州湾顶较两端大(见图2)。

图2 黄海M2分潮分布图

2 潮汐特征

根据连云港1965—1991年潮位资料统计,连云港海域平均潮差约3.4m。

从连云港海域2005年9月3—10日共8 d的实测资料来看,潮位由北边的岚山头先涨,逐渐向南,最高潮位出现的时间岚山头、海头镇及秦山岛(见图1)相差不大,连云港供油码头和小丁港的站高潮位迟后0.5 h,燕尾港站高潮位迟后1 h,翻身河闸下站高潮位迟后1 h。各站最低潮位间隔时间基本与高潮间隔时间一致(见图3)[3].,与前面提到的M2分潮潮波的传播过程是一致的。

从最高潮位的高低比较看,测验期间,潮位由北向南减小,与山东半岛对潮波的反射作用有关;但燕尾港潮位受河口地形影响,相对较高。翻身河闸下站受开闸放水影响,水位有时抬高(见表1)。海域潮差以海头镇、连云港供油站、小丁港相对较大,往北岚山头稍小,往南燕尾港和翻身河闸下逐渐减小。平均潮差岚山头3.74 m,海头镇3.76m,连云港供油站3.72m,小丁港3.81m,燕尾港3.50 m,翻身河闸下2.42m。平均潮差的分布与距离M2分潮无潮点距离和局部地形有关。

图3 潮位站实测潮位过程线图

测验期间各水位站1个全日潮从低潮到低潮历时24.2～25.0 h,各测站涨潮历时小于落潮历时,相差1.33～2.50 h。相对而言,燕尾港受径流影响,翻身河闸下受放水影响,涨落潮历时差异最明显;其它站位涨落潮历时相差1.50 h左右,且海头镇涨潮历时最短,落潮历时最长(见表2),与海头镇海域水深小且潮波传播距离长有关。

表1 2005年9月连云港海域实测特征潮位和潮差值表 m

表2 2005年9月连云港海域实测涨、落潮历时表h

3 潮流特征

3.1 潮流与潮位相位关系

潮汐和潮流是潮波运动的2个方面,潮波运动在垂直方向上表现为潮位的升降,而在水平方向上表现为潮流的进退。潮汐升降和潮流进退是海水质点在潮波传播过程中能量传递和转换的结果[4].。

从潮位和潮流的相位关系可以进一步认识潮波的性质。一般海域的潮波多表现为前进驻波,即潮位和潮流的相位不一致,二者相差0～90°。图4为现场部分测点垂线平均流速与水位、水深过程关系图,点位见图4。可以看出,海州湾的1#、2#和4#测点潮流与潮位基本相差90°,表现为较强的驻波性质;连云港海域6#、7#、8#测点则表现较多的前进波性质,二者相位几乎一致;灌河口12#及南部的17#测点二者相位关系则相差近90°,体现驻波的性质。

3.2 潮流椭圆特性

表3为2005年9月夏季测点的潮流椭圆特征值表。由表3可以看出:①各测点潮流以半日分潮占绝对优势,其中尤其以M2分潮为主;连云港北翼振幅为19～45 cm,南翼为26～79 cm;南翼大于北翼,且往南有逐渐增加趋势;②整个海域除个别测点外,绝大部分测点 (WO1+WK1)/WM2在0.50以下,属于规则半日潮流,2005年夏季的11#测点受径流影响,比值达 0.70。各测点WM4/WM2基本在0.10～0.35,浅海分潮流作用明显。因此,海域潮流基本属于规则半日浅海潮流性质;③北翼海域M2分潮的椭圆率在0.02～0.58,南翼海域在0.22～0.77。连云港老航道附近椭圆率大,越往两侧椭圆率越小;近岸附近椭圆率小于外海。椭圆率量值大表示海域旋转流性质强,小则表示往复流性质强。由于半日分潮椭圆率基本为正值,所以海域潮流沿逆时针方向旋转。

图4 潮流与水深过程线图

表3 2005年9月夏季实测潮流椭圆特征值表

3.3 流速平面分布

根据2005年9月和2006年1月连云港及其附近海域 (图5a、b,表4)和 2004年 6—7月连云湾海域水文观测资料[3,5-7].,连云港附近海域的潮流特征表现为如下几个方面:

(1)连云港北翼的海州湾及其外围以往复流为主,潮流主流向为SW—NE(以1#、2#、3#、4#、5#、16#垂线为代表),与鲁南岸线走向一致;灌河口以西的连云港南翼海域旋转流特征明显,主流向自西向东由SW—NE逐渐过渡到 SE—NW(6#、7#、8#、9#、10#、12#、13#、14#垂线);到灌河口以东转变为主流向SE—NW的往复流(17#垂线),与废黄河三角洲北翼岸线走向一致;

(2)海区流速变化较大,除河口和港池口门测点外,开敞水域的流速大小表现为自西向东逐渐增大。海州湾外各测点大潮涨落潮期间垂线平均流速的最大值均在0.60m/s以下;小丁港对面的14#、7#、15#测点的也仅为0.40～0.60m/s;埒子口外增大到0.60～0.80m/s;灌河口外的12#和13#测点为0.80～0.90m/s,灌河口以东的17#测点尽管水深较浅(理论基面-5 m),但涨落潮垂线平均最大流速均可达1.20m/s左右。

(3)灌河口以西各测点涨、落潮最大流速一般分别出现在高、低潮位前2 h左右;但灌河口及其以东的3个测点(12#、13#、17#)涨落潮最大流速均出现在高、低潮位前3 h左右,且均为往复流特征较为明显的SE—NW流。

(4)夏季测量 (2005年9月)结果显示,大部分测点涨潮最大流速大于落潮最大流速,只有2#、5#、8#测点落潮最大流速略大于涨潮最大流速,且大潮和中潮具有相同的结果;冬季测量(2006年1月)结果则显示,所有测点的涨潮最大流速均大于落潮最大流速。

(5)灌河口两侧潮流特征差异明显,即自灌河口向东由旋转流过渡到往复流,潮流主轴向由SW—NE向过渡到SE—NW向,潮流流速显著增大。

(6)老港区潮流为往复流,涨潮流进入口门后,随着湾域展宽潮流转为NW向,主体朝着西大堤边滩流动;落潮流主体基本沿着涨潮流路返回,到达湾口水域后主要在入海航道以北流向外海。港内流速相对较弱,大潮最大流速0.17～0.72m/s,平均流速 0.17～0.43 m/s,口门流速大于湾底流速。

此外,通过数值模拟方法得到海域整体流场,通过建立连云港及两翼海域平面二维潮流数学模型并对现场实测资料进行验证对研究海域的潮流运动进行了模拟[8].,图6为模拟得到的整体海域涨落潮流态图。可以看出,受黄海旋转潮波系统影响,海州湾海域的潮流大体上呈逆时针方向旋转。在海州湾北部海域,外海潮流基本沿NE—SW方向运动,即与鲁南岸线基本平行;连云港南翼海域,从外海向近岸涨潮流的方向变化较大:由外海的SW走向转为S向,在灌河口南部转为沿岸的SE向。在大体趋势上,海州湾以北和灌河口以东以沿岸的往复流运动为主,两者中间海域以旋转流为主,其中海州湾内和小丁港附近海域潮流主轴方向为离向岸方向,连云港老航道海域主流向不明显。

图5 实测潮流矢量图

表4 夏季大潮 (2005年9月)实测流速统计表 m/s

图6 连云港及两翼海域涨、落潮流场图 (数学模型结果[8].)

3.4 流速垂线分布

连云港海域除灌河口和连云湾湾口外,各测点分层流速时间相位较为一致,一般最大流速出现在表层或次表层,底层流速最小;各层流向较为一致。灌河口测点,由于受到径流影响,在涨落潮初期,表、底层流向不尽一致。连云湾湾口受局部地形影响,流速流向相对复杂。其中湾口断面A3站大潮平均流速为中层小、表底层大,其余2站的涨潮平均流速和落潮平均流速均为表层大、中层次之、底层最小,自表至底趋于减小;湾内断面涨、落潮流速的垂向变化视测站所在的部位而异,B2站位于航道的转折部位,落潮时流向大致与出海航道段的走向一致,下层落潮水体受到航道落潮流的牵引作用较大,故该站的落潮流速呈现为下层大、上层小;B3站位于西大堤边滩前缘的中部,落潮流指向航道,在落水归槽的效应下,也使底层的落潮流速增大;而B4站位处近湾顶的航道旁,因接近航道终端部位,流速小,其垂向变化的规律不明显,大潮时上下层流速较一致,小潮时涨潮流速为上层大、下层小。

4 余流特征

表5为测量结果的余流值表。从表5中可以看出,除灌河口和老港区港池内部分测点外,海域的余流不到10 cm/s。灌河口受径流影响,余流相对较大,且均指向外海;老港区港池内测点由于受局部地形和工程影响,余流稍大,且流向分散。

从余流分布来看,实测期间海州湾外海余流主要指向西北,近岸余流指向东南,形成一个逆时针方向回旋。连云港南翼海域余流整体上以西北向为主。大部分测点冬夏季,大中潮余流方向较为一致。由于现场余流受多种因素影响,分析结果主要代表实测期间结果。然而,对比连云港海域的泥沙输移方向[9].可以看出近岸的余流与泥沙的输移趋势相近,但这方面的结论还需要更多的实测资料和进一步的研究证实。

表5 连云港海域实测余流表 (2005年9月和2006年1月实测资料)

5 结 论

本文通过对现场实测潮位、潮流资料进行分析,从潮位特征、潮位与流速关系、流速平面分布、垂线分布以及余流等角度对连云港海域的潮汐与潮流特征进行了探讨。得到以下主要结论:

(1)连云港海域潮汐主要受废黄河口旋转潮波影响,潮汐为正规半日潮。潮位由北边的岚山头先涨、逐渐向南,且高潮位由北向南逐渐降低。海域潮差以海头镇、连云港供油站和小丁港相对较大,往北岚山头稍小,往南燕尾港和翻身河闸下逐渐减小。海域涨潮历时小于落潮历时,除径流影响外,一般相差1.5 h左右,海头镇涨潮历时最短,落潮历时最长。

(2)连云港北翼的海州湾测点潮流与潮位基本相差90°,表现为较强的驻波性质;老港区附近海域测点则表现为前进波性质,二者相位几乎一致;灌河口及南部测点二者相位关系相差近90°,体现驻波的性质。

(3)海域潮流属于规则半日浅海潮流性质。海州湾北部和灌河口以南海域潮流基本以往复流性质为主,椭圆率较小;其中海州湾北部潮流的主流向为NE—SW,而灌河口往南的水域主流向呈NW—SE向。连云港老港区外海潮流旋转流性质强,椭圆率较大。海域潮流的旋转方向为逆时针方向。

(4)海区流速变化较大,除河口和港池口门测点外,开敞水域的流速大小表现为自西向东逐渐增大。海州湾海域北部平均流速较小,大潮涨落潮平均流速在0.20～0.55 m/s,而灌河口以南海域潮流动力较强,大潮涨落潮平均流速接近1.00m/s,其中灌河口受径流和地形边界影响,流速更大。

(5)除灌河口和连云湾湾口外,连云港海域各测点分层流速时间相位较为一致,一般最大流速出现在表层或次表层,底层流速最小;各层流向较为一致。

(6)除灌河口和老港区港池内部分测点外,海域的余流不到10 cm/s。实测期间,海州湾外海余流主要指向西北,近岸余流指向东南,形成一个逆时针方向回旋;连云港南翼海域余流整体上以西北向为主;大部分测点冬夏季,大中潮余流方向较为一致。

[1].刘家驹.海岸泥沙运动研究与应用[M]..北京:海洋出版社,2009.

[2].林珲,闾国年,宋志尧,等.东中国海潮波系统与海岸演变模拟研究[M]..北京:科学出版社,2000.

[3].蒋建平,常太平.连云港新港区初步可行性研究现场水文测量技术报告 [R]..南京:长江水利委员会水文局长江下游水文水资源勘测局,2005.

[4].陈宗镛.海洋科学概论[M]..青岛:青岛海洋大学出版社,1990.

[5].蒋建平,常太平.连云港新港区初步可行性研究现场冬季水文测验技术报告[R]..南京:长江水利委员会水文局长江下游水文水资源勘测局,2006.

[6].周根元,侯军,杨华,等.2004年连云海湾、外航道、西墅湾水文测验报告[R]..上海:国家海洋局上海海洋环境监测中心站,2005.

[7].周根元,侯军,杨华,等.连云港自然条件基础资料整编[R]..上海:国家海洋局上海海洋环境监测中心站,2005.

[8].张金善,章卫胜,高正荣.连云港港 30万吨级航道一期工程潮流泥沙数模研究报告[R]..南京:南京水利科学研究院,2009.

[9].王宝灿,虞志英,刘苍宇,等.海州湾岸滩演变过程和泥沙流动向 [C].//连云港回淤研究论文集.南京:河海大学出版社,1990.