倪 玮 ，王义刚 ，黄惠明 ，2

（1.河海大学海岸灾害及防护教育部重点实验室，南京 210098；2.南京水利科学研究院港口航道泥沙工程交通行业重点实验室，南京 210098）

杭州湾北岸深槽潮流动力要素研究

倪 玮1，王义刚1，黄惠明1，2

（1.河海大学海岸灾害及防护教育部重点实验室，南京 210098；2.南京水利科学研究院港口航道泥沙工程交通行业重点实验室，南京 210098）

基于杭州湾海域大范围潮流数值模拟的结果，从河口平面边界形态、水下地形、外海潮型等方面，探讨了影响杭州湾北岸深槽的潮流动力要素。发现天然要素以及部分与人类活动相关的要素均对深槽的塑造存在影响。研究成果可为杭州湾北岸深槽的保护和开发提供一定的科学依据。

北岸深槽；潮流动力；数学模型;杭州湾

Biography：NI Wei（1987-），female，master student.

杭州湾位于浙江省北部、上海市南部，东临东海，西有钱塘江注入，是一个典型的喇叭形强潮河口湾，以其壮观的涌潮而闻名世界。杭州湾湾内北部水深较大，近岸有一深槽紧贴北岸，上起澉浦、下至金山，习称“北岸深槽”（图 1）。

杭州湾北岸深槽是典型的河口涨潮槽，一般认为河口涨潮槽是由涨潮流冲刷作用为主的河口冲刷槽，其形成主要是涨、落潮流路不一致引起的［1］。20 世纪 60 年代，陈吉余等［2］首次对钱塘江河口冲刷槽的形成与演变进行了研究并取得重要的研究成果；沈焕庭等［3］利用实测水文、地形资料，对河口涨潮槽的形态特征、水文泥沙特性、形成原因、演变规律和利用与整治途径进行了系统研究；刘高峰等［4］则利用实测资料分析了涨落潮的水动力特征，提出了判断涨、落潮槽河槽类型的判断指标。自20世纪80年代以来，不少学者对杭州湾北岸深槽进行了更加深入的研究，研究内容涵盖杭州湾北岸深槽形成机理和演变特点、杭州湾北岸岸滩冲淤、北岸深槽冲淤变化试验研究等。余祈文等［5］根据杭州湾水、沙运动及床面冲淤变化，分析研究了北岸深槽的形成和发育机理及演变特点，并就北岸深槽的近期变化对其发展趋势进行论述；曹沛奎等［6］通过动力、地貌和沉积相结合的方法，在冲刷槽几何形态和动态特征分析基础上，对杭州湾北岸槽冲刷演变进行分析，论证了杭州湾北岸冲刷槽水流结构和泥沙输移，并指出冲刷槽在潮流作用下，纵向延伸和垂向增深较小，处于基本稳定状态；茅志昌等［7］通过研究影响北岸岸滩冲淤的潮流、波浪、围垦工程及泥沙来量等因素，分析了北岸岸滩的冲淤情况；熊绍隆等［8］利用悬沙淤积与局部动床模型，探讨了钱塘江河口和杭州湾整治围涂以后，北岸澉浦至乍浦深槽的冲淤变化。

图1 杭州湾北岸深槽位置图Fig.1 Location of northern deep channel in Hangzhou Bay

然而，以往的研究主要通过资料分析及物理模型的方法对杭州湾北岸深槽的形成和演变进行分析，而从数值模拟的角度探讨北岸深槽的形成机理还相对较少。此外，20世纪50年代以来，由于钱塘江上游兴建大型水库及河口地区实施治江围涂工程等［9］，造成洪枯径流的来水来沙条件以及河床平面边界的变化，进而对北岸深槽容积、河床冲淤产生相应影响。杭州湾北岸深槽对于沿岸的经济发展和生产安全至关重要，因此，对于维护与深槽的水深条件和冲淤稳定相关的动力要素的研究是十分必要。

为此，本文基于对杭州湾地形地貌、水动力条件等基本情况的分析，采用潮流数值模拟的方法，从河口平面边界形态、水下地形、外海潮型等方面，探讨维持杭州湾北岸深槽的诸多因素，并据此分析影响杭州湾北岸深槽的各动力要素的权重。

1 杭州湾及北岸深槽概况

杭州湾是典型的喇叭形河口湾，潮大流急，其面积约5 000 km2，平均水深9～10 m，位于澉浦断面的湾顶，面宽约20 km，距湾顶95 km处的南汇嘴—镇海断面为湾口，展宽约100 km。杭州湾温盐特性和水、沙运动十分复杂，早在20世纪60年代，毛汉礼等［10］对杭州湾的温、盐度特征进行了研究，以后一些学者也对杭州湾的水动力特征、泥沙运动特征、动力地貌演变进行了研究［2，11-13］。

杭州湾因水域开阔，受外海潮波传入方向及平面形态的影响，动力轴线出现分歧，涨、落潮输水、输沙路径不一。湾顶流速大于湾口，北岸水域又大于南岸水域。湾内涨潮主流偏北，落潮主流偏南，具有北半部“净进”，南半部“净出”的特点［5］。杭州湾的泥沙主要以悬沙为主，悬沙中值粒径为0.006～0.016 mm，从表层向底层增粗，在潮周期中变化不显著。含沙量自东向西（从湾口向上游）沿程增大，湾口北高南低，湾中北低南高，湾顶断面南北岸差异较小［14］。杭州湾的泥沙运动与长江入海泥沙关系十分密切，每年长江有4.68亿t泥沙在河口扩散入海，其中50%左右在口门附近沉积，形成宽广的水下三角洲和拦门沙系［11］，这部分泥沙是杭州湾泥沙运动的主要来源。

杭州湾特有的水动力和泥沙运动特点，造就了平面形态上北岸水域为涨潮流冲刷区，南岸为落潮流淤积区，进而塑造了贴近杭州湾北岸长达数十公里的深槽。杭州湾北岸深槽上起澉浦，下至金山，全长65 km，北岸深槽水深一般为10～15 m，局部地区水深20～40 m，特别是秦山以下岸段，具有水深7～12 m长约40 km的深水岸线，是万吨级航道、码头、大型核电和火电厂取排水口的重要水域。

此外，杭州湾北岸深槽的形成和演变与杭州湾的岸线演变密切相关（图2）［15］。据历史文献记载，杭州湾北岸随着长江三角洲向外淤长不断向东伸展，使得进入湾内潮流作用加强，导致西部岸段受到侵蚀后退。宋末元初金山深槽雏形基本形成，明成化八年（1472年）北岸统一海塘重建，使得北岸线得到控制，北岸深槽向纵、深方向发育，奠定了现代岸线的廓形。从地貌学的角度看，北岸冲刷槽的存在是杭州湾强劲潮流对疏松第四纪沉积层侵蚀的结果［6］。

图2 杭州湾岸线变迁图Fig.2 Coastline transition of Hangzhou Bay

2 研究方法

2.1 数学模型简介

鉴于杭州湾潮混合强烈，可以采用平面二维水流模型模拟其流场。数学模型的控制方程如下

式中：η为水位，即水面到某一基准面的距离；u¯、v¯分别为x、y方向上的垂线平均流量分量；h为水深；g为重力加速度；f为柯氏力参数；ρ为水密度；ρ0为水的参考密度；Pa为大气压力；τbx，τby分别为底部摩擦应力分量；Txx，Txy，Tyy分别为粘性应力分量；x，y为直角坐标；t为时间。

在一定定解条件的基础上，可以将上述微分方程进行离散求解。模型采用可以拟合任意复杂区域的无结构网格，变量布置方式为网格中心格式，将控制变量定义在网格中心，网格单元即为控制体。采用Roe格式［16］计算控制体界面的数值通量，并可通过MUSCL方式［17］实现空间二阶精度求解。

2.2 模拟区域及验证

计算区域取为整个杭州湾，上边界取在海宁大缺口，下边界取在口门芦潮港—镇海一线（图3），计算域共有三角形单元28 586个，节点14 700个，最小空间步长190 m。

数学模型采用与水下地形同期的水文资料对模型进行验证。水文资料包含澉浦、海盐、乍浦、秦山和王盘等5个潮位站，以及在澉浦、乍浦和金山断面各布置了3个水文测点，具体点位见图4。部分验证结果如图5所示。

由验证结果可见，计算潮位与实测值吻合较好，高、低潮位误差在0.10 m以内的点据占81%，误差在0.10～0.20 m之间的点据占12%。流速验证中各点涨、落急潮流速虽有偏小的趋势，但与实测的偏差大多在20%以内，说明数学模型基本能反映该区域的潮动力情况。

2.3 数值试验设计

表征杭州湾北岸深槽的潮流动力要素主要有潮位、流速、流向、流量及潮量等，按照时间尺度考虑，又可分为潮最大、潮平均等。这里借助数学模型，具体对一些自然和人类活动作用影响下的杭州湾北岸深槽潮流动力要素变化进行探讨。为了考察各种因素对北岸深槽潮流动力条件的影响，设计以下数值模拟的情形：

（1）天然情况；

（2）同情形1，但在计算方程中不计柯氏力；

（3）在情形1的基础上，将杭州湾南岸庵东浅滩底高程挖至▽-5 m（吴淞基面，下同）（见图4中斜线部分）；

（4）在情形1的基础上，庵东浅滩区域按照▽-5 m等深线进行围垦（围垦面积约35万亩，见图4中斜线部分）；

（5）将上边界设为闭边界，即把杭州湾假定为海湾，不考虑上游河道的纳潮；

图3 计算区域及网格图Fig.3 Computational domain and grids

图4 比较点位、水文测点布置图Fig.4 Location of compared points and observation points

（6）假设南、北岸潮位过程相同，外海入射潮型采用潮差较大（潮差4.55 m）的北岸芦潮港潮型；

（7）外海入射潮型采用潮差较小（潮差3.15 m）的南岸镇海潮型，其余同情形6。

图5 潮位、流速验证图Fig.5 Validation of tidal level and velocity

3 影响杭州湾北岸深槽的潮流动力要素探讨

根据以上设计情形，分别进行数值模拟。大量研究［1-3，6］显示，杭州湾北岸深槽形成的主要动力要素为涨潮流，为此，本文就北岸深槽中代表点位P1～P6（点位布置见图4）的涨潮最大单宽流量、涨潮最大流速、涨急流向进行统计分析，并给出相应于天然情况的变化，以此分析深槽各动力要素的强弱和变化。表1为涨潮最大单宽流量比较，表2为涨潮最大流速、涨急流向比较。

由代表点位的涨潮最大单宽流量计算结果比较可知：

表1 涨潮最大单宽流量比较Tab.1 Comparison of the maximum flood unit discharge

表2 涨潮最大流速、涨急流向比较Tab.2 Comparison of the maximum flood velocity and direction

（1）受地球自转的影响，柯氏力会对潮流运动产生偏转作用，河口区域往往会出现涨落潮流路不一致的情况。根据模拟结果可知，若无柯氏力的作用，北岸深槽的涨潮最大单宽流量会有所减小，各代表点减小0.5%～2.8%，平均值减小幅度约1.5%，说明柯氏力的作用有利于杭州湾北岸涨潮动力的加强。

（2）庵东浅滩的存在对北岸深槽有较大的影响。若将庵东浅滩挖至▽-5 m，代表点涨潮最大单宽流量的平均值减小约6.4%，其变幅较柯氏力影响明显偏大。分析原因，主要是由于杭州湾外海来潮主要有2股，即东西向潮波和东南向潮波，由于杭州湾南岸凸起，致使湾口边界呈西北走向，外海东南向来潮受地形约束导向西北向，与东西向的另一股潮波在金山附近交汇，使得北岸流速增大，河床冲刷；而由于庵东浅滩的消失，杭州湾南岸向湾内凸起的幅度降低，南部岸线将东南向来潮导向西北方向的作用减弱，导致2股潮波的交汇点偏离金山附近，进而使得杭州湾北岸流速减小，不利于北岸深槽的形成和演化。

（3）若将庵东浅滩进行围垦，可看出北岸深槽金山至乍浦段的潮动力有增强趋势，增大幅度约为1.8%，而乍浦以上部分最大单宽潮量反而减小约1.4%，这可能是由于庵东浅滩的过分外凸致使潮波交汇点外移，导致北岸深槽上游段的潮动力减弱，同时，由于庵东浅滩的大面积匡围，使得庵东浅滩与乍浦以上海湾水域的纳潮量急剧减小，进一步降低了北岸深槽涨潮流上溯的强度。

（4）杭州湾上游与钱塘江相连接，外海潮波可通过钱塘江继续上溯，即钱塘江上游具有一定的纳潮水域。此时，若将计算上边界处设为闭边界，则无法反映钱塘江的纳潮效应，即人为降低了杭州湾整体的纳潮量，由此，导致涨潮最大单宽流量平均值减小2.0%，这也表明上游闭边界会阻止潮流上溯，减少杭州湾北岸深槽的涨潮量，进而导致北岸深槽区域水动力减小。

（5）东海前进潮波系统和地形因素等决定了杭州湾口门南、北潮型过程的差异，其潮差大小、相位均不相同。一般北岸芦潮港潮差大于南岸镇海潮差。若假设南北岸潮型相同，均采用芦潮港的潮型（或镇海潮型），从平均值看，北岸深槽处涨潮最大单宽流量会增大23.9%（或减小12.5%），湾口边界潮型因素的贡献程度远大于上述各因素的影响，说明外海潮动力强弱对北岸深槽的塑造有重要的影响。

此外，由表2可看出，在各情形下流向变化极小，说明各种因素的变化，不至于改变北岸深槽的动力轴线的走向。同时，表1与表2中的计算结果虽然在数值上略有差异，但其变化规律基本一致。以P4点为例，柯氏力的作用、钱塘江的纳潮效应对北岸深槽涨潮动力的增强均有影响，但影响幅度较小，在0.6%～2.3%之间。庵东浅滩的存在及外海潮型对北岸深槽的塑造有较大的影响，影响幅度最大可达21.8%。

在以上分析的影响北岸深槽动力要素中，有些因素是天然的（如柯氏力、外边界潮型等），作为影响的因素可以从理论上探讨，另一些因素则受人为控制，实际上反映了人类活动的影响。如模拟过程中上边界设为闭边界虽然是一种假设情况，但也反映了一旦钱塘江河口过度围垦造成纳潮量减少，可能会引起北岸深槽的动力减弱和萎缩；又如，庵东滩地的过于围垦外凸，同样也可能使北岸深槽上段潮动力减弱，甚至最终会影响整个北岸深槽动力格局的变迁。

4 结语

杭州湾北岸深槽作为海湾涨潮冲刷槽，是海湾地区一种独特的地貌单元，对它进行研究，无论从理论上还是实践上均具有重要意义。本文利用数值模拟的方法对维持杭州湾北岸深槽的诸多动力要素进行探讨，结果表明柯氏力对深槽的涨潮动力加强有一定的影响，但影响程度有限；外海潮型的强弱控制了北岸深槽的潮动力要素，对北岸深槽的演化具有主导作用；自然形成的南岸庵东浅滩对北岸深槽动力加强有较大作用，但人类活动使南岸过分外凸也可能导致北岸深槽（尤其是上游段）潮动力的减弱；在钱塘江河口的开发和治理过程中，若引起纳潮量大幅减少，则可能由此削弱北岸深槽的潮动力，不利于北岸深槽的维持。综合而言，影响北岸深槽动力条件的因素众多，而对于与人类活动相关的情况，在今后的杭州湾及钱塘江河口整治和开发中应引起足够的重视。

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Study on tidal dynamic factors of northern deep channel in Hangzhou Bay

NI Wei1，WANG Yi-gang1，HUANG Hui-ming1,2
（1.Key Laboratory of Coastal Disaster and Defence，Ministry of Education，Hohai University，Nanjing210098，China；2.Key Laboratory of Port，Waterway and Sedimentation Engineering of the Ministry of Transport，Nanjing Hydraulic Research Institute，Nanjing210098，China）

Based on the numerical simulation,the tidal dynamic factors of the northern deep channel were studied from aspects of estuarial plane shape,underwater topography,tidal stencils,etc.Both natural factors and human activities related factors have influence on formation of the deep channel.The results can provide certain scientific basis for further protection and development of the northern deep channel in Hangzhou Bay.

northern deep channel；dynamic factor；mathematical model；Hangzhou Bay

TV 139.2；O 242.1

A

1005-8443（2012）03-0201-07

2011-11-15；

2011-12-30

南京水利科学研究院中央级公益性科研院所基本科研业务费专项资金“河口悬沙垂向运动特征研究”。

倪玮（1987-），女，浙江省人，硕士研究生，主要从事海岸、河口动力环境及其模拟研究。