西沙門懸沙輸移機制分析和討論

王義剛，孫繼斌，黃惠明，陳橙，陳斌

（河海大學海岸災害及防護教育部重點實驗室，南京210098）

西沙門懸沙輸移機制分析和討論

王義剛，孫繼斌，黃惠明，陳橙，陳斌

（河海大學海岸災害及防護教育部重點實驗室，南京210098）

以西沙門水沙實測資料為依據(jù)，運用懸沙通量機制分解法將懸沙凈輸移通量表示為多個動力影響項，討論區(qū)域內懸沙輸移的時空特征，分析認為平流輸沙在研究區(qū)域內為主要輸沙項，“潮泵效應”輸沙項為次要項。從漲落潮、流速和含沙量的變化過程討論其動力機制，結果表明：西沙門懸沙濃度在潮流作用下具有明顯的潮周期變化，懸沙沿岸輸移；平流輸沙中歐拉輸沙項主要取決于潮動力大小，斯托克斯輸沙項受潮波非線性效應影響；“潮泵效應”輸沙與泥沙懸浮“滯后效應”、漲落潮流流速的非對稱性和當?shù)貞疑碀舛认嚓P。

機制分解；平流輸沙；潮泵效應；西沙門

西沙門海域位于浙江省臺州市玉環(huán)縣，北臨隘頑灣，南為漩門灣（圖1）。隨著沿海地區(qū)經濟發(fā)展水平的不斷提高，西沙門海域逐漸被開發(fā)利用。由于以往對該海域研究較少，分析討論其懸沙輸移特征，對海域合理開發(fā)利用具有重要意義。

近岸海域懸沙輸移特征一直是學者們研究關注的重點問題之一［1-2］。潮流、懸沙輸移和岸灘地形變化關系緊密，岸灘地形影響潮流分布，進而形成局部區(qū)域內復雜水動力環(huán)境，從而對懸沙輸移產生影響。在近岸海域，懸沙輸移對岸灘淤積、沖刷起重要作用。劉高峰等［3］采用通量機制分解方法，結合實測資料研究長江河口漲落潮槽的水沙輸運機制，探討了不同河槽的各種動力因子對水沙輸移的影響。陳建勇等［4］利用余流分析和通量機制分解方法對杭州灣北岸弧形岸段懸沙輸運變化特征進行分析，并采用實際地形沖淤加以驗證。楊曉東等［5］采用通量機制分解方法對浙江省樂清灣懸沙輸移特征進行了討論。黃惠明等［6］利用潮流及泥沙輸運數(shù)學模型揭示了蘇北輻射沙洲水域泥沙分布及輸運的特征。英曉明等［7］通過通量分析方法對洋山港南北汊道水沙輸運年際變化進行分析，論述了保留顆珠山汊道的必要性。林偉波等［8］建立了甌江口三維潮流和泥沙數(shù)學模型并運用通量機制分解方法分析甌江口的懸沙輸運特性，表明甌江口內主要受控于潮汐作用，泥沙向陸輸運。堵盤軍等［9］利用統(tǒng)計和物質長期輸運機制分解方法初步分析研究了溫州甌飛淺灘海域懸沙時空分布和水體、懸沙三維輸運特征。學者們利用通量機制分解［10-13］取得了很好的研究效果，通量機制分解優(yōu)點是能直接確定影響通量變化的各種因素、相互作用及其貢獻大小，是目前通量計算研究中較為成熟和可靠的方法。本研究根據(jù)西沙門海域實測資料，分析西沙門區(qū)域的懸沙特點，利用通量機制分解方法分析該區(qū)域懸沙輸移特征，針對平流輸沙和“潮泵效應”輸沙進行探討，有助于加深對近岸海域懸沙輸移變化規(guī)律的認識。

圖1 西沙門區(qū)位及測站示意圖Fig.1Locations of Xishamen&sampling stations

1 研究區(qū)域背景

西沙門海域地理位置為121°21′～121°24′E，28°10′～28°19′N，位于浙江省東南海岸中段。海域東南側相對較為開闊，區(qū)域西北高東南低，向東南向微傾，涂面高程0.50～4.10 m（1985國家高程基準）。西沙門海域懸移質主要成分為粘土質粉砂，海域海底表面沉積物主要成分為含粘土粉砂和粘土質粉砂。

2 資料收集與研究方法

2.1 資料收集

為了全面分析該海域的懸沙輸移特征，在該海域進行了同步水位泥沙觀測，包括1個臨時潮位站和9個水文（潮流、泥沙）站點（圖1），收集了2個潮周期內（2012年4月15～16日，2012年4月21～22日）數(shù)據(jù)，測站水深不足6 m處采用三點法觀測［14］。

2.2 研究方法

對單寬懸沙通量進行分析，將流向進行矢量分解，分解為橫向（規(guī)定由西向東為正）和縱向（規(guī)定由南向北為正）。采用相對水深對瞬時物質通量進行分解［3］，設x為橫向坐標，y為縱向坐標，t為時間，h為水深，z為相對水深（0≤z≤1），u為瞬時流速，c為瞬時含沙量，其中對于瞬時流速u可以分解為垂向平均的潮平均量垂向平均的潮變化項垂向偏差項的潮平均量和垂向偏差項的潮變化項之和；水深h可分解為潮平均水深h0和潮偏差值ht，即h=h0+ht；同理瞬時含沙量

對單寬輸移量進行分析，則潮周期單寬平均懸沙輸移量為

式中：T為潮周期，符號＜＞記為潮周期取平均。T1為歐拉余流輸移項。T2為斯托克斯余流輸移項。T1+T2為平流輸移項，反映了水體凈輸移的輸沙效應。T3為潮汐與懸沙含量潮變化相關項。T4為懸沙與潮流場變化相關項，被稱為“潮汐捕集作用”。T5為垂向流速變化和懸沙變化的相關。T3+T4+T5為“潮泵效應”項。T6和T7為時均量與潮振動切變引起的剪切擴散項。T8為垂向潮震蕩切變作用。

3 結果與分析

3.1 潮流及懸沙特征

根據(jù)浙江沿海的潮汐特征，從大范圍來看，由東向來的外海潮波至近岸后，多沿岸線推進，結合西沙門海域的地形分布，漲潮時外海潮波傳入后，由西南偏西向逐漸轉為西南向流經西沙門海域后，流入漩門灣海域，而落潮則為從漩門灣處而來的東北向落潮流，逐漸轉為東北偏東向流經西沙門海域。

臨時潮位站觀測結果分析表明西沙門海域潮流屬于非正規(guī)淺海半日潮流類型，其中大潮（4月21～22日）平均漲潮歷時為6 h15 min，平均落潮歷時6 h5 min，相鄰高潮位（或低潮位）相差0.30 m左右，小潮（4月21～22日）平均漲潮歷時為6 h30 min，平均落潮歷時為6 h，相鄰高潮位（或低潮位）相差0.40 m左右。西沙門海域各站位在大潮落急流速普遍略大于漲急流速，小潮漲急流速普遍略大于落急流速。西沙門海域潮流的平面分布呈現(xiàn)吊船灣口門海域的流速最小，中間海域次之，離岸海域最大的特征，即流速由近岸向離岸逐漸增大。海域平均漲潮和落潮懸沙濃度分別為0.16 kg/m3和0.13 kg/m3，落、漲潮懸沙濃度的對比總體表現(xiàn)為漲潮懸沙濃度高于落潮潮懸沙濃度。懸沙濃度潮周期變化具有明顯的大潮大于小潮的變化特征，大、小潮懸沙濃度平均比值約為1.2:1.0。海域懸沙濃度的平面分布特征為近岸海域的含沙量高于離岸海域，北側海域的含沙量要高于南側海域。

分別選取吊船灣口門海域、中間海域、離岸海域的2#、4#、7#測站分析其大、小潮逐時水深、垂線平均流速值和懸沙濃度過程（圖2）。

2#測站位于吊船灣口門海域，大潮平均水深為2.97 m，其中漲急流速為0.35 m/s，落急流速為0.36 m/s，懸沙濃度變化過程和流速變化過程相比較，存在“滯后效應”，滯后時間30～60 min，大潮垂線平均懸沙濃度范圍為0.06～0.46 kg/m3。小潮平均水深為2.97 m，由于受口門流速影響，其中漲急流速為0.27 m/s，落急流速為0.30 m/s，垂線平均懸沙濃度范圍為0.04～0.39 kg/m3。位于口門海域的1#測站具有類似的水沙動力特征。

4#測站位于中間海域，大潮平均水深為3.67 m，其中漲急流速為0.28 m/s，落急流速為0.32 m/s，垂線平均懸沙濃度范圍為0.07～0.60 kg/m3。小潮平均水深為3.67 m，漲急流速為0.44 m/s，落急流速為0.25 m/s，垂線平均懸沙濃度范圍為0.07～0.41 kg/m3。位于中間海域的3#、5#測站也具有類似的水沙動力特征。

7#測站位于離岸海域，由于離岸較遠，其流速變化具有更明顯的規(guī)律性，大潮平均水深為4.97 m，其中漲急流速為0.41 m/s，落急流速為0.51 m/s，垂線平均懸沙濃度范圍為0.29～0.60 kg/m3。小潮平均水深為4.97 m，垂線平均流速在漲急和落急時出現(xiàn)對應峰值，其中漲急流速為0.37 m/s，落急流速為0.25 m/s，垂線平均懸沙濃度范圍為0.05～0.21 kg/m3。位于離岸海域的6#、8#和9#測站也具有類似的水沙動力特征。

圖22 #、4#和7#測站水深、懸沙濃度和垂線平均流速Fig.2Water levels,suspended sediment concentrations and depth?averaged current velocities at stations

3.2 懸沙通量分解

利用公式（1）對潮周期單寬平均懸沙輸移量（T）及各懸沙輸移分項進行計算，計算結果表明影響潮周期懸沙輸移量的主要動力項為歐拉輸移項T1，斯托克斯輸移項T2和“潮泵效應”輸沙項T3+T4+T5。圖3～圖6分別列出大小潮凈輸移項T、平流輸移項T1+T2、歐拉輸移項T1、斯托克斯輸移項T2和“潮泵效應”輸移項T3+T4+T5的大小及方向。

從時間角度分析，大潮各測站潮周期單寬平均懸沙輸移量基本小于小潮輸移量（8#站除外）。從空間角度分析，大潮8#測站T值最大，方向為漲潮方向，1#測站T值最小，向吊船灣外輸移；小潮6#測站T值最大，方向為漲潮方向，2#測站T值最小，向吊船灣內輸移；小潮口門海域1#測站向吊船灣外輸移，2#測站向吊船灣內輸移，其他各測站輸移方向基本和漲潮方向一致，大潮懸沙通量輸移方向具有類似規(guī)律（圖3），分析認為由于漲潮歷時長于落潮歷時及漲潮懸沙濃度大于落潮懸沙濃度，導致凈輸沙方向以漲潮向為主。

圖3 單寬總懸沙通量輸移情況Fig.3Analysis of total suspended sediment transport

3.2.1 平流輸沙項

平流輸沙［15］可以理解為歐拉余流和斯托克斯余流共同作用（即拉格朗日余流）引起的輸沙效應，T1、T2和T1+T2的方向分別和歐拉余流、斯托克斯余流和拉格朗日余流方向一致，決定平流輸沙項大小的因素有潮周期余流值、當?shù)爻敝芷趦绕骄鶓疑碀舛群退睢?/p>

由圖4可知1#測站小潮平流輸移項方向指向吊船灣外，沿落潮方向。其余各測站小潮平流輸沙沿漲潮方向，平流輸沙以漲潮方向為主；而大潮卻無明顯規(guī)律性。從時間角度來看，小潮平流輸移項量值高于大潮平流輸移項量值，分析后認為造成上述現(xiàn)象的原因有以下3點：（1）大潮漲落潮歷時大致相等（僅相差10 min），漲落潮流速變化較為對稱，小潮漲潮流歷時長于落潮流歷時30 min，漲落潮流不對稱性明顯；（2）小潮漲潮流速普遍大于落潮流速，相差0.10～0.20 m/s，而大潮漲潮流速和落潮流速僅相差0.05 m/s左右；（3）大潮天氣概況為東南風5～6級，海況2級，而小潮天氣概況為東北風5～6級，與漲潮方向一致。從空間分布來看，由于從近岸到遠岸，水深愈大，大、小潮平流輸移項呈現(xiàn)近岸海域輸移量小于離岸輸移量的規(guī)律，且平流輸移項占懸沙總輸移量的比重約為80%。

圖4 單寬平流懸沙通量輸移情況Fig.4Analysis of advection suspended sediment transport

圖5 單寬歐拉（左）和斯托克斯（右）懸沙通量輸移情況Fig.5Analysis of Euler（Left）&Stokes（Right）suspended sediment transport

歐拉輸移項輸移規(guī)律與平流輸沙項規(guī)律基本相同，由圖4和圖5對比可知歐拉輸移項在平流輸沙項中占主導地位，其中歐拉輸移量占懸沙總輸移量的比重約為50%。斯托克斯輸移項T2方向大、小潮漲潮方向為主要輸移方向，由于淺海潮波的非線性效應明顯，斯托克斯輸移量占懸沙總輸移量比重約為30%。

3.2.2 “潮泵效應”項

“潮泵效應”［16］可以概括為：泥沙起動懸浮沉降過程中，由于滯后效應，使得懸沙濃度變化過程滯后于流速變化過程，在漲落潮周期內表現(xiàn)為不對稱變化，同時在對稱或不對稱漲落潮流作用下，潮周期內產生凈懸沙輸移。除受潮流和懸沙濃度潮周期不對稱變化影響外，與當?shù)貞疑碀舛却嬖谥匾?lián)系。

從時間分布角度分析，大潮各測站“潮泵效應”輸移值均大于小潮各測站輸移值。從空間分布來看，近岸“潮泵效應”輸移量大于遠岸輸移量?！俺北眯陛斠屏空紤疑晨傒斠屏勘戎丶s為15%，為次要輸沙項。

為了更好反映其輸沙機理，選取大、小潮“潮泵效應”項較大的2#站流速和懸沙濃度的關系（圖7）進行分析。

2#測站在大、小潮表、中、底三層流速過程基本一致，但懸沙濃度具有很大的差異，這和懸浮泥沙的來源密切相關，由于潮流作用，泥沙起動、懸浮、落淤，使得底層懸沙濃度明顯高于表層、中層濃度。其他測站也存在類似現(xiàn)象。“潮泵效應”主要反映在潮汐漲落過程中泥沙顆粒在水體和海底之間的周期性上揚下沉的現(xiàn)象，分析底層懸沙濃度變化過程更具有代表性。

圖6 單寬“潮泵效應”懸沙通量輸移情況Fig.6Analysis of‘Tide Pumping’suspended sediment transport

圖7 懸沙濃度與流速過程線Fig.7Relationship of velocity&suspended sediment concentration

2#測站大潮懸沙濃度與流速過程相位相似，在漲急和落急時刻1～2 h后懸沙濃度出現(xiàn)峰值，并且漲潮峰值略大于落潮峰值，出現(xiàn)該現(xiàn)象是因為底層漲潮過程平均流速略大于落潮過程平均流速，泥沙更容易起動。2#測站大潮底層漲潮平均懸沙濃度0.52 kg/m3，落潮平均懸沙濃度0.21 kg/m3，這是由于漲潮過程流速較大造成的，從而使得“潮泵效應”凈輸沙沿漲潮方向向吊船灣內輸移。小潮第二個漲落潮周期內懸沙濃度與流速過程存在明顯相位差，且在落憩時刻底層懸沙濃度達到峰值0.66 kg/m3，這可能是由于落潮隨著落潮流速逐漸降低，水體挾沙能力下降，懸浮泥沙發(fā)生沉降，并逐漸向近底層聚集，使得底層懸沙濃度明顯增大。2#測站小潮底層漲潮平均懸沙濃度0.36 kg/m3，落潮潮平均懸沙濃度0.28 kg/m3，從而產生向吊船灣內的“潮泵效應”懸沙輸移。

3.2.3 其他作用項

其他作用項由時均量與潮振動切變引起的剪切擴散項T6、T7和垂向潮震蕩切變作用T8共同組成，其他作用項值很小，所占比重約為5%。大、小潮其他作用項輸移無明顯規(guī)律性，但由于大潮懸沙濃度大于小潮懸沙濃度，各測站大潮輸移值均大于小潮各測站輸移值。

圖8 單寬其他作用項懸沙通量輸移情況Fig.8Analysis of other suspended sediment transport

4 結論

運用通量機制分解法，計算分析了西沙門懸沙輸移特征并討論了相應動力因素的輸沙特點，研究表明西沙門海域懸沙輸移表現(xiàn)為沿岸輸沙，主要輸沙方向為漲潮方向，小潮懸沙輸移量普遍大于大潮懸沙輸移量。

（1）西沙門海域平流輸沙項起主要作用，占懸沙總輸移的80%左右，其中歐拉輸移項比重為50%，斯托克斯輸移項比重為30%。平流輸沙主要輸沙方向為漲潮方向，其中斯托克斯輸移方向與風向也保持一定的一致性。平流輸沙在近岸海域輸沙量小于離岸輸沙量。小潮平流輸沙量普遍大于大潮平流輸沙量。

（2）研究區(qū)域“潮泵效應”輸沙為次要作用，占懸沙總輸移的15%左右。近岸“潮泵效應”輸移量大于遠岸輸移量。大潮“潮泵效應”輸移值均大于小潮各測站輸移值。其他作用項值很小，所占比重約為5%，大潮輸移值均大于小潮輸移值。

（3）西沙門海域懸沙在非對稱性潮流作用下產生凈輸沙量。平流輸沙項中，歐拉輸移項與當?shù)仄骄?、潮周期平均含沙量和歐拉余流呈正相關性，淺海風生流也是影響歐拉輸移項的因素之一，斯托克斯輸移項主要受潮波非線性效應影響，淺灘區(qū)域受影響更加顯著；“潮泵效應”輸移項主要取決于懸沙“滯后效應”、漲落潮流流速的非對稱性和當?shù)貞疑碀舛惹闆r。

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Mechanism of suspended sediment transport in Xishamen

WANG Yi?gang,SUN Ji?bin,HUANG Hui?ming,CHEN Cheng,CHEN Bin
（Key Laboratory of Coastal Disaster and Defense of Ministry of Education,Hohai University,Nanjing 210098,China）

Based on the dynamics measurement of water levels,current velocities and suspended sediment con?centrations in Xishamen,the transport flux of suspended sediment was calculated by the flux decomposition meth?od,and the space?time distributional characteristics were analyzed.The results show that the advection plays a sig?nificant role in the regions and the second factor is the tidal pumping effect.The dynamic mechanism of main items was discussed in term of tiding,velocity and suspended sediment concentration process.The conclusion shows the Euler residual current effect is determined by tidal power.The Stokes current is influenced by the nonlinear effect of tide and wave.The tidal pumping effect is induced by the bottom sediment suspended,tidal dissymmetry and con?centration diffecence.

mechanism decomposition；advection；tidal pumping；Xishamen

TV 142+3；TV 131.61

A

1005-8443（2014）06-0595-07

2014-04-25；

2014-05-12

國家“十二五”科技支撐計劃資助項目(2012BAB03B01)

王義剛（1955-），男，浙江省定海人，教授，博士生導師，主要從事海岸、河口動力環(huán)境和泥沙研究。

Biography：WANG Yi?gang（1955-），male，professor.