林建偉，朱志煌

(福建省水產(chǎn)研究所，福建 廈門 361013)

在近岸海域，潮流是塑造海底地貌、海底沉積物起動(dòng)的重要因素，對海洋工程環(huán)境有重要影響，是海洋物質(zhì)輸運(yùn)的動(dòng)力基礎(chǔ)，將對海灣內(nèi)的溶解物質(zhì)和懸浮物質(zhì)(營養(yǎng)物、泥沙、污染物等)的輸移起重要作用。因此，海灣潮流的研究具有重要意義。

1 研究區(qū)域與分析方法

三沙灣形狀似伸展的右手掌，海灣被羅源、東沖半島環(huán)抱，僅在東南方向有一個(gè)狹口——東沖口與東海相通，口門寬約3 km，是個(gè)半封閉的海灣，大部分水深<20 m[1]。它是個(gè)峽灣型山地基巖海灣，也是個(gè)典型的潮汐叉道海灣，海底地貌以侵蝕為主，主要類型有潮汐通道、沖刷槽、深潭、潮流沙脊、沙壩和水下淺灘等。三沙灣常浪向?yàn)镋，次常浪向?yàn)镋NE；強(qiáng)浪向?yàn)镋，最大波高為0.8 m，次強(qiáng)浪向?yàn)镋NE，最大波高為0.7 m；平均波高為0.1 m，最大平均波高為0.2 m[2]。

鹽田港位于三沙灣的北部海域(圖1)，為三都澳五大支汊之一，北接鹽田杯溪，西、西南與福安溪尾港、白馬港相通，南至寧德白匏島，東南連南塘港；東西寬1.2～6.0 km，南北長21.0 km，面積約40 km2；海岸線曲折，長約105 km，多為泥沙岸，間有巖岸；港區(qū)水深1～13 m，透明度0.5～1.0 m，海底以泥沙質(zhì)為主，潮差3～5 m；其地貌屬海灣灘涂與淺海地貌單元連接地帶。鹽田港海域入海主要溪流有杯溪，是寧德市霞浦縣最大的河流，干流長45 km，流域面積285 km2，河流比降16.4 %，多年平均流量9.5 m3/s。

目前，有關(guān)三沙灣潮流方面的研究，已有文獻(xiàn)報(bào)道相關(guān)的研究內(nèi)容。林建偉等[1]根據(jù)不同的岸線地形條件，模擬了三沙灣整個(gè)海域的潮流場；林建偉等[3]基于ROMS模型，模擬了三沙灣整個(gè)海域的余流場，并對其分布特征進(jìn)行了描述分析；林航[4]根據(jù)霞浦東沖、寧德城澳、福安白馬三個(gè)海洋站的長期潮位觀測數(shù)據(jù)，統(tǒng)計(jì)分析了三沙灣的潮汐特征，得出三沙灣潮汐性質(zhì)屬于正規(guī)半日潮的結(jié)論；《福建省海灣數(shù)模與環(huán)境研究——三沙灣》對三沙灣各圍填工況進(jìn)行了水動(dòng)力環(huán)境研究[5]；Lin等[6]運(yùn)用二維有限元模式模擬了三沙灣的水動(dòng)力和水體半交換周期，得出三沙灣深槽的流場較強(qiáng)、流速較大、水體半交換周期較短(一般小于10 d)，淺灘流場較弱、流速較小、水體半交換周期較長(一般大于30 d)的結(jié)論。前人主要對三沙灣整個(gè)海域的潮流場研究，但缺乏海流觀測資料，對其分叉港灣(鹽田港)的研究較少。

本文將在收集實(shí)測資料的基礎(chǔ)上，對鹽田港的潮流特征進(jìn)行分析。通過本文的研究，將有助于了解鹽田港污染物遷移擴(kuò)散的動(dòng)力基礎(chǔ)，為今后鹽田港的開發(fā)利用與保護(hù)提供參考。

本文引用上海升?？辈旃こ逃邢薰驹谌碁车柠}田港開展的5個(gè)錨系站位的連續(xù)27 h海流同步觀測數(shù)據(jù)(觀測時(shí)間從2015年12月26日10時(shí)至12月27日13時(shí)，觀測站位分別為1#、2#、3#、4#和5#，圖1)和潮位觀測數(shù)據(jù)(2015-12-25～2016-01-04，觀測站位分別為T1和T2，圖1)。潮位觀測使用RBR實(shí)時(shí)潮位遙報(bào)儀，以《海濱觀測規(guī)范》(GB/T 14914—2006)為依據(jù)，每小時(shí)測量一次。海流觀測使用ADCP，各測站流速、流向按整點(diǎn)分層進(jìn)行，當(dāng)測站水深≥5 m時(shí)采用六點(diǎn)法(相對水深為表層、0.2H、0.4H、0.6H、0.8H、底層)，當(dāng)3 m≤水深<5 m時(shí)采用三點(diǎn)法(相對水深0.2H、0.6H、0.8H)。各數(shù)據(jù)均在良好海況的條件下進(jìn)行采集。數(shù)據(jù)處理方法按照規(guī)范[7]，引入差比數(shù)的準(zhǔn)調(diào)和分析方法進(jìn)行調(diào)和分析[8]，得出各潮位站的潮汐調(diào)和常數(shù)和各潮流站位表(0.2H)、中(0.6H)和底層(1.0H)的O1、K1、M2、S2、M4、MS4六個(gè)主要分潮流的調(diào)和常數(shù)和橢圓要素，以及潮流最大可能流速。

按照《港口與航道水文規(guī)范》(JTS 145—2015)，根據(jù)最主要的日分潮K1、O1兩分潮的振幅之和與最主要的半日分潮M2分潮振幅的比值大小，把潮汐劃分成各種類型。當(dāng)(HO1+HK1)/HM2<0.5時(shí)，屬于正規(guī)半日潮；0.5<(HO1+HK1)/HM2<2.0，屬于不正規(guī)半日潮；2.0<(HO1+HK1)/HM2<4.0，屬于不正規(guī)日潮；4.0<(HO1+HK1)/HM2，屬于正規(guī)日潮。

潮流按潮流形態(tài)數(shù)F=(WO1+WK1)/WM2可分為規(guī)則半日潮流、不規(guī)則半日潮流和規(guī)則全日潮流、不規(guī)則全日潮流，其判別標(biāo)準(zhǔn)如下：

(WO1+WK1)/WM2≤0.5，規(guī)則半日潮流；

0.5<(WO1+WK1)/WM2≤2.0，不規(guī)則半日潮流；

2.0<(WO1+WK1)/WM2≤4.0，不規(guī)則全日潮流；

4.0<(WO1+WK1)/WM2，規(guī)則全日潮流。

潮流最大可能流速按《港口與航道水文規(guī)范》(JTS 145—2015)計(jì)算：對規(guī)則半日潮流海區(qū)按式(1)計(jì)算：

(1)

潮流流速的計(jì)算按照規(guī)范進(jìn)行計(jì)算，東分量ViE=Vi×sinαi，北分量ViN=Vi×cosαi；式中，Vi、αi分別為分層流速和流向。

2 結(jié)果與分析

2.1 潮汐調(diào)和常數(shù)

對T1和T2站的潮位觀測資料進(jìn)行準(zhǔn)調(diào)和分析，得到T1和T2潮位站的潮汐調(diào)和常數(shù)(表1)和潮汐性質(zhì)特性統(tǒng)計(jì)表(表2)。

由表1可見，兩個(gè)站各個(gè)分潮的振幅值相差不大，且兩個(gè)站均為M2分潮起主導(dǎo)作用。處于鹽田港的T1站M2分潮振幅比三沙灣口的T2站大，其潮差也相應(yīng)比T2大。

由表2可見，T1和T2兩個(gè)臨時(shí)潮位站的潮型判別數(shù)值均小于0.5，分別為0.219和0.243，說明三沙灣的潮汐類型屬于正規(guī)半日潮；由兩站潮位過程曲線(圖2)也明顯看出，其每天有兩個(gè)高潮和兩個(gè)低潮的規(guī)律。

對T1和T2兩個(gè)潮位站的潮位觀測資料進(jìn)行特征值統(tǒng)計(jì)，得到各站的潮汐特征值如表3所示。由表3可見，T1和T2兩個(gè)臨時(shí)潮位站的平均高潮位分別為329 cm和311 cm，平均低潮位分別為-220 cm 和-213 cm，T1的高潮位高于T2，其低潮位則低于T2；T1和T2兩個(gè)臨時(shí)潮位站的平均潮差分別為549 cm 和523 cm，T1潮差大于T2；T1和T2兩個(gè)臨時(shí)潮位站的平均漲潮歷時(shí)分別約6 h 24 min和6 h 22 min，平均落潮歷時(shí)分別為6 h和6 h 2 min，漲落潮歷時(shí)相差較小。

表1 潮位站的潮汐調(diào)和常數(shù)

表2 潮位站潮汐性質(zhì)特性統(tǒng)計(jì)表

表3 各潮位站潮汐特征值統(tǒng)計(jì)表(基面：1985國家高程基準(zhǔn))

2.2 潮流調(diào)和常數(shù)

對上述各站位的海流觀測資料進(jìn)行潮流準(zhǔn)調(diào)和分析，得到O1、K1、M2、S2、M4、MS4六個(gè)主要分潮流的調(diào)和常數(shù)，見表4。

由表4可見，1#站表、中、底層調(diào)和常數(shù)半日潮流(M2，S2)的北分量最大振幅為14.0～57.5 cm/s，東分量為3.4～17.5 cm/s；其表、中、底層調(diào)和常數(shù)全日潮流(O1，K1)的北分量最大振幅為2.0～3.9 cm/s，東分量為1.1～3.4 cm/s。2#站表、中、底層調(diào)和常數(shù)半日潮流(M2，S2)的北分量最大振幅為12.4～58.5 cm/s，東分量為3.5～14.2 cm/s；其表、中、底層調(diào)和常數(shù)全日潮流(O1，K1)的北分量最大振幅為2.7～5.4 cm/s，東分量為0.2～1.2 cm/s。3#站表、中、底層調(diào)和常數(shù)半日潮流(M2，S2)的北分量最大振幅為13.8～53.9 cm/s，東分量為5.3～14.2 cm/s；其表、中、底層調(diào)和常數(shù)全日潮流(O1，K1)的北分量最大振幅為2.8～5.8 cm/s，東分量為1.1～1.8 cm/s。4#站表、中、底層調(diào)和常數(shù)半日潮流(M2，S2)的北分量最大振幅為13.6～51.7 cm/s，東分量為1.7～16.8 cm/s；其表、中、底層調(diào)和常數(shù)全日潮流(O1，K1)的北分量最大振幅為0.7～2.6 cm/s，東分量為0.4～2.1 cm/s。5#站表、中、底層調(diào)和常數(shù)半日潮流(M2，S2)的北分量最大振幅為8.1～34.4 cm/s，東分量為14.0～44.1 cm/s；其表、中、底層調(diào)和常數(shù)全日潮流(O1，K1)的北分量最大振幅為1.6～3.3 cm/s，東分量為1.2～2.5 cm/s?？梢姡髡颈?、中、底層調(diào)和常數(shù)北、東分量半日潮流的最大振幅均大于全日潮流的振幅，表明半日潮流起主要作用。

由表4可見，1#～4#站的表、中、底層O1、K1、M2、S2、M4、MS4六個(gè)主要分潮流的北分量均大于東分量，而5#站的北分量小于東分量。從圖1各站位的分布圖可以看出，觀測站位所在的鹽田港地形為南北走向；1#～4#站的北分量大于東分量，以北分量為主，說明其受地形約束，主要受鹽田港南北向潮流的影響，而5#站位于鹽田港的灣頂位置，北分量小于東分量，以東分量為主，說明其主要受鹽田畬族鄉(xiāng)西側(cè)海域的東西向潮流的影響。

表4 5個(gè)站位調(diào)和常數(shù)和余流

2.3 觀測期間的余流

由表4可見，觀測期間，各站的余流值在表、中、底層均表現(xiàn)為表層最大、底層和中層相差不大的特點(diǎn)。余流流速均不大，表層余流流速較大，但一般小于10 cm/s，中底層的余流流速較小，一般小于5 cm/s，特別是5#站，中底層余流流速為2 cm/s。圖3是各站表、中、底層余流流矢疊置圖。由圖3可見，1#站的表、中、底層余流流向均為東南向；2#站的表層余流指向東南，中、底層為東北偏東向；3#站的表層余流指向西南偏西，中、底層為西北向；4#站的表、中、底層余流均指向東北；5#站的表層余流指向西南，中、底層為東南向。

可見，處于三沙灣北部海域的鹽田港，水深較淺，垂向混合較充分，余流層化現(xiàn)象不明顯；除個(gè)別站位的表層余流較大外，其余各層余流流速整體上較小，一般小于5 cm/s；表層余流流速較大，可能與觀測期間各站位受周邊船舶行駛的影響、風(fēng)以及潮流轉(zhuǎn)向等因素有關(guān)。

2.4 潮流橢圓要素

為了進(jìn)一步分析潮流的特性，通過分潮流的調(diào)和常數(shù)分別計(jì)算出6個(gè)主要分潮流的潮流橢圓要素(表5)。

表5 5個(gè)站位橢圓要素

續(xù)表5

2.4.1 潮流性質(zhì)

根據(jù)上述規(guī)范和各分潮的橢圓要素，可計(jì)算出潮流形態(tài)數(shù)F，計(jì)算結(jié)果如表6所示。由表6可見，各測站的表、中、底層的F值均小于0.5，因此鹽田港海域潮流為規(guī)則半日潮流。

淺海中，一般用G=(WM4+WMS4)/WM2的大小來表征淺水分潮流在總海流中影響的指標(biāo)[9]。經(jīng)計(jì)算得到，表層G值在1#、2#、3#、4#和5#分別為0.19、0.15、0.10、0.12和0.12(表6所示)，表明淺水分潮在總海流中所占的份額都很小。

表6 5個(gè)站位潮流、淺水分潮性質(zhì)

2.4.2 潮流的最大可能流速

根據(jù)上述規(guī)范和各分潮的橢圓要素，可計(jì)算出潮流的最大可能流速。由表7可見，調(diào)查海域1#站表、中、底層潮流的最大可能流速在74～130 cm/s、流向?yàn)?39°～344°，2#站為66～135 cm/s、流向?yàn)?0°～14°，3#站為87～133 cm/s、流向?yàn)?42°～346°，4#站為69～113 cm/s、流向?yàn)?°～13 °，5#站為89～118 cm/s、流向?yàn)?0°～57 °；除3#站中層可能流速最大外，其余各站均表現(xiàn)為表層最大、中層次之、底層最小的規(guī)律。

表7 潮流可能最大流速流向(流速：cm/s；流向：°)

2.4.3 潮流的運(yùn)動(dòng)形式

潮流的運(yùn)動(dòng)形式可分為旋轉(zhuǎn)流和往復(fù)流，一般以橢圓率K的絕對值大小來判斷，當(dāng)|K|=1時(shí)，潮流成圓形，各方向流速相等，為純旋轉(zhuǎn)流；當(dāng)|K|=0時(shí)，潮流橢圓為一直線，海水只在一個(gè)方向流動(dòng)，為典型往復(fù)流。|K|值通常介于0～1之間，|K|值越大，旋轉(zhuǎn)流的形式越顯著，|K|值越小，往復(fù)流的形式越顯著，但實(shí)際中理想的旋轉(zhuǎn)流和往復(fù)流很少存在，往往為兩種形式并存，規(guī)定|K|在0～0.2時(shí)為往復(fù)流，|K|大于0.2為旋轉(zhuǎn)流。

潮流的旋轉(zhuǎn)方向，通常是以旋轉(zhuǎn)率K前面的符號(hào)來判斷。K前面為“+”，表示潮流逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)(左旋)，K前面為“-”，說明潮流是順時(shí)針旋轉(zhuǎn)(右旋)。

根據(jù)上述分析，調(diào)查海域潮流性質(zhì)為規(guī)則半日潮流，因此，以M2分潮流的橢圓率來對潮流運(yùn)動(dòng)形式作近似分析。由表5可見，1#站M2分潮流的橢圓率-0.13～0.00；2#站M2分潮流的橢圓率-0.03～0.01；3#站M2分潮流的橢圓率-0.02～0.02；4#站M2分潮流的橢圓率-0.03～0.00；5#站M2分潮流的橢圓率-0.02～0.00。各站各層的M2分潮流的橢圓率|K|值均小于0.2，所以調(diào)查海域潮流的運(yùn)動(dòng)形式是往復(fù)流形式。

2.5 M2分潮的垂向結(jié)構(gòu)

該海域?yàn)檎?guī)半日潮流，可通過分析M2分潮來體現(xiàn)該海域潮流的垂向結(jié)構(gòu)特點(diǎn)。由表5可見，M2分潮在1#站的最大流速為32.0～67.0 cm/s，最大流在中層，發(fā)生時(shí)刻比表層遲0.01 h；2#站M2分潮的最大流速為35～79 cm/s，最大流在表層，發(fā)生時(shí)刻比中、底層遲約0.1 h；3#站M2分潮的最大流速為41～62 cm/s，最大流在中層，發(fā)生時(shí)刻比表層早約0.2 h；4#站M2分潮的最大流速為38～61 cm/s，最大流在表層，發(fā)生時(shí)刻與中、底層幾乎同時(shí)；5#站M2分潮的最大流速為45～63 cm/s，最大流在表層，發(fā)生時(shí)刻比中、底層早約0.1 h。圖4給出了5個(gè)測站表、中、底3層的M2潮流橢圓示意圖，結(jié)合表5可見，橢圓長軸遠(yuǎn)大于短軸。因此，調(diào)查海域M2潮流垂向各層性質(zhì)一樣(均表現(xiàn)為往復(fù)流特征)，但表、中層的M2分潮流速較大，底層最小，流向較一致。

2.6 潮流特征

由圖1可見，1#、2#、3#、4#和5#站位分別位于三沙灣北部海域鹽田港的口門至灣頂位置，各站實(shí)測期間平均水深大約分別為18.6、16.0、16.5、7.3和5.8 m。圖5是5個(gè)潮流觀測站流速流向過程曲線。由圖5可見，在半潮期間，處于鹽田港口門位置的1#站，表、中、底層流速依次減小，表層流速最大，為1.07 m/s，流向?yàn)?66°，同一時(shí)刻，底層流速最小，為0.52 m/s；與1#站相似，2#站表、中、底層流速依次減小，表層流速最大，為1.06 m/s，流向?yàn)?84°，同一時(shí)刻，底層流速最小，為0.54 m/s；3#站則不同，中層流速最大，最大可達(dá)1 m/s，流向?yàn)?67°，同一時(shí)刻，表層次之，底層流速最小，為0.55 m/s；4#站表層流速最大，最大約為0.9 m/s，同一時(shí)刻，底層最小，最小流速約為0.6 m/s，垂向各層流速相差較??；5#站表層流速最大，最大約為0.95 m/s，同一時(shí)刻，底層最小，最小流速約為0.62 m/s，垂向各層流速相差也較小。

潮流流失圖是反映海區(qū)一個(gè)潮周期內(nèi)潮流運(yùn)動(dòng)方向與流速強(qiáng)弱變化較直觀的表現(xiàn)形式之一。根據(jù)各個(gè)測站的實(shí)測流速、流向資料繪制了定點(diǎn)測站垂直平均流矢圖(圖6)和表、中、底層流矢疊加圖(圖7)。從圖6可清晰看出，調(diào)查海域5個(gè)測站漲落潮流的運(yùn)動(dòng)方向基本在一條線上，表現(xiàn)出往復(fù)流特征；受地形變化影響，測區(qū)5#測站漲潮流方向?yàn)镋NE方向、落潮流方向?yàn)閃SW方向，1#、2#、3#和4#漲潮流向?yàn)槠玁向、落潮流方向?yàn)槠玈向；觀測期間，各測站的落潮流速大于漲潮流速。從圖7表、中、底層流矢疊加圖可見，各測站表、中、底層流矢走向基本一致，層化結(jié)構(gòu)不明顯；表層流速最大，中層次之，底層最小。

3 結(jié)論

通過以上計(jì)算分析結(jié)果，本文得到了三沙灣鹽田港海域在觀測期間的潮流特征。

1)根據(jù)觀測期間的潮汐特征分析，三沙灣整個(gè)海灣的潮汐類型屬于正規(guī)半日潮，與林航[3]的統(tǒng)計(jì)分析結(jié)論和文獻(xiàn)[2]資料相吻合。

2)1#～5#潮流站的表、中、底層的潮流形態(tài)數(shù)F值均小于0.5，各站流速在單周日內(nèi)呈現(xiàn)4次峰值，調(diào)查海域的潮流類型為規(guī)則半日潮流，與文獻(xiàn)[2]報(bào)道相吻合。

3)1#～5#潮流站各層的M2分潮流的橢圓率|K|值小于0.2，調(diào)查海域潮流的運(yùn)動(dòng)形式是往復(fù)流形式，其中1#～4#站受南北往復(fù)流的影響，北分量大于東分量，5#站受東西向往復(fù)流的影響，以東分量為主；M2潮流垂向各層性質(zhì)一樣(均表現(xiàn)為往復(fù)流特征)，但表、中層的M2分潮流速較大，底層最小。

4)從流矢圖可以看出：5#潮流站漲潮流方向?yàn)镋NE方向、落潮流方向?yàn)閃SW方向，1#、2#、3#和4#漲潮流向?yàn)槠玁向、落潮流方向?yàn)槠玈向；各站表、中、底層流矢走向基本一致，層化結(jié)構(gòu)不明顯。

5)1#、2#和3#站的水深較大，垂向各層流速相差較大，而4#和5#處于鹽田港灣頂位置，水深較小，潮流的混合更充分，垂向各層流速相差較?。桓髡韭涑绷魉俅笥跐q潮流速。

6)觀測海域，余流層化結(jié)構(gòu)不明顯，表層余流流速較大，可能與觀測期間各站位受周邊船舶行駛的影響、風(fēng)以及潮流轉(zhuǎn)向等因素有關(guān)；其余各層余流流速整體上較小，一般小于5 cm/s，略大于林建偉等[3]模擬的余流情況，這可能是因?yàn)閿?shù)值模擬的邊界設(shè)置較為理想化，與復(fù)雜的實(shí)際情況有一定的偏差，今后做進(jìn)一步研究時(shí)應(yīng)綜合考慮各種情況，并通過獲取長時(shí)間的水文觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行校正。