廣東海門灣海域水文測驗與分析

沈小明

（交通運輸部天津水運工程科學研究所，天津300456）

廣東省海門灣位于潮陽市與惠來縣東部交界處。海門灣口寬12.1 km，縱深6.2 km，弧長24.4 km，面積65 km2，水深5～14 m，灣內沉積物以沙為主。為滿足位于該海域的某海洋工程前期可研要求，在2009年夏季對海門灣及周邊海域進行了海洋水文測驗。根據工作大綱要求，測驗內容包括3個臨時潮位站觀測及10個固定站水文泥沙全潮觀測等。測驗操作、樣品處理及基本資料計算，參照《海洋調查規范》、《濱海水文觀測規范》、《海港水文規范》和《水運工程測量規范》等有關規定進行［1-4］。

1 水文測驗

1.1 站位布設

本期測驗共布設3個臨時潮位觀測站，驗潮1號站（廣澳站）位于工程港區北部水域馬耳角，控制數模研究北邊界，2號站（海門站）位于工程港區中部水域海門角，控制海門灣主要內河入水對周邊潮位的影響，3號站（靖海站）位于工程港區南部水域北炮臺角，控制數模研究南邊界，在工程廠址附近建有周年潮位觀測站，不納入本次水文測驗。在北起海門角南至北炮臺角海域布設了10個水文全潮觀測站，測站站位重點安排在工程涉海區域及物模研究邊界周圍，遠處站位的布設，主要考慮現場作業實際情況及數模研究與環境影響評價的需要（圖1）。

圖1水文泥沙測驗水文測站、驗潮站站位示意圖Fig.1 Sketch of hydrological stations and tidal stations

1.2 測驗時間選取

水文全潮測驗所選擇的潮型要具有典型代表性。本次水文測驗的具體潮型選擇，主要根據國家海洋信息中心編制的2009年《潮汐表》中海門站的潮汐預報值，通過對全年的潮汐預報值進行日最大潮差累積頻率統計，得到日最大潮差累積頻率曲線。由曲線上可得出10%、50%、90%累積頻率對應大潮、中潮及小潮的潮差值，以此確定實際施測時間。小潮：8月12日09:00至13日12:00，低潮～低潮；中潮：8月15日11:00至16日14:00，低潮～低潮；大潮：8月18日07:00至19日13:00，高潮～高潮。潮位觀測時間為2009年8月8日12:00至8月24日09:00，歷時15 d，其間包含了水文全潮測驗大、中、小潮時間段。

1.3 測驗采用主要設備

潮位觀測采用壓力式自記潮位儀Level TROLL 700，測量精度為測量值的±0.1%。流速、流向測量使用聲學多普勒流速流向儀“闊龍”以及SLC9-2型直讀式海流計。“闊龍”測量流向誤差為±2°，流速誤差為測量值的±1%±0.5 cm/s，由于受設備工作原理限制，在近儀器處存在盲區，在近水面或近海底處存在“旁瓣”區；SLC9-2型直讀式海流計流向誤差為±4°，流速誤差為±1.5%。懸移質含沙量、鹽度、水溫采用COMPACT-CTD自容式溫鹽深濁度測量儀，水溫測量精度為±0.02℃，鹽度測量精度為±0.03，濁度測量精度為測量值的±2%［5］。

1.4 潮位觀測

潮位觀測采用座底式安裝潮位儀。潮位儀每10 min自記一次觀測數據，潮位記錄至0.01 m。在潮位儀附近岸邊垂直固定臨時水尺，由工作水準點引測水尺零點高程，定期進行人工水尺觀測，通過水面傳遞求得潮位儀改正數。

1.5 水文泥沙全潮測驗

水文泥沙全潮觀測內容包括流速、流向、懸移質含沙量、水溫、鹽度測驗、風速風向觀測及懸沙粒度分析等。

各個測站同步進行單船定點周日連續觀測，觀測時間26 h以上［6］。測流間隔為1 h，每次測流歷時120 s，“闊龍”測流剖面分層設置為0.5 m，由于側舷安裝需要一定的入水深度及設備盲區的存在，配備SLC9-2型直讀式海流計進行表、底層流速、流向的觀測。

采用自容式溫鹽深濁度測量儀COMPACT-CTD以深度測量模式與測流同步進行懸移質含沙量、鹽度、水溫測量，每0.5 m采集一組數據，每小時整點采集垂線剖面數據一次。

在工作現場使用CTD直接測量一系列典型水體濁度值，即在漲急、落急及高、低潮平潮時段實測表、中、底層水體濁度值，同步采取水樣，經過濾、烘干、稱重獲得水樣的含沙量數值。經過率定分析處理建立濁度和含沙量之間的函數關系式，具體關系式如下

式中：X為CTD讀數，ppm；Y為含沙量，kg/m3，相關性最小值為98.7%。

每測站在大、中、小潮期間的漲急時段按表、中、底三層取樣，由于水質清澈，最后把表、中、底三層取樣混合作為每個潮每個測站的懸沙樣品，用于懸沙粒徑分析。

2 數據處理與分析

2.1 潮位統計分析

從實測大、中、小潮潮位過程線（圖2）來看：測驗海域的潮汐屬非正規半日潮性質，日潮不等現象明顯，潮汐強度較弱。廣澳、海門及靖海三站實測大、中、小潮平均潮差分別為1.00 m、0.79 m和0.76 m；平均值為0.85 m；高、低潮潮位發生時間相差不大，均在1 h之內；漲、落潮平均歷時分別為6 h 58 min和5 h 28 min，漲潮歷時大于落潮歷時，歷時差1.5 h。3個測站實測歷時15 d平均潮差分別為1.00 m、0.87 m和0.69 m，廣澳最大，其次是海門，靖海最小［7-9］。

2.2 流速、流向統計分析

聲學多普勒流速流向儀“闊龍”測流剖面分層設置為0.5 m，各垂線每測次數據數量不一，為了便于統計計算，按六點法將測驗數據錄入計算機編制成流速流向觀測報表，然后采用矢量合成法計算各垂線平均流速、流向。具體的計算方法為：

（1）先將各層實測流速、流向分解為北分量VN和東分量VE，即

式中：V為各層實測流速，m/s；θ為各層實測流向，（°）。

（2）采用加權平均法計算垂線平均北分量VNm和東分量VEm，即

式中：V0.0N為表層實測流速北分量；V0.0E為表層實測流速東分量，m/s；其他層次依次類推。

（3）采用矢量合成法計算垂線平均流速Vm、流向θm即

圖2各驗潮站潮位過程線Fig.2 Tidal level process of each tidal station

由實測數據統計：觀測海域實測漲、落潮平均流速分別為0.21 m/s和0.13 m/s，漲潮流速均大于落潮流速，其比值為1.6；漲落潮平均流速大、中、小潮分別為0.18 m/s、0.15 m/s和0.18 m/s，大潮流速和小潮流速相當，中潮流速最小，大、小潮為中潮1.2倍，小潮水流強度較強，可能是受作業前剛過的臺風影響。實測垂線最大流速漲、落潮分別為0.53 m/s和0.32 m/s；實測垂線上測點最大流速漲、落潮分別為0.73 m/s和0.46 m/s；觀測海域水流強度以離岸水域為最強，漲、落潮平均流速約為0.21 m/s，海門灣口水域次之，為0.18 m/s，海門灣水域最弱，為0.11 m/s；垂線上流速呈表層到底層逐減的分布趨勢，底層流速約為表層的62%。

根據分層數據統計：分層流速與各自表層流速之比，自表至底，漲潮平均為 1.00、0.89、0.87、0.84、0.78 和 0.65，落潮平均為 1.00、0.84、0.74、0.70、0.69 和 0.61；漲、落潮底層流速分別為表層流速的65%和61%，實測垂線上流速呈從表層到底層逐漸減小的分布趨勢。垂線上流速梯度，落潮大于漲潮。

根據潮流及潮位測驗資料，對規劃工程區水域各測點漲、落潮憩流發生時間與海門驗潮站的高、低潮位時間差進行統計，施測海區平均漲、落潮流歷時分別為7 h 44 min和4 h 54 min，漲潮流歷時大于落潮流歷時。

根據各站漲、落潮潮段合成流向計算結果統計，施測海區潮流為明顯的往復流。落潮實測平均流向與漲潮實測平均流向反向的差值在V3～V6和V9等5個測點不足15°。

采用準調和分析的方法對潮流觀測資料進行分析：測驗海域潮流屬正規半日潮流性質，各站垂線平均的F值在0.10～0.27之間，G值介于0.14～0.32之間，淺水分潮流影響系數并不顯著。

對于規則半日潮流海域，潮流的可能最大流速由下式計算

對于規則全日潮流海域，潮流的可能最大流速由下式計算

對于不規則半日潮流海域和不規則全日潮流海域，采用以上兩式中的大值。式中的max為潮流的可能最大流速，單位為 cm/s，WM2、WS2、WK1、WO1、WM4、WSM4分別為主太陰半日分潮流、主太陽半日分潮流、太陰太陽赤緯日分潮流、主太陰日分潮流、太陰四分之一日分潮流和太陰太陽四分之一日分潮流的橢圓長半軸矢量。

依據公式計算可能最大流速以南部水域V9測站為最大，為0.75 m/s，其方向為落潮方向；觀測海域余流速度均較小，一般不足0.15 m/s，平均僅0.08 m/s。

余流是指海流中除天文引潮力作用所引起的潮流以外的海流。在近海海區，一般情況下余流相對于潮流的量級較小，但在某些特定海域，余流影響不能被忽略。觀測海區余流流速，以離岸水域為最大，大、中、小潮平均約為0.12 m/s，其次是海門灣口水域為0.08 m/s，海門灣水域最小，為0.04 m/s，余流方向一般為漲潮方向。

2.3 含沙量統計分析

觀測海區位于廣東汕頭市海門灣水域，沒有大的河流入海，僅有一條練江小河，沙源有限。在水文測驗時段內，海水較清，所取水樣清澈，水體含沙濃度很低。現場采用CTD以深度測量模式與測流同步進行測量。測量時，每小時整點將儀器勻速下放至海底，采集剖面數據一次，測量結束后再按“六點法”計算水深，摘取“六點法”分層數據，經過率定分析處理獲得水體懸移質含沙量。

垂線平均含沙量計算公式如下

由實測數據統計：漲、落潮平均含沙量分別為0.018 kg/m3和0.014 kg/m3，漲潮略大于落潮；瞬時實測最大含沙量漲、落潮分別為0.067 kg/m3和0.040 kg/m3；水體含沙濃度平面分布相差不大，以海門灣口水域相對較高，為0.018 kg/m3，其次是離岸水域，為0.016 kg/m3，海門灣水域較低，為0.014 kg/m3，平面分布比較均勻；含沙量垂線分布呈自表層至底層逐層增大的分布。

2.4 鹽度及水溫統計分析

實測海水鹽度漲、落潮基本相同，分別為33.95‰和33.92‰；漲落潮平均海水鹽度，大、中、小潮平均為33.85‰，大、中潮基本相當，小潮相對較小；鹽度的平面分布相差不大，但鹽度的垂直分布，自表層至底層逐層增大，在0.2 H處有突增。

觀測海域實測海水溫度漲、落潮基本相同，分別為22.81°C和22.86°C；水溫的平面分布相差不大，以海門灣水域相對較高，海門灣口水域和離岸水域基本相當；水溫垂直分布，自表層至底層逐層降低，在0.4 H處有突降；觀測期間海水溫度相對穩定，水溫的時空分布及其變化均在5°C左右，且與氣溫直接相關。

3 結語

（1）聲學多普勒剖面流速流向儀盲區及旁瓣區的處理，通常有一定的經驗公式，但是經驗公式并不是在所有水域條件下都成立，本項目采用傳統的SLC9-2型直讀式海流計進行表層與底層的同步觀測，彌補了聲學多普勒剖面流速流向儀原理上的缺陷。

（2）在水文全潮測驗期間，采用采水器同步采取現場水樣，待測驗結束后，在室內經過過濾、洗鹽、烘干及稱重得到含沙量，并進行率定分析，得到CTD濁度值率定含沙量的曲線公式，總結出低含沙條件下，采用CTD濁度值率定含沙量的準確快速率定法。

（3）在進行潮位站布設、水文垂線數量及站位設計時，充分考慮了數學模型和物理模型研究的需要，并兼顧了評估海洋工程對附近海域環境的影響和海域使用論證各方對現場水文數據的需求，對實測數據進行了系統、全面的分析，尤其對各測站流速的平面分布及垂向分布進行分析，反映了施測海域海流的三維分布狀況。

［1］GB/T12763-2007，海洋調查規范［S］.

［2］GB/T14914-2006，濱海水文觀測規范［S］.

［3］JTJ213-98，海港水文規范［S］.

［4］JTJ203-2001，水運工程測量規范［S］.

［5］馬應良，陳峰，詹進源，等.中國海灣志.廣東省東部海灣［M］.北京:海洋出版社，1998.

［6］楊鯤，吳永亭，趙鐵虎，等.海洋調查技術及應用［M］.武漢:武漢大學出版社，2009.

［7］劉杰，盧佐.AWAC在黃驊港水文測量中的應用及其與海流計的比較分析［J］.港工技術，2009（46）：94-96.LIU J，LU Z.Application of AWAC in Hydrographic in Huanghua Port&Comparative Analysis for AWAC and Ocean Current Instrument［J］.Port Engineering Technology，2009（46）：94-96.

［8］劉盾.簡介 COMPACT-CTD 在海洋水文測驗中的應用簡介［J］.水道港口，2011，32（S1）:40-43.

［9］范東華，相雷.自容式 COMPACT-CTD 儀測量含沙量原理及精度分析［J］.水道港口，2011，32（S1）:44-47.