杭州灣北岸深槽潮流動力要素研究

倪 瑋 ，王義剛 ，黃惠明 ，2

（1.河海大學海岸災害及防護教育部重點實驗室，南京 210098；2.南京水利科學研究院港口航道泥沙工程交通行業(yè)重點實驗室，南京 210098）

杭州灣北岸深槽潮流動力要素研究

倪 瑋1，王義剛1，黃惠明1，2

（1.河海大學海岸災害及防護教育部重點實驗室，南京 210098；2.南京水利科學研究院港口航道泥沙工程交通行業(yè)重點實驗室，南京 210098）

基于杭州灣海域大范圍潮流數(shù)值模擬的結(jié)果，從河口平面邊界形態(tài)、水下地形、外海潮型等方面，探討了影響杭州灣北岸深槽的潮流動力要素。發(fā)現(xiàn)天然要素以及部分與人類活動相關(guān)的要素均對深槽的塑造存在影響。研究成果可為杭州灣北岸深槽的保護和開發(fā)提供一定的科學依據(jù)。

北岸深槽；潮流動力；數(shù)學模型;杭州灣

Biography：NI Wei（1987-），female，master student.

杭州灣位于浙江省北部、上海市南部，東臨東海，西有錢塘江注入，是一個典型的喇叭形強潮河口灣，以其壯觀的涌潮而聞名世界。杭州灣灣內(nèi)北部水深較大，近岸有一深槽緊貼北岸，上起澉浦、下至金山，習稱“北岸深槽”（圖 1）。

杭州灣北岸深槽是典型的河口漲潮槽，一般認為河口漲潮槽是由漲潮流沖刷作用為主的河口沖刷槽，其形成主要是漲、落潮流路不一致引起的［1］。20 世紀 60 年代，陳吉余等［2］首次對錢塘江河口沖刷槽的形成與演變進行了研究并取得重要的研究成果；沈煥庭等［3］利用實測水文、地形資料，對河口漲潮槽的形態(tài)特征、水文泥沙特性、形成原因、演變規(guī)律和利用與整治途徑進行了系統(tǒng)研究；劉高峰等［4］則利用實測資料分析了漲落潮的水動力特征，提出了判斷漲、落潮槽河槽類型的判斷指標。自20世紀80年代以來，不少學者對杭州灣北岸深槽進行了更加深入的研究，研究內(nèi)容涵蓋杭州灣北岸深槽形成機理和演變特點、杭州灣北岸岸灘沖淤、北岸深槽沖淤變化試驗研究等。余祈文等［5］根據(jù)杭州灣水、沙運動及床面沖淤變化，分析研究了北岸深槽的形成和發(fā)育機理及演變特點，并就北岸深槽的近期變化對其發(fā)展趨勢進行論述；曹沛奎等［6］通過動力、地貌和沉積相結(jié)合的方法，在沖刷槽幾何形態(tài)和動態(tài)特征分析基礎(chǔ)上，對杭州灣北岸槽沖刷演變進行分析，論證了杭州灣北岸沖刷槽水流結(jié)構(gòu)和泥沙輸移，并指出沖刷槽在潮流作用下，縱向延伸和垂向增深較小，處于基本穩(wěn)定狀態(tài)；茅志昌等［7］通過研究影響北岸岸灘沖淤的潮流、波浪、圍墾工程及泥沙來量等因素，分析了北岸岸灘的沖淤情況；熊紹隆等［8］利用懸沙淤積與局部動床模型，探討了錢塘江河口和杭州灣整治圍涂以后，北岸澉浦至乍浦深槽的沖淤變化。

圖1 杭州灣北岸深槽位置圖Fig.1 Location of northern deep channel in Hangzhou Bay

然而，以往的研究主要通過資料分析及物理模型的方法對杭州灣北岸深槽的形成和演變進行分析，而從數(shù)值模擬的角度探討北岸深槽的形成機理還相對較少。此外，20世紀50年代以來，由于錢塘江上游興建大型水庫及河口地區(qū)實施治江圍涂工程等［9］，造成洪枯徑流的來水來沙條件以及河床平面邊界的變化，進而對北岸深槽容積、河床沖淤產(chǎn)生相應(yīng)影響。杭州灣北岸深槽對于沿岸的經(jīng)濟發(fā)展和生產(chǎn)安全至關(guān)重要，因此，對于維護與深槽的水深條件和沖淤穩(wěn)定相關(guān)的動力要素的研究是十分必要。

為此，本文基于對杭州灣地形地貌、水動力條件等基本情況的分析，采用潮流數(shù)值模擬的方法，從河口平面邊界形態(tài)、水下地形、外海潮型等方面，探討維持杭州灣北岸深槽的諸多因素，并據(jù)此分析影響杭州灣北岸深槽的各動力要素的權(quán)重。

1 杭州灣及北岸深槽概況

杭州灣是典型的喇叭形河口灣，潮大流急，其面積約5 000 km2，平均水深9～10 m，位于澉浦斷面的灣頂，面寬約20 km，距灣頂95 km處的南匯嘴—鎮(zhèn)海斷面為灣口，展寬約100 km。杭州灣溫鹽特性和水、沙運動十分復雜，早在20世紀60年代，毛漢禮等［10］對杭州灣的溫、鹽度特征進行了研究，以后一些學者也對杭州灣的水動力特征、泥沙運動特征、動力地貌演變進行了研究［2，11-13］。

杭州灣因水域開闊，受外海潮波傳入方向及平面形態(tài)的影響，動力軸線出現(xiàn)分歧，漲、落潮輸水、輸沙路徑不一。灣頂流速大于灣口，北岸水域又大于南岸水域。灣內(nèi)漲潮主流偏北，落潮主流偏南，具有北半部“凈進”，南半部“凈出”的特點［5］。杭州灣的泥沙主要以懸沙為主，懸沙中值粒徑為0.006～0.016 mm，從表層向底層增粗，在潮周期中變化不顯著。含沙量自東向西（從灣口向上游）沿程增大，灣口北高南低，灣中北低南高，灣頂斷面南北岸差異較小［14］。杭州灣的泥沙運動與長江入海泥沙關(guān)系十分密切，每年長江有4.68億t泥沙在河口擴散入海，其中50%左右在口門附近沉積，形成寬廣的水下三角洲和攔門沙系［11］，這部分泥沙是杭州灣泥沙運動的主要來源。

杭州灣特有的水動力和泥沙運動特點，造就了平面形態(tài)上北岸水域為漲潮流沖刷區(qū)，南岸為落潮流淤積區(qū)，進而塑造了貼近杭州灣北岸長達數(shù)十公里的深槽。杭州灣北岸深槽上起澉浦，下至金山，全長65 km，北岸深槽水深一般為10～15 m，局部地區(qū)水深20～40 m，特別是秦山以下岸段，具有水深7～12 m長約40 km的深水岸線，是萬噸級航道、碼頭、大型核電和火電廠取排水口的重要水域。

此外，杭州灣北岸深槽的形成和演變與杭州灣的岸線演變密切相關(guān)（圖2）［15］。據(jù)歷史文獻記載，杭州灣北岸隨著長江三角洲向外淤長不斷向東伸展，使得進入灣內(nèi)潮流作用加強，導致西部岸段受到侵蝕后退。宋末元初金山深槽雛形基本形成，明成化八年（1472年）北岸統(tǒng)一海塘重建，使得北岸線得到控制，北岸深槽向縱、深方向發(fā)育，奠定了現(xiàn)代岸線的廓形。從地貌學的角度看，北岸沖刷槽的存在是杭州灣強勁潮流對疏松第四紀沉積層侵蝕的結(jié)果［6］。

圖2 杭州灣岸線變遷圖Fig.2 Coastline transition of Hangzhou Bay

2 研究方法

2.1 數(shù)學模型簡介

鑒于杭州灣潮混合強烈，可以采用平面二維水流模型模擬其流場。數(shù)學模型的控制方程如下

式中：η為水位，即水面到某一基準面的距離；uˉ、vˉ分別為x、y方向上的垂線平均流量分量；h為水深；g為重力加速度；f為柯氏力參數(shù)；ρ為水密度；ρ0為水的參考密度；Pa為大氣壓力；τbx，τby分別為底部摩擦應(yīng)力分量；Txx，Txy，Tyy分別為粘性應(yīng)力分量；x，y為直角坐標；t為時間。

在一定定解條件的基礎(chǔ)上，可以將上述微分方程進行離散求解。模型采用可以擬合任意復雜區(qū)域的無結(jié)構(gòu)網(wǎng)格，變量布置方式為網(wǎng)格中心格式，將控制變量定義在網(wǎng)格中心，網(wǎng)格單元即為控制體。采用Roe格式［16］計算控制體界面的數(shù)值通量，并可通過MUSCL方式［17］實現(xiàn)空間二階精度求解。

2.2 模擬區(qū)域及驗證

計算區(qū)域取為整個杭州灣，上邊界取在海寧大缺口，下邊界取在口門蘆潮港—鎮(zhèn)海一線（圖3），計算域共有三角形單元28 586個，節(jié)點14 700個，最小空間步長190 m。

數(shù)學模型采用與水下地形同期的水文資料對模型進行驗證。水文資料包含澉浦、海鹽、乍浦、秦山和王盤等5個潮位站，以及在澉浦、乍浦和金山斷面各布置了3個水文測點，具體點位見圖4。部分驗證結(jié)果如圖5所示。

由驗證結(jié)果可見，計算潮位與實測值吻合較好，高、低潮位誤差在0.10 m以內(nèi)的點據(jù)占81%，誤差在0.10～0.20 m之間的點據(jù)占12%。流速驗證中各點漲、落急潮流速雖有偏小的趨勢，但與實測的偏差大多在20%以內(nèi)，說明數(shù)學模型基本能反映該區(qū)域的潮動力情況。

2.3 數(shù)值試驗設(shè)計

表征杭州灣北岸深槽的潮流動力要素主要有潮位、流速、流向、流量及潮量等，按照時間尺度考慮，又可分為潮最大、潮平均等。這里借助數(shù)學模型，具體對一些自然和人類活動作用影響下的杭州灣北岸深槽潮流動力要素變化進行探討。為了考察各種因素對北岸深槽潮流動力條件的影響，設(shè)計以下數(shù)值模擬的情形：

（1）天然情況；

（2）同情形1，但在計算方程中不計柯氏力；

（3）在情形1的基礎(chǔ)上，將杭州灣南岸庵東淺灘底高程挖至▽-5 m（吳淞基面，下同）（見圖4中斜線部分）；

（4）在情形1的基礎(chǔ)上，庵東淺灘區(qū)域按照▽-5 m等深線進行圍墾（圍墾面積約35萬畝，見圖4中斜線部分）；

（5）將上邊界設(shè)為閉邊界，即把杭州灣假定為海灣，不考慮上游河道的納潮；

圖3 計算區(qū)域及網(wǎng)格圖Fig.3 Computational domain and grids

圖4 比較點位、水文測點布置圖Fig.4 Location of compared points and observation points

（6）假設(shè)南、北岸潮位過程相同，外海入射潮型采用潮差較大（潮差4.55 m）的北岸蘆潮港潮型；

（7）外海入射潮型采用潮差較?。ǔ辈?.15 m）的南岸鎮(zhèn)海潮型，其余同情形6。

圖5 潮位、流速驗證圖Fig.5 Validation of tidal level and velocity

3 影響杭州灣北岸深槽的潮流動力要素探討

根據(jù)以上設(shè)計情形，分別進行數(shù)值模擬。大量研究［1-3，6］顯示，杭州灣北岸深槽形成的主要動力要素為漲潮流，為此，本文就北岸深槽中代表點位P1～P6（點位布置見圖4）的漲潮最大單寬流量、漲潮最大流速、漲急流向進行統(tǒng)計分析，并給出相應(yīng)于天然情況的變化，以此分析深槽各動力要素的強弱和變化。表1為漲潮最大單寬流量比較，表2為漲潮最大流速、漲急流向比較。

由代表點位的漲潮最大單寬流量計算結(jié)果比較可知：

表1 漲潮最大單寬流量比較Tab.1 Comparison of the maximum flood unit discharge

表2 漲潮最大流速、漲急流向比較Tab.2 Comparison of the maximum flood velocity and direction

（1）受地球自轉(zhuǎn)的影響，柯氏力會對潮流運動產(chǎn)生偏轉(zhuǎn)作用，河口區(qū)域往往會出現(xiàn)漲落潮流路不一致的情況。根據(jù)模擬結(jié)果可知，若無柯氏力的作用，北岸深槽的漲潮最大單寬流量會有所減小，各代表點減小0.5%～2.8%，平均值減小幅度約1.5%，說明柯氏力的作用有利于杭州灣北岸漲潮動力的加強。

（2）庵東淺灘的存在對北岸深槽有較大的影響。若將庵東淺灘挖至▽-5 m，代表點漲潮最大單寬流量的平均值減小約6.4%，其變幅較柯氏力影響明顯偏大。分析原因，主要是由于杭州灣外海來潮主要有2股，即東西向潮波和東南向潮波，由于杭州灣南岸凸起，致使灣口邊界呈西北走向，外海東南向來潮受地形約束導向西北向，與東西向的另一股潮波在金山附近交匯，使得北岸流速增大，河床沖刷；而由于庵東淺灘的消失，杭州灣南岸向灣內(nèi)凸起的幅度降低，南部岸線將東南向來潮導向西北方向的作用減弱，導致2股潮波的交匯點偏離金山附近，進而使得杭州灣北岸流速減小，不利于北岸深槽的形成和演化。

（3）若將庵東淺灘進行圍墾，可看出北岸深槽金山至乍浦段的潮動力有增強趨勢，增大幅度約為1.8%，而乍浦以上部分最大單寬潮量反而減小約1.4%，這可能是由于庵東淺灘的過分外凸致使潮波交匯點外移，導致北岸深槽上游段的潮動力減弱，同時，由于庵東淺灘的大面積匡圍，使得庵東淺灘與乍浦以上海灣水域的納潮量急劇減小，進一步降低了北岸深槽漲潮流上溯的強度。

（4）杭州灣上游與錢塘江相連接，外海潮波可通過錢塘江繼續(xù)上溯，即錢塘江上游具有一定的納潮水域。此時，若將計算上邊界處設(shè)為閉邊界，則無法反映錢塘江的納潮效應(yīng)，即人為降低了杭州灣整體的納潮量，由此，導致漲潮最大單寬流量平均值減小2.0%，這也表明上游閉邊界會阻止潮流上溯，減少杭州灣北岸深槽的漲潮量，進而導致北岸深槽區(qū)域水動力減小。

（5）東海前進潮波系統(tǒng)和地形因素等決定了杭州灣口門南、北潮型過程的差異，其潮差大小、相位均不相同。一般北岸蘆潮港潮差大于南岸鎮(zhèn)海潮差。若假設(shè)南北岸潮型相同，均采用蘆潮港的潮型（或鎮(zhèn)海潮型），從平均值看，北岸深槽處漲潮最大單寬流量會增大23.9%（或減小12.5%），灣口邊界潮型因素的貢獻程度遠大于上述各因素的影響，說明外海潮動力強弱對北岸深槽的塑造有重要的影響。

此外，由表2可看出，在各情形下流向變化極小，說明各種因素的變化，不至于改變北岸深槽的動力軸線的走向。同時，表1與表2中的計算結(jié)果雖然在數(shù)值上略有差異，但其變化規(guī)律基本一致。以P4點為例，柯氏力的作用、錢塘江的納潮效應(yīng)對北岸深槽漲潮動力的增強均有影響，但影響幅度較小，在0.6%～2.3%之間。庵東淺灘的存在及外海潮型對北岸深槽的塑造有較大的影響，影響幅度最大可達21.8%。

在以上分析的影響北岸深槽動力要素中，有些因素是天然的（如柯氏力、外邊界潮型等），作為影響的因素可以從理論上探討，另一些因素則受人為控制，實際上反映了人類活動的影響。如模擬過程中上邊界設(shè)為閉邊界雖然是一種假設(shè)情況，但也反映了一旦錢塘江河口過度圍墾造成納潮量減少，可能會引起北岸深槽的動力減弱和萎縮；又如，庵東灘地的過于圍墾外凸，同樣也可能使北岸深槽上段潮動力減弱，甚至最終會影響整個北岸深槽動力格局的變遷。

4 結(jié)語

杭州灣北岸深槽作為海灣漲潮沖刷槽，是海灣地區(qū)一種獨特的地貌單元，對它進行研究，無論從理論上還是實踐上均具有重要意義。本文利用數(shù)值模擬的方法對維持杭州灣北岸深槽的諸多動力要素進行探討，結(jié)果表明柯氏力對深槽的漲潮動力加強有一定的影響，但影響程度有限；外海潮型的強弱控制了北岸深槽的潮動力要素，對北岸深槽的演化具有主導作用；自然形成的南岸庵東淺灘對北岸深槽動力加強有較大作用，但人類活動使南岸過分外凸也可能導致北岸深槽（尤其是上游段）潮動力的減弱；在錢塘江河口的開發(fā)和治理過程中，若引起納潮量大幅減少，則可能由此削弱北岸深槽的潮動力，不利于北岸深槽的維持。綜合而言，影響北岸深槽動力條件的因素眾多，而對于與人類活動相關(guān)的情況，在今后的杭州灣及錢塘江河口整治和開發(fā)中應(yīng)引起足夠的重視。

［1］王永紅，沈煥庭，劉高峰.河口漲潮槽的研究進展［J］.海洋通報，2003，22（3）：73-80.

WANG Y H，SHEN H T，LIU G F.A Review of Flood Channels in Estuaries［J］.Marine Science Bulletin，2003，22（3）：73-80.

［2］陳吉余，王寶燦，虞志英，等.中國海岸發(fā)育過程和演變規(guī)律［M］.上海：上?？茖W技術(shù)出版社，1989.

［3］沈煥庭，李九發(fā)，金元歡.河口漲潮槽的演變及治理［J］.海洋與湖沼，1995，26（1）：83-89.

SHEN H T，LI J F，JIN Y H.Evolution and Regulation of Flood Channels in Estuaries［J］.Oceanologia Et Limnologia Sinica，1995，26（1）：83-89.

［4］劉高峰，沈煥庭，吳加學，等.河口漲落潮水動力特征及河槽類型判定［J］.海洋學報，2005，27（5）：151-156.

LIU G F，SHEN H T，WU J X，et al.The Study of Hydrodynamic Characteristics of Flood and Ebb Channels and Channel Type Judgment［J］.Acta Oceanologica Sinica，2005，27（5）：151-156.

［5］余祈文，符寧平.杭州灣北岸深槽形成及演變特性研究［J］.海洋學報，1994，16（3）：74-85.

YU Q W，F(xiàn)U N P.Research on the formation and evolution of Northern Deep Channel in Hangzhou Bay［J］.Acta Oceanologica Sinica，1994，16（3）：74-85.

［6］曹沛奎，董永發(fā)，周月琴.杭州灣北部沖刷槽演變的分析［J］.地理學報，1989，44（2）：157-166.

CAO P K，DONG Y F，ZHOU Y Q.An Analysis on the Evolution of Scouring Channels in Northern Hangzhou Bay［J］.Acta Geographica Sinica，1989，44（2）：157-166.

［7］茅志昌，郭建強，虞志英，等.杭州灣北岸岸灘沖淤分析［J］.海洋工程，2008，26（1）：108-113.

MAO Z C，GUO J Q，YU Z Y，et al.Analysis on Erosion and Siltation of Tidal Flats in the North Part of the Hangzhou Bay［J］.The Ocean Engineering，2008，26（1）：108-113.

［8］熊紹隆，陶圭棱，盧祥興，等.杭州灣北岸深槽沖淤變化試驗研究［J］.水利學報，1994（10）：69-76.

XIONG S L，TAO G L，LU X X，et al.Experimental Research on Erosion and Siltation of Northern Deep Channel in Hangzhou Bay［J］.Journal of Hydraulic Engineering，1994（10）：69-76.

［9］潘存鴻，符寧平.錢塘江河口治理回顧［J］.水利水電科技進展，1999，19（4）：43-46.

PAN C H，F(xiàn)U N P.Review of Regulation of Qiantang Estuary［J］.Advances in Science and Technology of Water Resources，1999，19（4）：43-46.

［10］毛漢禮，甘子鈞，沈鴻書.杭州灣潮混合的初步研究 I.上灣區(qū)［J］.海洋與湖沼，1964，6（2）：121-134.

MAO H L，GAN Z J，SHEN H S.A Preliminary Study of the Tidal Flushing in Hangchow Bay（I）Upper Estuary［J］.Oceanologia Et Limnologia Sinica，1964，6（2）：121-134.

［11］曹沛奎，谷國傳，董永發(fā)，等.杭州灣泥沙運移基本特征［J］.華東師范大學學報：自然科學版，1985（3）：75-84.

CAO P K，GU G C，DONG Y F，et al.Basic Characteristics of Sediment Transport in Hangzhou Bay［J］.Journal of East China Normal University：Natural Science，1985（3）：75-84.

［12］倪勇強，耿兆銓，朱軍政.杭州灣水動力特性研討［J］.水動力學研究與進展A輯，2003，18（4）：439-445.

NI Y Q，GENG Z Q，ZHU J Z.Study on characteristic of hydrodynamics in Hangzhou Bay［J］.Journal of Hydrodynamics，2003，18（4）：439-445.

［13］季榮耀，陸永軍.強潮河口水沙動力過程研究進展［J］.水利水運工程學報，2008（3）：64-74.

JI R Y，LU Y J.Advances in hydrodynamic and sedimentary processes of macrotidal estuary［J］.Hydro-Science and Engineering，2008（3）：64-74.

［14］韓曾萃，戴澤蘅，李光炳，等.錢塘江河口治理開發(fā)［M］.北京：中國水利水電出版社，2003.

［15］陳吉余.中國海岸侵蝕概要［M］.北京：海洋出版社，2010.

［16］Roe P L.Approximate Riemann solver，parameter vectors，and difference-schemes［J］.Journal of Computational Physics，1981，43（2）：357-372.

［17］Hirsch C.Numerical computation of internal and external flows，Computational methods for inviscid and viscous flows：Vol.2［M］.Chichester，UK：John Wiley&Sons，1990.

Study on tidal dynamic factors of northern deep channel in Hangzhou Bay

NI Wei1，WANG Yi-gang1，HUANG Hui-ming1,2
（1.Key Laboratory of Coastal Disaster and Defence，Ministry of Education，Hohai University，Nanjing210098，China；2.Key Laboratory of Port，Waterway and Sedimentation Engineering of the Ministry of Transport，Nanjing Hydraulic Research Institute，Nanjing210098，China）

Based on the numerical simulation,the tidal dynamic factors of the northern deep channel were studied from aspects of estuarial plane shape,underwater topography,tidal stencils,etc.Both natural factors and human activities related factors have influence on formation of the deep channel.The results can provide certain scientific basis for further protection and development of the northern deep channel in Hangzhou Bay.

northern deep channel；dynamic factor；mathematical model；Hangzhou Bay

TV 139.2；O 242.1

A

1005-8443（2012）03-0201-07

2011-11-15；

2011-12-30

南京水利科學研究院中央級公益性科研院所基本科研業(yè)務(wù)費專項資金“河口懸沙垂向運動特征研究”。

倪瑋（1987-），女，浙江省人，碩士研究生，主要從事海岸、河口動力環(huán)境及其模擬研究。