應(yīng) 超，王樂(lè)樂(lè)，黃世昌

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

海灣是人類(lèi)集中生活區(qū)，也是人類(lèi)重點(diǎn)開(kāi)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(huì)遭遇臺(tái)風(fēng)侵襲。臺(tái)風(fēng)將導(dǎo)致風(fēng)暴潮與臺(tái)風(fēng)浪，并在極短的時(shí)間內(nèi)大幅改變海灣海底地形。風(fēng)暴過(guò)后，海灣內(nèi)航道或深潭均可能形成驟淤，從而對(duì)港口航運(yùn)、電廠取排水等涉水工程造成嚴(yán)重影響。路川藤等[1-2]采用數(shù)值模擬方法計(jì)算分析了長(zhǎng)江口、溫州灣臺(tái)風(fēng)期深水航道驟淤的風(fēng)險(xiǎn)。孫林云等[3]則采用物理模型試驗(yàn)的方法研究了京唐粉沙質(zhì)海岸的驟淤問(wèn)題。

三門(mén)灣位于浙江中部，是三門(mén)核電廠址所在地。目前，三門(mén)核電一期工程已經(jīng)實(shí)施，二期、三期均計(jì)劃在貓頭深潭附近實(shí)施取排水工程。實(shí)測(cè)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(xué)者研究的熱點(diǎn)問(wèn)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(dòng)力機(jī)制，認(rèn)為風(fēng)暴驟淤是貓頭深潭的主要淤積方式，連續(xù)遭遇風(fēng)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(lái)，三門(mén)灣交替發(fā)生了大規(guī)模人類(lèi)圍墾活動(dòng)。蛇蟠涂（2004—2007）、下洋涂（2006—2010）、晏站涂（2003—2007）、雙盤(pán)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(mén)灣的潮汐動(dòng)力大幅減弱[5]。本文擬采用超強(qiáng)臺(tái)風(fēng)“煙花”為代表臺(tái)風(fēng)，估算貓頭深潭在一次臺(tái)風(fēng)過(guò)程中的泥沙驟淤量，為貓頭深潭清淤維護(hù)提供數(shù)據(jù)支撐，也為類(lèi)似的淤泥質(zhì)海灣驟淤研究提供參考。

1 研究區(qū)域及臺(tái)風(fēng)特征

三門(mén)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(tái)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(mén)—三門(mén)島—牛頭山的連線為界與東海相連，寬約26 km；口門(mén)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(zhǎng)約1.1 km，南北向長(zhǎng)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(cè)圖示，深潭中心最深點(diǎn)為85高程-32.6 m，距咀頭岸線約170 m。

圖1 三門(mén)灣地形Fig. 1 Topographic map of Sanmen Bay

三門(mén)灣的潮波以由外海傳入的潮波引起的脅迫振動(dòng)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(mén)灣岸線地形影響，灣內(nèi)潮流為往復(fù)流為主。漲潮時(shí)，潮流分兩股進(jìn)入三門(mén)灣內(nèi)，一股從滿山水道進(jìn)入，另一股從貓頭水道進(jìn)入。其中經(jīng)貓頭水道進(jìn)入的漲潮流經(jīng)過(guò)貓頭山咀后又分成兩股，一股與從滿山水道進(jìn)入的漲潮流交匯進(jìn)入青山港和瀝洋港，這部分潮流約占進(jìn)入三門(mén)灣內(nèi)潮流總體的60%；另一股漲潮流進(jìn)入蛇蟠水道，約占40%，然后這部分漲潮水體的約80%進(jìn)入旗門(mén)港，另外20%進(jìn)入海游港。根據(jù)2019年實(shí)測(cè)資料，三門(mén)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(hào)臺(tái)風(fēng)“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(shí)中心附近最大風(fēng)力13級(jí)（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(shí)中心附近最大風(fēng)力10級(jí)（28 m/s），中心最低氣壓978 hPa。“煙花”臺(tái)風(fēng)登陸時(shí)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(fēng)暴潮位。三門(mén)灣貓頭深潭，距臺(tái)風(fēng)路徑最近垂直距離約110 km，勢(shì)必會(huì)受到“煙花”風(fēng)暴潮及臺(tái)風(fēng)浪的影響。

圖2 “煙花”及“弗雷德”臺(tái)風(fēng)路徑Fig. 2 Path map of Typhoon In-Fa and Gladys

2 數(shù)學(xué)模型建立及驗(yàn)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(xué)模型進(jìn)行風(fēng)暴潮及泥沙沖淤計(jì)算，采用第三代譜模型SWAN進(jìn)行波浪計(jì)算。為使風(fēng)暴潮與臺(tái)風(fēng)浪充分成長(zhǎng)，數(shù)學(xué)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(jìn)行空間離散，可以很好地模擬浙江省的曲折岸線。整個(gè)計(jì)算模型布置104 190個(gè)節(jié)點(diǎn)與196 659個(gè)網(wǎng)格，按照重點(diǎn)關(guān)鍵水域網(wǎng)格密、其他水域疏的原則剖分。計(jì)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(jì)算網(wǎng)格作進(jìn)一步加密，深潭局部網(wǎng)格空間尺度為5 m（圖3）。

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

潮流泥沙數(shù)學(xué)模型采用有限體積法進(jìn)行離散，具有良好的物質(zhì)守恒性。采用FES2012模型預(yù)報(bào)外海水位邊界，邊界預(yù)報(bào)時(shí)考慮了8個(gè)主要分潮M2、S2、K1、O1、N2、P1、K2和Q1，2個(gè)長(zhǎng)周期分潮Mf和Mm及3個(gè)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(tái)風(fēng)風(fēng)場(chǎng)及氣壓場(chǎng)采用NASA的CCMP再分析數(shù)據(jù)[6]，其空間分辨率為0.25°，時(shí)間分辨率為6 h，已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于風(fēng)暴潮及臺(tái)風(fēng)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(guò)多年研究與實(shí)踐，國(guó)內(nèi)外學(xué)者常采用挾沙力或切應(yīng)力模式來(lái)確定泥沙源項(xiàng)。本文采用挾沙力模式來(lái)模擬三門(mén)灣懸沙運(yùn)動(dòng)。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(jì)算時(shí)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(shí)測(cè)含沙量與水力因子間的關(guān)系回歸得到。

對(duì)于波浪作用下的挾沙能力，根據(jù)實(shí)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(jì)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(yàn)證

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

圖4 風(fēng)暴潮位驗(yàn)證結(jié)果Fig. 4 Verification results of storm tide level

2.2.2 臺(tái)風(fēng)浪模型驗(yàn)證 采用嵊山及大陳波浪站的實(shí)測(cè)波浪數(shù)據(jù)進(jìn)行波浪驗(yàn)證（圖5）?？梢?jiàn)，SWAN模型計(jì)算有效波高與實(shí)測(cè)值量值及趨勢(shì)均較相近，很好地模擬了風(fēng)暴潮登陸時(shí)的臺(tái)風(fēng)浪過(guò)程。

圖5 臺(tái)風(fēng)浪波高驗(yàn)證Fig. 5 Typhoon wave verification diagram

2.2.3 泥沙驟淤模型驗(yàn)證 三門(mén)核電廠前期研究時(shí)對(duì)三門(mén)灣內(nèi)固定檢測(cè)斷面的海底高程進(jìn)行過(guò)17次測(cè)量。其中1994年6月與8月分別進(jìn)行過(guò)一次測(cè)量，正好在9417臺(tái)風(fēng)前后，為研究深潭驟淤留下了寶貴的資料。9417臺(tái)風(fēng)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(shí)中心氣壓960 hPa，近中心最大風(fēng)速大于40 m/s。臺(tái)風(fēng)登陸時(shí)正是天文大潮高潮（農(nóng)歷七月十五），使高潮時(shí)間延長(zhǎng)。此臺(tái)風(fēng)特點(diǎn)為風(fēng)大、雨強(qiáng)、潮高，形成暴雨、洪水、大潮“三碰頭”。三門(mén)灣內(nèi)健跳站增水可達(dá)155 cm。

本文首先復(fù)演9 417號(hào)臺(tái)風(fēng)浪與風(fēng)暴潮位，然后選取其中兩條深潭斷面進(jìn)行驟淤驗(yàn)證（1#與2#），斷面布置見(jiàn)圖3。由圖6可見(jiàn)，9 417號(hào)臺(tái)風(fēng)前后三門(mén)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(diǎn)淤淺達(dá)270 cm。模型計(jì)算所得的深潭沖淤趨勢(shì)與實(shí)測(cè)資料相近，很好地復(fù)演了貓頭深潭在臺(tái)風(fēng)期的淤積過(guò)程。這說(shuō)明本模型泥沙參數(shù)取值較為合理，可以用來(lái)預(yù)測(cè)貓頭深潭臺(tái)風(fēng)期的驟淤。

圖6 代表斷面驟淤地形驗(yàn)證Fig. 6 Verification of sudden siltation terrain of representative section

3 臺(tái)風(fēng)“煙花”對(duì)貓頭深潭驟淤影響分析

根據(jù)周陽(yáng)等[10]對(duì)三門(mén)灣的周年波浪觀測(cè)結(jié)果，三門(mén)灣受波浪影響較小，口門(mén)附近常浪向?yàn)镋向，年均H1/10為0.43 m，次常浪向?yàn)镋SE向，年均H1/10為0.39 m。根據(jù)本次臺(tái)風(fēng)浪計(jì)算結(jié)果，貓頭深潭有效波高可達(dá)0.8 m，說(shuō)明“煙花”臺(tái)風(fēng)造成了三門(mén)灣內(nèi)不小的波浪增幅。選取貓頭深潭附近代表點(diǎn)，統(tǒng)計(jì)有無(wú)波浪不同情況下的含沙量過(guò)程（見(jiàn)圖7）?？梢?jiàn)，不考慮臺(tái)風(fēng)浪的情況下，在貓頭深潭處，含沙量過(guò)程隨潮汛有良好的變化規(guī)律。在一個(gè)潮周期過(guò)程中，漲潮時(shí)，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(guò)程逐漸降低，并在高平時(shí)刻含沙量達(dá)到最小值；落潮時(shí)，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(guò)程逐漸增大，并在低平時(shí)刻達(dá)到最大值?？紤]“煙花”臺(tái)風(fēng)浪情況后，高平時(shí)刻的含沙量有明顯增加?？紤]有無(wú)波浪兩種不同情況下高平時(shí)刻含沙量分布見(jiàn)圖8?？梢?jiàn)，在臺(tái)風(fēng)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(wú)浪情況下的3倍以上。臺(tái)風(fēng)浪導(dǎo)致的含沙量增加是三門(mén)灣深潭驟淤的主要原因，當(dāng)風(fēng)浪動(dòng)力減弱，臺(tái)風(fēng)期擾動(dòng)起懸的泥沙，更易在深潭附近沉積?！盁熁ā迸_(tái)風(fēng)過(guò)后3天，三門(mén)灣沖淤變化見(jiàn)圖9?？梢?jiàn)，臺(tái)風(fēng)過(guò)后三門(mén)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(wú)波浪情況下潮位及含沙量過(guò)程線Fig. 7 Tidal level and sediment concentration hydrograph with or without waves

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

圖9 “煙花”臺(tái)風(fēng)后貓頭深潭計(jì)算驟淤Fig. 9 Calculated sudden siltation of Maotou deep pool after Typhoon In-Fa

對(duì)比“煙花”臺(tái)風(fēng)與9417臺(tái)風(fēng)的驟淤量值，發(fā)現(xiàn)不同臺(tái)風(fēng)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(tái)風(fēng)會(huì)對(duì)三門(mén)灣造成不同的動(dòng)力擾動(dòng)。對(duì)比“煙花”與9417臺(tái)風(fēng)期貓頭深潭附近最大波高分布（ 圖10），可見(jiàn)9417號(hào)臺(tái)風(fēng)期間灣內(nèi)風(fēng)浪波高遠(yuǎn)大于“煙花”臺(tái)風(fēng)，也會(huì)造成更多的臺(tái)風(fēng)期泥沙起懸，從而造成貓頭深潭更大的淤積。

圖10 9417臺(tái)風(fēng)與“煙花”臺(tái)風(fēng)臺(tái)風(fēng)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(yǔ)

2021年的“煙花”臺(tái)風(fēng)恰逢天文高潮位，造成了舟山海域的大幅風(fēng)暴增水。三門(mén)灣貓頭深潭距臺(tái)風(fēng)路徑最近垂直距離約110 km，臺(tái)風(fēng)期最大有效波高為0.8 m。臺(tái)風(fēng)浪導(dǎo)致的含沙量增加是三門(mén)灣深潭驟淤的主要原因，臺(tái)風(fēng)過(guò)后三門(mén)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(cè)機(jī)制，本次臺(tái)風(fēng)期前后也無(wú)實(shí)測(cè)斷面地形，建議今后對(duì)貓頭深潭開(kāi)展定期地形監(jiān)測(cè)，進(jìn)一步研究其沖淤機(jī)理。