溫州港平陽港區水文泥沙特征分析

范長新

(1.交通運輸部天津水運工程科學研究所,天津 300456;2.天津水運工程勘察設計院 天津市水運工程測繪技術重點實驗室，天津 300456)

1 概述

為落實溫州沿海產業帶建設的戰略部署，積極推動平陽港區向鰲江口外轉移，平陽縣人民政府利用飛鰲淺灘灘涂資源建設深水大港，發揮港口優勢引導產業集聚，打造平陽臨海產業基地，最終實現港、產、城三位一體的協調發展格局。新規劃的溫州港平陽港區北起飛云江南岸，南至鰲江口北岸，自南至北岸線長約11 km (圖1)。規劃港區擬采用環抱式形態，由南堤、北堤、內港池、口門段環抱形成港區。

圖1 工程區位置示意圖Fig.1 Location of the project圖2 測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

為了研究工程海區潮流泥沙運動規律，并能對平陽港區總體規劃各方案實施后的潮流運動規律、正常泥沙回淤和驟淤情況進行模擬和預測，論證工程實施后對周圍海域水沙條件的影響程度，2013年7月在規劃的溫州港平陽港區內進行了夏季水文泥沙測驗，項目測驗內容為潮位、流速、流向、含沙量、懸沙粒徑等，且測驗潮型為大、中、小潮各1 次，另外，為了分析水下沉積物的分布特征，在規劃區及周邊海域布置210個表層底質取樣點。

潮位:設立平陽嘴、上干山、南麂島3處一月臨時潮位站，工程區1處半月臨時潮位站，與水文泥沙測驗同步觀測。

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

表1 驗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

根據觀測海域三處臨時驗潮站的短期同步資料統計、分析，三個驗潮站平均高潮位，平陽嘴最高，南麂島最低；平均低潮位，南麂島最高，上干山最低。三個驗潮站平均潮差，上干山與平陽嘴均為4.65 m，南麂島最小為4.10 m。觀測海域實測漲潮歷時小于落潮歷時，漲、落潮平均歷時分別為6 h6 min和6 h24 min，歷時差18 min。三個驗潮站歷時差(以國家海洋潮位站南麂島為基準)，分別為12 min、41 min和0 min，平陽嘴最大，具體特征值見表1。

潮高基準面以1985國家高程為基準，區域內與其他基面關系參考臨近洞頭站的基面關系(見圖3)。

2.2 潮汐調和分析

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

通過短期驗潮站——上干山、平陽嘴和南麂島測站2013-07-20-16:00～08-24-05:00的潮位數據，采用最小二乘法進行潮汐調和分析[1]，在求出11個分潮的調和常數的基礎上，利用F=(HK1+HO1)/HM2計算得到上干山、平陽嘴和南麂島的F值分別為0.28、0.31和0.31。

結果表明：工程海域屬于強潮海域，平均潮差超過4 m，最大潮差可達7.0 m以上，潮汐性質為正規半日潮型。

3 潮流特征

3.1 潮流類型[2]

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

3.2 漲落潮段平均流速流向

根據各站漲、落潮潮段合成流速、流向計算結果(表2)，統計歸納為如下特征(圖2為本期測驗觀測海域代表性潮型—大潮垂線平均流速矢量圖)。

3.3 潮流特征

由于施測海域受河口、水下地形及浙江沿岸流場的影響，不同區域各測站潮流有所差異，從觀測期數據分析，表現出以下明顯特征：

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

(2)根據水文全潮各站漲、落潮流速歷時統計, 不同站位不同潮型, 使漲落潮歷時不盡相同,飛云江口、鰲江河口及V09～V11漲潮歷時小于落潮歷時, 漲落潮歷時差在鰲江口可達1 h55 min 以上, 其他區域落潮歷時與漲潮歷時基本接近。

(3)測區以兩河口垂線V01、V02流速為該海域漲、落潮流較強的區域，尤其飛云江垂線平均漲落潮最大流速達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，北側垂線點略大于南側垂線點流速。

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

(5)潮流調和分析和橢圓要素計算結果顯示，測區南側V08、V10、V11垂線M2分潮流的橢圓旋轉率k值多大于0.25，潮流運動形式多為旋轉流，且主潮流旋轉方向多為逆時針左旋形式，其余各垂線M2分潮流的橢圓旋轉率k值在0.02～0.24之間，潮流運動形式以往復流為主與實測結果相一致。

(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針夾角為109°～158°，-15 m斷面V09、V10垂線漲、落潮平均流向的順時針夾角為109°～114°，-20 m位置V11垂線漲、落潮平均流向的順時針夾角為99°，隨著深度的增加漲、落潮流向之間的順時針夾角逐漸變小，表明夏季閩浙自西南向東北沿岸流在測區內對水深在-5～-20 m范圍內影響的強度隨著深度的增加而增大[3]。

表2 觀測海域漲、落潮平均流速流向統計表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在表層，且受海底摩擦的影響，各測站潮流的可能最大流速基本由表到底逐漸減小，各測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

余流是指從實測海流中剔除周期性流(如潮流)以后的水體流動, 即由潮流調和分析所得的非周期性常流部分，直接影響著水體的運移和交換情況，對海水中懸浮物質的輸運、稀釋和擴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后流動和擴散的方向，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；其余河口外測區內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逐漸增大的趨勢，最小余流發生在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

施測期間海面以S、SW風為主，風力4～6級，陣風7級，最大波高1.8 m，海況3～4級；惡略的海況和波浪條件進一步影響了含沙量的觀測結果，表3為實測漲、落潮段垂線平均含沙量統計值。

4.1 潮段平均含沙量

(1)施測海域實測全潮平均含沙量為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力明顯相關[6]。

(2)測區含沙量平面分布，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,平面上呈現近岸高、外海低，高濃度區出現于河口，淺灘外沿存在相對低值區的分布格局，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計表Tab.3 Vertically-averaged mean sediment concentration during flood tide and ebb tide kg/m3

4.2 垂線平均含沙量

從整個測區來看，河口區飛云江口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；除了河口的測站含沙量較大外，整個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。

4.3 含沙量垂線分布

(1)總體來看, 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，江口垂線表現尤其明顯。

(2)統計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，表明潮動對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，海域各測站單寬輸沙率差異較大，從數據計算的結果(見表4)分析，觀測期表現出以下明顯特征：

(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，這與的流速、含沙量分布規律一致。

表4 漲、落潮段垂線單寬輸沙率統計表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，輸沙率量級相對較低，漲落潮的輸沙率比值均小于1.6倍，但總體各站大、中、小潮計算輸沙率落潮段均小于漲潮段，與歷史文獻[8-10]的飛云江入海口受流域來沙及沿岸流輸沙，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有所不同，其主要原因，應該是在特定觀測期內，受特定天氣條件影響所致，但總體泥沙特征應與歷史文獻分析結果保持一致。

4.5 懸沙粒徑分析

水文測驗期間，各垂線分別在漲、落急和漲、落憩時段采取水樣，進行懸沙粒徑的分析。每條垂線在大、中、小潮期間取水樣27個，共計取樣297個。

樣品分析結果表明，本區懸沙粒徑偏細，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 懸沙中值粒徑統計表Tab.5 Median sizes of suspended load mm

圖5 水下沉積物取樣點 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

在規劃區及周邊海域布設水下沉積物表層采樣點210個(圖5)，測點距離約3 km左右。

5.1 沉積物類型

表6 沉積物沉積類型統計Tab.6 Sedimentation types of sediment

沉積物類型見表5和圖6。由表5和圖6所示，本區水下沉積物有4種物質類型，即砂-粉砂-粘土(STY)粉砂(T)、粉砂質粘土(TY)和粘土質粉砂(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%，粉砂質粘土占18.6%， 粘土質粉砂占75.7%，由此可見該海域主要以粉砂質粘土和粘土質粉砂為主。

5.2 沉積物中值粒徑

沉積物取樣分析結果表明(表6)，工程近海區沉積物中值粒徑在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。

本區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粒徑范圍分布區域最大，幾乎呈普遍分布； 0.008～0.016 mm粒徑分布區域主要在飛云江河口以北區域；大于0.016 mm粒徑分布區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。工程近海區粒徑分布的主要特征反映出北部略粗、南部次之、中部最細。

6 結語

(1)本海區潮汐為正規半日潮型，工程海域屬于強潮海域，平均潮差超過4 m，最大潮差可達7.0 m以上。

(2)潮流屬不規則半日淺海潮流性質，兩河口為該海域漲、落潮流較強的區域；工程區南側水域略帶旋轉性，其余海域總體潮流屬于往復流，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逐漸增大的趨勢。

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

(5)受特定天氣條件影響，在特定觀測期內輸沙率落潮段均小于漲潮段。

(6)觀測期區域平均懸沙粒徑0.004 2 mm。

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