三沙湾盐田港海域潮流特征初步分析

林建伟，朱志煌

(福建省水产研究所，福建 厦门 361013)

在近岸海域，潮流是塑造海底地貌、海底沉积物起动的重要因素，对海洋工程环境有重要影响，是海洋物质输运的动力基础，将对海湾内的溶解物质和悬浮物质(营养物、泥沙、污染物等)的输移起重要作用。因此，海湾潮流的研究具有重要意义。

1 研究区域与分析方法

三沙湾形状似伸展的右手掌，海湾被罗源、东冲半岛环抱，仅在东南方向有一个狭口——东冲口与东海相通，口门宽约3 km，是个半封闭的海湾，大部分水深<20 m[1]。它是个峡湾型山地基岩海湾，也是个典型的潮汐叉道海湾，海底地貌以侵蚀为主，主要类型有潮汐通道、冲刷槽、深潭、潮流沙脊、沙坝和水下浅滩等。三沙湾常浪向为E，次常浪向为ENE；强浪向为E，最大波高为0.8 m，次强浪向为ENE，最大波高为0.7 m；平均波高为0.1 m，最大平均波高为0.2 m[2]。

盐田港位于三沙湾的北部海域(图1)，为三都澳五大支汊之一，北接盐田杯溪，西、西南与福安溪尾港、白马港相通，南至宁德白匏岛，东南连南塘港；东西宽1.2～6.0 km，南北长21.0 km，面积约40 km2；海岸线曲折，长约105 km，多为泥沙岸，间有岩岸；港区水深1～13 m，透明度0.5～1.0 m，海底以泥沙质为主，潮差3～5 m；其地貌属海湾滩涂与浅海地貌单元连接地带。盐田港海域入海主要溪流有杯溪，是宁德市霞浦县最大的河流，干流长45 km，流域面积285 km2，河流比降16.4 %，多年平均流量9.5 m3/s。

目前，有关三沙湾潮流方面的研究，已有文献报道相关的研究内容。林建伟等[1]根据不同的岸线地形条件，模拟了三沙湾整个海域的潮流场；林建伟等[3]基于ROMS模型，模拟了三沙湾整个海域的余流场，并对其分布特征进行了描述分析；林航[4]根据霞浦东冲、宁德城澳、福安白马三个海洋站的长期潮位观测数据，统计分析了三沙湾的潮汐特征，得出三沙湾潮汐性质属于正规半日潮的结论；《福建省海湾数模与环境研究——三沙湾》对三沙湾各围填工况进行了水动力环境研究[5]；Lin等[6]运用二维有限元模式模拟了三沙湾的水动力和水体半交换周期，得出三沙湾深槽的流场较强、流速较大、水体半交换周期较短(一般小于10 d)，浅滩流场较弱、流速较小、水体半交换周期较长(一般大于30 d)的结论。前人主要对三沙湾整个海域的潮流场研究，但缺乏海流观测资料，对其分叉港湾(盐田港)的研究较少。

本文将在收集实测资料的基础上，对盐田港的潮流特征进行分析。通过本文的研究，将有助于了解盐田港污染物迁移扩散的动力基础，为今后盐田港的开发利用与保护提供参考。

本文引用上海升海勘察工程有限公司在三沙湾的盐田港开展的5个锚系站位的连续27 h海流同步观测数据(观测时间从2015年12月26日10时至12月27日13时，观测站位分别为1#、2#、3#、4#和5#，图1)和潮位观测数据(2015-12-25～2016-01-04，观测站位分别为T1和T2，图1)。潮位观测使用RBR实时潮位遥报仪，以《海滨观测规范》(GB/T 14914—2006)为依据，每小时测量一次。海流观测使用ADCP，各测站流速、流向按整点分层进行，当测站水深≥5 m时采用六点法(相对水深为表层、0.2H、0.4H、0.6H、0.8H、底层)，当3 m≤水深<5 m时采用三点法(相对水深0.2H、0.6H、0.8H)。各数据均在良好海况的条件下进行采集。数据处理方法按照规范[7]，引入差比数的准调和分析方法进行调和分析[8]，得出各潮位站的潮汐调和常数和各潮流站位表(0.2H)、中(0.6H)和底层(1.0H)的O1、K1、M2、S2、M4、MS4六个主要分潮流的调和常数和椭圆要素，以及潮流最大可能流速。

按照《港口与航道水文规范》(JTS 145—2015)，根据最主要的日分潮K1、O1两分潮的振幅之和与最主要的半日分潮M2分潮振幅的比值大小，把潮汐划分成各种类型。当(HO1+HK1)/HM2<0.5时，属于正规半日潮；0.5<(HO1+HK1)/HM2<2.0，属于不正规半日潮；2.0<(HO1+HK1)/HM2<4.0，属于不正规日潮；4.0<(HO1+HK1)/HM2，属于正规日潮。

潮流按潮流形态数F=(WO1+WK1)/WM2可分为规则半日潮流、不规则半日潮流和规则全日潮流、不规则全日潮流，其判别标准如下：

(WO1+WK1)/WM2≤0.5，规则半日潮流；

0.5<(WO1+WK1)/WM2≤2.0，不规则半日潮流；

2.0<(WO1+WK1)/WM2≤4.0，不规则全日潮流；

4.0<(WO1+WK1)/WM2，规则全日潮流。

潮流最大可能流速按《港口与航道水文规范》(JTS 145—2015)计算：对规则半日潮流海区按式(1)计算：

(1)

潮流流速的计算按照规范进行计算，东分量ViE=Vi×sinαi，北分量ViN=Vi×cosαi；式中，Vi、αi分别为分层流速和流向。

2 结果与分析

2.1 潮汐调和常数

对T1和T2站的潮位观测资料进行准调和分析，得到T1和T2潮位站的潮汐调和常数(表1)和潮汐性质特性统计表(表2)。

由表1可见，两个站各个分潮的振幅值相差不大，且两个站均为M2分潮起主导作用。处于盐田港的T1站M2分潮振幅比三沙湾口的T2站大，其潮差也相应比T2大。

由表2可见，T1和T2两个临时潮位站的潮型判别数值均小于0.5，分别为0.219和0.243，说明三沙湾的潮汐类型属于正规半日潮；由两站潮位过程曲线(图2)也明显看出，其每天有两个高潮和两个低潮的规律。

对T1和T2两个潮位站的潮位观测资料进行特征值统计，得到各站的潮汐特征值如表3所示。由表3可见，T1和T2两个临时潮位站的平均高潮位分别为329 cm和311 cm，平均低潮位分别为-220 cm 和-213 cm，T1的高潮位高于T2，其低潮位则低于T2；T1和T2两个临时潮位站的平均潮差分别为549 cm 和523 cm，T1潮差大于T2；T1和T2两个临时潮位站的平均涨潮历时分别约6 h 24 min和6 h 22 min，平均落潮历时分别为6 h和6 h 2 min，涨落潮历时相差较小。

表1 潮位站的潮汐调和常数

表2 潮位站潮汐性质特性统计表

表3 各潮位站潮汐特征值统计表(基面：1985国家高程基准)

2.2 潮流调和常数

对上述各站位的海流观测资料进行潮流准调和分析，得到O1、K1、M2、S2、M4、MS4六个主要分潮流的调和常数，见表4。

由表4可见，1#站表、中、底层调和常数半日潮流(M2，S2)的北分量最大振幅为14.0～57.5 cm/s，东分量为3.4～17.5 cm/s；其表、中、底层调和常数全日潮流(O1，K1)的北分量最大振幅为2.0～3.9 cm/s，东分量为1.1～3.4 cm/s。2#站表、中、底层调和常数半日潮流(M2，S2)的北分量最大振幅为12.4～58.5 cm/s，东分量为3.5～14.2 cm/s；其表、中、底层调和常数全日潮流(O1，K1)的北分量最大振幅为2.7～5.4 cm/s，东分量为0.2～1.2 cm/s。3#站表、中、底层调和常数半日潮流(M2，S2)的北分量最大振幅为13.8～53.9 cm/s，东分量为5.3～14.2 cm/s；其表、中、底层调和常数全日潮流(O1，K1)的北分量最大振幅为2.8～5.8 cm/s，东分量为1.1～1.8 cm/s。4#站表、中、底层调和常数半日潮流(M2，S2)的北分量最大振幅为13.6～51.7 cm/s，东分量为1.7～16.8 cm/s；其表、中、底层调和常数全日潮流(O1，K1)的北分量最大振幅为0.7～2.6 cm/s，东分量为0.4～2.1 cm/s。5#站表、中、底层调和常数半日潮流(M2，S2)的北分量最大振幅为8.1～34.4 cm/s，东分量为14.0～44.1 cm/s；其表、中、底层调和常数全日潮流(O1，K1)的北分量最大振幅为1.6～3.3 cm/s，东分量为1.2～2.5 cm/s。可见，各站表、中、底层调和常数北、东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可见，1#～4#站的表、中、底层O1、K1、M2、S2、M4、MS4六个主要分潮流的北分量均大于东分量，而5#站的北分量小于东分量。从图1各站位的分布图可以看出，观测站位所在的盐田港地形为南北走向；1#～4#站的北分量大于东分量，以北分量为主，说明其受地形约束，主要受盐田港南北向潮流的影响，而5#站位于盐田港的湾顶位置，北分量小于东分量，以东分量为主，说明其主要受盐田畲族乡西侧海域的东西向潮流的影响。

表4 5个站位调和常数和余流

2.3 观测期间的余流

由表4可见，观测期间，各站的余流值在表、中、底层均表现为表层最大、底层和中层相差不大的特点。余流流速均不大，表层余流流速较大，但一般小于10 cm/s，中底层的余流流速较小，一般小于5 cm/s，特别是5#站，中底层余流流速为2 cm/s。图3是各站表、中、底层余流流矢叠置图。由图3可见，1#站的表、中、底层余流流向均为东南向；2#站的表层余流指向东南，中、底层为东北偏东向；3#站的表层余流指向西南偏西，中、底层为西北向；4#站的表、中、底层余流均指向东北；5#站的表层余流指向西南，中、底层为东南向。

可见，处于三沙湾北部海域的盐田港，水深较浅，垂向混合较充分，余流层化现象不明显；除个别站位的表层余流较大外，其余各层余流流速整体上较小，一般小于5 cm/s；表层余流流速较大，可能与观测期间各站位受周边船舶行驶的影响、风以及潮流转向等因素有关。

2.4 潮流椭圆要素

为了进一步分析潮流的特性，通过分潮流的调和常数分别计算出6个主要分潮流的潮流椭圆要素(表5)。

表5 5个站位椭圆要素

续表5

2.4.1 潮流性质

根据上述规范和各分潮的椭圆要素，可计算出潮流形态数F，计算结果如表6所示。由表6可见，各测站的表、中、底层的F值均小于0.5，因此盐田港海域潮流为规则半日潮流。

浅海中，一般用G=(WM4+WMS4)/WM2的大小来表征浅水分潮流在总海流中影响的指标[9]。经计算得到，表层G值在1#、2#、3#、4#和5#分别为0.19、0.15、0.10、0.12和0.12(表6所示)，表明浅水分潮在总海流中所占的份额都很小。

表6 5个站位潮流、浅水分潮性质

2.4.2 潮流的最大可能流速

根据上述规范和各分潮的椭圆要素，可计算出潮流的最大可能流速。由表7可见，调查海域1#站表、中、底层潮流的最大可能流速在74～130 cm/s、流向为339°～344°，2#站为66～135 cm/s、流向为10°～14°，3#站为87～133 cm/s、流向为342°～346°，4#站为69～113 cm/s、流向为3°～13 °，5#站为89～118 cm/s、流向为50°～57 °；除3#站中层可能流速最大外，其余各站均表现为表层最大、中层次之、底层最小的规律。

表7 潮流可能最大流速流向(流速：cm/s；流向：°)

2.4.3 潮流的运动形式

潮流的运动形式可分为旋转流和往复流，一般以椭圆率K的绝对值大小来判断，当|K|=1时，潮流成圆形，各方向流速相等，为纯旋转流；当|K|=0时，潮流椭圆为一直线，海水只在一个方向流动，为典型往复流。|K|值通常介于0～1之间，|K|值越大，旋转流的形式越显著，|K|值越小，往复流的形式越显著，但实际中理想的旋转流和往复流很少存在，往往为两种形式并存，规定|K|在0～0.2时为往复流，|K|大于0.2为旋转流。

潮流的旋转方向，通常是以旋转率K前面的符号来判断。K前面为“+”，表示潮流逆时针旋转(左旋)，K前面为“-”，说明潮流是顺时针旋转(右旋)。

根据上述分析，调查海域潮流性质为规则半日潮流，因此，以M2分潮流的椭圆率来对潮流运动形式作近似分析。由表5可见，1#站M2分潮流的椭圆率-0.13～0.00；2#站M2分潮流的椭圆率-0.03～0.01；3#站M2分潮流的椭圆率-0.02～0.02；4#站M2分潮流的椭圆率-0.03～0.00；5#站M2分潮流的椭圆率-0.02～0.00。各站各层的M2分潮流的椭圆率|K|值均小于0.2，所以调查海域潮流的运动形式是往复流形式。

2.5 M2分潮的垂向结构

该海域为正规半日潮流，可通过分析M2分潮来体现该海域潮流的垂向结构特点。由表5可见，M2分潮在1#站的最大流速为32.0～67.0 cm/s，最大流在中层，发生时刻比表层迟0.01 h；2#站M2分潮的最大流速为35～79 cm/s，最大流在表层，发生时刻比中、底层迟约0.1 h；3#站M2分潮的最大流速为41～62 cm/s，最大流在中层，发生时刻比表层早约0.2 h；4#站M2分潮的最大流速为38～61 cm/s，最大流在表层，发生时刻与中、底层几乎同时；5#站M2分潮的最大流速为45～63 cm/s，最大流在表层，发生时刻比中、底层早约0.1 h。图4给出了5个测站表、中、底3层的M2潮流椭圆示意图，结合表5可见，椭圆长轴远大于短轴。因此，调查海域M2潮流垂向各层性质一样(均表现为往复流特征)，但表、中层的M2分潮流速较大，底层最小，流向较一致。

2.6 潮流特征

由图1可见，1#、2#、3#、4#和5#站位分别位于三沙湾北部海域盐田港的口门至湾顶位置，各站实测期间平均水深大约分别为18.6、16.0、16.5、7.3和5.8 m。图5是5个潮流观测站流速流向过程曲线。由图5可见，在半潮期间，处于盐田港口门位置的1#站，表、中、底层流速依次减小，表层流速最大，为1.07 m/s，流向为166°，同一时刻，底层流速最小，为0.52 m/s；与1#站相似，2#站表、中、底层流速依次减小，表层流速最大，为1.06 m/s，流向为184°，同一时刻，底层流速最小，为0.54 m/s；3#站则不同，中层流速最大，最大可达1 m/s，流向为167°，同一时刻，表层次之，底层流速最小，为0.55 m/s；4#站表层流速最大，最大约为0.9 m/s，同一时刻，底层最小，最小流速约为0.6 m/s，垂向各层流速相差较小；5#站表层流速最大，最大约为0.95 m/s，同一时刻，底层最小，最小流速约为0.62 m/s，垂向各层流速相差也较小。

潮流流失图是反映海区一个潮周期内潮流运动方向与流速强弱变化较直观的表现形式之一。根据各个测站的实测流速、流向资料绘制了定点测站垂直平均流矢图(图6)和表、中、底层流矢叠加图(图7)。从图6可清晰看出，调查海域5个测站涨落潮流的运动方向基本在一条线上，表现出往复流特征；受地形变化影响，测区5#测站涨潮流方向为ENE方向、落潮流方向为WSW方向，1#、2#、3#和4#涨潮流向为偏N向、落潮流方向为偏S向；观测期间，各测站的落潮流速大于涨潮流速。从图7表、中、底层流矢叠加图可见，各测站表、中、底层流矢走向基本一致，层化结构不明显；表层流速最大，中层次之，底层最小。

3 结论

通过以上计算分析结果，本文得到了三沙湾盐田港海域在观测期间的潮流特征。

1)根据观测期间的潮汐特征分析，三沙湾整个海湾的潮汐类型属于正规半日潮，与林航[3]的统计分析结论和文献[2]资料相吻合。

2)1#～5#潮流站的表、中、底层的潮流形态数F值均小于0.5，各站流速在单周日内呈现4次峰值，调查海域的潮流类型为规则半日潮流，与文献[2]报道相吻合。

3)1#～5#潮流站各层的M2分潮流的椭圆率|K|值小于0.2，调查海域潮流的运动形式是往复流形式，其中1#～4#站受南北往复流的影响，北分量大于东分量，5#站受东西向往复流的影响，以东分量为主；M2潮流垂向各层性质一样(均表现为往复流特征)，但表、中层的M2分潮流速较大，底层最小。

4)从流矢图可以看出：5#潮流站涨潮流方向为ENE方向、落潮流方向为WSW方向，1#、2#、3#和4#涨潮流向为偏N向、落潮流方向为偏S向；各站表、中、底层流矢走向基本一致，层化结构不明显。

5)1#、2#和3#站的水深较大，垂向各层流速相差较大，而4#和5#处于盐田港湾顶位置，水深较小，潮流的混合更充分，垂向各层流速相差较小；各站落潮流速大于涨潮流速。

6)观测海域，余流层化结构不明显，表层余流流速较大，可能与观测期间各站位受周边船舶行驶的影响、风以及潮流转向等因素有关；其余各层余流流速整体上较小，一般小于5 cm/s，略大于林建伟等[3]模拟的余流情况，这可能是因为数值模拟的边界设置较为理想化，与复杂的实际情况有一定的偏差，今后做进一步研究时应综合考虑各种情况，并通过获取长时间的水文观测数据进行校正。