東吾洋特大橋海域氣象及水文動力條件分析

■肖 宇

（福建省交通規劃設計院有限公司，福州 350004）

1 工程概況

東吾洋特大橋位于霞浦縣東沖半島蝦山島至東安島牛梁崗之間（圖1），橋梁全長2250 m，其中，通航孔橋采用（100+2×180+100）m 的矮塔斜拉橋方案，非通航孔采用90 m 鋼混組合梁和50 m 預應力混凝土箱梁方案[1]。東吾洋特大橋所處的三沙灣海域為一口小腹大的半封閉型海灣，四周陸域地貌以低山丘陵為主，海拔高度一般小于500 m。工程海域岸線蜿蜒曲折，由山地基巖海岸、臺地海岸、砂質海岸、淤泥海岸和人工海岸組成。灣內海底地形崎嶇不平，灣中有可航水道、暗礁、島嶼和淺灘。

圖1 工程位置示意圖

林航[2]根據三沙灣內實測潮位資料，分析了福建三沙灣的潮汐特征，表明三沙灣潮汐性質屬于正規半日潮，潮汐日不等現象明顯，潮差從灣口向灣頂沿程逐步遞增；林建偉等[3]運用二維水動力數值模型，對三沙灣潮流場進行模擬，表明三沙灣內潮流為往復流，且受地形影響明顯；孔俊等[4]建立一種新的淺水方程數值模式，并用于三沙灣三都島附近潮流模擬計算；葉海桃等[5]根據三沙灣多年實測潮位資料和2 個臨時潮位站的實測資料，計算了納潮量、海水的平均交換率和海水半更換期；官寶聰等[6]根據三都澳地區的自然地理條件和地質地貌狀況，將三都澳沿岸的主要海洋災害類型分為海洋氣象災害（臺風風暴潮）、生物災害（赤潮）和地質災害（海岸侵蝕、山體滑坡與崩塌）等3 種類型；張午等[7]以三沙灣海域環境為研究對象，基于驗證的MIKE21中的HD 和MT 模型，計算分析漁港工程建設對東吾洋海域潮流場和泥沙場的影響；濮鳴鋒[8]首先通過建立東吾洋附近海域潮流數值模型，在驗證良好的基礎上，考慮油類在水中行為及歸宿，進一步進行溢油數值模擬。綜合上述分析，目前研究主要針對三沙灣內的三都澳海域，且集中于潮位、潮流特性方面，缺乏對東吾洋海域氣象條件和鹽度、波浪等水文條件的系統研究。然而，氣溫、降水、相對濕度、風等氣象條件直接關系到橋梁混凝土澆筑與養護、橋面排水、抗風設計等；鹽度、含沙量、潮汐、波浪等水文動力條件直接關系到橋梁基礎結構防腐設計、沖刷以及波流力計算；基于此，本文對東吾洋海域氣象和水文條件展開研究，以期為該海域同類工程提供參考。

2 氣象特征分析

本次氣象特征分析主要依據工程附近的霞浦氣象站和寧德氣象站的1981—2018 年氣象觀測數據，在工程區大風天數統計和重現期風速推算中還參考了北礵海洋站1964—2015 年長期風速資料。

2.1 氣溫

工程區域氣候溫和，多年平均氣溫約19.2℃，年內各月氣溫相差較大（圖2）。其中6—9 月份的月平均氣溫均在25℃以上，12 月至翌年3 月的月平均氣溫保持在10℃左右；7 月氣溫為年內最高，多年平均氣溫為28.7℃，平均最高氣溫為32.6℃，平均最低氣溫為25.4℃；1 月氣溫為年內最低，平均氣溫為9.9℃，平均最高氣溫為13.5℃，平均最低氣溫為7.4℃。

圖2 霞浦氣象站氣溫逐月變化

2.2 降水

工程區域屬于中亞熱帶海洋性季風氣候，雨量充沛，多年平均年降水量在1434 mm 左右。降水量的年際差別較大，如2006 年降水量達到2298 mm，而2003 年降水量為771 mm，僅為2006 年的1/3。降水量的年內分配也不均勻，從逐月的分布來看（圖3），降水主要集中在5—9 月，該時段內降水量約占全年降水量的61%；10 月至翌年1 月降水較少，月平均降水量基本保持在50 mm 左右。

圖3 霞浦氣象站降水量逐月變化

2.3 風

工程地區冬季以東北風為主，夏季則以東南風居多。多年平均風速為1.6 m/s，最大風速為26.1 m/s，常風向為SE 向，強風向為ENE 向。通過北礵海洋站多年風速觀測資料（10 min 平均風速），并訂正至東吾洋特大橋工程區，得到工程海域不同風級大風的出現日數（圖4）。由圖4 可以看出，東吾洋特大橋工程海域6 級及以上大風出現天數約120～160 d，平均為141 d，8 級及以上大風天數平均每年8.4 d。重現期風速是工程抗風設計的關鍵參數，為研究工程區重現期風速，利用北礵海洋站1964—2015 年長期風速資料，對測站的風速進行高度訂正和海陸訂正至工程海域，并采用極值I 型曲線擬合，得到工程附近海面以上10 m 高度處，100 年一遇風速（10 min 平均風速）為40.8 m/s。

圖4 工程區不同風級大風天數統計

2.4 相對濕度

工程區域相對濕度較大，多年平均相對濕度保持在79%左右，各月份之間的月平均相對濕度略有差別。其中，2—8 月的相對濕度較大，相對濕度達到80%～84%；9 月至翌年1 月為年內相對濕度較小的月份，相對濕度在74%～78%。

2.5 臺風、風暴潮

工程海域為臺風（或熱帶氣旋）影響次數較多的地區，多發生于每年的7—9 月，臺風經過本區時，將出現短時大風，瞬時風速可達40 m/s 以上。據統計，1948—2018 年影響本地區的臺風共有212 個[9]，年均約3 個。2018 年超強臺風“瑪莉亞”在連江縣黃岐半島沿海登陸，在臺風影響期間，三沙灣內的東沖驗潮站、城澳驗潮站和白馬港驗潮站最大風暴增水分別為164 cm、180 cm 和148 cm[10]。受臺風風暴潮和近岸浪的共同影響，霞浦縣多處養殖魚排和基礎設施受到損壞。

2.6 霧

工程海域霧日多出現于春季（3—5 月），并以4 月為最多。年平均霧日數為6.2 d，年最多霧日為14 d。

3 水文動力條件

為研究工程海域水文動力條件變化，2019 年9—10 月在工程海域附近實施了鹽度、含沙量、潮位、流速等參數的現場觀測[11]。本次觀測共布置6 個水文測驗點（S1～S6）和2 個臨時潮位站（三都澳潮位站、東安島臨時潮位站），位置如圖5 所示。6 個水文測驗點（S1～S6）觀測了大小潮期間逐時不同深度的鹽度、含沙量、流速等參數，2 個臨時潮位站觀測了逐時潮位變化過程。

圖5 水文測驗點及臨時潮位站位置示意圖

3.1 鹽度

根據對工程海域6 個測點（S1～S6）的鹽度觀測分析表明，大潮期間平均鹽度為29.9‰，最高鹽度為31.2‰，出現于S1 測站漲潮底層。小潮期間平均鹽度為29.7‰，最高鹽度為31.7‰，出現于S1 測站落潮底層。由此可見大潮期間的鹽度略大于小潮期間。以S1、S4 和S6 測點為例，進一步對比鹽度的垂向變化，如圖6 所示。由圖6 可知，隨水深的增加，各測點鹽度均呈增加趨勢，底層的鹽度較表層平均增加2%左右。

圖6 不同測點鹽度沿垂向變化（圖中h 為水深）

3.2 含沙量

工程海域6 個測點（S1～S6）的含沙量變化如圖7 所示。由圖7 可知，工程區不同位置以及大小潮期間的含沙量均存在一定差異。其中，最大含沙量為0.210 kg/m3，出現于S5 測站大潮漲潮底層；最小含沙量為0.068 kg/m3，出現于S1 測站小潮漲潮表層。對比各測點大潮和小潮含沙量可知，大潮期間的含沙量均大于小潮期間的含沙量。其中，大潮期間的平均含沙量較小潮期間高10%～20%。

圖7 各測點含沙量對比

3.3 潮汐

（1）潮位

根據工程區東安島臨時潮位站觀測資料分析，工程海域實測最高潮位為5.59 m（1985 國家高程基準面，下同），最低潮位-3.54 m，平均高潮位3.65 m，平均低潮位-1.74 m，最大潮差9.13 m，最小潮差1.34 m，平均潮差5.42 m，平均漲潮歷時6 h 45 min，平均落潮歷時5 h 41 min。其中，2019 年9 月7—14 日的潮位過程曲線如圖8 所示。由圖8 可以看出，工程海域一天內有2 次高潮和2 次低潮，即屬于半日潮。進一步對潮汐調和常數計算分析表明，（HO1+HK1）/HM2值約為0.46，因此嚴格意義上屬于規則半日潮。這與林航[2]的研究結論基本一致。受月球赤緯的變化的影響，工程區潮位存在日不等現象，即每天的第1 次高潮（低潮）與第2 次高潮（低潮）潮高基本不相等。對比東安島臨時潮位站與三都澳潮位站同步潮位過程（圖8）可知，兩測站的潮位變化過程基本一致，兩測站潮位具有良好的相關性。因此，可用三都澳潮位站的長期統計特征值推算工程區潮位特征值。根據東安島臨時測站與三都澳測站之間高潮位和低潮位相關關系，推算得到工程區100 年一遇設計高潮位為5.49 m，設計高潮位為3.88 m，設計低潮位為-3.06 m，100 年一遇低潮位為-4.51 m。

圖8 東安島測站與三都澳測站同步潮位過程曲線

（2）潮流

根據潮流觀測資料，經調和分析計算，各測站不同深度處的潮流類型判數：F′＝（WK1＋WO1）/WM2和G＝WM4/WM2，見表1。由表1 可知，各測點處的F′值均小于0.5，表明工程海域半日潮流占優勢。實測資料也表明本水域潮流流向和流速具有明顯的半日周期變化特點。此外，各測點垂線平均G 值較大，表明工程海域淺海分潮流較為顯著，在海流分潮所占比重較大。進一步對各測點M2 分潮流的橢圓率K值計算表明，工程海域各測點K 值均遠小于0.5，故測點呈往復流運動形式。

表1 各測站F ′值、G 值和K 值（M2 分潮）統計

各測點漲落潮實測最大流速及對應的流向見表2。由表2 可知，工程區實測最大流速為1.29 m/s，出現于S3 測點漲潮時期的表層。從各測點流速的垂向變化來看，表層流速略大，隨深度增加流速略有減小，但總體差異不大。從工程區流速的平面變化來看，S3 測點處流速大于其余各測點，這主要是由S3 測點位于關門江水道，受地形影響所致。從各測點垂線平均流向變化來看，各測點漲、落潮流路存在一定差異。以大潮垂線平均流速的流向變化為例，漲落潮流路夾角分別為：S1 測點16°、S2測點0°、S3 測點1°、S4 測點28°、S5 測點6°、S6 測點8°。

表2 實測最大流速及其流向統計

余流是指剔除了周期性變化的潮流后的一種相對穩定的流動，其量值雖然不大，但直接指示著水體的運移、交換。表3 為各測點余流流速、流向變化。由表3 可知，各測點余流流速整體相對較小，除S3 測點大潮期間余流流速接近15 cm/s 外，其余各測點的余流流速均小于10 cm/s。從余流的流向變化來看，S1 和S3 測點處指向漲潮流方向，S2、S4 和S6 測點處指向落潮流方向，S5 測點處大潮期間指向漲潮流方向，小潮期間指向落潮流方向。

表3 各測點的余流流速、流向

（3）潮位與潮流位相關系

工程海域流速流向與潮位的位相關系分析表明，工程海域漲落潮流差異較大，落潮流最大流速出現在最低潮位前3 h，而漲潮流最大流速則出現在最高潮位前3～4 h，轉流基本出現在平潮前后。以S1 點處大潮期間的流速流向與位相圖（圖9）為例，落潮流在高平潮（10∶20）后轉為落潮流，于3 h 后流速達到最大（13∶00），繼而逐漸減小，于低潮（16∶30）后轉為漲潮流，于4 h 后流速達到最大（20∶30），隨后逐漸減小，于高平潮后（22∶40）轉為落潮流，周而復始。

圖9 S1 測點處流速流向與潮位的位相圖

3.4 波浪

波浪是東吾洋特大橋工程海域重要的動力要素。由于三沙灣口門寬度僅約3 km，外海波浪在口門處被大量耗散；加之工程海域處于三沙灣深處，受灣內地形和島嶼掩護影響，工程海域基本不受外海波浪影響，主要為灣內風浪。為計算工程海域設計波浪要素，本研究基于緩坡方程，并考慮波能損耗和風能輸入，建立了綜合考慮折射、繞射和反射的波浪數學模型。圖10 為工程海域不同方向100年一遇高水時的100 年一遇有效波高H13%的分布情況。由圖10 可知，工程海域100 年一遇設計波要素主要受N 和NE 向小風區波浪控制。在N 和NE 向設計風速作用下，100 年一遇高水位+100 年一遇的有效波高H13%可達3.0 m。

圖10 100 年一遇高潮位+100 年一遇波浪波高H13%分布

4 結語

東吾洋特大橋工程海域受地形地貌影響，氣象和水文動力條件復雜。通過收集工程海域氣象和水文站多年資料，分析了工程海域氣溫、降水、風、相對濕度、風暴潮、霧、鹽度、含沙量、潮位、潮流以及波浪等氣象和水文動力條件特征，得到主要結論如下：（1）工程海域氣候溫和濕潤，降水充沛，臺風天氣頻繁，多年平均氣溫約19.2℃，平均年降水量約1434 mm，相對濕度約79%，6 級及以上大風天數平均約為141 d，有影響的臺風年平均約3 次；（2）工區海域平均鹽度約30‰，且底層的鹽度較表層平均增加2%。最大含沙量可達0.210 kg/m3。工程區潮汐性質為半日潮，潮差較大，潮流為典型往復流運動形式，實測最大流速為1.29 m/s，最大余流為0.146 m/s。工程海域主要受灣內風浪作用，100 年一遇高水位+100 年一遇的有效波高H13%可達3.0m。