强潮作用下钱塘江河口潮余流特征研究

李若华 唐子文 谢东风

摘要：钱塘江河口是典型的强潮河口，研究其潮余流特征对于深入了解强潮特性及潮汐资源开发利用具有重要意义。采用钱塘江河口枯季大潮期沿程5个站点连续5 d高频次的流速、潮位、水深等观测数据，分析了强潮作用下潮流、水深及余流的时空变化特征，讨论了余流与水深、潮差的关系。结果表明：在强潮作用下，河口下游段水流向陆净输运，余流主要受斯托克斯余流控制;上游段水流向海净输运，余流主要受欧拉余流控制。大潮期前期阶段，向陆输运的余流促使河口段出现蓄潮现象，水深持续增加，后期阶段余流与潮差具有极强的相关性。

关 键 词：

潮余流; 强潮作用; 潮差; 潮周期; 钱塘江河口

中图法分类号： P731.2

文献标志码： A

DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2021.05.002

潮波运动及其伴随的振荡流场是海水最显著的运动形式，而对物质输运起主要作用的则是对振荡流场施行某种平均后的剩余部分，即余流[1]。研究余流对了解潮流区水体交换、污染物输运、咸潮入侵、泥沙运动等具有重要意义[2-4]。陈相铨等[5]采用珠江伶仃洋的海流资料分析得出，余流在夏季指向下游，而在其他季节则指向上游。吴创收等[6]采用实测资料分析了枯季温州瓯飞浅滩的余流特征。杨忠勇等[7]采用实测资料分析表明，长江口南港侧向上河槽表层余流指向河槽南侧，底层余流指向河槽北侧，该余流特征对含沙量的空间分布有一定影响。

强潮河口受外海潮汐影响强烈，潮差大、潮流急，是一类特殊的河口[8]。钱塘江河口是世界上著名的强潮河口，潮强流急，泥沙搬运频繁、咸潮入侵强烈，周边人口众多，区域经济发达[9-10]，因此，研究潮余流特征对深入了解其强潮特性及资源的开发利用具有重要意义。本文采用钱塘江河口大潮期连续5 d高频次的同步潮流、水深等观测资料，在分析潮流、水深变化特征的基础上，论述了沿程各站每个潮周期的余流变化特征，并分析了余流与潮差、潮平均水深的相关关系。

1 研究区域概况

钱塘江河口潮强流急，澉浦站实测最大潮差达9 m[11]，潮汐受M2分潮控制，每日两涨两落。闻家堰-澉浦為钱塘江河口的河口段（见图1），长116 km，水动力受径流和潮汐共同影响，丰水期主要受径流控制，枯水期主要受潮汐控制，澉浦以下为杭州湾，水动力主要受外海潮汐控制。受江道缩窄和河床抬高的影响，潮汐在杭州湾上溯至澉浦后潮波发生严重变形，涨潮时间大幅缩短，落潮时间大幅延长（见表1），例如澉浦站和七堡站的平均涨潮时间分别为5.47 h（5 h 28 min）和1.42 h（1 h 25 min）。钱塘江河口径流由富春江电站控制，多年平均流量为950 m3/s，每年的4～7月为丰水期，径流量占全年70%，其他月份为枯水期。

2 数据及方法

2.1 野外测验

野外测验工作于2007年10月25～30日大潮期进行，分别在澉浦、曹娥江口、盐官、仓前、七堡等5个断面的主流位置（见图1） 进行了定点连续观测，取得了5 d连续的潮位、潮流及水深数据。

观测期间，每个站点固定1条工程测船，采用亚米级差分GPS对工程测船进行定位，每3 h进行位置检测，确保无测点移位发生。采用自记水位仪配合直立水尺进行潮位观测，每日进行水位仪走时核对和人工水尺读数比测校核。采用测深仪测量水深，采用直读式流速仪和ADP测量剖面上水体的流速和流向。垂线上采用六点法观测流速，即表层 （水面以下0.5 m处）、0.2H（H为水深，下同）、0.4H、0.6H、0.8H、底层 （距河底0.5 m），水深小于2 m时采用三点法观测。潮位、流速、水深每间隔0.5 h观测一次。

3 结果和讨论

3.1 潮流变化特征

图2展示了自下游至上游各站潮位、流速过程。从流速与潮位过程曲线的相位关系可见，澉浦站的流速与潮位的相位差接近90°，在中潮位附近流速最大，高、低潮位附近流速接近于零，呈现出驻波的特点。上游各站落潮流速变形较为严重，若仅关注最大涨潮流速与高潮位的相位关系可见，最大涨潮流速的时间逐渐后移，其中曹娥江口的涨急流速时间出现在高潮位前2～3 h，盐官站出现在高潮位前1～2 h，仓前站与高潮位同步或出现在高潮位前1 h，七堡站基本与高潮位同步并呈现出类似前进波的特点。由此可见，澉浦站的潮波呈驻波特性，曹娥江口、盐官站的潮波介于前进波和驻波之间，而仓前、七堡站则类似前进波。

比较涨、落潮流速的大小可见，澉浦站的涨、落急流速值接近，涨急流速略大于落急流速。曹娥江口及上游站点的涨急流速则明显大于落急流速，曹娥江口站的涨急流速均在2 m/s以上，甚至在3 m/s以上，而落急流速均小于2 m/s;盐官站的涨急流速基本在2 m/s以上，而落急流速基本在1 m/s左右，流速大小相差一倍以上;仓前、七堡站的涨急流速与落急流速相差也接近1倍。由此可见，除澉浦站外，其他各站的涨潮流速均显著大于落潮流速，盐官、仓前、七堡站的涨急流速可达落急流速的2倍左右。

比较涨、落潮流速的持续时间可见，澉浦站涨潮流时间为4～5 h，落潮流时间为7～8 h;曹娥江口站涨潮流时间为3～4 h，落潮流时间为8～9 h;盐官、仓前、七堡站涨潮流时间为2～4 h，落潮流时间为8～10 h。各站涨潮流时间明显小于落潮流时间，同时因各站涨急流速显著大于落急流速（澉浦站除外），导致各站的涨潮流过程曲线呈现尖角的“V”形，落潮流过程曲线接近于“U”形，在落潮期的中间段流速变化较小。

比较涨、落潮流速在各潮周期内的均匀度可知，澉浦、曹娥江口站的涨急、落急流速在各潮周期内比较均匀，而盐官、仓前、七堡3个站点的涨急、落急流速差异较大，尤其是涨急流速波动更为明显，各潮周期的涨急流速可相差1倍以上。

从潮位变化过程可见，澉浦、曹娥江口、盐官站的高潮位呈现一高一低的交替变化，对应潮周期的涨急流速也呈现相应的变化趋势。仓前、七堡站的变化可分为2段，在前5个潮周期内，高、低潮位逐渐抬升，涨潮流速逐渐增大，之后高潮位和涨潮流速同步呈现一高一低的交替变化。

3.2 潮平均水深变化特征

以涨潮初为起点，统计测验期间各潮周期内的平均水深及涨潮潮差，其变化过程见图3。5个站中，澉浦站水深最大，其次排序为七堡、曹娥江口、仓前站，盐官站水深最小。

澉浦站在前5个潮周期内潮平均水深总体逐渐增大，然后呈现潮差大则潮平均水深大、潮差小则潮平均水深小的特点，潮平均水深变化幅度在1 m左右。曹娥江口及上游各站也呈现类似的特征，前5个潮周期内潮平均水深基本呈增大趋势，之后与潮差同步变化，其中仓前、七堡站在前5个潮周期内潮平均水深均呈严格的递增趋势。根据后5个潮周期的潮平均水深与潮差的相关分析表明，除澉浦站的相关系数（R2） 为0.78外，其他4站的相关系数达0.92～0.99，表明在大潮期的中后期河口段的潮平均水深与潮差具有极强的相关性。

对照图2的潮位变化过程和图3的水深变化过程可见，各站点在大潮期初期高、低潮位均逐渐抬升，导致潮平均水深逐渐增大，从第1个潮周期到第5个潮周期，各站点的潮平均水深分别增加了0.4～0.8 m。由于测验期间上游径流量基本保持不變，潮平均水深变化主要由下游潮汐影响，由此表明，在潮汐的影响下，钱塘江河口段在大潮期初期呈现典型的蓄潮现象。

3.3 余流时空变化特征

各站在每个潮周期的余流分量见图4。由图4可见，整个大潮期间，沿程各站各潮周期的斯托克斯余流均向陆输运，其中曹娥江口和盐官站的斯托克斯余流较大，最大达0.38 m/s，澉浦、仓前站次之，七堡站最小。而欧拉余流的方向则相反，除澉浦站外，其他4个站的欧拉余流以向海输运为主，其中曹娥江口、盐官、仓前3个站的欧拉余流较大。从拉格朗日余流的方向看，澉浦、曹娥江口、盐官3个站均向陆输运，仓前站向海输运，七堡站向陆、向海输运的潮周期个数各占一半，但向海输运的数值较大，故大潮期间总拉格朗日余流仍是向海输运的。

欧拉余流是指对某一固定点1个潮周期内流速时间序列的矢量和求平均，其大小和方向取决于该潮周期涨、落潮流速强度和历时的对比关系。澉浦站的涨潮历时略小于落潮历时，但涨潮流速略大于落潮流速，即涨潮期流速的矢量和与落潮期流速的矢量和势均力敌，各潮周期的欧拉余流方向不论是向海还是向陆，其数值均较小，最大不足0.1 m/s。曹娥江口及上游站点的涨急流速虽明显大于落急流速，但落潮历时是涨潮历时的2倍以上，故在1个潮周期内落潮流仍占优势，欧拉余流方向以向海为主，且数值较大。

欧拉余流仅与潮周期内的流速变化过程相关，而斯托克斯余流与流速、水深、水位的变化均密切相关，反映的是潮周期内水位变化量、流速变化量及水位、流速的相位关系，同时还与涨、落潮流历时的对比相关。前进波的流速和水位的相位基本同步，而驻波的流速和水位的相位相差90°，因斯托克斯余流是由各时间序列的振荡流速与振荡水位的乘积之和除以潮平均水深得到，故从理论上讲，前进波的斯托克斯余流要大于驻波的斯托克斯余流;而从水深角度分析，深水区潮平均水深大，因此就垂向平均的斯托克斯余流而言，深水区要小于浅水区。对于钱塘江河口，澉浦站潮波呈现驻波特性，且水深较大，故斯托克斯余流较小;曹娥江口、盐官站潮波介于前进波和驻波之间，且水深较浅，斯托克斯余流较大;仓前、七堡站潮波虽呈类似前进波特性，但涨潮流速与落潮流速的比值较盐官小，且涨潮历时进一步缩短，故斯托克斯余流方向虽向陆，但数值较小。

拉格朗日余流是反映物质输运的重要指标，由欧拉余流与斯托克斯余流的矢量和而得。澉浦站的欧拉余流与斯托克斯余流的方向均主要向陆，斯托克斯余流大于欧拉余流，表明澉浦站的拉格朗日余流主要由斯托克斯余流控制;曹娥江口、盐官站的欧拉余流方向向海，斯托克斯余流方向向陆，但拉格朗日余流方向向陆，表明曹娥江口、盐官站的拉格朗日余流也主要由斯托克斯余流控制;仓前站的欧拉余流与斯托克斯余流方向相反，拉格朗日余流向海输运，表明仓前站的拉格朗日余流主要由欧拉余流控制;七堡站的拉格朗日余流在第6，8，10潮周期内主要由欧拉余流控制，在其他潮周期数值较小，主导因素不明显，总体来说，大潮期间拉格朗日余流是向海输运的。拉格朗日余流方向即为水体净输送的方向，上述分析表明，在枯水大潮期，澉浦、曹娥江口、盐官3个站的水体净向陆输运，潮汐作用大于径流作用;而仓前、七堡站则相反，水体净向海输运，表明虽测验期间的径流量较小，但对物质的长期输运来说径流作用仍大于潮汐作用。

3.4 余流与潮差、水深的关系

观察图4中盐官、仓前、七堡站的余流可见，一般情况下，潮差大时斯托克斯余流较大，而欧拉余流较小。为量化分析各站余流分量与潮差的相关性，对各站余流分量与潮差进行相关分析，相关系数（R2） 见表2。若以R2大于0.5作为是否具有较强相关性的指标，可知盐官、仓前、七堡站的斯托克斯余流、拉格朗日余流与潮差具有较强的相关性，尤以仓前、七堡站的斯托克斯余流与潮差的相关性较好，澉浦、曹娥江口站的余流分量与潮差的相关性较差。

再细致观测图4可见，前5个潮周期中，澉浦、曹娥江口、盐官3个站点的拉格朗日余流主要向陆输运，仓前站虽向海输运但数值较小，七堡在第1～3个潮中向陆输运，第4～5个潮中虽向海输运但数值很小，在此期间各站的潮平均水深和潮差呈逐渐增大趋势（见图3）。由此可知，在大潮的前期阶段，向陆输运的拉格朗日余流导致上游下泄的径流量和下游上溯的潮量在河口段蓄积，促成了河口段的蓄潮。

在后5个潮周期中，仓前、七堡站的拉格朗日余流呈现一大一小的交替变化，其中3个潮周期中拉格朗日余流（主要受欧拉余流主导）较大，此时潮差和潮平均水深均较小，另外2个潮周期中向陆的拉格朗日余流较小，此时潮差和潮平均水深均较大，表明河口段呈现出蓄潮和泄潮交替变化的特征，由此可见余流与潮差、水深之间具有相关性。对后5个潮周期的余流与潮差进行相关分析（见表2） 可见，仓前、七堡站的拉格朗日余流与潮差的相关性可达0.9以上，且5个站点的欧拉余流、拉格朗日余流均与潮差具有较强的相关性，盐官、仓前、七堡站的斯托克斯余流与潮差的相关性极强，相关关系可达0.99。经分析表明，除澉浦站外，拉格朗日余流与潮周期水深也具有较强的相关性。由此可见，在大潮期的后期阶段，外海潮汐导致澉浦站潮差增大，而潮差增大加强了河口段向陆的拉格朗日余流，抬高了河口段的水位。

4 结 论

（1） 钱塘江河口自下游澉浦站至上游七堡站，涨潮历时逐渐缩短，落潮历时逐渐延长。除澉浦站外，其他各站的涨潮流速均显著大于落潮流速，涨潮流过程曲线呈现尖角的“V”形，落潮流过程曲线接近于“U”形。

（2） 河口下游段的余流主要受向陆的斯克托斯余流控制，水体以向陆输运为主;上游段的余流主要受向海的欧拉余流控制，但大潮期的前期阶段余流向海的输运能力较弱。

（3） 大潮期的前期阶段，水流向上游净输运，导致河口出现蓄潮现象，水位逐渐抬高、潮差逐渐增大;后期阶段，潮位、水深、余流随潮差波动，余流与潮差、潮平均水深具有较强的相关性。

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（编辑：李 慧）