东吾洋特大桥海域气象及水文动力条件分析

■肖 宇

（福建省交通规划设计院有限公司，福州 350004）

1 工程概况

东吾洋特大桥位于霞浦县东冲半岛虾山岛至东安岛牛梁岗之间（图1），桥梁全长2250 m，其中，通航孔桥采用（100+2×180+100）m 的矮塔斜拉桥方案，非通航孔采用90 m 钢混组合梁和50 m 预应力混凝土箱梁方案[1]。东吾洋特大桥所处的三沙湾海域为一口小腹大的半封闭型海湾，四周陆域地貌以低山丘陵为主，海拔高度一般小于500 m。工程海域岸线蜿蜒曲折，由山地基岩海岸、台地海岸、砂质海岸、淤泥海岸和人工海岸组成。湾内海底地形崎岖不平，湾中有可航水道、暗礁、岛屿和浅滩。

图1 工程位置示意图

林航[2]根据三沙湾内实测潮位资料，分析了福建三沙湾的潮汐特征，表明三沙湾潮汐性质属于正规半日潮，潮汐日不等现象明显，潮差从湾口向湾顶沿程逐步递增；林建伟等[3]运用二维水动力数值模型，对三沙湾潮流场进行模拟，表明三沙湾内潮流为往复流，且受地形影响明显；孔俊等[4]建立一种新的浅水方程数值模式，并用于三沙湾三都岛附近潮流模拟计算；叶海桃等[5]根据三沙湾多年实测潮位资料和2 个临时潮位站的实测资料，计算了纳潮量、海水的平均交换率和海水半更换期；官宝聪等[6]根据三都澳地区的自然地理条件和地质地貌状况，将三都澳沿岸的主要海洋灾害类型分为海洋气象灾害（台风风暴潮）、生物灾害（赤潮）和地质灾害（海岸侵蚀、山体滑坡与崩塌）等3 种类型；张午等[7]以三沙湾海域环境为研究对象，基于验证的MIKE21中的HD 和MT 模型，计算分析渔港工程建设对东吾洋海域潮流场和泥沙场的影响；濮鸣锋[8]首先通过建立东吾洋附近海域潮流数值模型，在验证良好的基础上，考虑油类在水中行为及归宿，进一步进行溢油数值模拟。综合上述分析，目前研究主要针对三沙湾内的三都澳海域，且集中于潮位、潮流特性方面，缺乏对东吾洋海域气象条件和盐度、波浪等水文条件的系统研究。然而，气温、降水、相对湿度、风等气象条件直接关系到桥梁混凝土浇筑与养护、桥面排水、抗风设计等；盐度、含沙量、潮汐、波浪等水文动力条件直接关系到桥梁基础结构防腐设计、冲刷以及波流力计算；基于此，本文对东吾洋海域气象和水文条件展开研究，以期为该海域同类工程提供参考。

2 气象特征分析

本次气象特征分析主要依据工程附近的霞浦气象站和宁德气象站的1981—2018 年气象观测数据，在工程区大风天数统计和重现期风速推算中还参考了北礵海洋站1964—2015 年长期风速资料。

2.1 气温

工程区域气候温和，多年平均气温约19.2℃，年内各月气温相差较大（图2）。其中6—9 月份的月平均气温均在25℃以上，12 月至翌年3 月的月平均气温保持在10℃左右；7 月气温为年内最高，多年平均气温为28.7℃，平均最高气温为32.6℃，平均最低气温为25.4℃；1 月气温为年内最低，平均气温为9.9℃，平均最高气温为13.5℃，平均最低气温为7.4℃。

图2 霞浦气象站气温逐月变化

2.2 降水

工程区域属于中亚热带海洋性季风气候，雨量充沛，多年平均年降水量在1434 mm 左右。降水量的年际差别较大，如2006 年降水量达到2298 mm，而2003 年降水量为771 mm，仅为2006 年的1/3。降水量的年内分配也不均匀，从逐月的分布来看（图3），降水主要集中在5—9 月，该时段内降水量约占全年降水量的61%；10 月至翌年1 月降水较少，月平均降水量基本保持在50 mm 左右。

图3 霞浦气象站降水量逐月变化

2.3 风

工程地区冬季以东北风为主，夏季则以东南风居多。多年平均风速为1.6 m/s，最大风速为26.1 m/s，常风向为SE 向，强风向为ENE 向。通过北礵海洋站多年风速观测资料（10 min 平均风速），并订正至东吾洋特大桥工程区，得到工程海域不同风级大风的出现日数（图4）。由图4 可以看出，东吾洋特大桥工程海域6 级及以上大风出现天数约120～160 d，平均为141 d，8 级及以上大风天数平均每年8.4 d。重现期风速是工程抗风设计的关键参数，为研究工程区重现期风速，利用北礵海洋站1964—2015 年长期风速资料，对测站的风速进行高度订正和海陆订正至工程海域，并采用极值I 型曲线拟合，得到工程附近海面以上10 m 高度处，100 年一遇风速（10 min 平均风速）为40.8 m/s。

图4 工程区不同风级大风天数统计

2.4 相对湿度

工程区域相对湿度较大，多年平均相对湿度保持在79%左右，各月份之间的月平均相对湿度略有差别。其中，2—8 月的相对湿度较大，相对湿度达到80%～84%；9 月至翌年1 月为年内相对湿度较小的月份，相对湿度在74%～78%。

2.5 台风、风暴潮

工程海域为台风（或热带气旋）影响次数较多的地区，多发生于每年的7—9 月，台风经过本区时，将出现短时大风，瞬时风速可达40 m/s 以上。据统计，1948—2018 年影响本地区的台风共有212 个[9]，年均约3 个。2018 年超强台风“玛莉亚”在连江县黄岐半岛沿海登陆，在台风影响期间，三沙湾内的东冲验潮站、城澳验潮站和白马港验潮站最大风暴增水分别为164 cm、180 cm 和148 cm[10]。受台风风暴潮和近岸浪的共同影响，霞浦县多处养殖鱼排和基础设施受到损坏。

2.6 雾

工程海域雾日多出现于春季（3—5 月），并以4 月为最多。年平均雾日数为6.2 d，年最多雾日为14 d。

3 水文动力条件

为研究工程海域水文动力条件变化，2019 年9—10 月在工程海域附近实施了盐度、含沙量、潮位、流速等参数的现场观测[11]。本次观测共布置6 个水文测验点（S1～S6）和2 个临时潮位站（三都澳潮位站、东安岛临时潮位站），位置如图5 所示。6 个水文测验点（S1～S6）观测了大小潮期间逐时不同深度的盐度、含沙量、流速等参数，2 个临时潮位站观测了逐时潮位变化过程。

图5 水文测验点及临时潮位站位置示意图

3.1 盐度

根据对工程海域6 个测点（S1～S6）的盐度观测分析表明，大潮期间平均盐度为29.9‰，最高盐度为31.2‰，出现于S1 测站涨潮底层。小潮期间平均盐度为29.7‰，最高盐度为31.7‰，出现于S1 测站落潮底层。由此可见大潮期间的盐度略大于小潮期间。以S1、S4 和S6 测点为例，进一步对比盐度的垂向变化，如图6 所示。由图6 可知，随水深的增加，各测点盐度均呈增加趋势，底层的盐度较表层平均增加2%左右。

图6 不同测点盐度沿垂向变化（图中h 为水深）

3.2 含沙量

工程海域6 个测点（S1～S6）的含沙量变化如图7 所示。由图7 可知，工程区不同位置以及大小潮期间的含沙量均存在一定差异。其中，最大含沙量为0.210 kg/m3，出现于S5 测站大潮涨潮底层；最小含沙量为0.068 kg/m3，出现于S1 测站小潮涨潮表层。对比各测点大潮和小潮含沙量可知，大潮期间的含沙量均大于小潮期间的含沙量。其中，大潮期间的平均含沙量较小潮期间高10%～20%。

图7 各测点含沙量对比

3.3 潮汐

（1）潮位

根据工程区东安岛临时潮位站观测资料分析，工程海域实测最高潮位为5.59 m（1985 国家高程基准面，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，平均涨潮历时6 h 45 min，平均落潮历时5 h 41 min。其中，2019 年9 月7—14 日的潮位过程曲线如图8 所示。由图8 可以看出，工程海域一天内有2 次高潮和2 次低潮，即属于半日潮。进一步对潮汐调和常数计算分析表明，（HO1+HK1）/HM2值约为0.46，因此严格意义上属于规则半日潮。这与林航[2]的研究结论基本一致。受月球赤纬的变化的影响，工程区潮位存在日不等现象，即每天的第1 次高潮（低潮）与第2 次高潮（低潮）潮高基本不相等。对比东安岛临时潮位站与三都澳潮位站同步潮位过程（图8）可知，两测站的潮位变化过程基本一致，两测站潮位具有良好的相关性。因此，可用三都澳潮位站的长期统计特征值推算工程区潮位特征值。根据东安岛临时测站与三都澳测站之间高潮位和低潮位相关关系，推算得到工程区100 年一遇设计高潮位为5.49 m，设计高潮位为3.88 m，设计低潮位为-3.06 m，100 年一遇低潮位为-4.51 m。

图8 东安岛测站与三都澳测站同步潮位过程曲线

（2）潮流

根据潮流观测资料，经调和分析计算，各测站不同深度处的潮流类型判数：F′＝（WK1＋WO1）/WM2和G＝WM4/WM2，见表1。由表1 可知，各测点处的F′值均小于0.5，表明工程海域半日潮流占优势。实测资料也表明本水域潮流流向和流速具有明显的半日周期变化特点。此外，各测点垂线平均G 值较大，表明工程海域浅海分潮流较为显著，在海流分潮所占比重较大。进一步对各测点M2 分潮流的椭圆率K值计算表明，工程海域各测点K 值均远小于0.5，故测点呈往复流运动形式。

表1 各测站F ′值、G 值和K 值（M2 分潮）统计

各测点涨落潮实测最大流速及对应的流向见表2。由表2 可知，工程区实测最大流速为1.29 m/s，出现于S3 测点涨潮时期的表层。从各测点流速的垂向变化来看，表层流速略大，随深度增加流速略有减小，但总体差异不大。从工程区流速的平面变化来看，S3 测点处流速大于其余各测点，这主要是由S3 测点位于关门江水道，受地形影响所致。从各测点垂线平均流向变化来看，各测点涨、落潮流路存在一定差异。以大潮垂线平均流速的流向变化为例，涨落潮流路夹角分别为：S1 测点16°、S2测点0°、S3 测点1°、S4 测点28°、S5 测点6°、S6 测点8°。

表2 实测最大流速及其流向统计

余流是指剔除了周期性变化的潮流后的一种相对稳定的流动，其量值虽然不大，但直接指示着水体的运移、交换。表3 为各测点余流流速、流向变化。由表3 可知，各测点余流流速整体相对较小，除S3 测点大潮期间余流流速接近15 cm/s 外，其余各测点的余流流速均小于10 cm/s。从余流的流向变化来看，S1 和S3 测点处指向涨潮流方向，S2、S4 和S6 测点处指向落潮流方向，S5 测点处大潮期间指向涨潮流方向，小潮期间指向落潮流方向。

表3 各测点的余流流速、流向

（3）潮位与潮流位相关系

工程海域流速流向与潮位的位相关系分析表明，工程海域涨落潮流差异较大，落潮流最大流速出现在最低潮位前3 h，而涨潮流最大流速则出现在最高潮位前3～4 h，转流基本出现在平潮前后。以S1 点处大潮期间的流速流向与位相图（图9）为例，落潮流在高平潮（10∶20）后转为落潮流，于3 h 后流速达到最大（13∶00），继而逐渐减小，于低潮（16∶30）后转为涨潮流，于4 h 后流速达到最大（20∶30），随后逐渐减小，于高平潮后（22∶40）转为落潮流，周而复始。

图9 S1 测点处流速流向与潮位的位相图

3.4 波浪

波浪是东吾洋特大桥工程海域重要的动力要素。由于三沙湾口门宽度仅约3 km，外海波浪在口门处被大量耗散；加之工程海域处于三沙湾深处，受湾内地形和岛屿掩护影响，工程海域基本不受外海波浪影响，主要为湾内风浪。为计算工程海域设计波浪要素，本研究基于缓坡方程，并考虑波能损耗和风能输入，建立了综合考虑折射、绕射和反射的波浪数学模型。图10 为工程海域不同方向100年一遇高水时的100 年一遇有效波高H13%的分布情况。由图10 可知，工程海域100 年一遇设计波要素主要受N 和NE 向小风区波浪控制。在N 和NE 向设计风速作用下，100 年一遇高水位+100 年一遇的有效波高H13%可达3.0 m。

图10 100 年一遇高潮位+100 年一遇波浪波高H13%分布

4 结语

东吾洋特大桥工程海域受地形地貌影响，气象和水文动力条件复杂。通过收集工程海域气象和水文站多年资料，分析了工程海域气温、降水、风、相对湿度、风暴潮、雾、盐度、含沙量、潮位、潮流以及波浪等气象和水文动力条件特征，得到主要结论如下：（1）工程海域气候温和湿润，降水充沛，台风天气频繁，多年平均气温约19.2℃，平均年降水量约1434 mm，相对湿度约79%，6 级及以上大风天数平均约为141 d，有影响的台风年平均约3 次；（2）工区海域平均盐度约30‰，且底层的盐度较表层平均增加2%。最大含沙量可达0.210 kg/m3。工程区潮汐性质为半日潮，潮差较大，潮流为典型往复流运动形式，实测最大流速为1.29 m/s，最大余流为0.146 m/s。工程海域主要受湾内风浪作用，100 年一遇高水位+100 年一遇的有效波高H13%可达3.0m。