长江口横沙浅滩及邻近海域水动力特征分析

李身铎， 朱巧云， 虞志英

（1.华东师范大学 河口海岸学国家重点实验室，上海 200062；2.长江水利委员会长江口水资源勘测局，上海 200213）

0 引 言

研究海域处于长江口门段至口外海滨的过渡段，由长江水沙汇集的拦门沙区逐渐过渡到径流和泥沙的扩散沉积区，水动力主要由潮汐运动和长江下泄的径流耦合而成的.其中潮汐运动源于西北太平洋的潮波，其横穿琉球群岛传入中国东海后，其中半日潮波以自由潮波的形式输向西北，沿江浙岸线北上，途径杭州湾和长江口折向西而传入；而部分日潮波北上进入黄海中部形成旋转潮波系统，然后自北向西传到长江口外海域.长江丰沛的径流随季节而变，源源不断顺南北支水槽下泄至外海滨，一般在洪季浮置于口外盐水之上，转向东北扩散，而在枯季则向东偏南方向流散.海域中其他定常性的沿岸流和风海流相对比较弱.因此表现在水流运动中凸显潮汐周期性特征：每太阴日内随月相两涨两落，并日不等明显，一般落潮流强于涨潮流.波浪运动主要以风浪为主，且明显受季风影响，冬季浪向偏东北，夏季浪向偏东南.除台风季节或冬季寒潮大风时偶现6级以上的大浪，一般风浪较小.

1 潮 汐

1.1 潮汐性质

根据验潮站的水位资料和潮波数学模拟的分析，选得长江口主要分潮的调和常数 振幅分布列于表1.

据表可知，在潮汐中以太阴半日分潮M2占绝对优势，且自东向西递增，越近口的越强；日分潮亦有此变化趋势，但变化较缓.（HK1＋HO1）／HM2比值大部分为0.35左右，属半日潮性质.浅水分潮在长江口门附近明显增大，（HM4＋HMS4）／HM2达到0.20左右，而在水深10 m处的鸡骨礁附近和南槽口外较小，仅仅是0.05～0.07.据此长江口门海域潮汐属非正规半日浅海潮类型.

1.2 潮汐特征

潮差和涨落潮时是表述潮汐特征的重要指标.沿河槽纵向上，潮差由河口外经河口至河口内先增后减；如表2所示，平均潮差在南槽口外的绿华山为2.53 m，向西至北槽的鸡骨礁为2.57 m，入北槽口内的九段东达2.84 m，再沿河道西至横沙东减为2.60 m；在横向上长江南支多槽口门自北向南潮差渐增：佘山2.12 m，横沙东2.60 m，下浚2.91 m，芦潮港达3.33 m［1，2］.潮汐越向南越强.潮差随时间也有一定的变化.长江口门处的横沙，九段沙洪季潮差大而枯季小，口外如大戢山，鸡骨礁潮差则具天文周期，一般3月和9月最大，1月和6月最小.

本海域涨潮历时短于落潮历时，在口门内的横沙和南端的芦潮港，落潮历时一般有7 h，长于涨潮历时2 h，向口外涨落潮历时差渐减，口门处佘山、下浚和九段东等落潮历时长1 h，至口外海域鸡骨礁、大戢山，涨潮历时仅短0.75 h，至绿华山，涨落潮历时几乎相等.

表1 长江口主要分潮的调和常数振幅分布Tab.1 Harmonic constants of major tide constituents around the Changjiang Estuary

表2 长江口海域潮差和涨落潮历时Tab.2 Tidal ranges and durations around the Changjiang Estuary

2 潮 流

2.1 潮流特征

根据本海域众多测流站资料准调和分析后算得的潮流椭圆要素的长轴分析［3］，（WK1＋WO1）／WM2在各槽较小，约0.16～0.39，显示半日分潮流占绝对优势，在口外渐大，约0.35～0.55，显示日分潮流的作用增强，故而潮流运动的日不等现象明显.浅水分潮流在口门附近相对较大（见表3），（WM4＋WMS4）／WM2比值约为0.12～0.21，口外海域相对较小，约在0.03～0.12左右，因此本海域潮流属于非正规浅海半日潮流类型.潮汐和潮流虽属同一类型，但潮流中的日分潮流相对较大，因而在潮流运动中一周日前后两潮的潮流不等现象较更明显.

表3 长江口海域潮流类型分布Tab.3 The distribution of tide current type around the Changjiang Estuary

2.2 潮流运动形式

研究海域主要以太阴半日分潮流M2主控着潮流运动.根据大量M2分潮流椭圆要素的统计分析（见表4），在北港、北槽和南槽附近，表层椭圆长轴约100～130 cm／s，方向约90°～110°，椭率 －0.30～0.45左右，表明潮流较强，基本是沿各槽的走向往复流动，其中港池工程区北侧的北港相对较弱，而工程区横沙南侧的北槽口，特别在深水航道工程后流速较大.自口门至岸滨10 m水深附近为长江口地形过渡段，由沿河槽东西走向的水深线转为沿陆岸南北走向的水深线，水域变得宽阔，从而随之流动的形式也有所改变，流速相应减小，长轴约为80～110 cm／s，潮流旋转性增强，椭率大都在 －0.60以上，已具逐时流矢呈顺时针方向旋转的旋转潮流性质，特别在挖入式港池外的深水航道段，椭率大致为－0.70～－0.90，且主轴方向为350°左右的强南北向流动，其流矢常会横穿航道.按流动垂向变化，一般底层往复性质较强，而表层旋转性相对明显（见图1）.

图1 1982年M2分潮流椭圆长短轴、椭率（表层）Fig.1 Ecllipse axis and ellipticity of the M2tidal current at 1982

表4 长江口海域半日分潮流M2表层椭圆要素分布Tab.4 Ecllipse axis and ellipticity of the M2tidal current around the Changjiang Estuary

2.3 流态和流势

本海域的潮流主要由东海沿大陆等深线从东海自东南向西北传播的半日分潮流和由黄海形成的旋转潮波自北向南传播的日分潮流合成而成.传播中不断受到地形制约，当达到长江口附近海床等深线呈横T形分布海域，潮流由南北转折向东西方向，从而该海域在空间上流态相当复杂.在横T形外的岸滨斜坡海域，南北向潮流历时较长，基本呈旋转流状态，而也正是因为这强劲的南北向水流定向冲刷，在海床形成沿等深线走向的冲刷带；在横T形内侧，潮流进入各河槽，受地形约束，即呈现出主轴东西向、流速迅增的往复流，而沿河槽两旁的浅滩东侧，如横沙浅滩东沿，潮流呈现沿滩的往复流.据大量同步测流资料分析，长江口外整体流场呈有与潮位同步的潮周期，如以本海域鸡骨礁设为主港，在其低平潮时前1至2 h，潮流为落潮时段，全海域呈向东偏南外泄的强流（图2－a）；在该港高平潮时前1至1.5 h，产生涨急流（图2－b），全海域呈向西偏北入长江各河槽的强流；而该港低平潮时后的1.5 h，潮流为落憩时段（图2－c），槽口附近呈流向混乱的弱流，10 m水深外为南向潮流；该港高潮时后的1.5 h，潮流为涨憩时段（图2－d），各槽附近为流向不定的弱流，外海则为向北偏西的潮流.一周日内潮流随潮汐两涨两落，但在河口内日不等现象明显，在约10 m以浅的滩槽内，东西向的往复流速基本相当，但通常涨潮流历时长于落潮流时段；而在10 m水深的外海域，特别在北港和北槽口外的10～20 m之间，潮流旋转性较强，但其中沿斜坡等深线的南向流延续时间较长，流速相对较大，这会对海床造成相当的冲刷作用.

2.4 流场特征值

2.4.1 特征值概况

长江口海域西濒诸槽口，槽底较平缓，滩槽交替，等深线大体呈东西走向.向东渐深，约在水深8 m外，底坡变陡，等深线基本呈南北走向，水下地形相对较多变.加之源潮波中的半日和全日两潮波系统在传播过程中的差异以及长江径流外泄的影响，造成流场特征值分布和变化较为复杂.按水深自西向东渐深，即自口门向外海为序，统计测流资料如下.

在口门（5～8 m）水深处：

最大流速150～240 cm／s（涨潮流）＜180～240 cm／s（落潮流）；

平均流速90～240 cm／s（涨潮流）＜210～230 cm／s（落潮流）.

在口门外（10～15 m）水深附近：

最大流速150～200 cm／s（涨潮流）＜210～230 cm／s（落潮流）；

平均流速100～120 cm／s（涨潮流）＞90～100 cm／s（落潮流）.

在口门外（20 m）水深附近：

图2－a 长江口落潮流矢量场（落转涨）Fig.2－a Distribution of surface current during transient from ebb to flood tide

图2－b 长江口涨潮流矢量场（涨急）Fig.2－b Distribution of surface current at flood maximum

图2－c 长江口涨潮流矢场（涨转落）Fig.2－c Distribution of surface current at transient from flood to ebb tide

图2－d 长江口落潮流矢场（落急）Fig.2－d Distribution of surface current at ebb maximum

最大流速100～120 cm／s（涨潮流）＜110～130 cm／s（落潮流）；

平均流速80～100 cm／s（涨潮流）＜90～120 cm／s（落潮流）.

据流向分布统计，与M2分潮流和日分潮流合成流矢方向一致.在水深5～8 m的水域的槽内，落潮流方向为东略偏南，涨潮流方向为西略偏北，潮流流矢为顺时针向旋转的往复流动；在浅滩处则沿边滩线作往复流动；向东至深水区，水流主轴不断缩短，方向不断右转，落潮流向渐由东南转成南向，而涨潮流渐由西北向转为近北向，潮流转变为流矢作顺时针向旋转的旋转流动.

据潮流垂向分布统计分析，由于长江径流流出口门后浮置于外海盐水上向外输送扩散，在口门外往往造成水流流向上下不一致，也造成上下水层涨、落潮流大小和历时的差异，这种上下层水流运动不一致的现象，特别在各槽口外海域的洪季表现更为明显，经常出现表底层水流方向几乎相反的现象.

2.4.2 工程区水域流场特征值

（1）挖入式港池横沙浅滩水域

在横沙浅滩区南北侧潮流强度主要受北港、北槽潮流的影响，涨潮流时以浸滩流为主，落潮流则沿滩面地形，流向深水区呈归槽性质，在横沙北沿近北港，涨落潮流特征值列于下表（见表5）.

表5 横沙北域潮流特征值Tab.5 Characteristics of tide current around the north region of Hengsha Shoal

由于受北港下泄径流的影响，落潮流明显大于涨潮流，涨落潮流流向差为170°，潮流主要呈往复性质.横沙南沿为北槽主汊道，受其影响与北港略有不同（见表6）.

表6 横沙南沿水域潮流特征值Tab.6 Characteristics of tide current around the south region of Hengsha Shoal

南沿潮流日不等现象比较明显，一周日两涨两落的潮周期中，前潮的落潮流明显大于涨潮流，而后潮涨、落潮流的大小几乎相等，而且南沿的涨潮流向更偏北，而落潮流更偏南.

此外，由于北港、北槽间存在着明显的水位差，由此产生横比降，大潮落急时，北港高于北槽0.29 m，水面横比降达万分之0.03.在1998年8月长江洪水洪峰过境，横沙南侧的水文站和北侧的共青圩站月均水位明显高于枯季，月均水位分别达2.30 m和2.40 m，南北两侧水位差落急时均高出枯季0.06～0.08 m，反映了北港部分潮量可通过横沙浅滩滩面补给进入北槽，这种现象，当北导堤建成后，受北导堤影响，得到拦截，加大北导堤外侧的沿堤流强度，加强了沿堤串沟的发育.

（2）外航道海域

由表7可知，在北港和北槽口门横沙浅滩前端的2301、2401站，涨落潮平均流速表层为1.30～1.40 m／s左右，最大1.5～2.0m／s，底层平均为0.50～0.80 m／s，平均落涨潮流方向分别约为100°和285°，为往复流，落潮大于涨潮；向海方向水深10～15 m间的2302、2402站，表层涨落平均流速为0.8～0.9 m／s，底层为0.5 m／s左右；该段水域潮流日不等现象明显，一周日内前后两潮流速相差甚大，且落潮流向差30°～50°.水深15～25 m间的2108、2109站，平均流速表层涨潮流为0.6～0.85 m／s左右，落潮流为0.74～0.79 m／s，底层涨落潮流0.4～0.5 m／s，涨落潮流速相近，日不等现象不明显，受长江径流影响甚小，经推算该水深范围最大流速一般不超过1.0m／s.

据测流资料绘出的逐时流矢图（见图3）明确显示，在横沙浅滩东侧10～15 m水深的外航道区，有较强的横穿航道的南向流矢.

表7 外航道海域洪季大潮潮流特征值Tab.7 Characteristics of tide current around the outer shipping channel

图3 长江口洪季大潮表层矢量图Fig.3 Surface current’s distribution of a spring－tidal cylce during summertime

2.5 北槽深水航道工程后流场变化

近年长江口有众多的港口和水利工程，其中最大并离工程区最近的是北槽深水航道工程.为了探明该工程建成后对口门和周边海域流场的影响，分别将北槽口门及口外在工程前后相近的测点的观测结果作一比较.同时为了能较客观的对比，统一取洪季大潮期间，并且根据潮差对流速予以订正.

于2004年长江口北槽深水航道南北导堤竣工后，在北导堤前端及横沙浅滩东侧进行了多站点潮流观测，计算所得的M2分潮流椭圆要素及特征值列于下表（见表8和表9）.

在特征值表中我们特别分列了前潮和后潮的流速、流向，意在表明该海域潮流在一周日中前后两个涨落潮中存在着值得关注的不等现象，见表10.

表8 工程后（2004年）北槽口外M2分潮潮流椭圆要素Tab.8 Ellipse parameters of tidal current of M2 constituent out the North Passage after 2004

表9 工程后（2004年）北槽口外海域潮流特征值Tab.9 Characteristics of tide current out the North Passage after 2004 cm·s－1

表10 北槽深水航道工程前后潮流特征值比较Tab.10 Comparison between current characteristics before and after the Deep Waterway Project

为验证深水航道工程后对口门和周边海域流场的影响，分别将南北槽口门及口外在工程前后相近测点的观测结果作一比较.其中如CS4D位于北槽口门，与1982年未建工程前的2401站相比，潮流速仍保持了落潮流强于涨潮流强劲优势，但由于南北导堤工程后，限制了潮流的侧向运动，潮流椭圆趋于扁平，往复流加强，M2分潮椭圆率表层由－0.32减小为－0.26，特别工程后，涨潮流速明显增大，由工程前的平均落潮流速150 cm／s大于涨潮流速118 cm／s，转成落潮流速143 cm／s小于涨潮流速159 cm／s.在口门外横沙浅滩以东的N4和CS5D站与1982年测量的2402站比较，2004年潮流主轴方向，特别表层比1982年明显偏南北，南向潮流更大（见图4）.此外，工程后潮流椭率明显增大，特别底层达－0.93，成为典型的旋转流.这无疑是受到长江口深水航道工程影响，北导堤阻挡了横沙北部北港越滩水流，抬高水位，加大水面比降，从而也加大由北而南的落潮流强度，在洪季其影响可及横沙浅滩以东的鸡骨礁水深10～15 m水域.由此估计也会对横沙浅滩港区工程的外航道海域产生影响.

图4 长江口工程前后M2分潮椭圆要素及余流（表层）Fig.4 Residual current and elliptic parameters of M2tide of Yangtze Estuary

3 余 流

本文所述余流特指在近河口海岸的有潮海域中，在实测流中分离出具有潮周期的主要流动后余下的水体流动.由此所得的余流是一种流场中特定地点的欧拉型流.余流包括所有非潮周期性的定常流动.长江口每年有巨量的径流外泄入海，是本海域余流的最主要部分；还有潮波入浅水后变形而生的潮汐余流；此外有多种成因而生的风海流、密度流、倾斜流等影响本海域极为有限.由于余流相对较小，而且在观测中由于气象因素的不规则扰动、海况的差异以及人为的差错，不易测准.但据我们统计了大量资料，得到长江口门外的余流尚有相当的规律性［4］.大约可以横沙浅滩向外一线为界，该线以北洪季表层余流方向为向东偏北，在北港口门内流速极大，至佘山附近流速减为48 cm／s，流向75°，继而延向东偏北方向，流速略减约40 cm／s，浮置于海水表层流向大海，这一条余流流路明示长江夏季最强一股下泄径流入海的途径（见图5）.横沙浅滩以南表层余流出口门后则沿滩槽向东南方流去，流速较小约30 cm／s左右，至鸡骨礁附近，流向在159°～206°之间，流速约45 cm／s，接着便与北槽和南槽外泄的东向偏南的余流相汇而入外海.由于余流的成分较多，因而其垂直结构复杂多变，一般底层余流甚小，约在5 cm／s左右，在河口内表底层流向一般均一致，而在口外底层以西北方向最多，表底层方向不一致居多.

图5 长江口表层余流Fig.5 Surface residual current around the Changjiang Estuary

4 波 浪

长江口区的波浪主要取决于风的盛衰，同时也受到海域地理形态的限制.根据本海区仅有的横沙、佘山、引水船、芦潮港、大戢山和嵊山等测站的观测资料分析，获知海浪和台风浪的分布状况及变化规律.

4.1 风浪浪向分布

本区风浪主要取决于风向，沿海盛行浪向与盛行风向颇为一致.冬季以偏北向浪占优势，西北到东北方向的波浪点频率超过60%，其中佘山为64%，大戢山为63%，嵊山为75%.夏季以东南偏南向浪占优势，东南到南向浪频率之和为40%～50%，其中佘山、引水船以东南偏南向浪为主，频率分别为14%和24%，大戢山以东向浪为主，频率为17%，嵊山以南向浪为主，频率为22%.春季：由于气旋和反气旋交替活动，风向不稳定，浪向比较分散，海区一般以东南浪和东南偏南浪占多数，频率在20%左右.秋季：海域以偏北浪为主，佘山和引水船频率分别为22%和18%，嵊山频率为24%.

4.2 风浪波高和周期分布

据海区内佘山、引水船、大戢山和嵊山4测站多年风浪资料统计如下表（见表11）.

4.3 横沙浅滩区的波浪

根据1999年6—11月间在横沙浅滩相邻的崇明东滩东侧5 m水深处的佘山岛东侧进行了为期半年的波浪观测，统计结果列于表12和表13.

表11 长江口区风浪分布Tab.11 Distribution of wind－induced wave around the Changjiang Estuary

表12 佘山实测波周期、波高表Tab.12 The measured wave period，wave height at Sheshan

表13 佘山各向波浪频率统计Tab.13 Anisotropic wave frequency statistics at Sheshan

上述观测资料表明的，以风浪为主，风浪出现频率99%，涌浪出现为30%，混合型浪频率为30%，平均周期为3.3 s，最大周期为8 s.风与波浪关系密切，在观测期间≥8级的大风天数为16 d，实测最大风速为25 m／s，出现日期为9月，相应风向为NNE，实测最大波高为3.5 m，出现日期为同样的9月，波向NNE.

4.4 北槽口外近岸海域的波浪

位于长江北槽口外九段沙浅滩东侧的引水船站观测的波浪资料，亦可作为横沙浅滩工程区参考应用（见表14、15和图6）.

表14 引水船累年各月波要素（1979—1998）Tab.14 The wave elements of Yinshuichuan by month（1979—1998）

表15 引水船累年各向波要素（1979—1998）Tab.15 The wave parameters at Yinshuichuan（1979—1998）

图6 引水船站全年风向、浪向玫瑰图Fig.6 Rose diagram of wave and wind direction at Yinshuichuan

波浪传播进入浅滩区后，发生变形形成破碎波，产生紊动的破波水流直接对浅滩区水流和泥沙运动产生影响，按不同波高频率统计，推算得横沙浅滩不同波高条件下的破波水深如表16.

表16 不同波高频率的破波水深Tab.16 Wave－breaking depth at different wave height and frequency

由此可见，在横沙浅滩大部分滩区内，可置于破波水流作用之下，从而加强了破浪对滩面泥沙的冲刷和粗化，并影响滩面地形冲淤，台风浪对滩面的冲刷作用将更为强烈.同时可引起沿岸堤防的摧毁破坏，如1997年出现的9711号台风所产生的增水和大浪，对横沙东滩堤边高滩陡坎冲刷，直接暴露光滩，引起海塘出险.

4.5 长江口外海域的波浪

根据嵊山站（1979—1998年）的资料，本海区地处季风区，冬天盛行偏北风，夏季盛行偏南风，波浪明显受季风影响.根据位于工程区南约65 km，水深约26 m，具有开阔海面的嵊山测波资料分析，累年的年平均波高为1.2 m.最大波高为13.0m，出现在9月，其次是11.5 m，出现在8月，波高均为偏东向.全年除4、5、6三个月平均波高略小，在1.0～1.1 m外，其余各月平均波高均为1.3 m，全年平均波高的波级出现频率：0～2级为35.5%；3级浪为34.9%；4级浪为23.0%；5级浪为6.1%，6级和7级以上的大浪极少出现，仅为0.5%和0.3%.该测站5 m以上的大浪几乎都出现在台风季节，浪向NNE－SSE.冬季寒潮大风也能在本海域形成5 m大浪，但很少出现.累年平均周期为5.1 s，最大周期为13.6 s（见表17和表18）.

表17 嵊山累年各月波高周期统计（1979－1998）Tab.17 The climatological wave height and period at Shengshan（1979—1998）

表18 嵊山累年各向波高、频率统计（1979－1998）Tab.18 The climatological wave height and frequency at Shengshan（1979—1998）

图7 嵊山站全年风向、浪向玫瑰图Fig.7 Rose diagram of wave and wind direction at Shenshan

5 结 论

挖入式港池工程区地处横沙浅滩及其以东临近水域.潮波运动和入海径流主控着该区水动力.潮波中基本的半日分潮波和日分潮波由不同来向进入本区滩槽交替和滩坡交接的地形环境，形成了该水域相对复杂的水流运动：主轴为东西方向的往复流和南向流较强的旋转流交替的流势.于北港和北槽河槽及其延伸地段一般以明显的往复流为主，最大流速约为220 cm／s左右；槽间的横沙浅滩以东，近滩为以西北向为主的贴滩往复流，以东海域为南北向较强的往复流，其中南向流可达258 cm／s.长江径流外泄入海对流场也有较大的贡献，除了增强落潮流势外，还影响了流场的垂直结构.据本文水动力的分析，建议在挖入式港池的平面设计的外廓界布置中，尽可能沿等深线周围；深水航道及其入池口尽可能向南和向东移以减小横流的影响.由于港池被圈围在河口最大浑浊带，阻隔了滩槽的泥沙交换，常年平均小于1 m的风浪，不会对港池和航道有明显的影响.

［1］ 丁文兰.东海潮汐和潮流特征的研究［J］.海洋科学集刊，1984，21：135－148.

［2］ 李身铎.长江口潮流垂直结构［J］.海洋与湖沼，1980，11（2）：98－108.

［3］ 方国洪.潮汐和潮流的分析和预报［M］.北京：海洋出版社，1986.

［4］ 李身铎.长江口北槽口外海域流场分析［R］／／长江北槽深水航道三期工程研究报告.上海：华东师范大学，2005.