韓曾萃,朱寶土,唐子文

(浙江省水利河口研究院,浙江 杭州 310020)

1 問題的提出

浙江省有眾多的淤泥質(zhì)海灣 (非國際海洋公約法中定義的海灣)深入陸地20～40 km。海灣周圍被山體環(huán)繞,水動力以潮流作用為主,風(fēng)浪作用較小,潮差從灣口向內(nèi)增大,最大潮差可達(dá)8～9 m,為我國最大潮差岸段之一。灣內(nèi)有豐富的土地、港口和水產(chǎn)資源。由于灣內(nèi)有堵港、圍涂、建碼頭、航道及上游建庫等人類活動,在一定程度上改變了灣內(nèi)的水動力條件。預(yù)測這些人類活動對灣內(nèi)水動力、斷面面積、水深條件的變化是這些工程立項的前期研究課題。

研究上述問題的方法之一為:以水動力、泥沙運動學(xué)為主要手段的水動力學(xué)方法,其中外文獻(xiàn)浩如煙海,數(shù)不勝舉。該方法優(yōu)點是從力學(xué)機(jī)理出發(fā),概念明確,比較嚴(yán)格,但它難以完全模擬水動力及泥沙運動與床底長歷時相互交換、反饋的全過程,且計算中有誤差累積的問題。另一種方法(即本文采用的方法)是地貌與水動力相結(jié)合的經(jīng)驗統(tǒng)計法。河床演變學(xué)中常用的河相關(guān)系法即是其中之一。它利用河床斷面特征(面積、河寬、水深)與造床流量 (可根據(jù)逐日徑流進(jìn)行統(tǒng)計計算)、含沙量等因子建立經(jīng)驗的相關(guān)關(guān)系。

國內(nèi)外對潮汐通道形態(tài)的研究,如M.P.O′Brien[1]在1969年提出的美國西部砂質(zhì)海岸的關(guān)系式:A=C·Pn(其中C、n為常數(shù),A為平均海平面時斷面面積;P為潮量)。此后Jarrett,J.T[2]在1976年對美國東、西海岸的100多個海灣的資料中進(jìn)行分析得到類似的關(guān)系,但C、n值略有變化。我國學(xué)者高抒[3]在1988年對我國東海11個海灣通道資料進(jìn)行了統(tǒng)計后得到以下關(guān)系式:

其中A為平均海平面下灣口斷面面積,P為平均大潮潮差下的納潮量,且利用五萬分之一比尺的海圖得到 P=RS(R為平均大潮潮差,S為大潮平均潮位時的海灣面積),計算十分方便,也有一定精度。曹沛奎等[4]也對浙閩的眾多海灣進(jìn)行了類似的研究,取得了一些有用的成果。

已有研究對海灣通道的斷面特性與潮量建立了定量關(guān)系,但也存在以下值得改進(jìn)之處:首先它僅是海灣口門某一斷面的關(guān)系,未能推廣到海灣內(nèi)部任意斷面,這就局限了它的適用性;其次,動力因素中只考慮潮量,而對影響斷面大小的泥沙特性(含沙量)未涉及;第三,它未包括徑流以及徑流在年內(nèi)的豐、枯變化,雖然海灣的動力以潮量占絕大部分,但徑流的作用并不能忽視;第四,河口與海灣在本質(zhì)上有許多—致的地方,如果能將兩者的斷面大小與動力特性用統(tǒng)一的公式概括,將會大大擴(kuò)展學(xué)術(shù)上和應(yīng)用上的價值。本文正是從這一宗旨出發(fā),對以上問題進(jìn)行深入的探討。

2 河口、海灣斷面關(guān)系的一致性驗證

本文涉及的海灣斷面不再局限于灣口某處一個斷面,而是灣內(nèi)的任意斷面面積與動力(包括潮量、含沙量、漲落潮歷時、徑流量)的關(guān)系?？梢越栌煤恿?、河口已有的研究成果進(jìn)行探討。竇國仁[5]用落潮流量 (含徑流、漲潮潮量、落潮歷時及落潮含沙量等因素)將河流的河相關(guān)系擴(kuò)展到河口,文獻(xiàn)[6]用十余條河口的口門、中段及末端斷面面積、河寬、水深與相應(yīng)斷面落潮流量、落潮含沙量建立經(jīng)驗統(tǒng)計關(guān)系:

其中 A、B、H分別為多年平均潮位下的過水面積(m2)、河寬 (m)、水深(m)。其中Qe=(Wf+QOT)/Te,式中 Qe、Se、Te分別為平均落潮流量、平均落潮含沙量和平均落潮流歷時(與高潮位到低潮位的歷時有差別)。Wf為平均潮差的漲潮潮量(m3),QO為多年平均徑流量(m3/s),T為1個潮周歷時(即12 h 25 min)。由于海灣的各斷面寬度、水深受邊界如地質(zhì)、地貌等因素影響變化很大,但其過水面積主要受動力泥沙條件的影響,可以自動調(diào)整。為此,本文主要以(2-a)式對海灣內(nèi)多個斷面進(jìn)行驗證。

由于灣口與灣頂?shù)某蔽?、潮差不?甚至灣口南、北岸水位亦不同,為提高精度,不再簡單用P=R·S計算潮量,為了與文獻(xiàn)[6]中公式保持一致性,在確定 A、Qe、Se等參數(shù)的定量時,考慮到大、中、小潮時的參數(shù)值都不相同,因此必須嚴(yán)格用二維平面潮波方程(可以考慮上游徑流的來量大小)經(jīng)過大、中、小潮(6～10個潮以上)的水位及垂線潮流速、流向驗證后,再通過長年潮位站的潮差頻率計算建立潮差、潮量相關(guān)線后,選定50%頻率的潮差來確定Wf并計算Qe值。Se也是用多次、多點、不同季節(jié)觀測值確定的,而斷面面積A是用與測流期同步的萬分之一地形圖量測而確定。限于篇幅,其全部水動力(潮位、潮流速、潮量等)驗證和計算本文一律從略,而直接采用相關(guān)文獻(xiàn)提供經(jīng)嚴(yán)格驗證合格的成果和數(shù)據(jù)。

2.1 象山港的驗證[7]

象山港集雨面積1 455 km2,水面面積562 km2,水陸面積之比為1∶1.58,象山港的平面形態(tài)及沿程任意選取的5個斷面位置見圖1所示,采用式(2-a)驗證結(jié)果如表1。

圖1 象山港平面位置及斷面示意圖

表1 象山港各斷面面積的驗證

由表1知,如用式(2-a)最大誤差16.7%,平均誤差10.5%。

2.2 三門灣的驗證[8]

三門灣的集雨面積3 160 km2,水面面積775 km2,水陸面積之比為1∶3。落潮歷時由口門處的6 h:15 min逐步縮短到灣頂?shù)? h:05 min,平均潮差由口門3.50 m,逐步增大到灣頂處的4.35 m。大潮潮差又比平均潮潮差大1.20 m,圖2為其斷面位置示意圖,斷面與潮量驗算見表2。

圖2 三門灣斷面位置示意圖

由表2知,用式 (2-a)計算最大誤差29%,平均誤差12.4%。

表2 三門灣各斷面面積關(guān)系式驗證計算

2.3 樂清灣的驗證[9]

樂清灣的集雨面積為1 470 km2,水面面積463 km,陸水面積之比為1∶2.17,灣內(nèi)潮差大于灣口,但含沙量則是灣內(nèi)小于灣口,落潮歷時由口門的6 h:10 min向灣內(nèi)遞減為5 h:50 min。用2003年的實測水文資料,經(jīng)驗證后得到4個典型斷面的平均潮流量、落潮流量、含沙量及斷面面積,如圖3和表3所示。

由表3知,用式(2-a)計算最大誤差 9.4%,平均7.2%。

圖3 樂清灣斷面位置、形態(tài)示意圖

表3 樂清灣斷面潮量驗證表

2.4 杭州灣斷面驗證[10]

杭州灣是河口灣,或稱為三角江型的河口,其集雨面積為55 558 km2,水面面積5 500 km2,水陸面積之比為1∶10。由于杭州灣口門處的南北水位相差1.26 m,口門與灣頂潮差相差2.68～4.0 m,且落潮潮流歷時也差1 h:40 min～1 h:00,又因上游治江圍涂,斷面潮量都發(fā)生了較大變化。因此用2003年的最新地形圖及水文資料進(jìn)行了重新的驗證和統(tǒng)計,特別是斷面落潮含沙量,經(jīng)大量測點資料統(tǒng)計取得。統(tǒng)計的潮汐特征值如表4,數(shù)模計算水域上下邊界及斷面位置見圖4。圖5為口門及灣頂2個斷面實測及數(shù)模計算的潮差～潮量關(guān)系曲線。由圖知點群還是比較集中,數(shù)模與實測點群是一致的,詳情從略。表5是5個斷面面積與潮量驗證的結(jié)果。

圖4 杭州灣測流點位、斷面及數(shù)模邊界圖

圖5 2個斷面實測及數(shù)模的潮差～潮量關(guān)系圖

表4 杭州灣典型站潮汐特征值表

表5 杭州灣各斷面面積與潮量驗證的結(jié)果表

由表5可知,用式 (2-a)計算最大誤差為15.2%,平均誤差8.0%。

綜合以上4個海灣25個斷面,用式(2-a)計算的平均誤差為9.6%,可基本滿足生產(chǎn)的要求,結(jié)果見圖6。

圖6 式(2-a)計算與實測斷面面積比較圖

3 應(yīng)用和討論

3.1 應(yīng) 用

對式 (2-a)的自變量 Qe、Se進(jìn)行全微與并整理后得下式:

通常含沙量變化幅度較小(除研究年內(nèi)季節(jié)變化,大小潮變化外),故式(3)通常情況下可簡化為:

式(3′)的含義表示為人類活動改變了落潮流量(或總落潮潮量、落潮歷時)、落潮含沙量,則同時會造成過水?dāng)嗝娴淖兓?其宏觀的、平衡的定量關(guān)系可用式 (3′)預(yù)測。

例1:錢塘江河口澉浦以上從1967年至2005年,由于治江、圍涂其平均潮量發(fā)生了較大的變化,為此利用1956—1960年 (代表治江前)和2001—2005年的平均潮差、潮量、斷面面積,進(jìn)行形澉浦?jǐn)嗝鎸崪y與按式(3′)進(jìn)行驗證計算,結(jié)果見表6。

例2:三門灣近20 a由于流域內(nèi)堵港如大塘港車岙港、胡陳港、毛嶼港、一市港等合計港域水面面積39.6 km2,相應(yīng)潮量 (平均潮差4 m)1.6億m3,三門灣圍墾高低不同灘涂295 km2,相當(dāng)減少平均潮量2.4億m3。2項合計減少總潮量4.0億m3。它們對灣內(nèi)的幾個主要斷面的潮量與斷面面積必然有反映。表6列出實測斷面面積的變化率與按(3′)式計算面積變化率。

表6 人類活動后斷面變化率的驗證表

由表6知,由于杭州灣有多年資料,數(shù)據(jù)較準(zhǔn),成果較準(zhǔn)。三門灣歷史資料相對較少,故數(shù)據(jù)欠準(zhǔn),但用式(3′)計算值與實測斷面積基本接近,誤差較小。因此可知,用此方法可以在宏觀上預(yù)測人類活動對斷面面積的變化。

3.2 河口、海灣斷面面積與動力關(guān)系一致性的討論

對于浙江省的絕大部分海灣的斷面面積與潮汐動力特征的關(guān)系,與河口的河相關(guān)系為何表現(xiàn)出如此地一致性,這可以從以下幾方面予以解釋。

3.2.1 起動流速

將式(2-a)修改后可得

一般 Se=0.08～2.15 則Se0.22=0.7～1.20

Qe=(0.1～20)×104則Qe0.1=2～3.4m3/s

從而可以代入式(4),得到:

此值即為一般粉砂質(zhì)床沙(d50=0.01～0.04 mm)在水深為2～10m的起動流速變化范圍,這說明達(dá)到平衡斷面時的臨界起動流速的范圍,浙江省的河口及海灣其河床質(zhì)起動流速都在此值的范圍以內(nèi),故河口、海灣的斷面面積與潮量的關(guān)系具有一致性。

3.2.2 物理化學(xué)環(huán)境

按Prichard對河口的定義“河口是一個與外海自由連通的半封閉海岸水體,其中海水可以量測出被陸地徑流沖淡[11],這個定義海灣也完全適合,所以在美國的許多大河口海灣如Chesapeake Bay都是當(dāng)作最典型的河口進(jìn)行研究的。南美州的拉普拉塔 (Rio de Plata)河口的口門寬為200 km,也當(dāng)作典型的三角江河口進(jìn)行研究[12]。河口與海灣的許多物理、化學(xué)、生物特征并無本質(zhì)差別,只是徑流所占比重不同。

3.3 徑流對海灣的維持作用不可忽略

隨著人類活動的頻繁和工程建設(shè)后對河口、海灣斷面形態(tài)影響的加大,徑流對維持河口斷面形態(tài)的重要性已越來越被科技工作者所重視,并加以研究。永寧江在長潭水庫建庫后引走90%徑流而引起庫下游江道逐步淤積消亡就是其中典型的工程實例。文獻(xiàn) [6]已有論述,徑流在海灣潮量中的比重可以不到0.1%,但它的存在并不能忽視,因為海灣漲潮輸沙是由外口向內(nèi)輸送,到灣頂流速由大變小,為飽和輸沙,而落潮由灣頂向外,流速由小到大,為未飽和輸沙,全潮過程中泥沙以凈輸入為主,斷面表現(xiàn)為淤積。汛期短時期集中的徑流或山洪下泄將灣內(nèi)淤積泥沙沖出灣外,以維持海灣內(nèi)斷面的年內(nèi)沖淤平衡。當(dāng)灣內(nèi)建水庫后,洪水徑流減少或攔蓄,徑流集中沖刷作用大幅度減少,灣內(nèi)已淤積的泥沙不能向口外帶出,灣頂開始累積性淤積,長年累月會使灣頂淤積,地形反饋后潮量進(jìn)一步減少,最終影響到整個灣內(nèi)潮量的減少和淤積的發(fā)展。文獻(xiàn) [13]對此已有初步計算,系統(tǒng)的研究留待另文討論。

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[8]謝亞力.寧海下洋涂圍墾工程環(huán)境影響評價報告 [R].杭州:浙江省水利河口研究院,2006.

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[11]D.W.Pritchard.What is Estuary—From Point of Physics[M].Duff edit.Estuaries.Washington,D.C,1998.

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