倚岸型潮流脊體系中的深槽沖刷——以江蘇如東海岸為例

劉秀娟，高抒，汪亞平

（1．中國(guó)地質(zhì)大學(xué)資源學(xué)院，湖北 武漢 430074；2．南京大學(xué)海岸與海島開發(fā)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 南京 210093）

倚岸型潮流脊體系中的深槽沖刷
——以江蘇如東海岸為例

劉秀娟1，高抒2，汪亞平2

（1．中國(guó)地質(zhì)大學(xué)資源學(xué)院，湖北 武漢 430074；2．南京大學(xué)海岸與海島開發(fā)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 南京 210093）

江蘇如東海岸的潮流脊體系位于南黃海輻射狀沙脊群南部，由沙脊及脊間深槽組成，為“倚岸型”潮流脊體系。本文采用水平一維模型模擬深槽從初始形態(tài)沖刷至均衡態(tài)的演變過程，用不同的潮差及初始剖面坡度等參數(shù)運(yùn)行該模型，以了解深槽沖刷深度的主要控制因素及其對(duì)深槽均衡態(tài)的影響。數(shù)值實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：(1) 給定初始剖面的坡度、潮差等參數(shù)，經(jīng)歷一定時(shí)間的沖刷之后剖面達(dá)到均衡態(tài)，其后剖面形態(tài)保持穩(wěn)定，不隨時(shí)間改變；(2) 若僅給定初始剖面的坡度，則潮差越大，達(dá)到均衡態(tài)時(shí)深槽的沖刷深度越大，而且潮差的變化對(duì)沖刷深度有顯著影響；(3) 若僅給定潮差，則初始剖面的坡度越大，均衡態(tài)時(shí)深槽的沖刷深度越小且初始剖面坡度的改變對(duì)沖刷深度有顯著影響。

倚岸型潮流沙脊；均衡深度；潮差；數(shù)值模擬；江蘇海岸

潮流脊是海岸或大陸架淺海海底特有的地貌形態(tài)，形成于沉積物供應(yīng)充分和潮流較強(qiáng)的環(huán)境。潮流脊在世界范圍的陸架區(qū)分布廣泛，根據(jù)其一端是否和岸線相連可分為“倚岸型”潮流沙脊和“離岸型”潮流沙脊。國(guó)外對(duì)潮流脊的研究開始于20世紀(jì)60年代，Off于1963年提出了潮流脊 (Tidal Current Ridges) 的概念，并首次將潮流脊與水動(dòng)力條件聯(lián)系起來，認(rèn)為潮流脊是潮流塑造的[1]。之后，學(xué)者們對(duì)歐洲北海的潮流沙脊進(jìn)行了研究，探討其水文、泥沙輸運(yùn)及沙脊形成與維持機(jī)制[2-5]。國(guó)內(nèi)從20世紀(jì)60年代開始對(duì)黃海輻射潮流沙脊群進(jìn)行研究，如1979－1985年間的江蘇海岸帶資源調(diào)查[6]，1990－1995年國(guó)家自然科學(xué)基金“八五”重點(diǎn)課題“黃海輻射沙洲形成演變研究”等[7]，并形成了一系列觀點(diǎn)，如：潮流運(yùn)動(dòng)是潮流脊發(fā)育的動(dòng)力[8-11]；在潮流脊的演變過程中，潮流始終起著主導(dǎo)作用[12]；南黃海沙脊群樞紐地區(qū)處于增長(zhǎng)、擴(kuò)張過程，南部區(qū)域變化較弱而北部變化強(qiáng)烈并繼續(xù)維持原有的脊槽相間的形狀[13]，而劉振夏、夏東興則認(rèn)為潮流脊的建造力量是縱軸橫向環(huán)流[14]。遙感和GIS也被用于輻射沙脊群的穩(wěn)定性研究[15,16]。對(duì)輻射沙脊群脊間水道的懸沙濃度垂線分布及懸沙輸移的動(dòng)力機(jī)制也進(jìn)行了初步分析[17]。

國(guó)內(nèi)對(duì)潮流脊的形成、演變機(jī)制及穩(wěn)定性的分析主要限于對(duì)沙脊群區(qū)域潮流場(chǎng)和泥沙運(yùn)移的數(shù)值模擬，而對(duì)沙脊間深槽穩(wěn)定性的動(dòng)力機(jī)制研究還較為薄弱。利用脊間深槽建港或作為航道，其穩(wěn)定性是一個(gè)首要問題，因此本文擬對(duì)江蘇如東海岸潮流脊體系中的深槽沖刷達(dá)到均衡態(tài)的演變過程、沖刷深度及主要控制因素進(jìn)行定量研究，探討各控制因素對(duì)深槽沖刷深度的影響。

1 倚岸型潮流脊特征

江蘇如東海岸的潮流脊體系位于南黃海輻射狀沙脊群南部（圖1），是一個(gè)典型的“倚岸型”潮流脊體系，即潮流沙脊的一端和海岸相連，由一系列近似垂直于或斜交于岸線的沙脊及脊間深槽組成。該沙脊體系中的深槽長(zhǎng)度一般不超過3 km，水深不超過5 m。如東段潮灘寬度為5 km左右，潮灘坡度在0.05 % ～ 0.09 %。該海區(qū)為正規(guī)半日潮區(qū)，平均漲潮歷時(shí)6.26 h，平均落潮歷時(shí)6.11 h。本區(qū)的水動(dòng)力特征為：潮差較大，最大潮差為8.08 m，最小潮差為1.79 m，平均潮差為4.61 m；潮流為往復(fù)流性質(zhì)，漲潮流主流向?yàn)?40° ～ 300°，落潮流主流向?yàn)?0° ～ 100°；海流的近底層流速較大，實(shí)測(cè)最大值為1.4 m/s，大潮時(shí)流速大于0.4 m/s。從懸沙濃度分布看，近岸懸沙濃度極高，最高達(dá)1.2 kg/m3，向海方向懸沙濃度逐漸降低。本區(qū)底質(zhì)主要由砂質(zhì)粉砂和粉砂質(zhì)砂組成，占研究區(qū)面積的70%以上，較粗的粉砂質(zhì)砂主要集中在深槽部位，而砂質(zhì)粉砂則主要分布在潮流沙脊頂部①。

圖 1 研究區(qū)概況Fig.1 Study area

2 研究方法

2.1 模型的建立

2.1.1 潮流流速 本文暫不考慮深槽的寬度和沙脊的存在對(duì)深槽沖刷的影響，而以一維模型方法模擬深槽水深的變化。如圖2所示，BC為潮間帶，CD為高潮面，BF為低潮面，坐標(biāo)原點(diǎn)O設(shè)在平均海平面與海岸交界處，設(shè)平行于深槽走向且向外海的方向?yàn)閄軸正向，垂直向下為Z軸正向，A(x,z)為潮下帶深槽中的任意一點(diǎn)，則漲潮期間潮間帶納潮量的變化與垂線平均流速的關(guān)系為：

①汪亞平，賈建軍，高抒，等.江蘇洋口港沉積動(dòng)力學(xué)條件與海底穩(wěn)定性 [R].2003.

圖 2 海岸剖面上以平均海平面與海岸的交點(diǎn)為原點(diǎn)建立的直角坐標(biāo)系。A(x, z) 為深槽中任意一點(diǎn)，陰影部分為漲潮期間A點(diǎn)以上潮間帶納潮量的變化量Fig.2 Cartesian coordinate system with the origin being located at the intersection of the mean water level on the coast.A(x, z) denotes a point within the channel, and the sheltered area represents tidal prism for the inter-tidal area above the point A

2.1.2 再懸浮引起的泥沙通量 計(jì)算潮周期內(nèi)再懸浮引起的沖刷通量的公式[18]為：

式中：C100為拖曳系數(shù)；u100為距離底床1 m處的流速。該沙脊區(qū)靠近海岸，水深較淺，因此在水深范圍內(nèi)垂向流速分布滿足von Kármán- Prandtl方程：

式中：uZ為距床面垂向距離為Z處的流速；u*為摩阻流速；κ為Kármán常數(shù) (=0.4)；z0為粗糙長(zhǎng)度。從公式 (8) 可得：

將式 (4) 代入式 (9) 可得海岸形態(tài)和水動(dòng)力之間的關(guān)系：

τcr用Shields曲線確定，步驟如下：

(1) 根據(jù)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)計(jì)算出u*或給u*一個(gè)經(jīng)驗(yàn)值；

(2) 根據(jù)海水的溫度和鹽度確定動(dòng)力粘滯系數(shù)υ或直接給出經(jīng)驗(yàn)值，從下式求出Re*；

(3) 根據(jù)Re*在Shields曲線上確定對(duì)應(yīng)的縱坐標(biāo)θc，然后根據(jù)式 (14) 求出τcr。

式中：ρs為沉積物密度。

2.1.3 底床變形 深槽底床的變形公式為：

式中：zb表示底床深度；ε表示底床孔隙度。

2.2 模型的運(yùn)行

2.2.1 沖刷深度計(jì)算 如東近岸脊間深槽長(zhǎng)度一般不超過3 km，深度一般不超過5 m①。在檢驗(yàn)這種方法是否能有效模擬深槽演變至均衡態(tài)時(shí)的沖刷深度時(shí)，深槽長(zhǎng)度取為3 km，潮周期為12 h 37＇，海水密度ρ取1 026 kg/m3，沉積物密度ρs為2 650 kg/m3，漲潮歷時(shí)為6.26 h①，沉積物粒徑D為 3.1×10-5m①，水體運(yùn)動(dòng)粘滯系數(shù)臨界摩阻流速為3.87×10-2m/s[19]，粗糙長(zhǎng)度z0為 1.98×10-2m[19],C100取經(jīng)驗(yàn)值3×10-3[20]，判定深槽達(dá)到?jīng)_淤平衡的極小值?hmin取1.2×10-4m。潮周期內(nèi)當(dāng)近底部切應(yīng)力超過臨界切應(yīng)力時(shí)，則計(jì)算底床上因再懸浮引起的沖刷通量。

2.2.2 各控制因素對(duì)深槽沖刷深度的影響 在探討潮差和初始剖面的坡度對(duì)深槽沖刷深度的影響時(shí)，深槽長(zhǎng)度仍采用如東近岸潮流深槽通常的長(zhǎng)度。為分析潮差對(duì)深槽深度的影響，給定初始剖面的坡度，使潮差在2 ～ 6 m范圍內(nèi)變動(dòng)；為分析初始剖面的坡度對(duì)沖刷深度的影響，給定潮差，使初始剖面的坡度在0.05% ～ 0.1%范圍內(nèi)變動(dòng)。各參數(shù)取值見表1。

表 1 模型中各參數(shù)取值Tab.1 Values of the parameters for the model

3 模擬結(jié)果

3.1 深槽的均衡態(tài)

將2.2.1 中如東的相關(guān)數(shù)據(jù)輸入模型，計(jì)算結(jié)果如圖3所示，深槽的剖面形態(tài)隨時(shí)間而演變，但變化速度隨時(shí)間顯著減小，并最終趨近于均衡態(tài)，即海底的沖淤處于動(dòng)態(tài)平衡之中，剖面形態(tài)不隨時(shí)間改變。在圖3中，歷時(shí)2.5 a與歷時(shí)3 a的剖面形態(tài)是重合的，說明歷時(shí)2.5 a時(shí)剖面形態(tài)已穩(wěn)定，即深槽處于均衡態(tài)。深槽均衡態(tài)的存在是因?yàn)殡S著深槽的刷深，流速逐漸降低，水流對(duì)泥沙顆粒的切應(yīng)力也隨之降低，當(dāng)小于臨界切應(yīng)力時(shí)，水流的切應(yīng)力不足以起動(dòng)泥沙顆粒，深槽即處于均衡態(tài)。

圖3顯示，當(dāng)深槽長(zhǎng)度不超過3 km時(shí)，均衡態(tài)時(shí)深槽海圖水深不超過5 m，這和如東海岸的“倚岸型”潮流沙脊體系中的深槽深度是吻合的。

3.2 潮差對(duì)沖刷深度的影響

當(dāng)模型的其它輸入?yún)?shù)不變而只改變潮差時(shí)，則模型運(yùn)行結(jié)果如圖4所示，當(dāng)潮差為2 m時(shí)，和初始剖面相比，均衡態(tài)時(shí)的深槽剖面在左端小范圍內(nèi)有輕微沖刷，其余部分基本沒有變化，整個(gè)剖面的平均沖刷深度僅為0.04 m；當(dāng)潮差為4 m時(shí)，深槽的平均沖刷深度為1.63 m；當(dāng)潮差為6 m時(shí)，深槽的平均沖刷深度為2.18 m；當(dāng)潮差在2 ～ 6 m的范圍內(nèi)變動(dòng)時(shí)，潮差每增大1 m，深槽沖刷深度增加0.55 m，說明潮差對(duì)深槽沖刷深度有顯著影響。這是因?yàn)闈q潮歷時(shí)不變，潮差越大，潮流的流速越大，水流的切應(yīng)力就越大，從而起動(dòng)的沉積物顆粒越多，沖刷量也越大。

圖 3 模擬的深槽剖面演變過程1：初始剖面形態(tài)；2：歷時(shí)0.5 a時(shí)的剖面形態(tài)；3：歷時(shí)1.0 a時(shí)的剖面形態(tài)；4：歷時(shí)0.5 a，1.5 a時(shí)的剖面形態(tài)；5：歷時(shí)0.5 a，2.0 a時(shí)的剖面形態(tài)；6：歷時(shí)0.5 a, 2.5 a時(shí)的剖面形態(tài)；7：歷時(shí)3.0 a時(shí)的剖面形態(tài)Fig.3 Modeled evolution of the channel1.the initial profile of the channel; 2.the profile after six months; 3.the profile after one year; 4.the profile after one year and six months; 5.the profile after two years; 6.the profile after two years and six months; 7.the profile after three years.

3.3 初始剖面的坡度對(duì)沖刷深度的影響

當(dāng)模型的其它輸入?yún)?shù)不變而只改變初始剖面的坡度時(shí)，則運(yùn)行結(jié)果如圖5所示，當(dāng)深槽初始剖面的坡度為0.05%時(shí)，均衡態(tài)時(shí)深槽的平均沖刷深度為4.38 m；當(dāng)初始剖面的坡度為0.07%時(shí)，深槽的平均沖刷深度為2.69 m；當(dāng)初始剖面的坡度為0.09%時(shí)，深槽的平均沖刷深度為1.36 m；當(dāng)初始剖面的坡度在0.05% ～ 0.09%的范圍內(nèi)變動(dòng)時(shí)，坡度每增大0.01%，深槽的沖刷深度就減小0.76 m，說明初始剖面的坡度對(duì)深槽沖刷深度有顯著影響，這是因?yàn)樯畈鄢跏计拭娴钠露仍酱?，潮流流速越小，從而起?dòng)的沉積物顆粒越少，沖刷量也越小。

4 討 論

在潮周期內(nèi)當(dāng)近底部切應(yīng)力超過臨界切應(yīng)力時(shí)，海底會(huì)出現(xiàn)沖刷，則需計(jì)算底床上因再懸浮引起的沖刷通量；而當(dāng)近底部切應(yīng)力小于臨界切應(yīng)力時(shí)，通常底床會(huì)出現(xiàn)泥沙落淤。為簡(jiǎn)單起見，本文忽略因懸沙落淤而引起的底床堆積?？蓪?shí)際上，當(dāng)潮周期內(nèi)近底部切應(yīng)力小于臨界切應(yīng)力時(shí)，則懸沙落淤會(huì)造成底床的變形。因此實(shí)際深槽沖刷達(dá)到均衡態(tài)的歷時(shí)要長(zhǎng)于本文的計(jì)算結(jié)果。盡管如此，本項(xiàng)研究表明，底質(zhì)為細(xì)顆粒沉積物的深槽達(dá)到均衡態(tài)的歷時(shí)遠(yuǎn)遠(yuǎn)短于沙礫質(zhì)底床的歷時(shí)[21]。

雖然江蘇如東海岸潮流流速較大，表層沉積物較細(xì)，沉積物的輸運(yùn)主要以懸移質(zhì)方式為主，但是本區(qū)漲潮歷時(shí)略大于落潮歷時(shí)，平均漲潮流速小于平均落潮流速，潮周期內(nèi)推移質(zhì)有一定的向海凈輸運(yùn)。本項(xiàng)研究只是初步模擬潮流深槽的沖刷演變，故忽略了推移質(zhì)輸運(yùn)引起的沖淤效應(yīng)。如模擬更接近自然狀態(tài)下潮流深槽的沖刷演變則必須考慮潮周期內(nèi)推移質(zhì)凈輸運(yùn)對(duì)深槽沖刷的影響。

圖 4 不同潮差作用下深槽的沖刷深度2-0：潮差為2 m時(shí)的深槽初始剖面；2-1：剖面2-0對(duì)應(yīng)的均衡態(tài)剖面；4-0：潮差為4米時(shí)的深槽初始剖面；4-1：剖面4-0對(duì)應(yīng)的均衡態(tài)剖面；6-0：潮差為6米時(shí)的深槽初始剖面；6-1：剖面6-0對(duì)應(yīng)的均衡態(tài)剖面Fig.4 Scour depth of the channel with different tidal ranges2-0: the initial profile of the channel with the tidal range of 2m; 2-1: the equilibrium state of the channel corresponding to the profile of 2-0; 4-0: the initial profile of the channel with the tidal range of 4m; 4-1: the equilibrium state of the channel corresponding to the profile of 4-0; 6-0: the initial profile of the channel with the tidal range of 6m; 6-1: the equilibrium state of the channel corresponding to the profile of 6-0

圖 5 不同坡度條件下的深槽沖刷深度1-0：坡度為0.05%時(shí)的深槽初始剖面；1-1：剖面1-0對(duì)應(yīng)的均衡態(tài)剖面；2-0：坡度為0.07%時(shí)的深槽初始剖面；2-1：剖面2-0對(duì)應(yīng)的均衡態(tài)剖面；3-0：坡度為0.09%時(shí)的深槽初始剖面；3-1：剖面3-0對(duì)應(yīng)的均衡態(tài)剖面Fig.5 Scour depth of the channel with different longitudinal seabed slopes1-0: the initial profile of the channel with the obliquity of 0.05%; 1-1: the equilibrium state of the channel corresponding to the profile of 1-0; 2-0: the initial profile of the channel with the obliquity of 0.07%; 2-1: the equilibrium state of the channel corresponding to the profile of 2-0; 3-0: the initial profile of the channel with the obliquity of 0.09%; 3-1: the equilibrium state of the channel associated with the profile 3-0

5 結(jié) 論

本文通過模擬江蘇如東海岸“倚岸型”潮流沙脊體系中的深槽沖刷過程中剖面的變化得出如下結(jié)論：(1)根據(jù)給定初始剖面的坡度、潮差等參數(shù)，可以通過一維模擬得出深槽達(dá)到均衡態(tài)的歷時(shí)，如東海岸潮流沙脊體系中的深槽達(dá)到均衡態(tài)的歷時(shí)為2.5 a；(2)若給定初始剖面的坡度，則潮差越大，達(dá)到均衡態(tài)時(shí)深槽的沖刷深度越大且潮差的變化對(duì)沖刷深度有顯著影響；(3)若給定潮差，則初始剖面的坡度越大，均衡態(tài)時(shí)深槽的沖刷深度越小且坡度的變化對(duì)深槽沖刷深度有顯著影響。模擬結(jié)果表明，深槽在沖刷過程中存在著均衡態(tài)，潮差和初始剖面的坡度是深槽沖刷深度的主要控制因素。

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Modeling channel scour associated with shore-attached tidal ridges: A case study from Rudong coast, Jiangsu Province

LIU Xiu-juan1, GAO Shu2, WANG Ya-ping2

(1.Faculty of Earth Resources, China University of Geosciences, Wuhan 430074, China；2.Key Laboratory for Coast and Island Development of the Ministry of Education, Nanjing University, Nanjing 210093, China)

The tidal ridges off the Rudong coast, Jiangsu Province, are a part of the radial tidal ridge system of the southern Yellow Sea.These ridges and the inter-ridge channels represent a kind of shore-attached tidal ridge systems.In this contribution, the evolution from an initial profile to morphodynamic equilibrium was simulated with a horizontal 1-D model.Numerical experiments were carried out for different tidal ranges and longitudinal bed slopes, to evaluate their influence on the equilibrium state of the channel morphology.The results show that: (1) The channel will reach equilibrium during a certain period of time, if the initial profile of the channel and tidal range are known; (2) with an invariable initial profile of the channel, as the tidal range increases, the equilibrium scour depth of the channel also increases, indicating that tidal range has a significant influence on the scour depth; (3) with an invariable tidal range, as the longitudinal bed slope of the channel increases, the scour depth decreases, indicating that the bed slope also affects the final equilibrium state.

shore-attached tidal ridges; equilibrium depth; tidal range; numerical modeling; Jiangsu coast (China)

P737.1

A

1001-6932(2010)03-0271-06

2008-12-05；

2009-11-02

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(No.40876045, 40576040); 國(guó)土資源部海洋油氣資源與環(huán)境地質(zhì)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開放基金項(xiàng)目(MRE200906)

劉秀娟 (1972－), 女, 副教授, 研究方向?yàn)楹０冻练e動(dòng)力學(xué)。電子郵箱：xjliu@cug.edu.cn