长江口北支涌潮现状分析

2019-05-15

长江科学院院报 2019年5期

(长江水利委员会水文局长江口水文水资源勘测局，上海 200136)

1 研究背景

涌潮是潮波在进入海湾或河口的传播过程中发生强烈变形而产生波陡趋于极限而破碎的潮水暴涨现象，存在于世界上的许多河口地区[1]，如英国的塞文河、巴西的亚马逊河、我国的钱塘江河口以及长江口北支。涌潮形成必须满足2个条件：一是喇叭形河势和水下沙坎，它是涌潮形成的必要条件；二是潮流速大于潮波速，它是涌潮形成的充分条件[2]。潮波进入河口由于喇叭形河势的过水断面向上游逐渐减小，沿程向上的潮流流速随过水断面减小而增大；水下沙坎使水深变浅，上溯的潮波随水深变浅而传速减小，使得潮波在传播途中发生强烈变形，水位和流速发生突跃[3]。大潮的特点是潮位低(水深浅)、涨潮流速快、进潮量大、动力强，促使潮位骤涨，导致潮波传速小而潮流速大，涌潮都出现在大潮低潮后的始涨期。北支涌潮的成因是其既具有喇叭形河势，也有水下浅滩，两者同使潮波变形，导致涌潮的形成。近年来北支河槽束狭，水深淤浅是促使涌潮增强的主要原因[4]。

刘文虎等[5]在钱塘江河口观测到波状涌潮，水位升高最大幅度为1.37 m；谢东风等[6]通过理论分析及实测资料对比认为影响钱塘江河口涌潮传播速度的主要因素包括下游潮差、河道地形及径流流量。潘存鸿等[7-8]基于二维数学模型研究了钱塘江涌潮对泥沙输移及盐水入侵的影响；黄静等[9]在水槽试验中复演出与实测资料匹配良好的涌潮形态。上述成果表明目前借助现场观测、理论分析、数值模拟及室内试验等多种方法已对涌潮进行了许多工作，并取得了较大进展。

本文研究区域为长江口北支河段。20世纪40年代以来，长江北支上口分流比逐渐减少，形成以大新港最窄向下游展宽的喇叭形河势，同时在永隆沙一带发育了水下沙坎，永隆沙出现了涌潮[4]。以后随着北支上段围垦加剧，江面束狭，河槽进一步萎缩，北支口径流分流继续减小，涌潮出现在灵甸港与祟头之间，80年代以后，涌潮的活动范围扩大，从三和港直至北支上口；进入90年代，由于好角沙和灵甸沙圈围,大新港成为北支喇叭口的顶点，涌潮基本上出现在青龙港附近，涌潮出现频次和潮头高度增大；近几年，随着北支中下段缩窄圈围工程的实施，涌潮多出现在崇海汽渡上游浅滩、青龙港上游浅滩处，灵甸沙尾部也有明显的涌潮。本文通过现场观测的方法分析北支涌潮过程，观测手段包括自记潮位仪采集潮位数据、人工岸边观测潮头、抛设浮标观测流速以及快艇迎潮头(潮头追快艇)等形式，通过分析总结得出北支涌潮的现状特性。

2 研究河段概况

北支是长江出海的一级汊道，西起崇明岛头，东至连兴港，全长约83 km，流经上海市崇明县、江苏省海门市和启东市，河道平面形态弯曲，弯顶在大洪河至大新河之间，弯曲系数在1.19左右，弯顶上下河道均较顺直，最窄处已由原先的青龙港附近下移至庙港上游800 m处，宽约1.6 km。在1984—2016年近32 a间，北支岸线外移幅度较大，北支的平面形态已由过去的沿程展宽缩窄成为现在的上、中段为不同宽度的均匀直段，中间由宽度均匀的弯段连接，下段则为展宽段。

根据河道形态和水动力特性，北支可以分为上、中、下3个河段：崇头—青龙港为上段，属涌潮消能段；青龙港—头兴港(启东港上游1.4 km)为中段，是北支河宽明显缩窄的涌潮河段，滩槽交替多变；头兴港—连兴港为下段，是典型的喇叭型河口。20世纪50年代以来，北支左右两岸实施了大范围的岸线整治工程，浅滩区域逐渐圈围成陆，滩涂圈围引起北支河段河势及河床变化，河床演变总体以淤积为主，河道过水断面面积明显减小。由于河槽容积和过水断面面积减少，河段内潮水位有所抬高[10-11]。

3 资料来源与方法

为研究长江口北支河段近期涌潮情况，根据河段地形特点及涌潮现场调查情况，2016年10月在北支河段北支进口、牛棚港、新跃沙浅滩上游侧、新跃沙浅滩下游侧、崇海汽渡上游、灵甸沙尾部、新村沙北侧、崇头、灵甸港、青龙港、青龙港上游浅滩共布置了11处临时潮位站(编号分别为SW1—SW11，其中牛棚港、灵甸港2站未能收集到有效数据)，临时潮位站潮位观测采用压力式自记水位仪，自记水位仪每隔1 s记录一个数据。在临近涨潮时将测流浮标抛设在新跃沙浅滩(大洪河闸对岸北支弯道)浅水区，施测涨潮时潮头推进至该浅水区域时的流速。为了解潮头水流挟沙能力，在岸边青龙港上游、大洪河闸下、崇海汽渡上游和江中间新跃沙浅滩下游侧、崇海汽渡上游对潮头水流取样。北支涌潮监测布置情况见图1。利用自记潮位计采集潮位数据的同时，在启东港、灯杆港、灵甸港、崇海汽渡上游、大洪河闸下游侧、青龙港、青龙港上游(牛棚港对岸)岸上布置观测点进行人工观测，记录发现明显涌潮现象的时间。自灵甸沙尾部潮头出现时，采用乘快艇迎潮头(潮头追快艇)的形式进行观测，拍摄潮头初生地及向上游推进时的现场影像资料，掌握涌潮生成、增强、衰弱及消失的大概位置，并初步了解南支、北支涨潮流交汇区域。

图1 北支涌潮监测布置Fig.1 Arrangement of monitoring tidal bore in the north branch of Yangtze River estuary

4 结果分析

4.1 水动力条件

近年来上游径流进入北支的比例减少，潮汐作用相应增强，北支逐渐演变为涨潮流占优势的河道。目前洪季涨潮分流比在10%左右，洪季落潮分流比在4%左右；枯季涨潮分流比在7%左右，枯季落潮分流比在3%左右。涨潮分流比明显大于同期落潮分流比。2002年9月22—30日北支、北港、南港的同步水文测验资料显示，当时北支的戤滧港断面进潮量占长江口总进潮量的25%左右。近年，北支下口连兴港、北港、南港3个断面开展的水文测验资料显示，北支的纳潮量约占整个长江口纳潮量的27%，小潮时比例甚至超过30%，表明北支的进潮量仍很大[10-11]。

4.2 涌潮分析

沿北支向上游，沿程各潮位站涨潮历时逐渐缩短，青龙港附近涨潮历时最短，在2 h左右；潮差逐渐增大，青龙港站大潮期间平均涨潮潮差4.22 m；随着河道逐渐缩窄，涨潮潮位过程线的前坡变陡，后坡变缓。从图2涨潮开始一段时间潮位过程线可以看出，崇头—新村沙河段，大潮的涨潮期存在水位陡涨现象，崇海汽渡上游SW5站(图2(d))、青龙港上游浅滩处SW11站(图2(i))在涨潮初期过程线呈“直角”形态，其余各站潮位在上涨一段时间后加速上涨。

经现场观测，在灵甸沙包(图3(a))、崇海汽渡上游(图3(b))、新跃沙弯道上游(图3(c))、青龙港上游浅滩(图3(d))可见明显潮头。为掌握不同河段涨潮特点和涌潮潮头高度，统计了不同潮位站涨潮过程中涨速最快时段的潮位涨幅及相应涨率，见表1。30 s内潮位涨幅最大的为SW5，为0.74 m，相应60 s内潮位涨幅为0.86 m；其次为SW11，30 s内潮位涨幅为0.63 m，相应60 s内潮位涨幅也为0.86 m。SW5与SW11两站潮位起涨时，潮位过程线几乎呈“直角”，在几十秒内潮位有较大涨幅，这与涌潮发生时潮位变化过程相吻合。其余各站在潮位缓慢上涨一段时间后，会出现短时潮位加速上涨的过程。以潮位过程线数据推求涌潮高度通常采用起潮后30 s水位与潮前水位相减。据此推算，汽渡上游浅滩处的涌潮高度大约为0.74 m，青龙港上游浅滩处的涌潮高度大约为0.63 m。人工观测在灵甸沙尾部有明显的涌潮，但潮位过程未能反映出，可能与潮位站布设的位置有关。在灵甸沙尾站布设潮位站的位置最低潮时水深为1.08 m，可能水深较大，不利于涌潮的产生。与已有关于北支涌潮潮头高度的历史研究成果(1997年8月昼潮在青龙港观测到的潮头高度0.78 m，在永隆沙观测到的潮头高度1.11 m)相比，本次观测潮头高度略有减小；2016 年涨潮潮差最大时间出现在9月份，可认为9月份时潮头高度应大于本次观测值。另外，涌潮主要发生在浅滩区域，深水区域则不明显，从浅水区到深水区，潮头高度逐渐减小，并趋于消失。

4.3 北支涌潮的种类、形态和特点分析

已有研究表明，北支涌潮按强度可分为低头潮、一线潮和回头潮3种[3]。低头潮：潮头低，高度仅10～30 cm，无破裂；一线潮：潮头高30 cm 以上，多破碎；回头潮：是由一线潮传至北支上口，传播方向与长江主泓接近正交，遭反射而回头。

目前，北支涌潮依然存在着低头潮、一线潮及回头潮现象。据现场观测，一线潮主要分布在灵甸沙(图3(a))至崇海汽渡上游浅滩(图3(b))；而回头潮则出现在崇头至新跃沙弯道，即北支弯道以上河段。从潮位过程线分析，崇头至新跃沙浅滩弯道段潮位上涨过程中，存在潮位略微下探，尔后又继续加速上涨的现象(图2(b))，可能是受回头潮影响。新村沙北(图2(f))也存在潮位下探现象，但它与新跃沙上游不同，新村沙北是由于刚开始涨潮时，涨潮速度快，遇到上游中间灵甸沙包受阻，水位涌高，表现出潮位加速上涨，随着潮水沿灵甸沙包两侧上行，水位有一个回落的过程，经过调整后，继续上涨。当涌潮潮波由北支进入长江南支，与南支主流的涨潮潮波相遇，反射回的潮波进入北支所致。回头潮波到达崇头站(图2(g))的时间大概在涨潮后1 min 21 s，崇头站在缓慢涨潮一段时间后出现加速上涨，30 s内上涨30 cm，以后又逐渐趋缓。到达青龙港站的时间大概在涨潮后1 min 56 s，到达新跃沙弯道上游站的时间大概在涨潮后2 min 13 s，回头潮最远能影响到新跃沙浅滩弯道附近。从新跃沙弯道上游站(图2(b))的潮位过程线可知，该处受2次回头潮影响，涨潮后约0.5 h，受大洪河闸一侧弯道反射潮波影响，存在第一次回头潮现象。

图2 不同潮位站水位过程线Fig.2 Water level hydrograph at different stations

图3 涌潮情景Fig.3 Tidal bore at different locations

站名时刻30 s潮位变幅/m30 s 涨率/(cm·s-1)60 s潮位变幅/m60 s涨率/(cm·s-1)涨潮潮差/m最小水深/mSW82016-10-17T11:340.351.200.410.704.015.51SW12016-10-16T10:440.291.001.101.803.660.12SW112016-10-17T11:040.632.100.861.404.340.18SW102016-10-17T10:550.060.200.280.504.300.55SW32016-10-17T10:480.311.000.591.004.310.30SW42016-10-17T10:380.210.700.430.704.660.58SW52016-10-17T10:160.742.500.861.404.851.00SW62016-10-17T09:570.170.600.530.904.961.08SW72016-10-17T09:490.371.200.731.204.980.80

4.4 涌潮含沙量分析

历年资料分析，北支上口门含沙量较小，沿程逐渐增大，至红阳港—三条港之间达到最大，然后逐渐减小，口外最小。垂线平均含沙量最大值均出现在洪季大潮期，洪季涨、落潮分别为4.87 kg/m3和9.19 kg/m3，均出现在三条港[10]。北支中上段含沙量超过下段最大含沙量而出现峰值，主要是涌潮掀沙的作用。

为了解潮头水流挟沙能力，在青龙港上游、大洪河闸下、崇海汽渡上游的岸边和用快艇在江中间的新跃沙浅滩下游侧、崇海汽渡上游对潮头水流取样，崇海汽渡上游岸边涨潮后1 h取样，共取得5瓶水样。经分析，青龙港上游靠岸边潮头含沙量9.81 kg/m3、大洪河闸下涨潮开始时靠岸边含沙量8.17 kg/m3、崇海汽渡上游靠岸边涨潮后1 h含沙量4.86 kg/m3、新跃沙浅滩下游侧江中间涨潮开始时的含沙量7.92 kg/m3、崇海汽渡上游江中间潮头含沙量10.5 kg/m3。涨潮初期，潮头含沙量较大，浅滩区域含沙量要高于深水区，青龙港上游潮头含沙量达9.81 kg/m3，崇海汽渡上游岸边涨潮后1 h含沙量则已显著降低。

4.5 涌潮流速分析

北支河段洪季涨潮流速从下游向上游逐渐增加，至红阳港达到最大，到青龙港略有减小，抵北支上口又有增加。北支垂线平均流速最大值、涨落潮洪季分别为2.63 m/s(北支口)和2.41 m/s(青龙港)[10]。

为了解潮头出现时流速大小，在临近涨潮时将测流浮标(B6 EQ-BID型)抛设在新跃沙浅滩(大洪河闸对岸北支弯道)浅水区，实测涨潮时潮头推进至该浅水区域时的流速。利用浮标采集的位置及时间数据，计算出其漂流速度即为水体表层流速。经计算，涨潮初期，新跃沙浅滩弯道处水流流速约为2.6 m/s，达到北支河段历史观测到的最大流速。