長江口外海域懸沙濃度垂向剖面實用模型計算法

施心慧

摘要為了測定長江口外海域懸沙濃度，根據(jù)2006 年 8 月觀測數(shù)據(jù)，以設(shè)定的反映懸沙分布特性的指標(biāo)變量——懸沙特征系數(shù)為基礎(chǔ)，根據(jù)得出的分析結(jié)果測算出來不同的懸沙垂直分布結(jié)果，并與實際觀測的懸沙濃度進(jìn)行對比.通過完善提出的懸沙濃度垂向懸沙濃度剖面實用模型，根據(jù)實際資料反映出來的數(shù)據(jù)驗證模型的正確性和有效性，從而為由海表懸沙濃度推測水下懸沙濃度奠定基礎(chǔ).

關(guān)鍵詞懸沙濃度；懸沙特征系數(shù)；懸沙實用模型

中圖分類號TV148+1文獻(xiàn)標(biāo)識碼A文章編號10002537（2015）01001205

國內(nèi)外學(xué)者對懸沙及其濃度的測算有大量的研究[13]，Einstein[4]是第一位系統(tǒng)地提出懸沙運動學(xué)理論的科學(xué)家，陳沈良[5]對杭州灣大中小潮懸沙濃度的變化規(guī)律進(jìn)行了分析，認(rèn)為懸沙濃度變化的主要影響因素是潮的周期流速變化和水位變化，其模型的計算結(jié)果與實測資料擬合較好.懸沙剖面的特征吸引大量學(xué)者進(jìn)行研究[614]，獲得了具有參考價值的成果.本文提出懸沙特征系數(shù)，這個指標(biāo)與已有文獻(xiàn)相比進(jìn)一步描畫出了懸沙分布的特性.作者通過觀測臺風(fēng)過境前后長江口外海域懸沙斷面層的特征得到懸沙特征系數(shù)，建立了一種計算懸沙濃度垂向剖面的實用模型，并選取3個固定點位對這一模型的科學(xué)性和有效性進(jìn)行測試，結(jié)果表明此模型具有實用性，能為衛(wèi)星遙感資料獲取懸沙濃度剖面分布信息，實現(xiàn)動態(tài)監(jiān)測懸浮泥沙分布規(guī)律提供科學(xué)依據(jù).

1泥沙數(shù)據(jù)的有效獲取

在獲取泥沙數(shù)據(jù)的過程中，科學(xué)三號、金星二號科考船做出了巨大貢獻(xiàn).期間臺風(fēng)“桑美”襲擾我國，科考分為兩個階段，分別由科學(xué)三號和金星二號執(zhí)行航段任務(wù)，這樣既躲避了臺風(fēng)侵襲又能有效獲得臺風(fēng)過境前后兩個階段的數(shù)據(jù)，為下一步分析提供了可靠保障.

“桑美”臺風(fēng)過境前（以下簡記為風(fēng)前）的第一航段使用“科學(xué)三號”科考船對南起30°N，北到32°30′N，西起122°15′E，東至123°30′E的海域進(jìn)行了調(diào)查，共設(shè)置6個緯度斷面進(jìn)行走航觀測，其中1號斷面位于30°N，2號斷面位于30°30′N，向北緯度每隔30′設(shè)一斷面，6號斷面在32°30′N.經(jīng)度上每個斷面間距15′設(shè)一站點，共6個站點，在此區(qū)域的懸沙濃度剖面觀測點共計33個，如圖1所示.

“桑美”臺風(fēng)過境后的第二航段使用了“金星二號”科學(xué)考察船對南起30°30′N，北到31°30′N，從西至東經(jīng)歷了東經(jīng)122°至123°30′區(qū)間，并且設(shè)置5個進(jìn)行觀察的緯度斷面.其中在1號斷面的位置在30°30′N，依次向北緯度每隔15′設(shè)一斷面， 5號為31°30′N.在經(jīng)度方向上每個斷面每10′設(shè)置一個點，除去落在島嶼及管制區(qū)內(nèi)的站點，共35個觀測站進(jìn)行了懸沙濃度剖面的觀測，如圖2所示.第一航段還在3個站點進(jìn)行了25 h連續(xù)懸沙剖面濃度觀測，定點觀測站位分別是S1站（122°51.881′E， 32°0.187′N）位于觀測當(dāng)天長江口外混濁水的鋒面處，S3站（ 122°29.932′E，31°15.261′N）是長江口外混濁水高濃度區(qū)的代表點，S2站（122°54.972′E，31°0.009′N）是混濁水域外側(cè)（東邊）較清水域的代表點.S1 站分別在5 m、10 m和27 m分別進(jìn)行表層、中層和深層觀測； 而S3站的觀測深度有所不同，分別設(shè)在 5 m，10 m，19 m處；S2 站的水深略深，深度分別設(shè)在 5 m，20 m，40 m處，3個站共獲得27個垂向剖面懸沙濃度觀測數(shù)據(jù).

為取得合理的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，海試中主要借助常規(guī)法和儀器法對垂向懸沙濃度數(shù)據(jù)進(jìn)行觀測.觀測懸沙濃度的常規(guī)方法是在實驗室經(jīng)過采水、過濾、烘干、稱量等步驟，獲得以mg/L為標(biāo)準(zhǔn)單位的懸沙濃度值，同時借助AAQ1183 水質(zhì)檢測儀的濁度探頭，將剖面的濁度觀測值記錄下來，再將濁度單位值與濃度值進(jìn)行轉(zhuǎn)換，得出的數(shù)據(jù)就可以作為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)使用.將在同一地點同一時刻獲得的懸沙濃度與在濁度儀探頭下獲得的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化后的數(shù)值建立對應(yīng)關(guān)系，便得到了每個觀測站點的垂向懸沙濃度資料，為繼續(xù)分析分布特征提供了依據(jù).

2懸沙濃度垂向分布特征

本文通過描述懸浮泥沙分布特性的量——懸沙特征系數(shù)（CCoSSC）來分析懸沙分布特征，即海水中懸沙底層濃度與表層濃度比值的對數(shù)：

CCoSSC=ln（S底/S表）.（1）

S底表示底層海水懸沙濃度，S表表示表層海水懸沙濃度，制作一個表示研究海域的10′×10′的網(wǎng)格點，將懸沙特征系數(shù)分別標(biāo)注到網(wǎng)格上，記為懸沙特征系數(shù)表（表1），具體區(qū)域為東經(jīng)1225°～123.5°， 北緯30.0°～325°.

將表1中數(shù)據(jù)作圖（圖3），可知：總體來看，懸沙特征系數(shù)呈現(xiàn)向外逐漸變小但在近岸大的特點；研究海域南部（北緯30°～31°）其特征的數(shù)值基本上都大于1，其中在123°E， 30.5°N附近出現(xiàn)最大值；這片海域北部（32°N附近）有一個相對較低的區(qū)域，懸沙特征系數(shù)均小于1；北緯31°～315°為中間過渡帶.

3實用模型的設(shè)計及其在長江口外海域的應(yīng)用

根據(jù)泥沙擴散理論，對懸沙泥沙的垂向分布進(jìn)行計算：

ln（Sv/Sv0）=-ω（y-y0）/εy.（2）

其中，Sv為y處的懸沙濃度，Sv0為海床面y0處的懸沙濃度， ω為懸沙沉降速度，εy為垂向泥沙擴散系數(shù).由（2）式變化得到模型

ln S=a+b·hr，hr=-y/H.（3）

其中，hr為相對水深，S為懸沙濃度，H為海水的水深，a、b為回歸參數(shù).

利用表1查出該海域某個地點相應(yīng)的數(shù)值，定出相對水深hr的參數(shù)b，同時通過衛(wèi)星遙感資料易獲得該點表層濃度值，故假設(shè)表層濃度已知，從而代入公式（3）便可確定另外一個參數(shù)a.如此，在a、b兩個回歸參數(shù)確定的情況下，即可利用公示（3）計算出某點所處水層的懸沙濃度的對數(shù)值.

本文對幾十個航站點進(jìn)行數(shù)據(jù)模擬，檢驗?zāi)Ｐ偷挠行?

由于在計算懸沙濃度時衛(wèi)星云圖以及相關(guān)數(shù)據(jù)并非表現(xiàn)出絕對0 m的數(shù)值，因此計算中使用風(fēng)前風(fēng)后站點表層0～5 m觀測懸沙濃度平均值，應(yīng)該更接近實際的結(jié)果和真正的表層海水情況.根據(jù)表1確定臺風(fēng)過境前后各站點的懸沙特征系數(shù)值，然后計算風(fēng)前風(fēng)后站點表層0～5 m觀測懸沙濃度平均值，從而算出a和b值.然后由模型計算出該點整層水深的垂向懸沙剖面，最后與風(fēng)前風(fēng)后站點觀測資料進(jìn)行比較.

首先對臺風(fēng)過境前的30多個站點按照上述辦法進(jìn)行測算，得到懸沙濃度觀測值與根據(jù)公式（3）得出的計算值，算出相對誤差和絕對誤差（表2）.可以看出相對誤差只有0.144 4；絕對誤差極小，僅為1.420 8 mg/L，模型較為有效.

使用同樣的方法對臺風(fēng)過境后35個站點計算風(fēng)后懸沙斷面觀測值與模型計算值之間的平均相對誤差和絕對誤差，如表3所示.可見風(fēng)后的相對誤差有所上升（0.243 3），但是絕對誤差略有下降（0.896 5），總體數(shù)據(jù)基本一致.這表明實用模型能夠應(yīng)用到此海域的研究中.

使用同樣的方法對臺風(fēng)過境后35個站點計算風(fēng)后懸沙斷面觀測值與模型計算值之間的平均相對誤差和絕對誤差，如表3所示.可見風(fēng)后的相對誤差有所上升（0.243 3），但是絕對誤差略有下降（0.896 5），總體數(shù)據(jù)基本一致.這表明實用模型能夠應(yīng)用到此海域的研究中.

根據(jù)表1得出相應(yīng)的S1，S2和S3處的數(shù)值，如果這3個點經(jīng)緯度不在表中的話，則取表中與其距離最近的值，并將模擬值與實測值進(jìn)行比較（見表5）.結(jié)果誤差不超過10%，這說明可以用特征系數(shù)表計算懸沙濃度值，實用模型可以應(yīng)用于實際.

5結(jié)論

根據(jù)臺風(fēng)過境前后懸沙斷面的觀測資料數(shù)據(jù)，得出了懸沙特征系數(shù).通過對臺風(fēng)過境前后各站點實測值與模擬值的比較，以及3定點回歸模型的比較，得出結(jié)論：實用模型能夠應(yīng)用于研究海域.如果想用衛(wèi)星圖片資料得到海域表層懸沙濃度，只需要設(shè)定其中一個參數(shù)a，然后利用懸沙特征系數(shù)表確定另一個參數(shù)b，即可計算本海域的懸沙濃度垂向剖面，由此可借助衛(wèi)星圖片資料比較容易地獲得表層懸沙濃度的信息.

參考文獻(xiàn)：

[1]畢世普，黃海軍，莊克琳，等. 長江河口峰的懸沙及動力特征初探[J]. 海洋科學(xué)， 2009，40（12）：1218.

[2]劉咪咪. 東海懸沙濃度垂向分布規(guī)律研究[D]. 青島：中國科學(xué)院研究生院（海洋研究所）， 2008.

[3]陳斌，周良勇，劉健，等. 廢黃河口海域潮流動力與懸沙輸運特征[J]. 海洋科學(xué)， 2011，32（5）：7382

[4]EINSTEIN H A. The bed load function for sediment transportation in open channel flows[J].Tech Bull， 1950，1026（1）：173.

[5]陳沈良， 谷國傳. 杭州灣口懸沙濃度變化與模擬[J].泥沙研究， 2000，20（5）：4550.

[6]郜昂， 趙華云，楊世倫，等. 徑流、潮流和風(fēng)浪共同作用下近岸懸沙濃度變化的周期性探討[J]. 海洋科學(xué)進(jìn)展， 2008，26（1）：4450.

[7]陳濤，李平湘，張良培，等.三峽壩區(qū)水體懸浮泥沙含量遙感估算模型研究[J].測繪信息與工程， 2008，33（2）：13.

[8]孟慶勇.西太平洋特定海域沉積物的地磁場相對強度研究[D].青島：中國科學(xué)院研究生院（海洋研究所）， 2009.

[9]龐重光，韓丹岫，趙恩寶.黃東海懸浮泥沙濃度的垂向分布特征及其回歸模型[J].泥沙研究， 2009，10（5）：6973.

[10]李東義，陳堅，汪亞平，等.九龍江河口區(qū)懸沙濃度的實測與模型結(jié)果對比研究[J].泥沙研究， 2013，4（2）：3343.

[11]董佳，張寧川. 泥沙參數(shù)選擇方法及在懸沙濃度研究中的應(yīng)用[J].水道港口， 2011，32（5）：3542.

[12]李文丹，李孟國，龐啟秀，等.臺山核電站取排水工程潮流泥沙數(shù)值模擬研究[J].水道港口， 2011，32（2）：6773.

[13]孔德星，楊紅. 長江口區(qū)基于BP算法的表層懸沙濃度計算模型[J].海洋技術(shù)， 2009，28（2）：13.

[14]郭志剛， 楊作升， 張東奇， 等. 冬、夏季東海北部懸浮體分布及海流對懸浮體輸運的阻隔作用[J]. 海洋學(xué)報：中文版， 2002，24（5）：7180.

（編輯王?。?