钦州金鼓江海域秋季潮流特征分析

林道宽,崔力维,雷学铁,杨 娜

(自然资源部北海海洋中心,广西 北海 536000)

引 言

潮流是海洋内部能量和物质传输的重要动力源,对港址选择、水工建筑物和航道的布置、抛泥地选择以及泥沙的淤积和冲刷等问题有影响[1-4],因此成为研究者关注的焦点。目前,针对潮流的研究有很多[4-7],涉及广西及钦州海域的潮流特征研究也有不少,例如施华斌等[8]采用二维浅水模型模拟分析了北部湾海域潮流系统,通过引进沿海河流,分析了近海海域潮致余流场及其对近海污染物输移扩散的影响。陈波等[9]利用二维数值模型计算了广西重要海湾的潮流特征,指出钦州湾由于受地理环境的影响,潮流的变化和大小相当明显。李树华等[10]利用1986年和1996年报告的实测资料,分析了广西重点港湾的潮流和余流,指出钦州湾形似一个葫芦海湾,岸线曲折,岛屿星罗棋布,潮流较为复杂。实测资料计算,该湾流速的区域性变化较大,其变化趋势是外湾比内湾大,湾颈处最大。李少朗等[11]基于实测潮流观测资料,分析了钦州湾外潮流特征,其研究区域中没有湾内站点。杨建强等[12]利用数值模拟的手段,研究了钦州湾海域典型工程造成的溢油模拟。此外,针对工程建设带来的影响,吕赫等[13]和张敏等[14]分别利用数值模拟的手段研究了围填海工程对钦州湾水动力和地形演变的影响。

金鼓江属于钦州市钦州湾的沿海岬湾,其地理位置见图1,水深相对较浅,大部分情况下不足5 m,该水深条件下,潮流容易受海底地形和底质的影响,其变化相对外海而言更为复杂。目前,金鼓江沿岸建有码头等海洋结构物,是钦州海上运输的重要组成部分之一,因此研究该海域的潮流特征对海洋工程安全、泥沙物质输运以及溢油扩散等具有重要意义。但是,前文分析我们发现,虽然有学者研究了钦州湾海域,但是其研究仅限于内湾(茅尾海)和外湾(钦州湾),没有专门针对金鼓江潮流特征的分析,因此,本文利用一个周日潮实测资料,开展该海域的潮流特征研究,可填补该区域的研究不足。

图1 研究区域及潮流观测点

1 研究区域及数据来源

金鼓江海域水深及本文分析使用的潮流观测站位见图1和表1。观测时间为2020年9月3日—2020年9月4日(农历七月十六至十七)大潮期。观测单位在该海区设立6个测流点,使用日本ALEC公司生产的AEM213-D型电磁海流计进行海流观测,进行了连续25 h的周日海流观测。观测时间间隔为1 h,因大部分站点水深较浅,虽然观测时间内存在5 m以上的水深,但是本研究仅仅取表层。

表1 观测站位信息统计

2 潮流特征及准调和分析

2.1 涨落潮平均流速和最大流速

2020年9月观测站位潮流过程见图2,统计得到平均流速和最大流速情况(见表2),从图2可以看出,各站实测最大涨潮流流速为0.55 m/s,最大落潮流流速为0.52 m/s;对应流向为350.6°和169.9°;该海域观测期间流向并不相同,对L1—L4而言,其潮流走向主要受地形的影响,走向基本与岸线平行,其中L1、L3和L4为NNE—SSW走向,L2也与岸线平行,潮流为NNW—SSE走向,L5和L6位于湾外,其中L5走向以NNE—SSW为主,L6走向以NNW—SSE为主。

表2 潮流平均流速和最大流速(m/s)

图2 观测期间各站位流速图

图3 观测期间各站位余流图

结合前人研究[11-15],对涨潮流而言,外海潮流从北部湾海域以NNW向进入钦州湾,大部分进入茅尾海,小部分以NNE向进入金鼓江,从流速分布上看,L5流速低于L6,也验证了仅有部分进入金鼓江。对落潮流而言,潮水沿着SSE向出龙门水道回到北部湾,而金鼓江潮水则沿着SSW向流出,和SSE向海水汇合后,流入北部湾。因水流合并,因此在落潮流中,可以看出L5和L6流向的不同。

表2为各测站涨落潮平均流速和最大流速统计结果,从表中可以看出:各站平均涨、落潮流速不一致,对涨潮流而言,流向多为NNW—NNE方向,平均流速介于0.14～0.25 m/s之间,最大流速为0.55 m/s,出现在L6站;对落潮流而言,流速大于涨潮流流速,平均流速介于0.22～0.28 m/s,最大流速为0.52 m/s,也是出现在L6测站。根据前人研究,钦州湾落潮流速远大于涨潮流速。这种涨落潮流速度的不同在整个钦州湾都有体现,在外湾表现更加明显;在某些海区,落潮流可达涨潮流的1.8倍以上[16],本文中落潮流为涨潮流的1.1—1.4倍之间。对全潮而言,流速介于0.19～0.25 m/s之间。

2.2 平均涨、落潮历时

分别取一个太阴日内一次涨潮流历时和一次落潮流历时之和的平均值近似作为平均涨、落潮流历时,通过统计实测资料可以算出:表层的平均涨潮流历时大约为14 h 20 min,平均落潮流历时约为10 h 40 min。可以看出,该海区表层的平均涨潮流历时大于平均落潮流历时。

2.3 潮流性质

利用潮流类型分类判别标准[17],根据调和计算结果算得潮流性质比值。需要指出的是,实测平均涨、落潮流流速和最大流速有很大的随机性,它会随潮相的不同而不同。2020年9月海流观测为25 h周日观测,数据长度较短,故而需引入M2、S2、O1、K1、M4、MS4六个主要分潮的差比关系以完成主要分潮的调和分析[17]。考虑到基于周日观测的准调和分析因为观测资料长度的局限性,故而准调和分析只能反映潮流大致的特征和运动形式。由表3可以看出,观测站K值均大于2,且L1—L4均大于4,所以观测期间L1—L4站潮流性质为正规全日潮流,L5和L6站位潮流性质为不正规全日潮流,其结论和之前研究一致。

表3 2020年9月观测各站位潮流性质

2.4 潮流的运动形式

反映潮流运动形式的参量为旋转率(亦称椭圆率)K′,其值为该分潮流椭圆短轴与椭圆长的比值,其符号有“+”“-”之分,正号表示分潮流为逆时针旋转,负号则为顺时针旋转,K值代表潮流运动的形式,若K值小于0.5,则潮流运动形式为往复流,若K值大于0.5,则潮流运动形式为旋转流。

潮流椭圆分析结果表明观测站位潮流以全日潮流为主,O1、P1分潮流的贡献最大,从潮流的运动形式来看,经计算L1站O1、P1分潮流的椭圆率K′值为-0.01,其潮流运动形式以往复流为主,且方向为顺时针;L2、L3、L4、L6站O1、P1分潮流的椭圆率同样以往复流为主,K′值均在0.1以下,甚至个别站位出现K′值为0的情况,其旋转方向并不一致,L2为顺时针旋转,其余为逆时针旋转。只有L5站位其K′值达到0.3,故而L5站具有一定的旋转流性质,旋转方向为顺时针,从图2也可以看出L5的旋转流性质。

2.5 余流分析

根据周日观测数据求出观测站位的各层次的余流见表4。观测各站位余流流速位于2.7～6.5 cm/s区间范围内,从金鼓江顶部向外海呈现出余流增大的趋势,代表物质输运能力从外海向金鼓江顶部逐步减弱。流向方面,L1—L6站余流在168.1°～213.6°方向之间,流向以SE—SW方向为主,意味着该海域的物质输运以向南输运为主,金鼓江物质输运具有重要意义,表示金鼓江物质以向外海输移为主。

表4 观测站位余流

3 金鼓江纳潮量分析

根据研究海域的潮波运动规律,在确保计算区域边界效应对研究海域无影响的前提下,利用MIKE计算了金鼓江纳潮情况,其计算范围如图4所示,开边界取越南云屯县-北海市大风江口。大海域水深分布如图5所示,为了能清楚了解茅尾海分流量,在近岸水域进行了网格加密。经统计,计算区域东西宽约150 km,南北长约75 km,总面积约为50 km2,外海的计算网格步长在1～2 km之间,网格最小分辨率约为10 m,整个计算区域内水平方向上共有节点数24 926个,网格数46 588个。

图4 计算区域网格设置

图5 计算区域水深地形分布

外海水深数据采用美国国家地学测量中心(National Geodetic Center,Boulder,Colorado)提供的DBDB5(Digital Bathymetric Database Version 5.2)原始数据集,近岸水深选取中国人民解放军海军航海保证部制作电子海图水深,利用海图水深过程中,根据沿海海洋站潮位与最低理论基准面关系对海图水深进行订正。其中,钦州港平均海平面在海图基准面上250 cm;企沙港平均海平面在海图基准面上230 cm;防城港平均海平面在海图基准面上240 cm;白龙尾平均海平面在海图基准面上256 cm。岸界采用以上海图的岸界和Google earth最新岸线信息。

水动力验证时间为2020.9.3 11:00～2020.9.4 12:00的实测资料,站位见图1,验证结果见图6,由图可知,水动力验证结果良好,该模型可以较好地模拟金鼓江及附近海域的潮流特征。

图6 流速流向验证结果

经计算可知,在秋季涨急时刻,钦州湾纳潮量为44 070.9 m3,金鼓江纳潮量为1 956.49 m3,占比4.44%;落急时刻,钦州湾纳潮量为-51 252.2 m3,金鼓江纳潮量为-1 368.58 m3,占比2.67%。

4 结论

利用金鼓江2020年9月3日—2020年9月4日(农历七月十六至十七)大潮期6个站位25 h潮流连续观测数据,经准调和分析及数据统计得到如下结论:

(1)观测期间,各站流速流向差异性较小,其中最大涨潮流流速为0.55 m/s,最大落潮流流速为0.52 m/s;对应流向为350.6°和169.9°。各站平均涨、落潮流速不一致,对涨潮流而言,流向多为NNW—NNE方向;对落潮流而言,流速大于涨潮流流速,平均流速介于0.22～0.28 m/s;观测海区潮流以往复流为主,且往复流特点十分显著,L5站具有一定的旋转性;各站最大输运距离和最大可能流速方向一致,基本为北向;观测各站位余流流速以SE—SW方向为主。

(2)利用MIKE模型计算了金鼓江海域的秋季纳潮情况,可知金鼓江纳潮仅占钦州湾的5%以下,分量较少。