东吾洋特大桥海域气象及水文动力条件分析.pdf

福建交通科技圆园23 年第 5 期1工程概况东吾洋特大桥位于霞浦县东冲半岛虾山岛至东安岛牛梁岗之间渊图 1冤袁桥梁全长 2250 m袁其中袁通航孔桥采用渊100+2伊180+100冤m 的矮塔斜拉桥方案袁非通航孔采用 90 m 钢混组合梁和 50 m 预应力混凝土箱梁方案1遥 东吾洋特大桥所处的三沙湾海域为一口小腹大的半封闭型海湾袁四周陆域地貌以低山丘陵为主袁海拔高度一般小于 500 m遥工程海域岸线蜿蜒曲折袁由山地基岩海岸尧台地海岸尧砂质海岸尧淤泥海岸和人工海岸组成遥 湾内海底地形崎岖不平袁湾中有可航水道尧暗礁尧岛屿和浅滩遥图 1工程位置示意图林航2根据三沙湾内实测潮位资料袁分析了福建三沙湾的潮汐特征袁表明三沙湾潮汐性质属于正规半日潮袁潮汐日不等现象明显袁潮差从湾口向湾顶沿程逐步递增曰林建伟等3运用二维水动力数值模型袁对三沙湾潮流场进行模拟袁表明三沙湾内潮流为往复流袁且受地形影响明显曰孔俊等4建立一种新的浅水方程数值模式袁并用于三沙湾三都岛附近潮流模拟计算曰叶海桃等5根据三沙湾多年实测潮位资料和 2 个临时潮位站的实测资料袁计算了纳潮量尧海水的平均交换率和海水半更换期曰官宝聪等6根据三都澳地区的自然地理条件和地质地貌状况袁将三都澳沿岸的主要海洋灾害类型分为海洋气象灾害渊台风风暴潮冤尧生物灾害渊赤潮冤和地质灾害渊海岸侵蚀尧山体滑坡与崩塌冤等 猿 种类型曰张午等7以三沙湾海域环境为研究对象袁基于验证的 MIKE21中的 HD 和 MT 模型袁 计算分析渔港工程建设对东吾洋海域潮流场和泥沙场的影响曰濮鸣锋8首先通过建立东吾洋附近海域潮流数值模型袁在验证良好的基础上袁考虑油类在水中行为及归宿袁进一步进行溢油数值模拟遥 综合上述分析袁目前研究主要针对三沙湾内的三都澳海域袁且集中于潮位尧潮流特性方面袁缺乏对东吾洋海域气象条件和盐度尧波浪等水文条件的系统研究遥 然而袁气温尧降水尧相对湿度尧风等气象条件直接关系到桥梁混凝土浇筑与养护尧桥面排水尧抗风设计等曰盐度尧含沙量尧潮汐尧波浪等水文动力条件直接关系到桥梁基础结构防腐设计尧冲刷以及波流力计算曰基于此袁本文对东吾洋海域气象和水文条件展开研究袁以期为该海域同类工程提供参考遥东吾洋特大桥海域气象及水文动力条件分析姻 肖 宇（福建省交通规划设计院有限公司，福州350004）摘要气象水文动力条件是决定桥梁设计和建设方案的重要因素之一袁 东吾洋大桥位于三沙湾内袁受地形尧地貌影响袁气象水文动力条件较为复杂遥 以东吾洋特大桥工程为背景袁分析了该工程海域气温尧降水尧风尧相对湿度尧风暴潮尧雾等气象条件袁探究了工程海域盐度尧含沙量尧潮位尧潮流变化特征曰基于缓坡方程构建了综合考虑折射尧绕射和反射的波浪数学模型袁计算了工程海域波高分布遥 结果表明院工程海域气候温和袁降水充沛袁潮汐性质属正规半日潮袁潮流呈往复流形式袁实测最大流速 1.29 m/s袁100 年一遇有效波高可达 3.0 m 左右遥关键词东吾洋特大桥东吾洋气象水文中图分类号院TV139.2+5文献标志码院A文章编号院1674-8581渊2023冤05-0037-0637FUJIANJIAOTONGKEJI福建交通科技圆园23 年第 5 期2气象特征分析本次气象特征分析主要依据工程附近的霞浦气象站和宁德气象站的 1981要2018 年气象观测数据袁在工程区大风天数统计和重现期风速推算中还参考了北礵海洋站 1964要2015 年长期风速资料遥2.1气温工程区域气候温和袁多年平均气温约 19.2益袁年内各月气温相差较大渊图 2冤遥 其中 6要9 月份的月平均气温均在 25益以上袁12 月至翌年 3 月的月平均气温保持在 10益左右曰7 月气温为年内最高袁多年平均气温为 28.7益袁平均最高气温为 32.6益袁平均最低气温为 25.4益曰1 月气温为年内最低袁平均气温为 9.9益袁平均最高气温为 13.5益袁平均最低气温为7.4益遥2.2降水工程区域属于中亚热带海洋性季风气候袁雨量充沛袁多年平均年降水量在 1434 mm 左右遥 降水量的年际差别较大袁如 2006 年降水量达到 2298 mm袁而 2003 年降水量为 771 mm袁仅为 2006 年的 1/3遥降水量的年内分配也不均匀袁从逐月的分布来看渊图 3冤袁降水主要集中在 5要9 月袁该时段内降水量约占全年降水量的 61%曰10 月至翌年 1 月降水较少袁月平均降水量基本保持在 50 mm 左右遥图 2霞浦气象站气温逐月变化图 3霞浦气象站降水量逐月变化2.3风工程地区冬季以东北风为主袁夏季则以东南风居多遥 多年平均风速为 1.6 m/s袁最大风速为 26.1 m/s袁常风向为 SE 向袁强风向为 ENE 向遥 通过北礵海洋站多年风速观测资料渊10 min 平均风速冤袁并订正至东吾洋特大桥工程区袁得到工程海域不同风级大风的出现日数渊图 4冤遥由图 4 可以看出袁东吾洋特大桥工程海域 6 级及以上大风出现天数约 120160 d袁平均为 141 d袁8 级及以上大风天数平均每年 8.4 d遥重现期风速是工程抗风设计的关键参数袁为研究工程区重现期风速袁 利用北礵海洋站 1964要2015 年长期风速资料袁对测站的风速进行高度订正和海陆订正至工程海域袁并采用极值 I 型曲线拟合袁得到工程附近海面以上 10 m 高度处袁100 年一遇风速渊10 min 平均风速冤为 40.8 m/s遥图 4工程区不同风级大风天数统计2.4相对湿度工程区域相对湿度较大袁多年平均相对湿度保持在 79%左右袁各月份之间的月平均相对湿度略有差别遥其中袁2要8 月的相对湿度较大袁相对湿度达到80%84%曰9 月至翌年 1 月为年内相对湿度较小的月份袁相对湿度在 74%78%遥2.5台风尧风暴潮工程海域为台风渊或热带气旋冤影响次数较多的地区袁多发生于每年的 7要9 月袁台风经过本区时袁将出现短时大风袁瞬时风速可达 40 m/s 以上遥 据统计袁1948要2018 年影响本地区的台风共有 212 个9袁年均约 3 个遥2018 年超强台风野玛莉亚冶在连江县黄岐半岛沿海登陆袁在台风影响期间袁三沙湾内的东冲验潮站尧城澳验潮站和白马港验潮站最大风暴增水分别为 164 cm尧180 cm 和 148 cm10遥 受台风风暴潮和近岸浪的共同影响袁霞浦县多处养殖鱼排和基础设施受到损坏遥2.6雾工程海域雾日多出现于春季渊3要5 月冤袁并以 4 月为最多遥 年平均雾日数为 6.2 d袁年最多雾日为 14 d遥3水文动力条件为研究工程海域水文动力条件变化袁2019 年9要10 月在工程海域附近实施了盐度尧 含沙量尧潮桥隧工程38福建交通科技圆园23 年第 5 期位尧流速等参数的现场观测11遥本次观测共布置 6 个水文测验点渊S1S6冤和 2 个临时潮位站渊三都澳潮位站尧东安岛临时潮位站冤袁位置如图 5 所示遥6 个水文测验点渊S1S6冤观测了大小潮期间逐时不同深度的盐度尧含沙量尧流速等参数袁2 个临时潮位站观测了逐时潮位变化过程遥3.1盐度根据对工程海域 6 个测点渊S1S6冤的盐度观测分析表明袁大潮期间平均盐度为 29.9译袁最高盐度为 31.2译袁出现于 S1 测站涨潮底层遥 小潮期间平均盐度为 29.7译袁最高盐度为 31.7译袁出现于 S1 测站落潮底层遥 由此可见大潮期间的盐度略大于小潮期间遥 以 S1尧S4 和 S6 测点为例袁进一步对比盐度的垂向变化袁如图 6 所示遥 由图 6 可知袁随水深的增加袁各测点盐度均呈增加趋势袁底层的盐度较表层平均增加 2%左右遥图 6不同测点盐度沿垂向变化渊图中 h 为水深冤3.2含沙量工程海域 6 个测点渊S1S6冤的含沙量变化如图7 所示遥由图 7 可知袁工程区不同位置以及大小潮期间的含沙量均存在一定差异遥 其中袁最大含沙量为0.210 kg/m3袁出现于 S5 测站大潮涨潮底层曰最小含沙量为 0.068 kg/m3袁出现于 S1 测站小潮涨潮表层遥对比各测点大潮和小潮含沙量可知袁大潮期间的含沙量均大于小潮期间的含沙量遥 其中袁大潮期间的平均含沙量较小潮期间高 10%20%遥渊a冤大潮渊b冤小潮图 7各测点含沙量对比3.3潮汐渊1冤潮位根据工程区东安岛临时潮位站观测资料分析袁工程海域实测最高潮位为 5.59 m渊1985 国家高程基准面袁下同冤袁最低潮位-3.54 m袁平均高潮位3.65 m袁平均低潮位-1.74 m袁最大潮差 9.13 m袁最小潮差1.34 m袁平均潮差 5.42 m袁平均涨潮历时 6 h 45 min袁平均落图 5水文测验点及临时潮位站位置示意图39FUJIANJIAOTONGKEJI福建交通科技圆园23 年第 5 期潮历时 5 h 41 min遥 其中袁2019 年 9 月 7要14 日的潮位过程曲线如图 8 所示遥 由图 8 可以看出袁工程海域一天内有 2 次高潮和 2 次低潮袁 即属于半日潮遥 进一步对潮汐调和常数计算分析表明袁渊HO1+HK1冤/HM2值约为 0.46袁 因此严格意义上属于规则半日潮遥这与林航2的研究结论基本一致遥受月球赤纬的变化的影响袁工程区潮位存在日不等现象袁即每天的第 1 次高潮渊低潮冤与第 2 次高潮渊低潮冤潮高基本不相等遥 对比东安岛临时潮位站与三都澳潮位站同步潮位过程渊图 8冤可知袁两测站的潮位变化过程基本一致袁两测站潮位具有良好的相关性遥 因此袁可用三都澳潮位站的长期统计特征值推算工程区潮位特征值遥 根据东安岛临时测站与三都澳测站之间高潮位和低潮位相关关系袁推算得到工程区 100 年一遇设计高潮位为 5.49 m袁设计高潮位为 3.88 m袁设计低潮位为-3.06 m袁100 年一遇低潮位为-4.51 m遥图 8东安岛测站与三都澳测站同步潮位过程曲线渊2冤潮流根据潮流观测资料袁经调和分析计算袁各测站不同深度处的潮流类型判数院F忆越渊WK1垣WO1冤/WM2和G越WM4/WM2袁见表 1遥 由表 1 可知袁各测点处的 F忆值均小于 0.5袁表明工程海域半日潮流占优势遥 实测资料也表明本水域潮流流向和流速具有明显的半日周期变化特点遥此外袁各测点垂线平均 G 值较大袁表明工程海域浅海分潮流较为显著袁在海流分潮所占比重较大遥 进一步对各测点 M2 分潮流的椭圆率 K值计算表明袁工程海域各测点 K 值均远小于 0.5袁故测点呈往复流运动形式遥各测点涨落潮实测最大流速及对应的流向见表 2遥 由表 2 可知袁工程区实测最大流速为 1.29 m/s袁出现于 S3 测点涨潮时期的表层遥 从各测点流速的垂向变化来看袁表层流速略大袁随深度增加流速略有减小袁但总体差异不大遥 从工程区流速的平面变化来看袁S3 测点处流速大于其余各测点袁这主要是由 S3 测点位于关门江水道袁受地形影响所致遥 从各测点垂线平均流向变化来看袁各测点涨尧落潮流路存在一定差异遥 以大潮垂线平均流速的流向变化为例袁涨落潮流路夹角分别为院S1 测点 16毅尧S2测点 0毅尧S3 测点 1毅尧S4 测点 28毅尧S5 测点 6毅尧S6 测点 8毅遥表 1各测站 F 忆值尧G 值和 K 值渊M2 分潮冤统计测点表层中层渊0.6h冤底层垂线平均F忆GKF忆GKF忆GKF忆GKS10.120.170.020.140.170.010.130.150.010.130.170.01S20.100.100.010.120.11-0.010.170.12-0.010.120.110.01S30.130.170.050.120.180.030.030.140.030.090.170.04S40.130.10-0.120.130.11-0.120.100.08-0.080.120.10-0.13S50.150.120.020.150.120.010.120.110.000.110.130.01S60.150.150.010.130.180.000.150.180.020.140.170.01表 2实测最大流速及其流向统计测站潮型表层中层渊0.6h冤底层垂线平均流向/渊毅冤流速/渊cm/s冤流向/渊毅冤流速/渊cm/