輻射沙脊小廟洪水道口門形態(tài)演變及其水動力機制研究*

陳可鋒，陸培東，喻國華

(1．河海大學(xué)水文水資源與水利工程科學(xué)國家重點實驗室，江蘇 南京 210098；2.南京水利科學(xué)研究院河流海岸研究所，江蘇 南京 210024)

南黃海輻射沙洲位于江蘇海岸以東,呈輻射狀分布。其面積寬廣，脊槽相間，形態(tài)特殊，地形復(fù)雜，是南黃海獨特的地貌類型[1-3](圖1)。自南黃海輻射狀沙洲被發(fā)現(xiàn)后，這一特殊地貌便一直被海洋地質(zhì)學(xué)家和物理海洋學(xué)家所關(guān)注，20世紀(jì)80年代以來，隨著海岸帶資源調(diào)查、沿海及陸架地區(qū)鉆探等工作的開展，以及東中國海潮波系統(tǒng)數(shù)值模擬的逐步深入，專家學(xué)者對輻射沙洲現(xiàn)狀格局、發(fā)育過程、形成機制、水動力模擬等進(jìn)行了深入研究，對于江蘇岸外潮流沙脊群形成過程與動力機制有了比較深刻的認(rèn)識[4-10]。

近年來，由于經(jīng)濟和社會發(fā)展的需要，人們把更多的目光投向于輻射沙洲海域近岸水深條件較好的潮汐通道和寬闊的潮間帶灘涂，其演變趨勢及其穩(wěn)定性逐漸成為輻射沙洲研究的熱點問題之一[11-13]。小廟洪水道位于輻射沙脊最南翼，水道平面形態(tài)變化反映近40年來小廟洪水道整體存在北淤南沖的演變趨勢，口門段北水道深槽不斷萎縮直至消失，南水道則充分發(fā)展[14]。這種趨勢性過程的原因和驅(qū)動力成為輻射沙洲區(qū)海岸沖淤動態(tài)研究和海港開發(fā)過程中亟待解決的問題。從動力地貌學(xué)的觀點來看，口門水道形態(tài)特征和演化研究涉及多種關(guān)鍵的海岸動力過程，其地形的變化與該地區(qū)的潮流特征有著密不可分的關(guān)聯(lián)[15-16]。本文通過對實測水文資料分析和所建立的潮流數(shù)學(xué)模型，研究了口門水道潮流，各水道斷面潮流輸沙量特征并分析小廟洪口門沖淤演變水動力機制。

1 小廟洪水道口門演變動態(tài)與發(fā)展趨勢

小廟洪水道是江蘇岸外輻射沙洲區(qū)最南面，也是距岸最近的一條潮汐水道(圖1)。該水道走向基本與呂四海堤走向一致，呈現(xiàn)WNW-ESE向，深槽距海堤零米線3.5～6.0 km不等，水道長約38 km，口門寬15 km。水道中段(呂四海洋站附近)寬4.5 km，尾部在如東淺灘消失。口門處兩個零米線以上的沙洲，將口門分為北水道、中水道和南水道。水道內(nèi)有兩條-10 m 以深的深槽，一條在口門南水道，另一條在水道中段，兩深槽之間為寬約1.0 km的淺段，平均深度約-8 m。

根據(jù)1963、1979、1989、2000和2009年地形資料，從水道-5、-10 m等深線的對比分析中可得到小廟洪水道口門段各水道平面形態(tài)變化的認(rèn)識(圖2)。

-5 m等深線的變化： 1963年北水道-5 m深槽至1979年萎縮了1 km，寬度也逐漸變窄，到2000年這條原通向外海的深槽由于不斷淤積已變成一條封閉的水道，所包圍的面積還在繼續(xù)縮小。同時，口門段環(huán)繞橫沙的-5 m線在60-70年代還是一條封閉的線，與口門外-5 m線有一淺槽相隔，從大灣洪進(jìn)入的潮量有一部分由此經(jīng)北水道和中水道進(jìn)入小廟洪。

圖1 小廟洪水道位置示意圖

圖2 小廟洪水道不同年代-5m、-10m 等深線變化

但到1989年時，橫沙與烏龍沙-5 m線相連，使由大灣洪進(jìn)入北水道和中水道的潮量有所減少，這部分水體轉(zhuǎn)由南水道進(jìn)出小廟洪，導(dǎo)致橫沙東南側(cè)-5 m線沖刷后退， 1963-1989年期間，平均每年北移136 m。2000年，雖然橫沙與烏龍沙相連的-5 m線又被沖刷出一條寬500 m、深6 m的淺槽，但過水?dāng)嗝嬖黾硬⒉淮螅藭r橫沙東南側(cè)-5 m線與1989年相差不大。由2000-2009年的變化看：小廟洪南側(cè)尤其口門段-5m線基本穩(wěn)定，橫沙及南水道南、北汊頭部-5 m以淺的部分有東移趨勢，橫沙與烏龍沙之間仍處于動蕩之中，北水道-5 m以深的深槽已完全消失(圖2)。

-10 m等深線變化：從圖2看出，60年代-10 m深槽在南、北水道內(nèi)均有出現(xiàn)，且北水道深槽長達(dá)10 km,而南水道-10 m線只在中段呈條狀分布，口門附近只是不連續(xù)的深槽，反映60年代時，有很大一部分水體是從北水道進(jìn)出小廟洪的。至1979年，北水道-10 m以深的深槽已嚴(yán)重淤積，長度只有4 km，深槽位置南移600 m。同時，南水道中段-10 m深槽范圍擴大，口門處-10 m線基本上連成一片。至1989年，北水道-10 m深槽全部消失，南水道-10 m深槽貫通，并在頭部分為南、北兩汊。至1993年南水道-10 m深槽進(jìn)一步穩(wěn)定發(fā)展，北汊的頭部沖淤動蕩，南汊則持續(xù)發(fā)展。

近40年來的地形對比顯示小廟洪水道整體存在北淤南沖的演變趨勢，口門段北水道-10、-5 m深槽不斷萎縮直至消失，目前僅存水深不足5 m的淺槽，南水道則充分發(fā)展；自80年代南水道頭部分成南北兩汊以來，南汊始終處于發(fā)展的過程。

2 小廟洪水道平面二維潮流數(shù)學(xué)模型建立與驗證

2.1 基本方程

方程建立在正交曲線坐標(biāo)系上(ξ,η)。在垂直方向上采用如下坐標(biāo)：

(1)

(1)式中，z是在垂直方向的坐標(biāo)，在模型參照平面上取為0；d是相對于模型參照平面的水深；ζ為相對于模型參照平面的水位；H是全水深。沿水深積分的連續(xù)方程：

ξ,η方向的動量方程:

Gξξ和Gηη為曲線坐標(biāo)轉(zhuǎn)化為直角坐標(biāo)的轉(zhuǎn)換系數(shù)；Pξ和Pη是壓強梯度；Fξ和Fη是雷諾應(yīng)力項。

2.2 模型范圍與參數(shù)

模型東西長73 km，南北寬50 km，包括了整個小廟洪水道與三沙洪水道(圖3)，模型采用變步長矩形網(wǎng)格，在水道內(nèi)進(jìn)行局部加密，網(wǎng)格大小50～200 m，網(wǎng)格數(shù)133×314。潮流數(shù)學(xué)模型計算時糙率計算式為：n=n0+nk(h)，其中n0=0.012 ～0.016，nk(h)是受水深調(diào)節(jié)部分；時間步長取為 30 s；紊動擴散系數(shù)取為1～25。

2.3 模型驗證

本海域水流受特殊地形的影響，其運動特征較為復(fù)雜。模型開邊界采用潮位控制，由東中國海潮流數(shù)學(xué)模型提供[13]，并通過驗證資料反復(fù)調(diào)試。

采用2009年3月現(xiàn)場實測9條垂線和2個水位站的同步資料對模型進(jìn)行驗證(圖3)。圖4給出了深槽內(nèi)部WL1、WL2潮位和V6號流速流向的計算值與實測值的比較，兩者在相位和數(shù)值上吻合較好，可反映工程區(qū)的潮流運動特征。

3 小廟洪水道演變的動力機制分析

3.1 小廟洪水道潮流特征

小廟洪海域的潮流屬規(guī)則半日潮流。潮流的最大流速出現(xiàn)在中潮位附近，具有一定駐波性質(zhì)。潮流運動受水道和沙洲地形的影響較大，水道深槽內(nèi)的潮流橢圓扁平，漲落潮流方向與水道深槽一致，往復(fù)流特征明顯，且流速較大；邊灘處的水流高潮時以東西向為主，落潮后期及漲潮初期以漫灘流為主，且流速較小。

圖3 研究區(qū)數(shù)學(xué)模型范圍及驗證點位置

起漲時，漲潮流自東向西通過網(wǎng)倉洪和大灣洪由外海進(jìn)入小廟洪水道。其中網(wǎng)倉洪的大部分潮流沿東西向流入網(wǎng)倉洪深槽，小部分經(jīng)小廟洪口門北水道和中水道進(jìn)入小廟洪深槽；而大灣洪的漲潮流分兩股，一股經(jīng)口門南水道進(jìn)入小廟洪深槽，另一股通過烏龍沙與橫沙之間的夾槽及橫沙內(nèi)凹槽由中水道進(jìn)入小廟洪。小廟洪深槽的漲潮流受深槽走向制約，但隨水位增高，深槽中漲潮流逐漸向兩側(cè)灘地漫灘。漲急時，深槽內(nèi)漲潮流仍沿深槽走向運動，但隨淺灘區(qū)水深加大，灘面上漲潮流流向發(fā)生明顯變化，由漫灘轉(zhuǎn)為自東向西運動(圖5)。

起落時，槽內(nèi)落潮流沿深槽走向轉(zhuǎn)落，灘面水均由西向東落潮。落急時深槽中落潮流流向不變，但淺灘區(qū)因水位降低，坡度成為控制水流流向的要因素，使水流順坡向低凹的潮溝流去，灘面水開始?xì)w槽(圖5)。灘面歸槽水通過潮溝系統(tǒng)進(jìn)小廟洪主槽。小廟洪深槽除接受上游的落潮流外，還要容納兩側(cè)灘面的歸水，使深槽中的落潮流顯著增強。此時，腰沙沙脊便成為腰沙上灘面歸槽的分水灘脊，南側(cè)歸槽水匯入小廟洪深槽，北側(cè)匯入網(wǎng)倉洪深槽。

小廟洪水道流速分布表現(xiàn)為深槽流速大，淺灘流速小。其中-5 m以深深槽漲、落潮平均流速為0.6～0.8 m/s，局部深槽區(qū)域平均流速可達(dá)1.0～1.2 m/s，0～-5 m平均流速為0.4～0.6 m/s，0 m以上淺灘水流平均流速為0.2～0.4 m/s。

圖4 大潮潮位、流速及流向過程驗證曲線

圖5 小廟洪水道漲急與落急流場圖

3.2 口門段潮流時間-流速不對稱性分析

為了探究小廟洪水道南、中、北汊道演變的原因，在北水道、中水道和南水道的口門附近分別取了點進(jìn)行流速特征統(tǒng)計，結(jié)果如下表1所示。

表1 小廟洪水道口門段內(nèi)流速特征

從表1可以看出，北水道漲潮歷時比落潮歷時長1h53min，漲潮平均流速比落潮平均流速大3 cm/s(Tf>Te、Uf>Ue)，屬于漲潮優(yōu)勢型。南水道與中水道相似，漲潮歷時比落潮歷時短1h14min，漲潮平均流速比落潮平均流速小6 cm/s。中水道和南水道則呈現(xiàn)Tf

3.3 小廟洪口門段水道水沙通量

實測各斷面流量過及及輸沙量數(shù)據(jù)統(tǒng)計顯示(圖6、表2)，口門段南水道和中水道斷面落潮斷面流量大于漲潮，表現(xiàn)為落潮水道性質(zhì)；而北水道漲潮流量大于落潮流量，變現(xiàn)為漲潮水道性質(zhì)。口門南、中水道斷面為凈泄，一個潮過程凈泄的泥沙量分別約為：2 200 和400 t；北水道斷面為凈進(jìn)，一個潮過程凈進(jìn)的泥沙量為3 200 t，可見該海域懸沙泥沙存在“北進(jìn)南出”趨勢，這樣懸沙運移的趨勢與近幾十年來小廟水道北水道淤積、萎縮；南水道沖刷、發(fā)展的態(tài)勢相符合。

表2 2009年12月實測斷面流量及輸沙量統(tǒng)計表

4 結(jié) 論

本文通過對現(xiàn)場水文資料分析和所建立的平面二維潮流數(shù)學(xué)模型，分析小廟洪口門段水道水流動力特征，得出如下結(jié)論：

1)小廟洪海域的潮流屬規(guī)則半日潮流。潮流的最大流速出現(xiàn)在中潮位附近，具有一定的駐波性質(zhì)。潮流運動受水道和沙洲地形的影響較大，水道深槽內(nèi)的潮流橢圓扁平，漲落潮流方向與水道深槽一致，往復(fù)流特征明顯，且流速較大；邊灘處的水流高潮時以東西向為主，落潮后期及漲潮初期以漫灘流為主，且流速較小。

2)近40年來的地形對比顯示小廟洪水道整體存在北淤南沖的演變趨勢，口門段北水道-10 m、-5 m深槽不斷萎縮直至消失，目前僅存水深不足5 m的淺槽，南水道則充分發(fā)展；自20世紀(jì)80年代南水道頭部分成南北兩汊以來，南汊始終處于發(fā)展的過程。

圖6 小廟洪水道實測斷面布置圖

3)小廟洪口門段、北、南水道的漲落潮歷時和漲落潮流速明顯不同。其中，北水道漲潮歷時大于落潮，漲潮流速大于落潮；中水道、南水道則落潮歷時和落潮流速略大于漲潮。總體上看，北水道呈漲潮水道性質(zhì)，中、南水道表現(xiàn)出落潮水道性質(zhì)?？陂T南、中水道斷面輸沙量為凈泄，北水道斷面為凈進(jìn)，水道口門段懸沙存在“北進(jìn)南出”趨勢，這樣懸沙運移的趨勢與近幾十年來小廟水道北水道淤積、萎縮；南水道沖刷、發(fā)展的態(tài)勢相符合。

參考文獻(xiàn)：

[1]任美鍔.江蘇省海岸帶和海涂資源綜合調(diào)查報告[M].北京: 海洋出版社,1986:517-519.

[2]王穎.黃海陸架輻射沙脊群[M].北京:中國環(huán)境科學(xué)出版社,2002:15-25.

[3]葛云健,楊桂山,張忍順，等.江蘇沿海輻射沙洲申報世界自然遺產(chǎn)預(yù)研究[J].南京師范大學(xué)學(xué)報:自然科學(xué)版,2009,32(3):125-131.

[4]朱玉榮,常瑞芳.南黃海輻射沙洲成因的潮流數(shù)值模擬解釋[J].青島海洋大學(xué)學(xué)報,1997,27(2):218-224.

[5]諸裕良,嚴(yán)以新,薛鴻超.南黃海輻射沙洲形成發(fā)育水動力機制研究-Ⅰ[J].中國科學(xué):D輯,1998,28(5): 403-410.

[6]宋志堯,嚴(yán)以新,薛鴻超.南黃海輻射沙洲形成發(fā)育水動力機制研究Ⅱ [J].中國科學(xué):D輯,1998,28(5):411-417.

[7]諸裕良,嚴(yán)以新,薛鴻超.黃海輻射沙洲形成發(fā)育潮流數(shù)學(xué)模型[J].水動力學(xué)研究與展,1998,13(4):473-480.

[8]張東生,張君倫.潮流塑造-風(fēng)暴破壞-潮流恢復(fù)-試釋黃海海底輻射沙脊群形成演變的動力機制[J].中國科學(xué).1998,28(5):394-402.

[9]CHEN K F,LU P D,WANG Y H.Effects of change on tide system of yellow sea off Jiangsu coast,China[J].China Ocean Engineering,2009,23(4):741-750.

[10]LI C X,ZHANG J Q FANG D D,et al.Holocene Regression and the tidal radial sand ridge system Formation in the Jiangsu coastal zone,East China[J].Marine Geology,2001,73:97-120.

[11]陳可鋒,陸培東,王艷紅，等.南黃海輻射沙洲趨勢性演變的動力機制分析[J].水科學(xué)進(jìn)展,2010,27(1): 106 -112.

[12]何華春,皺欣慶,李海宇.江蘇岸外輻射沙洲群爛沙洋潮流通道穩(wěn)定性研究[J].海洋科學(xué),2005,29(1): 12-16.

[13]陳君,王義剛,張忍順等.江蘇外輻射沙洲群東沙穩(wěn)定性研究[J].海洋工程,2007,25(1):106-113.

[14]陳可鋒.黃河北歸后江蘇海岸帶陸海相互作用過程研究[D].南京：南京水利科學(xué)研究院,2008：68-78.

[15]高抒.潮汐汊道形態(tài)動力過程研究綜述.地球科學(xué)進(jìn)展[J].2008,23(12):1237-1248.

[16]賈建軍,高抒,薛允傳.山東榮成月湖潮汐汊道的時間—流速不對稱特征[J].海洋學(xué)報,2003,25(3): 158-168.