溫州港平陽(yáng)港區(qū)水文泥沙特征分析

范長(zhǎng)新

(1.交通運(yùn)輸部天津水運(yùn)工程科學(xué)研究所,天津 300456;2.天津水運(yùn)工程勘察設(shè)計(jì)院 天津市水運(yùn)工程測(cè)繪技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300456)

1 概述

為落實(shí)溫州沿海產(chǎn)業(yè)帶建設(shè)的戰(zhàn)略部署，積極推動(dòng)平陽(yáng)港區(qū)向鰲江口外轉(zhuǎn)移，平陽(yáng)縣人民政府利用飛鰲淺灘灘涂資源建設(shè)深水大港，發(fā)揮港口優(yōu)勢(shì)引導(dǎo)產(chǎn)業(yè)集聚，打造平陽(yáng)臨海產(chǎn)業(yè)基地，最終實(shí)現(xiàn)港、產(chǎn)、城三位一體的協(xié)調(diào)發(fā)展格局。新規(guī)劃的溫州港平陽(yáng)港區(qū)北起飛云江南岸，南至鰲江口北岸，自南至北岸線長(zhǎng)約11 km (圖1)。規(guī)劃港區(qū)擬采用環(huán)抱式形態(tài)，由南堤、北堤、內(nèi)港池、口門段環(huán)抱形成港區(qū)。

圖1 工程區(qū)位置示意圖Fig.1 Location of the project圖2 測(cè)量站位及大潮垂線平均潮流矢量圖 Fig.2 Observation stations and vertically-averaged tidal current vectors during a spring tide

為了研究工程海區(qū)潮流泥沙運(yùn)動(dòng)規(guī)律，并能對(duì)平陽(yáng)港區(qū)總體規(guī)劃各方案實(shí)施后的潮流運(yùn)動(dòng)規(guī)律、正常泥沙回淤和驟淤情況進(jìn)行模擬和預(yù)測(cè)，論證工程實(shí)施后對(duì)周圍海域水沙條件的影響程度，2013年7月在規(guī)劃的溫州港平陽(yáng)港區(qū)內(nèi)進(jìn)行了夏季水文泥沙測(cè)驗(yàn)，項(xiàng)目測(cè)驗(yàn)內(nèi)容為潮位、流速、流向、含沙量、懸沙粒徑等，且測(cè)驗(yàn)潮型為大、中、小潮各1 次，另外，為了分析水下沉積物的分布特征，在規(guī)劃區(qū)及周邊海域布置210個(gè)表層底質(zhì)取樣點(diǎn)。

潮位:設(shè)立平陽(yáng)嘴、上干山、南麂島3處一月臨時(shí)潮位站，工程區(qū)1處半月臨時(shí)潮位站，與水文泥沙測(cè)驗(yàn)同步觀測(cè)。

水文垂線：兩江口飛云江、鰲江布設(shè)V01、V02，平行于岸邊-5 m斷面布設(shè)V03、V04、V05，-8 m斷面布設(shè)V06、V07、V08，-15 m斷面布設(shè)V09、V10，南麂島西南-20 m位置布設(shè)V11共11條垂線(圖2)。

表1 驗(yàn)潮站短期潮位特征值Tab.1 Characteristic data of tidal levels at observation stations

2 潮汐特征

2.1 潮汐特征

根據(jù)觀測(cè)海域三處臨時(shí)驗(yàn)潮站的短期同步資料統(tǒng)計(jì)、分析，三個(gè)驗(yàn)潮站平均高潮位，平陽(yáng)嘴最高，南麂島最低；平均低潮位，南麂島最高，上干山最低。三個(gè)驗(yàn)潮站平均潮差，上干山與平陽(yáng)嘴均為4.65 m，南麂島最小為4.10 m。觀測(cè)海域?qū)崪y(cè)漲潮歷時(shí)小于落潮歷時(shí)，漲、落潮平均歷時(shí)分別為6 h6 min和6 h24 min，歷時(shí)差18 min。三個(gè)驗(yàn)潮站歷時(shí)差(以國(guó)家海洋潮位站南麂島為基準(zhǔn))，分別為12 min、41 min和0 min，平陽(yáng)嘴最大，具體特征值見(jiàn)表1。

潮高基準(zhǔn)面以1985國(guó)家高程為基準(zhǔn)，區(qū)域內(nèi)與其他基面關(guān)系參考臨近洞頭站的基面關(guān)系(見(jiàn)圖3)。

2.2 潮汐調(diào)和分析

圖3 洞頭站基面關(guān)系示意圖Fig.3 Relations of different data at Dongtou sation

通過(guò)短期驗(yàn)潮站——上干山、平陽(yáng)嘴和南麂島測(cè)站2013-07-20-16:00～08-24-05:00的潮位數(shù)據(jù)，采用最小二乘法進(jìn)行潮汐調(diào)和分析[1]，在求出11個(gè)分潮的調(diào)和常數(shù)的基礎(chǔ)上，利用F=(HK1+HO1)/HM2計(jì)算得到上干山、平陽(yáng)嘴和南麂島的F值分別為0.28、0.31和0.31。

結(jié)果表明：工程海域?qū)儆趶?qiáng)潮海域，平均潮差超過(guò)4 m，最大潮差可達(dá)7.0 m以上，潮汐性質(zhì)為正規(guī)半日潮型。

3 潮流特征

3.1 潮流類型[2]

根據(jù)同期水文資料顯示，各垂線(WK1+WO1)/WM2之比均小于0.50，屬規(guī)則半日潮流，但其比值WM4/WM2均在0.07～0.20之間，又都大于0.04，表明測(cè)區(qū)中淺海分潮流具有極大的比重，故潮流性質(zhì)應(yīng)屬非正規(guī)半日淺海潮流。

3.2 漲落潮段平均流速流向

根據(jù)各站漲、落潮潮段合成流速、流向計(jì)算結(jié)果(表2)，統(tǒng)計(jì)歸納為如下特征(圖2為本期測(cè)驗(yàn)觀測(cè)海域代表性潮型—大潮垂線平均流速矢量圖)。

3.3 潮流特征

由于施測(cè)海域受河口、水下地形及浙江沿岸流場(chǎng)的影響，不同區(qū)域各測(cè)站潮流有所差異，從觀測(cè)期數(shù)據(jù)分析，表現(xiàn)出以下明顯特征：

(1)潮流具有較明顯的駐波特征，中潮位前后流速最大，高、低潮時(shí)刻前后潮流流速小。

(2)根據(jù)水文全潮各站漲、落潮流速歷時(shí)統(tǒng)計(jì), 不同站位不同潮型, 使?jié)q落潮歷時(shí)不盡相同,飛云江口、鰲江河口及V09～V11漲潮歷時(shí)小于落潮歷時(shí), 漲落潮歷時(shí)差在鰲江口可達(dá)1 h55 min 以上, 其他區(qū)域落潮歷時(shí)與漲潮歷時(shí)基本接近。

(3)測(cè)區(qū)以兩河口垂線V01、V02流速為該海域漲、落潮流較強(qiáng)的區(qū)域，尤其飛云江垂線平均漲落潮最大流速達(dá)1.50 ～ 1.78 m/s ，潮段平均流速在0.75 ～ 0.83 m/s之間，相比較其余河口外垂線流速較弱，潮段平均流速均介于0.22 ～ 0.42 m/s之間，且各垂線差異較小，北側(cè)垂線點(diǎn)略大于南側(cè)垂線點(diǎn)流速。

(4)從各站流速垂線分布上看, 均呈現(xiàn)有分層明顯，且漲落潮垂線表層流速為最大的特征。

(5)潮流調(diào)和分析和橢圓要素計(jì)算結(jié)果顯示，測(cè)區(qū)南側(cè)V08、V10、V11垂線M2分潮流的橢圓旋轉(zhuǎn)率k值多大于0.25，潮流運(yùn)動(dòng)形式多為旋轉(zhuǎn)流，且主潮流旋轉(zhuǎn)方向多為逆時(shí)針左旋形式，其余各垂線M2分潮流的橢圓旋轉(zhuǎn)率k值在0.02～0.24之間，潮流運(yùn)動(dòng)形式以往復(fù)流為主與實(shí)測(cè)結(jié)果相一致。

(6)兩河口V01、V02垂線漲、落潮平均流向分別為313°、140°和333°、128°，漲、落潮方向主要受河道自然地形影響，與河道走勢(shì)基本保持一致；-5 m斷面V03、V04、V05垂線漲、落潮平均流向分別在315°～325°和109°～114°之間，漲、落潮平均流向順時(shí)針夾角為149°～159°，-8 m斷面V06、V07、V08垂線漲、落潮平均流向的順時(shí)針夾角為109°～158°，-15 m斷面V09、V10垂線漲、落潮平均流向的順時(shí)針夾角為109°～114°，-20 m位置V11垂線漲、落潮平均流向的順時(shí)針夾角為99°，隨著深度的增加漲、落潮流向之間的順時(shí)針夾角逐漸變小，表明夏季閩浙自西南向東北沿岸流在測(cè)區(qū)內(nèi)對(duì)水深在-5～-20 m范圍內(nèi)影響的強(qiáng)度隨著深度的增加而增大[3]。

表2 觀測(cè)海域漲、落潮平均流速流向統(tǒng)計(jì)表Tab.2 Mean current velocities and directions during flood tide and ebb tide

3.4 最大可能流速

最大流速可由下式計(jì)算

潮流的可能最大流速以河口V01、V02站為最大，其中V01最為明顯，最大可達(dá)2.69 m/s，其余斷面垂線的最大流速介于0.66～1.13 m/s之間。

各垂線的最大流速均出現(xiàn)在表層，且受海底摩擦的影響，各測(cè)站潮流的可能最大流速基本由表到底逐漸減小，各測(cè)站各層潮流的可能最大流速介于0.30～2.69 m/s之間。

3.5 余流

余流是指從實(shí)測(cè)海流中剔除周期性流(如潮流)以后的水體流動(dòng), 即由潮流調(diào)和分析所得的非周期性常流部分，直接影響著水體的運(yùn)移和交換情況，對(duì)海水中懸浮物質(zhì)的輸運(yùn)、稀釋和擴(kuò)散都起著十分重要的作用[4]。

(1)余流流向。 在河口外附近,余流方向多呈東南向, 顯示了上游徑流注入本區(qū)后流動(dòng)和擴(kuò)散的方向，其余垂線受閩浙東北沿岸流的影響，余流流向基本為東北或北向[5]。

(2)余流流速。河口站V01、V02余流的平均流速分別9.4 cm/s、16.8 cm/s，V01余流的平均流速小于V02的余流平均流速；其余河口外測(cè)區(qū)內(nèi)垂線受季受閩浙東北沿岸流的影響，自-5 m水深至-20 m水深間垂線余流平均流速呈現(xiàn)逐漸增大的趨勢(shì)，最小余流發(fā)生在V03站，平均流速為6.4 cm/s ，最大余流為V11站，平均流速約為23.5 cm/s。

4-a 大潮 4-b 小潮圖4 大小潮垂線平均余流矢量圖Fig.4 Vertically-averaged residual current vectors in spring tide and neap tide

4 含沙量分布特征

施測(cè)期間海面以S、SW風(fēng)為主，風(fēng)力4～6級(jí)，陣風(fēng)7級(jí)，最大波高1.8 m，海況3～4級(jí)；惡略的海況和波浪條件進(jìn)一步影響了含沙量的觀測(cè)結(jié)果，表3為實(shí)測(cè)漲、落潮段垂線平均含沙量統(tǒng)計(jì)值。

4.1 潮段平均含沙量

(1)施測(cè)海域?qū)崪y(cè)全潮平均含沙量為0.504 kg/ m3，漲、落潮垂線平均含沙量分別為0.566 kg/m3和0.441 kg/m3，漲潮大于落潮；漲、落潮平均含沙量：大潮為0.798 kg/ m3，中潮為0.485 kg/m3，小潮為0.227 kg/m3，大潮最大，小潮最小，表明潮段平均含沙量與潮汐動(dòng)力明顯相關(guān)[6]。

(2)測(cè)區(qū)含沙量平面分布，飛云江口、鰲江口、-5 m、-8 m、-15 m、-20 m等深線漲潮平均含沙量依次為2.431 kg/m3、2.332 kg/m3、0.289 kg/m3、0.133 kg/m3、0.065 kg/m3、0.056 kg/m3；落潮平均含沙量依次為2.248 1 kg/m3、1.534 kg/m3、0.202 kg/m3、0.102 kg/m3、0.052 kg/m3、0.047 kg/m3，漲、落潮平均含沙量之比值分別為1.04、1.59、1.43、1.3、1.24、1.19,平面上呈現(xiàn)近岸高、外海低，高濃度區(qū)出現(xiàn)于河口，淺灘外沿存在相對(duì)低值區(qū)的分布格局，且漲潮含沙量大于落潮含沙量[7]。

表3 漲、落潮段垂線平均含沙量統(tǒng)計(jì)表Tab.3 Vertically-averaged mean sediment concentration during flood tide and ebb tide kg/m3

4.2 垂線平均含沙量

從整個(gè)測(cè)區(qū)來(lái)看，河口區(qū)飛云江口V01和鰲江口V02站含沙量較大，且V01較V02略微明顯，V01大潮期垂線平均最大含沙量為10.93 kg/m3，垂線平均含沙量分別為4.42 kg/m3；除了河口的測(cè)站含沙量較大外，整個(gè)水域垂線平均含沙量介于0.03～0.55 kg/m3之間，一般都在0.2 kg/m3左右，-5 m等深線(理論基面)以外垂線含沙量都在0.1 kg/m3以下；含沙量自岸向海呈逐漸遞減的趨勢(shì)。

4.3 含沙量垂線分布

(1)總體來(lái)看, 不同水域垂線上含沙量均呈從表層到底層逐層增大的分布趨勢(shì)，江口垂線表現(xiàn)尤其明顯。

(2)統(tǒng)計(jì)分析垂線平均含沙量大、中、小潮漲潮含沙量之比為3.2:2.0:1，落潮含沙量之比為3.6:1.8:1，表明潮動(dòng)對(duì)水體含沙量濃度有明顯影響。

4.4 單寬輸沙率

由于受河口、水下地形天氣等因素的影響，海域各測(cè)站單寬輸沙率差異較大，從數(shù)據(jù)計(jì)算的結(jié)果(見(jiàn)表4)分析，觀測(cè)期表現(xiàn)出以下明顯特征：

(1)河口V01站的輸沙率為最大，介于0.365～3.943 kg/m·s，其余站在0.007～0.239 kg/m·s之間，呈自岸向海逐漸遞減的趨勢(shì)，這與的流速、含沙量分布規(guī)律一致。

表4 漲、落潮段垂線單寬輸沙率統(tǒng)計(jì)表Tab.4 Vertically-averaged sediment-transport rate during flood tide and ebb tide kg/m·s

(2)飛云江河口V01站，中潮漲落潮輸沙率差異最大，其比值為1.82倍，鰲江河口V02站大潮最大，比值為2倍，其余各站受含沙量濃度的影響，輸沙率量級(jí)相對(duì)較低，漲落潮的輸沙率比值均小于1.6倍，但總體各站大、中、小潮計(jì)算輸沙率落潮段均小于漲潮段，與歷史文獻(xiàn)[8-10]的飛云江入?？谑芰饔騺?lái)沙及沿岸流輸沙，波、流共同作用下淺灘灘面淤積泥沙再懸浮并隨水流輸移以及落于外海的海域觀點(diǎn)有所不同，其主要原因，應(yīng)該是在特定觀測(cè)期內(nèi)，受特定天氣條件影響所致，但總體泥沙特征應(yīng)與歷史文獻(xiàn)分析結(jié)果保持一致。

4.5 懸沙粒徑分析

水文測(cè)驗(yàn)期間，各垂線分別在漲、落急和漲、落憩時(shí)段采取水樣，進(jìn)行懸沙粒徑的分析。每條垂線在大、中、小潮期間取水樣27個(gè)，共計(jì)取樣297個(gè)。

樣品分析結(jié)果表明，本區(qū)懸沙粒徑偏細(xì)，中值粒徑在0.002 0～0.008 0 mm之間變化，各垂線平均懸沙粒徑在0.003 9～0.004 5 mm之間，平均為0.004 2 mm(表5)。

表5 懸沙中值粒徑統(tǒng)計(jì)表Tab.5 Median sizes of suspended load mm

圖5 水下沉積物取樣點(diǎn) 圖6 水下沉積物類型分布圖 位置示意圖 Fig.6 Distribution of sedimentationFig.5 Locations of sediment sampling

5 水下沉積物分布特征

在規(guī)劃區(qū)及周邊海域布設(shè)水下沉積物表層采樣點(diǎn)210個(gè)(圖5)，測(cè)點(diǎn)距離約3 km左右。

5.1 沉積物類型

表6 沉積物沉積類型統(tǒng)計(jì)Tab.6 Sedimentation types of sediment

沉積物類型見(jiàn)表5和圖6。由表5和圖6所示，本區(qū)水下沉積物有4種物質(zhì)類型，即砂-粉砂-粘土(STY)粉砂(T)、粉砂質(zhì)粘土(TY)和粘土質(zhì)粉砂(YT)；在全部樣品中砂-粉砂-粘土粉砂占2.4%，砂-粉砂-粘土占3.3%，粉砂質(zhì)粘土占18.6%， 粘土質(zhì)粉砂占75.7%，由此可見(jiàn)該海域主要以粉砂質(zhì)粘土和粘土質(zhì)粉砂為主。

5.2 沉積物中值粒徑

沉積物取樣分析結(jié)果表明(表6)，工程近海區(qū)沉積物中值粒徑在0.003 7～0.028 mm之間變化，平均中值粒徑為0.007 3 mm，從粒徑上反映出該海域沉積物中值粒徑總體較細(xì)。

本區(qū)沉積物中值粒徑主要集中0.004～0.008 mm之間，其次是0.008～0.016 mm之間范圍。

0.004～0.008 mm粒徑范圍分布區(qū)域最大，幾乎呈普遍分布； 0.008～0.016 mm粒徑分布區(qū)域主要在飛云江河口以北區(qū)域；大于0.016 mm粒徑分布區(qū)域主要分布在飛云江口外的島礁附近；小于0.004 mm的沉積物僅為零星分布。工程近海區(qū)粒徑分布的主要特征反映出北部略粗、南部次之、中部最細(xì)。

6 結(jié)語(yǔ)

(1)本海區(qū)潮汐為正規(guī)半日潮型，工程海域?qū)儆趶?qiáng)潮海域，平均潮差超過(guò)4 m，最大潮差可達(dá)7.0 m以上。

(2)潮流屬不規(guī)則半日淺海潮流性質(zhì)，兩河口為該海域漲、落潮流較強(qiáng)的區(qū)域；工程區(qū)南側(cè)水域略帶旋轉(zhuǎn)性，其余海域總體潮流屬于往復(fù)流，漲潮流多指西北偏西方向，落潮流多指東南方向。

(3)除河口附近余流方向與河口走向一致呈東南方向外，其余區(qū)域受受閩浙東北沿岸流的影響余流流向基本為東北或北向，且在自-5～-20 m水深間垂線余流平均流速呈現(xiàn)逐漸增大的趨勢(shì)。

(4)含沙量平面上呈現(xiàn)近岸高、外海低，高濃度區(qū)出現(xiàn)于河口，淺灘外沿存在相對(duì)低值區(qū)的分布格局，且自岸向海呈逐漸遞減。

(5)受特定天氣條件影響，在特定觀測(cè)期內(nèi)輸沙率落潮段均小于漲潮段。

(6)觀測(cè)期區(qū)域平均懸沙粒徑0.004 2 mm。

(7)區(qū)域水下沉積物類型以主要以粉砂質(zhì)粘土和粘土質(zhì)粉砂為主，相比較，總體呈現(xiàn)出北部略粗、南部次之、中部最細(xì)的特征。