三门湾猫头深潭对“烟花”台风的冲淤响应

应 超，王乐乐，黄世昌

(浙江省水利河口研究院（浙江省海洋规划设计研究院），浙江 杭州 310020)

海湾是人类集中生活区，也是人类重点开发的区域。浙江省由于其特殊的地理位置和气候条件，在夏秋季会遭遇台风侵袭。台风将导致风暴潮与台风浪，并在极短的时间内大幅改变海湾海底地形。风暴过后，海湾内航道或深潭均可能形成骤淤，从而对港口航运、电厂取排水等涉水工程造成严重影响。路川藤等[1-2]采用数值模拟方法计算分析了长江口、温州湾台风期深水航道骤淤的风险。孙林云等[3]则采用物理模型试验的方法研究了京唐粉沙质海岸的骤淤问题。

三门湾位于浙江中部，是三门核电厂址所在地。目前，三门核电一期工程已经实施，二期、三期均计划在猫头深潭附近实施取排水工程。实测地形资料表明，2003—2019年间，深潭最深处淤积幅度约为15 m。猫头深潭的持续淤积，一直是众多学者研究的热点问题。杨辉等[4]分析猫头深潭附近海域冲淤演变规律及其动力机制，认为风暴骤淤是猫头深潭的主要淤积方式，连续遭遇风暴影响后，潭内沉积物难以在正常天气下被全部冲刷。自2003年以来，三门湾交替发生了大规模人类围垦活动。蛇蟠涂（2004—2007）、下洋涂（2006—2010）、晏站涂（2003—2007）、双盘涂（2011—2015）、三山涂（2011—2015）、洋市涂（2003—2005）等围垦导致的岸线地形变化，使三门湾的潮汐动力大幅减弱[5]。本文拟采用超强台风“烟花”为代表台风，估算猫头深潭在一次台风过程中的泥沙骤淤量，为猫头深潭清淤维护提供数据支撑，也为类似的淤泥质海湾骤淤研究提供参考。

1 研究区域及台风特征

三门湾地处浙中沿海，地理位置在北纬28°57′～29°22′，东经121°25′～121°58′，北与象山港接壤，南临台州湾，东界为南田岛急流嘴连线，为一半封闭状海湾（图1）。海湾总体上呈西北-东南走向，湾口面向东南，以金七门—三门岛—牛头山的连线为界与东海相连，宽约26 km；口门至湾北底部纵深约42 km，湾内水深一般为5～10 m。湾内猫头深潭紧靠娘娘田岗山岬（黄岩咀头和老鹰咀头）发育，其东西向长约1.1 km，南北向长约0.75 km，深潭位于黄岩咀头正东，距岸约200 m。据2020年1月地形测图示，深潭中心最深点为85高程-32.6 m，距咀头岸线约170 m。

图1 三门湾地形Fig. 1 Topographic map of Sanmen Bay

三门湾的潮波以由外海传入的潮波引起的胁迫振动为主，潮波形态为驻波。潮汐性质属于正规半日潮。海湾内部受浅海分潮的影响较大，具有非正规半日浅海潮波性质。湾内键跳站最大涨潮潮差为7.23 m，最大落潮潮差为6.97 m，平均潮差为4.12 m。受三门湾岸线地形影响，湾内潮流为往复流为主。涨潮时，潮流分两股进入三门湾内，一股从满山水道进入，另一股从猫头水道进入。其中经猫头水道进入的涨潮流经过猫头山咀后又分成两股，一股与从满山水道进入的涨潮流交汇进入青山港和沥洋港，这部分潮流约占进入三门湾内潮流总体的60%；另一股涨潮流进入蛇蟠水道，约占40%，然后这部分涨潮水体的约80%进入旗门港，另外20%进入海游港。根据2019年实测资料，三门湾夏季湾口全潮平均含沙量为0.235 kg/m3，湾顶全潮平均含沙量为0.127 kg/m3，猫头山嘴全潮平均含沙量为0.047 kg/m3；冬季湾口全潮平均含沙量为0.313 kg/m3，湾顶全潮平均含沙量为0.186 kg/m3，猫头山嘴全潮平均含沙量为0.223 kg/m3。

2021年第6号台风“烟花”于7月18日02:00在西北太平洋洋面上生成，于25日12:30前后在浙江省舟山市普陀区登陆（图2），登陆时中心附近最大风力13级（38 m/s），中心最低气压965 hPa，并于26日09:50前后在浙江省平湖市沿海再次登陆，登陆时中心附近最大风力10级（28 m/s），中心最低气压978 hPa。“烟花”台风登陆时恰逢大潮天文高潮位，造成了舟山海域接近历史最高潮位的风暴潮位。三门湾猫头深潭，距台风路径最近垂直距离约110 km，势必会受到“烟花”风暴潮及台风浪的影响。

图2 “烟花”及“弗雷德”台风路径Fig. 2 Path map of Typhoon In-Fa and Gladys

2 数学模型建立及验证

2.1 模型介绍

本文采用自主研发的平面二维潮流泥沙数学模型进行风暴潮及泥沙冲淤计算，采用第三代谱模型SWAN进行波浪计算。为使风暴潮与台风浪充分成长，数学模拟范围南至菲律宾，东至琉球群岛，模型经度范围为114.000°～119.649°，纬度范围为22.40° ～29.71°。模型采用三角形网格进行空间离散，可以很好地模拟浙江省的曲折岸线。整个计算模型布置104 190个节点与196 659个网格，按照重点关键水域网格密、其他水域疏的原则剖分。计算域内的网格布设考虑了水流、地形梯度的差异，猫头深潭附近的计算网格作进一步加密，深潭局部网格空间尺度为5 m（图3）。

图3 计算范围及网格布置Fig. 3 Calculation scope and grid layout

潮流泥沙数学模型采用有限体积法进行离散，具有良好的物质守恒性。采用FES2012模型预报外海水位边界，边界预报时考虑了8个主要分潮M2、S2、K1、O1、N2、P1、K2和Q1，2个长周期分潮Mf和Mm及3个浅水分潮M4、M6和MS4。模型中外海边界处含沙量设置为0。本文台风风场及气压场采用NASA的CCMP再分析数据[6]，其空间分辨率为0.25°，时间分辨率为6 h，已经被广泛应用于风暴潮及台风浪的数值模拟[7-8]。

泥沙模型中悬沙与底沙之间的泥沙交换即近底泥沙通量的确定是关键。经过多年研究与实践，国内外学者常采用挟沙力或切应力模式来确定泥沙源项。本文采用挟沙力模式来模拟三门湾悬沙运动。波流共同作用下的水体挟沙力为潮流挟沙力，为 波浪挟沙力。在计算时引入背景含沙量S0的概念：

式中：水流的挟沙力系数k与S0，根据实测含沙量与水力因子间的关系回归得到。

对于波浪作用下的挟沙能力，根据实际波能演化原理，修正为如下形式[9]：

式中：fw为 床面摩阻系数；Hrms为 均方根波高；T为波浪周期；k为 波数；g为 重力加速度；DB2为由于波浪破碎引起的波能耗散（可由SWAN模型计算得到）；β1与 β2为系数；γ为水流重度；γs为泥沙重度。

2.2 模型验证

2.2.1 风暴潮模型验证 本模型模拟舟山海域岱山站及金塘站风暴水位见图4。由图4可见，7月24日之前，各站水位受风暴潮影响较小，实测潮位与计算天文潮位基本相符。7月24日至7月26日，各站实测潮位较计算天文潮位有明显抬高，金塘站最大增水可达1.1 m，岱山站最大增水可达0.8 m。模型计算风暴潮最高潮位最大误差在10 cm以内，很好地复演了风暴潮增水过程。

图4 风暴潮位验证结果Fig. 4 Verification results of storm tide level

2.2.2 台风浪模型验证 采用嵊山及大陈波浪站的实测波浪数据进行波浪验证（图5）。可见，SWAN模型计算有效波高与实测值量值及趋势均较相近，很好地模拟了风暴潮登陆时的台风浪过程。

图5 台风浪波高验证Fig. 5 Typhoon wave verification diagram

2.2.3 泥沙骤淤模型验证 三门核电厂前期研究时对三门湾内固定检测断面的海底高程进行过17次测量。其中1994年6月与8月分别进行过一次测量，正好在9417台风前后，为研究深潭骤淤留下了宝贵的资料。9417台风于1994年8月21日22:30（农历七月十五）在温州瑞安梅头镇（今温州龙湾区海城街道）登陆，登陆时中心气压960 hPa，近中心最大风速大于40 m/s。台风登陆时正是天文大潮高潮（农历七月十五），使高潮时间延长。此台风特点为风大、雨强、潮高，形成暴雨、洪水、大潮“三碰头”。三门湾内健跳站增水可达155 cm。

本文首先复演9 417号台风浪与风暴潮位，然后选取其中两条深潭断面进行骤淤验证（1#与2#），断面布置见图3。由图6可见，9 417号台风前后三门核电厂址附近的深潭处呈现不同幅度的淤积，剖面1#平均淤浅142 cm, 淤积厚度自边坡向底部增大，最深点淤浅达270 cm。模型计算所得的深潭冲淤趋势与实测资料相近，很好地复演了猫头深潭在台风期的淤积过程。这说明本模型泥沙参数取值较为合理，可以用来预测猫头深潭台风期的骤淤。

图6 代表断面骤淤地形验证Fig. 6 Verification of sudden siltation terrain of representative section

3 台风“烟花”对猫头深潭骤淤影响分析

根据周阳等[10]对三门湾的周年波浪观测结果，三门湾受波浪影响较小，口门附近常浪向为E向，年均H1/10为0.43 m，次常浪向为ESE向，年均H1/10为0.39 m。根据本次台风浪计算结果，猫头深潭有效波高可达0.8 m，说明“烟花”台风造成了三门湾内不小的波浪增幅。选取猫头深潭附近代表点，统计有无波浪不同情况下的含沙量过程（见图7）。可见，不考虑台风浪的情况下，在猫头深潭处，含沙量过程随潮汛有良好的变化规律。在一个潮周期过程中，涨潮时，外海入湾泥沙随涨潮流被推至湾顶，深潭附近的含沙量随涨潮过程逐渐降低，并在高平时刻含沙量达到最小值；落潮时，湾顶高浓度含沙量随落潮流输移回外海，深潭含沙量随落潮过程逐渐增大，并在低平时刻达到最大值。考虑“烟花”台风浪情况后，高平时刻的含沙量有明显增加。考虑有无波浪两种不同情况下高平时刻含沙量分布见图8。可见，在台风浪作用下，下洋涂南侧浅滩及猫头深潭南北侧浅滩的含沙量均有明显增加，局部可增加至无浪情况下的3倍以上。台风浪导致的含沙量增加是三门湾深潭骤淤的主要原因，当风浪动力减弱，台风期扰动起悬的泥沙，更易在深潭附近沉积。“烟花”台风过后3天，三门湾冲淤变化见图9。可见，台风过后三门湾内大片滩涂发生了轻微的冲刷，而猫头深滩和附近深槽均发了明显淤积，猫头深潭最大淤积为0.15 m。

图7 有无波浪情况下潮位及含沙量过程线Fig. 7 Tidal level and sediment concentration hydrograph with or without waves

图8 有无波浪情况下高平时刻含沙量分布Fig. 8 Distribution of sediment concentration at high level with or without waves

图9 “烟花”台风后猫头深潭计算骤淤Fig. 9 Calculated sudden siltation of Maotou deep pool after Typhoon In-Fa

对比“烟花”台风与9417台风的骤淤量值，发现不同台风情况下，猫头深潭的冲淤响应也有较大不同。究其原因，主要是不同台风会对三门湾造成不同的动力扰动。对比“烟花”与9417台风期猫头深潭附近最大波高分布（ 图10），可见9417号台风期间湾内风浪波高远大于“烟花”台风，也会造成更多的台风期泥沙起悬，从而造成猫头深潭更大的淤积。

图10 9417台风与“烟花”台风台风期最大波高分布Fig. 10 Distribution of maximum wave height of Typhoon 9417 and In-Fa in typhoon period

4 结 语

2021年的“烟花”台风恰逢天文高潮位，造成了舟山海域的大幅风暴增水。三门湾猫头深潭距台风路径最近垂直距离约110 km，台风期最大有效波高为0.8 m。台风浪导致的含沙量增加是三门湾深潭骤淤的主要原因，台风过后三门湾内大片滩涂发生了轻微冲刷，而猫头深滩和附近深槽均发生了明显淤积，猫头深潭最大淤积为0.15 m。目前猫头深潭并未建立常规断面监测机制，本次台风期前后也无实测断面地形，建议今后对猫头深潭开展定期地形监测，进一步研究其冲淤机理。