甌江南口外淺灘含沙濃度特征

余蝶雙，李瑞杰，，豐 青，孔叢穎

（1.河海大學(xué) 海岸災(zāi)害及防護(hù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南京210098；2.河海大學(xué) 環(huán)境海洋實(shí)驗(yàn)室，南京210098）

甌江是浙江省第二大河，發(fā)源于浙南慶元縣仙霞嶺，流經(jīng)龍泉、云和、青田、永嘉等縣市，全長388 km，流域面積1.8 萬km2（圖1）。多年平均年徑流量為196 億m3，洪枯季變化大，洪季（4～9 月）占全年的78%（圩仁站資料）。甌江口又屬強(qiáng)潮型河口，潮汐為正規(guī)半日潮?？谕鈲u嶼林立、淺灘密布、灘槽交錯(cuò)、地形復(fù)雜［1］。冬季盛行西北風(fēng)，夏季盛行偏東風(fēng)。海域常浪向?yàn)镋—ESE 向，次浪向?yàn)镹—NE 向（南麂島資料）。南口淺灘絕大部分沉積物粉砂質(zhì)粘土，平均粒徑為0.006 mm［2］。

甌江口復(fù)雜的地形和水動(dòng)力條件使得該區(qū)域的含沙濃度多表現(xiàn)為一個(gè)隨機(jī)性較強(qiáng)的變量。王順中等［3］指出在大風(fēng)特別是在臺(tái)風(fēng)期波浪掀沙產(chǎn)生的含沙濃度是平常期的10～20 倍；孫決策等［4］分析得潮段平均含沙濃度與潮汐動(dòng)力有明顯的相關(guān)性；李伯根等［5］分析得漲落潮平均懸沙濃度與平均流速存在相位差，大風(fēng)天氣引起的增水對懸沙濃度作用明顯；溫令平［6］應(yīng)用遙感技術(shù)分析，得出甌江口懸浮泥沙的分布與水下地形存在一定關(guān)系。

本文基于2010 年10 月甌江南口外淺灘的實(shí)測資料，對含沙濃度變化特征進(jìn)行探討。同時(shí)，從流速和含沙濃度的時(shí)間序列圖出發(fā)，擬合出一個(gè)新的含沙量公式。并與劉家駒公式在不考慮波浪作用下的簡式作對比，對公式的適用性和實(shí)用性進(jìn)行探討。

1 實(shí)測資料

研究區(qū)域如圖1 所示（經(jīng)度120°50′24″～121°10′0″，緯度27°45′30″～27°55′54″），1#站位布置于甌江南口門，5#布置于毆飛淺灘上，其他3 個(gè)站位介于甌江口南水道與飛云江之間。實(shí)測資料為2010 年10 月甌江南口外淺灘大潮（24～25 日）、中潮（29～30 日）、小潮（16～17 日）的定點(diǎn)24 h 現(xiàn)場連續(xù)觀測所得，公布的含沙濃度數(shù)據(jù)都是由傳統(tǒng)的六點(diǎn)法［7］采集水樣。

2 含沙濃度的空間變化

表1 中，漲平、落平、最大和平均分別指含沙濃度的漲潮平均值、落潮平均值、全潮最大值和全潮平均值。各層的含沙濃度平均值都按式（1）計(jì)算

式中：Ct為各層第t 個(gè)整點(diǎn)時(shí)刻的瞬時(shí)含沙濃度；n 為指計(jì)算過程的整點(diǎn)數(shù)。含沙濃度的漲潮、落潮和全潮平均值時(shí)，n 取對應(yīng)的整點(diǎn)數(shù)。

表1 大中小潮周期含沙濃度變化Fig.1 Variations in sediment concentration during spring, middle and neap tide kg/m3

2.1 平面變化

就表層平均含沙濃度而言，大潮的取值范圍為0.036～0.056 kg/m3。在1#、2#和3#站位組成的縱軸線上（以下簡稱縱向），1#站位的表層平均含沙濃度值最大，3#站位的最小，表明在縱向上，表層平均含沙濃度呈現(xiàn)從甌江南口門向外海逐漸減小的特征。同時(shí)，2#和3#站位的表層平均含沙濃度分別大于5#和4#站位，表明沿與岸線平行的方向上（以下簡稱橫向），表層平均含沙濃度由甌江口南水道往南呈現(xiàn)由大變小的特征。與大潮相比，中潮各測站的表層平均含沙濃度略微有所增加，但其分布特征大致相同。小潮期間的橫向分布特征與大潮相反。

就中層和底層平均含沙濃度而言，大、中和小潮的平面分布特征與表層一致。但縱向上減小的程度不同。大潮期間，1#站位的表層平均含沙濃度值是3#站位的5 倍，中層是11 倍，底層是8 倍。中潮的情況與大潮一致，而小潮時(shí)則是底層的倍數(shù)最大，中層次之。就垂向平均懸沙濃度而言，大、中和小潮的平面分布特征與表層平均含沙濃度的一致。

2.2 垂向變化

含沙濃度垂向分布具有從表層向底層逐漸增加的特點(diǎn)。大、中潮相差不大，表層含沙濃度在0.090 kg/m3上下，中層在0.120 kg/m3上下，底層在0.150 kg/m3上下。小潮的表、中和底層均在0.03 kg/m3上下。最大含沙濃度一般出現(xiàn)在底層，通常是表層最大含沙濃度的3～6 倍。在漲潮或落潮階段，中、小潮的含沙濃度垂向分布比較均勻，大潮時(shí)含沙濃度的垂向分布梯度較大，底層平均含沙濃度通常是表層的5～8 倍。

甌江南口淺灘的含沙濃度垂向分布主要為斜線型、拋物線型和非規(guī)則型［8］。斜線型含沙濃度分布由表層向底層逐漸增加，垂向變化速率較為均一，如大潮3#站位；拋物線型上層隨水深增大，中層增大較快，近地層迅速增大，如小潮1#站位；非規(guī)則型是一種無規(guī)律的曲線形態(tài)，但仍具有表層低、底層高的特點(diǎn)，如中潮時(shí)的5#站（圖2）。

3 含沙濃度的時(shí)間變化

表2 中涉及的計(jì)算公式有垂線平均流速和垂線平均含沙濃度的計(jì)算公式，兩者均采用六點(diǎn)法［9］

式中：Vi為第i 層的瞬時(shí)流速；Ci為第i 層的瞬時(shí)含沙濃度，其中i 為0.0，0.2，0.4，0.6，0.8，1.0；V 為垂線平均流速；為垂線平均含沙濃度。

表2 中的垂線平均含沙濃度的漲潮、落潮和全潮平均值的計(jì)算也按式（1）計(jì)算，但其中Ct用瞬時(shí)垂線平均含沙濃度代替。

表2 大中小潮周期的垂線平均含沙濃度變化Fig.2 Variations in vertical mean values of sediment concentration during spring，middle and neap tidekg/m3

3.1 大小潮變化

由表2 可知，就垂向平均含沙濃度而言，大潮最大，小潮最小。大潮平均含沙濃度為0.123～2.228 kg/m3，是中潮的2 倍，是小潮的3～9 倍。大潮的最大平均含沙濃度是中潮的1～3 倍，是小潮的1～15 倍。最大平均含沙濃度通常是平均值的2 倍。

3.2 漲落潮變化

大潮期間，垂向平均含沙濃度的漲潮平均值小于落潮，漲潮含沙濃度一般在0.222 kg/m3上下，落潮含沙濃度一般在0.276 kg/m3上下。中潮和小潮期間，則基本表現(xiàn)為漲潮平均值大于落潮平均值。中潮的漲、落潮含沙濃度分別在0.171 kg/m3和0.140 kg/m3上下，小潮的漲、落潮含沙濃度分別在0.043 kg/m3和0.040 kg/m3上下。

4 含沙量公式的擬合

從現(xiàn)有的挾沙力公式的形式可知，含沙量與流速、水深等物理量有一定的數(shù)量關(guān)系，如劉家駒公式、曹祖德公式等［10］。探求含沙量的確定關(guān)系式可以借鑒挾沙力的研究成果，李瑞杰等［11］從大量的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及實(shí)測數(shù)據(jù)出發(fā)，將挾沙力公式統(tǒng)一的歸納為以下形式

式中：S*為挾沙力；u 為時(shí)均垂向平均流速；h 為水深；g 為重力加速度；k 為待定參量。

直接采用式（3）形式的挾沙力公式會(huì)出現(xiàn)時(shí)均流速為零時(shí)，含沙量為零的偽現(xiàn)象。所以通常采用引入背景含沙量的方法來解決這個(gè)問題。此外，泥沙顆粒與水體的密度本身存在差異，慣性不同。這種差異在往復(fù)水流中因轉(zhuǎn)流的存在而更加明顯，稱兩者的流速差為滯后流速，其往往與泥沙粒徑、水體粘性等因素有關(guān)。由圖3 和圖4 的含沙量和流速的過程曲線亦可知，兩者存在一定的相位差，若將含沙量曲線進(jìn)行適當(dāng)?shù)钠揭?，可使得含沙量曲線與流速曲線的變化趨勢大體一致。故將式（3）改寫為

式中：S 為瞬時(shí)垂向平均含沙量；ut為滯后流速；sb為背景含沙量；k1為待定參量。

當(dāng)取3 個(gè)參量均為常數(shù)時(shí)，可采用非線性最小二乘法得到3 個(gè)參量的擬合值。此處，采用2010 年10 月甌江南口外淺灘1#～5#站位的水文泥沙資料對3 個(gè)參量的值進(jìn)行擬合，并與劉家駒公式在不考慮波浪作用下的簡式（式（6））作比較，以檢驗(yàn)式（5）適用性及優(yōu)勢，擬合結(jié)果見表3 和圖5。

式中：α 為待定系數(shù)；γ，γs分別為水和泥沙的容重。

由表3 可知，在2#、4#和5#站位新公式（5）的相關(guān)性較高，在1#和3#站位與式（6）差異不大。就全潮平均含沙量而言，公式（5）的相對誤差明顯小于劉家駒公式（6）。在實(shí)際應(yīng)用中，ut和Sb可由實(shí)測資料率定。由此表明，公式（5）在甌江南口淺灘是適用的，并具有一定的實(shí)用性。由于本文只有5 個(gè)站位的水文泥沙資料站位布置較少，因此對于新公式在甌江口其他海域的適用性有待進(jìn)一步探討。

表3 相關(guān)參數(shù)表Tab.3 Related parameters

5 結(jié)論

甌江南口的表、中、底各層的平均含沙濃度都具有從南口門向外海逐漸減小的特點(diǎn)，中、底層減小的程度要大于表層。垂向上，含沙濃度從表層向底層逐漸增加，最大含沙濃度一般出現(xiàn)在底層，通常是表層的3～6倍。大潮期間的含沙濃度最大，中潮次之，小潮最小。漲潮含沙濃度基本上大于落潮含沙濃度。

與劉家駒公式在不考慮波浪作用下的簡式相比，本文所得的含沙量新公式的計(jì)算結(jié)果與實(shí)測含沙量的相關(guān)性較高，相對誤差較小，在甌江南口外淺灘有較好的適用性。

由于缺少2010 年的風(fēng)況、波浪的實(shí)測資料，本文沒有闡述風(fēng)浪對含沙濃度變化的影響。此外，由于實(shí)測站點(diǎn)數(shù)較少，擬合出的新公式是否適用于甌江口其他海域，有待在以后的學(xué)習(xí)中進(jìn)一步探討。

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