三門灣貓頭深潭對“煙花”臺風的沖淤響應(yīng)

應(yīng) 超，王樂樂，黃世昌

(浙江省水利河口研究院（浙江省海洋規(guī)劃設(shè)計研究院），浙江 杭州 310020)

海灣是人類集中生活區(qū)，也是人類重點開發(fā)的區(qū)域。浙江省由于其特殊的地理位置和氣候條件，在夏秋季會遭遇臺風侵襲。臺風將導(dǎo)致風暴潮與臺風浪，并在極短的時間內(nèi)大幅改變海灣海底地形。風暴過后，海灣內(nèi)航道或深潭均可能形成驟淤，從而對港口航運、電廠取排水等涉水工程造成嚴重影響。路川藤等[1-2]采用數(shù)值模擬方法計算分析了長江口、溫州灣臺風期深水航道驟淤的風險。孫林云等[3]則采用物理模型試驗的方法研究了京唐粉沙質(zhì)海岸的驟淤問題。

三門灣位于浙江中部，是三門核電廠址所在地。目前，三門核電一期工程已經(jīng)實施，二期、三期均計劃在貓頭深潭附近實施取排水工程。實測地形資料表明，2003—2019年間，深潭最深處淤積幅度約為15 m。貓頭深潭的持續(xù)淤積，一直是眾多學者研究的熱點問題。楊輝等[4]分析貓頭深潭附近海域沖淤演變規(guī)律及其動力機制，認為風暴驟淤是貓頭深潭的主要淤積方式，連續(xù)遭遇風暴影響后，潭內(nèi)沉積物難以在正常天氣下被全部沖刷。自2003年以來，三門灣交替發(fā)生了大規(guī)模人類圍墾活動。蛇蟠涂（2004—2007）、下洋涂（2006—2010）、晏站涂（2003—2007）、雙盤涂（2011—2015）、三山涂（2011—2015）、洋市涂（2003—2005）等圍墾導(dǎo)致的岸線地形變化，使三門灣的潮汐動力大幅減弱[5]。本文擬采用超強臺風“煙花”為代表臺風，估算貓頭深潭在一次臺風過程中的泥沙驟淤量，為貓頭深潭清淤維護提供數(shù)據(jù)支撐，也為類似的淤泥質(zhì)海灣驟淤研究提供參考。

1 研究區(qū)域及臺風特征

三門灣地處浙中沿海，地理位置在北緯28°57′～29°22′，東經(jīng)121°25′～121°58′，北與象山港接壤，南臨臺州灣，東界為南田島急流嘴連線，為一半封閉狀海灣（圖1）。海灣總體上呈西北-東南走向，灣口面向東南，以金七門—三門島—牛頭山的連線為界與東海相連，寬約26 km；口門至灣北底部縱深約42 km，灣內(nèi)水深一般為5～10 m。灣內(nèi)貓頭深潭緊靠娘娘田崗山岬（黃巖咀頭和老鷹咀頭）發(fā)育，其東西向長約1.1 km，南北向長約0.75 km，深潭位于黃巖咀頭正東，距岸約200 m。據(jù)2020年1月地形測圖示，深潭中心最深點為85高程-32.6 m，距咀頭岸線約170 m。

圖1 三門灣地形Fig. 1 Topographic map of Sanmen Bay

三門灣的潮波以由外海傳入的潮波引起的脅迫振動為主，潮波形態(tài)為駐波。潮汐性質(zhì)屬于正規(guī)半日潮。海灣內(nèi)部受淺海分潮的影響較大，具有非正規(guī)半日淺海潮波性質(zhì)。灣內(nèi)鍵跳站最大漲潮潮差為7.23 m，最大落潮潮差為6.97 m，平均潮差為4.12 m。受三門灣岸線地形影響，灣內(nèi)潮流為往復(fù)流為主。漲潮時，潮流分兩股進入三門灣內(nèi)，一股從滿山水道進入，另一股從貓頭水道進入。其中經(jīng)貓頭水道進入的漲潮流經(jīng)過貓頭山咀后又分成兩股，一股與從滿山水道進入的漲潮流交匯進入青山港和瀝洋港，這部分潮流約占進入三門灣內(nèi)潮流總體的60%；另一股漲潮流進入蛇蟠水道，約占40%，然后這部分漲潮水體的約80%進入旗門港，另外20%進入海游港。根據(jù)2019年實測資料，三門灣夏季灣口全潮平均含沙量為0.235 kg/m3，灣頂全潮平均含沙量為0.127 kg/m3，貓頭山嘴全潮平均含沙量為0.047 kg/m3；冬季灣口全潮平均含沙量為0.313 kg/m3，灣頂全潮平均含沙量為0.186 kg/m3，貓頭山嘴全潮平均含沙量為0.223 kg/m3。

2021年第6號臺風“煙花”于7月18日02:00在西北太平洋洋面上生成，于25日12:30前后在浙江省舟山市普陀區(qū)登陸（圖2），登陸時中心附近最大風力13級（38 m/s），中心最低氣壓965 hPa，并于26日09:50前后在浙江省平湖市沿海再次登陸，登陸時中心附近最大風力10級（28 m/s），中心最低氣壓978 hPa?！盁熁ā迸_風登陸時恰逢大潮天文高潮位，造成了舟山海域接近歷史最高潮位的風暴潮位。三門灣貓頭深潭，距臺風路徑最近垂直距離約110 km，勢必會受到“煙花”風暴潮及臺風浪的影響。

圖2 “煙花”及“弗雷德”臺風路徑Fig. 2 Path map of Typhoon In-Fa and Gladys

2 數(shù)學模型建立及驗證

2.1 模型介紹

本文采用自主研發(fā)的平面二維潮流泥沙數(shù)學模型進行風暴潮及泥沙沖淤計算，采用第三代譜模型SWAN進行波浪計算。為使風暴潮與臺風浪充分成長，數(shù)學模擬范圍南至菲律賓，東至琉球群島，模型經(jīng)度范圍為114.000°～119.649°，緯度范圍為22.40° ～29.71°。模型采用三角形網(wǎng)格進行空間離散，可以很好地模擬浙江省的曲折岸線。整個計算模型布置104 190個節(jié)點與196 659個網(wǎng)格，按照重點關(guān)鍵水域網(wǎng)格密、其他水域疏的原則剖分。計算域內(nèi)的網(wǎng)格布設(shè)考慮了水流、地形梯度的差異，貓頭深潭附近的計算網(wǎng)格作進一步加密，深潭局部網(wǎng)格空間尺度為5 m（圖3）。

圖3 計算范圍及網(wǎng)格布置Fig. 3 Calculation scope and grid layout

潮流泥沙數(shù)學模型采用有限體積法進行離散，具有良好的物質(zhì)守恒性。采用FES2012模型預(yù)報外海水位邊界，邊界預(yù)報時考慮了8個主要分潮M2、S2、K1、O1、N2、P1、K2和Q1，2個長周期分潮Mf和Mm及3個淺水分潮M4、M6和MS4。模型中外海邊界處含沙量設(shè)置為0。本文臺風風場及氣壓場采用NASA的CCMP再分析數(shù)據(jù)[6]，其空間分辨率為0.25°，時間分辨率為6 h，已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于風暴潮及臺風浪的數(shù)值模擬[7-8]。

泥沙模型中懸沙與底沙之間的泥沙交換即近底泥沙通量的確定是關(guān)鍵。經(jīng)過多年研究與實踐，國內(nèi)外學者常采用挾沙力或切應(yīng)力模式來確定泥沙源項。本文采用挾沙力模式來模擬三門灣懸沙運動。波流共同作用下的水體挾沙力為潮流挾沙力，為 波浪挾沙力。在計算時引入背景含沙量S0的概念：

式中：水流的挾沙力系數(shù)k與S0，根據(jù)實測含沙量與水力因子間的關(guān)系回歸得到。

對于波浪作用下的挾沙能力，根據(jù)實際波能演化原理，修正為如下形式[9]：

式中：fw為 床面摩阻系數(shù)；Hrms為 均方根波高；T為波浪周期；k為 波數(shù)；g為 重力加速度；DB2為由于波浪破碎引起的波能耗散（可由SWAN模型計算得到）；β1與 β2為系數(shù)；γ為水流重度；γs為泥沙重度。

2.2 模型驗證

2.2.1 風暴潮模型驗證 本模型模擬舟山海域岱山站及金塘站風暴水位見圖4。由圖4可見，7月24日之前，各站水位受風暴潮影響較小，實測潮位與計算天文潮位基本相符。7月24日至7月26日，各站實測潮位較計算天文潮位有明顯抬高，金塘站最大增水可達1.1 m，岱山站最大增水可達0.8 m。模型計算風暴潮最高潮位最大誤差在10 cm以內(nèi)，很好地復(fù)演了風暴潮增水過程。

圖4 風暴潮位驗證結(jié)果Fig. 4 Verification results of storm tide level

2.2.2 臺風浪模型驗證 采用嵊山及大陳波浪站的實測波浪數(shù)據(jù)進行波浪驗證（圖5）?？梢?，SWAN模型計算有效波高與實測值量值及趨勢均較相近，很好地模擬了風暴潮登陸時的臺風浪過程。

圖5 臺風浪波高驗證Fig. 5 Typhoon wave verification diagram

2.2.3 泥沙驟淤模型驗證 三門核電廠前期研究時對三門灣內(nèi)固定檢測斷面的海底高程進行過17次測量。其中1994年6月與8月分別進行過一次測量，正好在9417臺風前后，為研究深潭驟淤留下了寶貴的資料。9417臺風于1994年8月21日22:30（農(nóng)歷七月十五）在溫州瑞安梅頭鎮(zhèn)（今溫州龍灣區(qū)海城街道）登陸，登陸時中心氣壓960 hPa，近中心最大風速大于40 m/s。臺風登陸時正是天文大潮高潮（農(nóng)歷七月十五），使高潮時間延長。此臺風特點為風大、雨強、潮高，形成暴雨、洪水、大潮“三碰頭”。三門灣內(nèi)健跳站增水可達155 cm。

本文首先復(fù)演9 417號臺風浪與風暴潮位，然后選取其中兩條深潭斷面進行驟淤驗證（1#與2#），斷面布置見圖3。由圖6可見，9 417號臺風前后三門核電廠址附近的深潭處呈現(xiàn)不同幅度的淤積，剖面1#平均淤淺142 cm, 淤積厚度自邊坡向底部增大，最深點淤淺達270 cm。模型計算所得的深潭沖淤趨勢與實測資料相近，很好地復(fù)演了貓頭深潭在臺風期的淤積過程。這說明本模型泥沙參數(shù)取值較為合理，可以用來預(yù)測貓頭深潭臺風期的驟淤。

圖6 代表斷面驟淤地形驗證Fig. 6 Verification of sudden siltation terrain of representative section

3 臺風“煙花”對貓頭深潭驟淤影響分析

根據(jù)周陽等[10]對三門灣的周年波浪觀測結(jié)果，三門灣受波浪影響較小，口門附近常浪向為E向，年均H1/10為0.43 m，次常浪向為ESE向，年均H1/10為0.39 m。根據(jù)本次臺風浪計算結(jié)果，貓頭深潭有效波高可達0.8 m，說明“煙花”臺風造成了三門灣內(nèi)不小的波浪增幅。選取貓頭深潭附近代表點，統(tǒng)計有無波浪不同情況下的含沙量過程（見圖7）?？梢?，不考慮臺風浪的情況下，在貓頭深潭處，含沙量過程隨潮汛有良好的變化規(guī)律。在一個潮周期過程中，漲潮時，外海入灣泥沙隨漲潮流被推至灣頂，深潭附近的含沙量隨漲潮過程逐漸降低，并在高平時刻含沙量達到最小值；落潮時，灣頂高濃度含沙量隨落潮流輸移回外海，深潭含沙量隨落潮過程逐漸增大，并在低平時刻達到最大值。考慮“煙花”臺風浪情況后，高平時刻的含沙量有明顯增加。考慮有無波浪兩種不同情況下高平時刻含沙量分布見圖8?？梢?，在臺風浪作用下，下洋涂南側(cè)淺灘及貓頭深潭南北側(cè)淺灘的含沙量均有明顯增加，局部可增加至無浪情況下的3倍以上。臺風浪導(dǎo)致的含沙量增加是三門灣深潭驟淤的主要原因，當風浪動力減弱，臺風期擾動起懸的泥沙，更易在深潭附近沉積?！盁熁ā迸_風過后3天，三門灣沖淤變化見圖9?？梢?，臺風過后三門灣內(nèi)大片灘涂發(fā)生了輕微的沖刷，而貓頭深灘和附近深槽均發(fā)了明顯淤積，貓頭深潭最大淤積為0.15 m。

圖7 有無波浪情況下潮位及含沙量過程線Fig. 7 Tidal level and sediment concentration hydrograph with or without waves

圖8 有無波浪情況下高平時刻含沙量分布Fig. 8 Distribution of sediment concentration at high level with or without waves

圖9 “煙花”臺風后貓頭深潭計算驟淤Fig. 9 Calculated sudden siltation of Maotou deep pool after Typhoon In-Fa

對比“煙花”臺風與9417臺風的驟淤量值，發(fā)現(xiàn)不同臺風情況下，貓頭深潭的沖淤響應(yīng)也有較大不同。究其原因，主要是不同臺風會對三門灣造成不同的動力擾動。對比“煙花”與9417臺風期貓頭深潭附近最大波高分布（ 圖10），可見9417號臺風期間灣內(nèi)風浪波高遠大于“煙花”臺風，也會造成更多的臺風期泥沙起懸，從而造成貓頭深潭更大的淤積。

圖10 9417臺風與“煙花”臺風臺風期最大波高分布Fig. 10 Distribution of maximum wave height of Typhoon 9417 and In-Fa in typhoon period

4 結(jié) 語

2021年的“煙花”臺風恰逢天文高潮位，造成了舟山海域的大幅風暴增水。三門灣貓頭深潭距臺風路徑最近垂直距離約110 km，臺風期最大有效波高為0.8 m。臺風浪導(dǎo)致的含沙量增加是三門灣深潭驟淤的主要原因，臺風過后三門灣內(nèi)大片灘涂發(fā)生了輕微沖刷，而貓頭深灘和附近深槽均發(fā)生了明顯淤積，貓頭深潭最大淤積為0.15 m。目前貓頭深潭并未建立常規(guī)斷面監(jiān)測機制，本次臺風期前后也無實測斷面地形，建議今后對貓頭深潭開展定期地形監(jiān)測，進一步研究其沖淤機理。