洋山港海域水體和懸沙輸運(yùn)機(jī)制研究

英曉明，丁平興

（華東師范大學(xué) 河口海岸學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200062）

洋山港海域水體和懸沙輸運(yùn)機(jī)制研究

英曉明，丁平興

（華東師范大學(xué) 河口海岸學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200062）

對(duì)洋山港海域水體和懸沙長(zhǎng)期輸運(yùn)速度分離，并進(jìn)行機(jī)制分解，分析各種物理過程對(duì)水體和懸沙長(zhǎng)期輸運(yùn)速度所起的作用。結(jié)果表明，水體和懸沙輸運(yùn)存在明顯差異，直接描述懸沙凈輸運(yùn)更準(zhǔn)確合理；歐拉余流在水體長(zhǎng)期輸運(yùn)中占主導(dǎo)地位，平流輸運(yùn)和潮泵輸運(yùn)是洋山港海域懸沙輸運(yùn)的主要?jiǎng)恿σ蛩?，由于潮?dòng)力混合較強(qiáng)，垂向輸運(yùn)作用很小。

水沙長(zhǎng)期輸運(yùn)速度；機(jī)制；洋山港海域

Abstract：The long-term transport velocity of water and suspended sediment are separated, mechanism decomposition is made on them, and effects of all kinds of physical process by observed data is analyzed in Yangshan Harbor waters in this paper.The results show that, the obvious difference exists between water and suspended sediment residual transport, and it is more accurate and reasonable to calculate residual sediment transport directly.Euler transport plays predominant role in water long-term transport, and horizontal advection and tidal pumping take primary role in suspended sediment transport in the study area, while the contribution of vertical transport is small due to strong mixed tide.

Keywords：Long-term transport velocity of water and suspended sediment; mechanism; Yangshan Harbor Waters

1 引 言

在河口海岸地區(qū)，海流作用下的懸沙輸運(yùn)引起地形沖淤變化，進(jìn)而影響岸灘演變、航道疏浚及水下岸坡的穩(wěn)定性，懸沙的長(zhǎng)期輸運(yùn)成為河口海岸研究的核心問題之一[1,2]。潮流及其余流對(duì)河口海岸地區(qū)懸沙的輸運(yùn)起著非常重要的作用,由于潮流漲落潮不對(duì)稱輸沙，因而余流在某種程度上可以指示懸沙的凈輸運(yùn)。然而，余流并不能完全代表懸沙凈輸運(yùn)。實(shí)際上，河口存在潮周期平均物質(zhì)輸運(yùn)與潮周期平均水體輸運(yùn)方向不同的現(xiàn)象[3]。在懸沙空間分布較均勻的地方，懸沙和水體的長(zhǎng)期（一個(gè)或若干個(gè)潮周期）輸運(yùn)特征基本一致；在懸沙空間分布差異大的區(qū)域，懸沙和水體長(zhǎng)期輸運(yùn)存在明顯差異[4]。通量分析是研究物質(zhì)長(zhǎng)期輸運(yùn)較好的方法[5,6]。懸沙長(zhǎng)期輸運(yùn)速度比水體長(zhǎng)期輸運(yùn)速度描述懸沙輸運(yùn)更準(zhǔn)確合理[4]。朱首賢等[3]從理論上分析了河口地區(qū)存在物質(zhì)和水體長(zhǎng)期輸運(yùn)分離的自然條件。通過ADCP走航觀測(cè)研究，洋山港地區(qū)斷面存在周期內(nèi)凈潮通量與凈懸沙通量相反的現(xiàn)象[7]，說明存在水體和懸沙輸運(yùn)分離現(xiàn)象。

李玉中等[8]通過1996年實(shí)測(cè)資料，證實(shí)了洋山港海域下層水體存在余流分離和匯聚現(xiàn)象。然而，關(guān)于洋山港海域懸沙長(zhǎng)期輸運(yùn)的研究尚未見報(bào)道。洋山港海域懸沙長(zhǎng)期輸運(yùn)有何特征？水體長(zhǎng)期輸運(yùn)（余流）能否代表懸沙長(zhǎng)期輸運(yùn)？本文將運(yùn)用通量分析方法揭示洋山港海域水體和懸沙長(zhǎng)期輸運(yùn)的特征，并對(duì)機(jī)理進(jìn)行研究。

2 研究區(qū)域概況

洋山港海域位于杭州灣崎嶇列島內(nèi)，具有多島嶼和多汊道輸水輸沙的特征。峽道由以大、小洋山為主的南北島鏈組成，呈現(xiàn)為向西擴(kuò)展的喇叭形狀（圖1）。港區(qū)最大水深約87 m（黃海高程）；開闊處淺灘的水深為10 ～ 14m，具有建造深水港的優(yōu)良條件。自2002年以來，洋山深水港區(qū)相繼實(shí)施了堵汊工程、陸域填充工程和港池疏浚等一系列重大工程。港區(qū)一期碼頭和二期碼頭分別于2005年和2006年年底開始運(yùn)營(yíng)。目前，小洋山北島鏈僅剩顆珠山-蔣公柱汊道。洋山港海域?qū)儆诜钦?guī)半日潮，以M2分潮為主，該水域在東海潮波傳播、長(zhǎng)江口沖淡水?dāng)U散和島鏈峽道地形的綜合制約下, 具有波浪弱、潮流強(qiáng)和懸沙濃度高的特點(diǎn)。該海區(qū)平均潮差2.79 m，年平均波高為0.4 m，冬夏半年平均波高相差不大[9]。落潮平均流速為0.90 ～ 1.20m/s，漲潮均流速為0.80 ～1.20 m/s，最大可能潮流流速在3.00 m/s以上，潮流為往復(fù)流[10]。洋山港海域泥沙主要為長(zhǎng)江直接擴(kuò)散泥沙和潮流攜帶的海域泥沙，年平均懸沙濃度約為1.3 kg/m3，冬高夏低。

圖1 洋山港工程及測(cè)量站位Fig.1 Sketch of Yangshan Harbor projects and survey stations

3 資料與研究方法

本文資料主要來源于交通部天津水運(yùn)工程科學(xué)研究所2006年5月的定點(diǎn)水文泥沙觀測(cè)資料。測(cè)量位置見圖1。觀測(cè)資料包括大、中和小潮各25 h的數(shù)據(jù)，垂向?yàn)榱c(diǎn)法，對(duì)應(yīng)水深為表層、0.2 H、0.4H、0.6 H、0.8 H和底層，時(shí)間間隔為一小時(shí)。為綜合考慮懸沙和水體的長(zhǎng)期輸運(yùn)效應(yīng)，對(duì)大、中和小潮的資料進(jìn)行全潮分析，計(jì)算懸沙和水體長(zhǎng)期輸運(yùn)速度及其相關(guān)項(xiàng)。

為使水體長(zhǎng)期輸運(yùn)和懸沙長(zhǎng)期輸運(yùn)能夠進(jìn)行比較，本文采用朱首賢[3,6]定義的水體和懸沙長(zhǎng)期輸運(yùn)速度方法來分析洋山港海域二、三維水體和懸沙長(zhǎng)期輸運(yùn)特征及進(jìn)行機(jī)理分析。

瞬時(shí)流速、含沙量和水深由式(1)—(4)[11,12]表達(dá):

4 結(jié)果和討論

4.1 水體和懸沙輸運(yùn)速度特征及比較

截止2006年5月，港區(qū)3個(gè)堵汊工程均已經(jīng)竣工，測(cè)量站位分布較廣，具有一定的代表性，因此選擇此次資料進(jìn)行分析。二維懸沙和水體長(zhǎng)期輸運(yùn)速度如圖2(a) 所示，垂向給出表層、中層和底層懸沙和水體長(zhǎng)期輸運(yùn)速度，分別如圖2(b-d) 所示。

港區(qū)北側(cè) N1測(cè)站二維懸沙和水體長(zhǎng)期輸運(yùn)方向基本一致，前者是后者量值的2.1倍；中層和底層懸沙和水體長(zhǎng)期輸運(yùn)速度方向基本一致，但表層懸沙和水體長(zhǎng)期輸運(yùn)速度方向相差39°，且表層量值上前者是后者的3.5倍，表層和底層懸沙輸運(yùn)方向相差114°，表層和底層水體輸運(yùn)方向相差134°。N2測(cè)站二維懸沙和水體長(zhǎng)期輸運(yùn)方向相差69°，底層懸沙和水體長(zhǎng)期輸運(yùn)速度方向基本一致，主要是表層和中層兩者速度方向差異顯著，表層和底層懸沙長(zhǎng)期輸運(yùn)速度方向相差 119°，表層和底層水體輸運(yùn)速度方向相差95°。N3測(cè)站二維懸沙和水體輸運(yùn)速度方向相差146°，量值上后者是前者的1.7倍，垂向上懸沙和水體長(zhǎng)期輸運(yùn)速度方向均差異顯著，但垂向上懸沙輸運(yùn)速度方向相差不大，量值上表層是底層的5.7倍。

港區(qū)西側(cè)W1測(cè)站二維懸沙和水體長(zhǎng)期輸運(yùn)速度大小和方向相差不大，垂向上亦如此，表層懸沙輸運(yùn)速度方向和底層相差63°。W2測(cè)站二維懸沙和水體長(zhǎng)期輸運(yùn)方向基本一致，前者是后者量值的2.2倍；垂向上懸沙和水體長(zhǎng)期輸運(yùn)方向相差不大，表層和底層懸沙輸運(yùn)速度方向相差96°，量值上前者是后者的5.4倍，表層和底層水體輸運(yùn)速度方向相差138°。W3測(cè)站二維懸沙和水體長(zhǎng)期輸運(yùn)速度相差不大，垂向上底層懸沙和水體長(zhǎng)期輸運(yùn)速度方向相差101°，表層懸沙輸運(yùn)速度方向和底層相差69°，量值上前者是后者的 3倍，表層和底層水體輸運(yùn)速度方向相差135°。

港區(qū)南側(cè)S1測(cè)站二維懸沙和水體長(zhǎng)期輸運(yùn)速度差異不大，垂向上亦如此，垂向上表層和底層懸沙輸運(yùn)方向相差不大，量值上前者是后者的1.8倍。

港區(qū)東側(cè)P4測(cè)站二維懸沙和水體長(zhǎng)期輸運(yùn)方向相差很小，量值上前者是后者的2.5倍，垂向上表層和中層懸沙和水體長(zhǎng)期輸運(yùn)方向相差很小，但底層懸沙和水體長(zhǎng)期輸運(yùn)方向相差 159°，量值上后者是前者的1.5倍，表層懸沙輸運(yùn)速度量值是底層的7.3倍，表層水體和中下層水體輸運(yùn)方向相反。E1測(cè)站二維懸沙和水體長(zhǎng)期輸運(yùn)速度相差不大，垂向上亦如此，表層懸沙輸運(yùn)速度量值是底層的 1.9倍。E2測(cè)站二維懸沙和水體長(zhǎng)期輸運(yùn)速度相差不大，表層和底層懸沙輸運(yùn)方向相差73°，表層和底層水體輸運(yùn)方向相差39°。

港區(qū)顆珠山汊道 K1測(cè)站二維懸沙和水體輸運(yùn)方向相差55°，量值上后者是前者的1.6倍，垂向上底層懸沙和水體輸運(yùn)速度基本一致，但表層和中層懸沙和水體輸運(yùn)速度方向差異顯著，方向差異與兩者垂向平均差異相差不大，底層懸沙輸運(yùn)速度量值是表層的1.9倍。K2測(cè)站二維懸沙和水體輸運(yùn)方向相差不大，垂向上亦如此，表層和底層懸沙輸運(yùn)速度方向相差64°，量值上相差不大。

港區(qū)雙連山汊道SC1測(cè)站二維懸沙和水體輸運(yùn)方向基本一致，垂向上亦如此，底層懸沙輸運(yùn)速度量值是水體的2.6倍。SC2測(cè)站二維懸沙和水體輸運(yùn)速度相差很小，垂向上亦如此，表層懸沙輸運(yùn)速度量值是底層的3.6倍。港區(qū)大山塘汊道SC3測(cè)站二維懸沙和水體輸運(yùn)方向相差54°，量值相近，垂向上兩者方向差異與垂向平均差異值相差不大。

港區(qū)內(nèi)部 K4測(cè)站二維懸沙和水體輸運(yùn)方向相差59°，量值上前者是后者的1.8倍，垂向上兩者差異變化不大。P1測(cè)站二維懸沙和水體輸運(yùn)速度相差不大，垂向上兩者差異變化不大，僅表層兩者方向相差稍大為 40°。P2測(cè)站二維懸沙和水體輸運(yùn)速度量值相近，方向相差25°，垂向上兩者差異由表至底減小，表層兩者方向相差為39°，底層兩者方向基本一致。

以上分析說明，懸沙和水體長(zhǎng)期輸運(yùn)速度大小和方向存在明顯差異，在描述洋山港海域懸沙長(zhǎng)期輸運(yùn)時(shí)，懸沙長(zhǎng)期輸運(yùn)速度比水體長(zhǎng)期輸運(yùn)速度更準(zhǔn)確合理。

在洋山港北側(cè)N1和N2測(cè)站、西側(cè)W2和W3測(cè)站和東側(cè)P4測(cè)站，表層和底層水體輸運(yùn)方向相反或差異較大。而懸沙輸運(yùn)不僅在N1、N2、W2、W3測(cè)站，而且在W1、K1、K2、P2和E2測(cè)站，表層和底層輸運(yùn)方向相反或差異較大，但P4測(cè)站表層和底層懸沙輸運(yùn)方向確相差很小。在東側(cè)E1和E2測(cè)站水體輸運(yùn)方向相反。

在中、南部P1、P2和W1測(cè)站形成懸沙輸運(yùn)方向輻聚區(qū)，此區(qū)域位于2006年4月到2007年4月形成的港區(qū)淤積帶（圖3），港區(qū)南側(cè)落潮流和落潮沙占優(yōu)，而中軸漲潮流和漲潮沙占優(yōu)，兩股流向切變區(qū)流速必然減少，加之懸沙匯聚是造成港區(qū)淤積的原因之一。

圖2 懸沙和水體長(zhǎng)期輸運(yùn)速度Fig.2 Water and suspended sediment long-term transport velocity

圖3 2006年-2007年地形沖淤分布（據(jù)三航院資料繪制）Fig.3 Deposition/erosion distribution from 2006 to 2007

表1 二維水體長(zhǎng)期輸運(yùn)速度及其分解項(xiàng)（量值：cm/s 方向：°）Tab.1 2-D long-term transport velocity of water and its components (magnitude: cm/s direction: °)

表2 二維懸沙長(zhǎng)期輸運(yùn)速度及其分解項(xiàng)（量值：cm/s 方向：°）Tab.2 2-D long-term suspended sediment transport velocity and its components (magnitude: cm/s direction: °)

4.2 二維懸沙和水體長(zhǎng)期輸運(yùn)速度機(jī)制分析

二維水體長(zhǎng)期輸運(yùn)速度分量列在表1中。由表1可以分析各物理過程對(duì)水體輸運(yùn)速度的貢獻(xiàn)。在大部分測(cè)站（W1、K4、K1、K2、P2、E1、E2、P4、N1、N3、SC1、SC2和 S1），歐拉余流在水體長(zhǎng)期輸運(yùn)中占主導(dǎo)地位；在 W3測(cè)站歐拉余流量值是斯托克斯漂移速度1.3倍，兩者方向相反；在W2和SC3測(cè)站斯托克斯漂移速度大于歐拉余流，兩者方向相反；在P1測(cè)站歐拉余流和斯托克斯漂移速度量值相近，方向相差92°。洋山港海域相當(dāng)多測(cè)站余流超過0.1 m/s，該區(qū)域?qū)儆谟嗔鬏^強(qiáng)區(qū)域。由于島嶼附近地形集聚效應(yīng)，因此W1、E1和E2等測(cè)站余流值較大。

二維懸沙長(zhǎng)期輸運(yùn)速度分量列在表2中。從表2中可以看出，T1、T2、T5占主要地位，T4和T6僅在部分測(cè)站作用相對(duì)重要，T3的作用很小，T7和T8幾乎不起作用。在大部分測(cè)站（與水體輸運(yùn)一樣），T1量值最大，說明洋山海域歐拉輸運(yùn)是主導(dǎo)因素。在W3測(cè)站歐拉輸運(yùn)和斯托克斯漂移輸運(yùn)方向相反，量值前者是后者的1.3倍。在W2測(cè)站歐拉輸運(yùn)和斯托克斯漂移輸運(yùn)方向相反，量值后者是前者的1.4倍。在P1測(cè)站歐拉輸運(yùn)和斯托克斯漂移輸運(yùn)方向相差92°，兩者量值相差不大。在SC3測(cè)站歐拉輸運(yùn)和斯托克斯漂移輸運(yùn)方向相反，兩者量值相差不大。

T5在有些測(cè)站（W1、K4、K2、SC2）與T2量值相近，在很多測(cè)站（K1、P1、P2、E1、E2、P4、N3、N2、N1、SC1和S1）T5比T2量值都要大的多，說明洋山海域潮泵輸運(yùn)作用地位僅次于歐拉輸運(yùn)。T4僅在W3、W1、K4、P1和SC3測(cè)站相對(duì)重要，T6在K4測(cè)站相對(duì)重要。

為直觀了解懸沙在不同區(qū)域的輸運(yùn)機(jī)制，將平流輸運(yùn)項(xiàng)（T1+T2）、潮泵輸運(yùn)項(xiàng)（T3+T4+T5）和垂向輸運(yùn)項(xiàng)（T6+T7+T8）與懸沙長(zhǎng)期輸運(yùn)速度（Uc）繪制在一起，如圖4所示。平流輸運(yùn)項(xiàng)是洋山港海域泥沙輸運(yùn)的主導(dǎo)因素，潮泵輸運(yùn)所起作用居于第二位，垂向剪切擴(kuò)散和切變作用不大。由于洋山港海域是強(qiáng)潮混合區(qū)，垂向混合作用大，因此垂向作用不大。

5 結(jié) 語

本文對(duì)洋山港海域懸沙和水體長(zhǎng)期輸運(yùn)分離計(jì)算，并對(duì)懸沙和物質(zhì)輸運(yùn)速度進(jìn)行機(jī)制分解。研究結(jié)果表明，在洋山港海域懸沙輸運(yùn)速度比水體輸運(yùn)速度描述懸沙輸運(yùn)更準(zhǔn)確合理。

圖4 懸沙長(zhǎng)期輸運(yùn)速度及三個(gè)合成分量Fig.4 Long-term transport velocity of suspended sediment and its components

機(jī)制分解結(jié)果表明，歐拉余流在水體長(zhǎng)期輸運(yùn)中占主導(dǎo)地位，平流輸運(yùn)和潮泵作用是洋山海域懸沙輸運(yùn)的主要?jiǎng)恿σ蛩?，由于潮?dòng)力混合較強(qiáng)，垂向輸運(yùn)作用很小。懸沙和水體的分層輸運(yùn)分析表明，洋山海域懸沙和水體輸運(yùn)垂向存在差異，例如，在N2測(cè)站表層水沙和底層水沙輸運(yùn)方向均相反，在P4測(cè)站表層水體和底層水體輸運(yùn)方向相反，而懸沙輸運(yùn)方向相同。港區(qū)中南部懸沙凈輸運(yùn)指向大山塘北側(cè)，可能是該地區(qū)淤積的原因之一。由于測(cè)站偏少，利用實(shí)測(cè)資料得到的懸沙長(zhǎng)期輸運(yùn)尚不能明確說明港區(qū)內(nèi)部地形沖淤演變機(jī)理，通過補(bǔ)充觀測(cè)或者利用泥沙數(shù)值模擬研究港區(qū)懸沙長(zhǎng)期輸運(yùn)變化，將會(huì)更好的分析地形沖淤演變機(jī)理。

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Research on transport mechanism of water and suspended sediment in the Yangshan Harbor waters

YING Xiao-ming, DING Ping-xing

(State Key Laboratory of Estuarine and Coastal Research, East China Normal University, Shanghai 200062, China)

P731.2

A

1001-6932(2011)02-0135-07

2010-02-23；收修改稿日期：2010-10-18

國(guó)家海洋局公益性項(xiàng)目 ( 200905001-9 )。

英曉明 ( 1979－ )，男，博士，主要從事河口海岸動(dòng)力學(xué)研究。電子郵箱：xmying2005@yahoo.com.cn。