福建圍頭灣懸沙輸移機制分析

朱佳驊，孟艷秋，童朝鋒，時 健

（河海大學(xué)港口海岸與近海工程學(xué)院，南京210098）

福建圍頭灣懸沙輸移機制分析

朱佳驊，孟艷秋，童朝鋒，時 健

（河海大學(xué)港口海岸與近海工程學(xué)院，南京210098）

根據(jù)福建圍頭灣大潮期間潮汐、潮流、懸沙實測資料，分析水流輸運，同時利用機制分解法，將懸沙凈輸移通量分解為平流項、潮泵效應(yīng)項和垂向凈環(huán)流輸移項，對懸沙輸移的動力機制進行分析討論。結(jié)果表明：金門島東側(cè)余流，部分流向灣口，部分流向安海灣。金門島與大嶝島之間的余流，沿漲潮流向灣內(nèi)，懸沙凈輸移方向和余流方向保持一致；平流輸沙對懸沙凈輸移起主導(dǎo)作用；水域潮泵輸沙貢獻較大；垂向凈環(huán)流輸沙影響較小。

懸沙輸移；機制分解；余流；潮泵效應(yīng)；垂向環(huán)流

海灣泥沙輸移直接關(guān)系到海灣或者潮溝的海床演變，在河口海灣區(qū)域，泥沙輸移動主要動力是徑流、潮水、波浪等。為了解海灣泥沙運動規(guī)律，計算分析進出海灣泥沙通量，探究海灣泥沙輸送機制，可更加便于掌握海灣演變規(guī)律。由Bowden等在1960年代開始提出的機制分解法近年來在河口海灣懸沙通量輸移研究中得到良好應(yīng)用［1-9］。采用機制分解法對懸沙輸送的動力機制進行分解，分析各動力因子對泥沙輸移的貢獻度，可獲得研究海域促使泥沙輸運的控制動力因子。

福建圍頭灣是一典型的兩頭開放的海灣（圖1），受潮汐動力作用，泥沙不斷的在海灣內(nèi)外進行交換，為了更好地了解圍頭灣內(nèi)泥沙輸運規(guī)律，根據(jù)圍頭灣觀測點實測水文泥沙資料進行分析，闡明灣內(nèi)余流規(guī)律，采用機制分解法，分析圍頭灣泥沙輸移特征，并對平流輸沙、潮泵作用和垂向環(huán)流作用進行探討。

1 研究區(qū)域

圍頭灣位于福建省東南部，系金門島與大陸圍成的海灣，北側(cè)為大陸，南側(cè)是金門島和小金門島，西側(cè)為廈門島，海灣內(nèi)海域總面積371 km2（圖1）。圍頭灣內(nèi)金門島東西兩側(cè)各有兩條較深潮汐通道，從東至西，分別是WT2-WT5潮溝，WT1-WT6潮溝，以及小金門島左右兩側(cè)潮汐通道，其中東側(cè)兩潮汐通道有淺灘但無島嶼隔開，中間有串溝，東側(cè)兩潮溝和西側(cè)兩潮溝由金門島和大嶝島之間的潮汐通道相連，但是水深相對較淺。圍頭灣潮汐性質(zhì)屬于正規(guī)半日潮，潮差較大，最大潮差6.35 m，最小潮差2.11 m，平均潮差4.19 m，灣內(nèi)潮差略大于灣口，漲、落潮歷時相差不大。外海潮波通過金門斷面—圍頭斷面進入廈門海域，南面的潮波通過廈門東側(cè)海區(qū)進入同安灣，北面的潮流經(jīng)過圍頭灣，進入大嶝南側(cè)大片淺水區(qū)，在澳頭—金門五沙角斷面附近海區(qū)，在漲潮過程與南面潮流匯合。落潮分為南北兩支落潮流，與漲潮反方向向外海流出［10］。圍頭灣海域水域正規(guī)半日潮流占絕對優(yōu)勢，受潮溝地形制約，灣內(nèi)潮流呈往復(fù)流，與潮波傳播方向一致，漲潮流為西北偏西的方向，落潮流反之為東向偏東南向。灣內(nèi)泥沙除部分由安海灣內(nèi)的九溪雨季時開閘排洪帶來，主要來源是海域來沙，在季風(fēng)浪和潮流共同作用下，灣外渾水隨漲潮流入灣，并隨潮流來回搬運。灣內(nèi)底沙粒徑平均中值粒徑為0.29 mm，由灣頂至灣口底沙逐漸變粗，灣頂?shù)咨硨俜凵坝倌噘|(zhì)，灣中部底沙粒徑達到0.4～0.6 mm，屬粗砂，與圍頭灣外波浪動力較強有關(guān)。圍頭灣海區(qū)懸移質(zhì)泥沙粒徑較細(xì)，屬粉砂或粘土質(zhì)粉砂，正常條件下海域含沙量較低，冬季和夏季含沙量較為接近，灣內(nèi)垂線平均含沙量在平面上的分布，除了安海灣口等近岸水域含沙量大外，金門島與大陸之間的潮汐通道內(nèi)含沙量比較均勻；在垂線分布呈現(xiàn)表層低、底層高的特點；漲潮期垂線平均含沙量大于落潮期。

圖1 圍頭灣地形、測點位置及余流矢量圖Fig.1Diagram of topography，measuring point position and residual current vector of Weitou bay

2 資料來源

分析數(shù)據(jù)直接采用現(xiàn)場觀測水文數(shù)據(jù)和懸沙采樣數(shù)據(jù)。潮位觀測點位于圍頭角、石井、菊江和澳頭站共4點，共進行連續(xù)29 h觀測，平均漲潮歷時分別為6h06min、6h08min、6h08min、6h05min，落潮歷時分別為6h17min、6h15min、6h19min、6h06min。潮流觀測點共布設(shè)9個點，分別為WT1～WT9，測站分布見圖1，其中WT2、WT3、WT5布置在圍頭灣最東側(cè)潮溝區(qū)域，WT1、WT2布置在金門島東側(cè)近島側(cè)潮溝水域，WT4布設(shè)于東側(cè)兩潮溝的串溝內(nèi)，WT7、WT8為金門島和大嶝島之間水域，WT9布置于大金門島和大嶝島之間水域西側(cè)潮溝內(nèi)，各測點代表了不同的水域動力特征。測量時間為2010年1月17日06：00～18日09：00大潮，共進行連續(xù)28 h觀測，采用直讀式海流計SLC-92，測量觀測采用六層法，沿水深分別為表層、0.2 H、0.4 H、0.6 H、0.8 H和底層。大潮觀測期間主要為東北風(fēng)，最大風(fēng)速為11.7 m/s，海面最大波高為1.5 m。懸浮泥沙觀測站位布設(shè)位置與海流觀測站位一致，并與海流觀測同步進行，采用三層法，各層位置為表層、0.6 H、底層。表1為圍頭灣水域測量的流速、水深、含沙量特征值，流速測量結(jié)果顯示，灣內(nèi)水流基本屬往復(fù)流。

表1 圍頭灣水域流速、水深、含沙量特征值Tab.1 Characteristic values of tidal current，water depth and sediment concentration in Weitou bay waters

3 研究方法

3.1余流計算方法

在周期性變化的潮流水體中，流速u（t）可分解為沿水深垂向平均與垂向平均值的偏差項之和

式中：“-”為沿水深垂線平均的物理量。

同樣，懸沙濃度可以分解為

水深H（t）可分解為潮平均H0和潮變化Ht之和

按照拉格朗日余流UL的物理意義，即水體在整數(shù)個潮周期時段內(nèi)的隨體平均速度

由此單寬潮平均輸運量，即拉格朗日輸運量＜Q＞為

式中：＜UE＞·H0為歐拉輸運量；＜US＞·H0為斯托克斯漂流輸運量。

3.2懸沙輸移通量機制分解法

采用相對水深對瞬時物質(zhì)輸移量進行分解。潮周期T平均單寬懸沙凈輸移通量D的計算式為［12-13］

式中：D1是潮平均流輸沙，即歐拉余流輸沙；D2是潮汐波動與潮流變化的相關(guān)項，即斯托克斯漂移輸沙，D1+ D2為平流輸移，反映的是拉格朗日余流輸沙。D3是潮流和垂線平均含沙量潮變化的相關(guān)項，D4是水深與垂向平均含沙量的潮變化相關(guān)項；D5是水深、垂線平均含沙量與潮流的潮變化相關(guān)項，D3、D4、D5等三項均有隨潮汐變化的ct，因此D3+D4+D5被稱為“潮泵效應(yīng)”輸運項；D6+D7為垂向切變輸沙項，表示垂向凈環(huán)流對輸沙的貢獻。

4 水流輸運與懸沙輸移結(jié)果

4.1水流輸運

計算得到圍頭灣內(nèi)各測點大潮期間垂線平均余流以及余流輸運量（表2），表中落潮流方向為正，漲潮流方向為負(fù)。通過計算可知，各測站歐拉余流均小于0.1 m/s。WT2和WT4站余流沿落潮方向流出灣內(nèi)，其余各測站歐拉余流均沿漲潮方向流向灣內(nèi)。除了WT8站，各測站斯托克斯余流都小于歐拉余流。各測站斯托克斯余流大多沿漲潮方向流向灣內(nèi)。拉格朗日余流大小接近歐拉余流，方向與歐拉余流保持一致，余流由WT2-WT5潮溝進入，金門島東側(cè)余流，部分流向灣口，部分流向安海灣，金門島與大嶝島之間的余流，沿漲潮流向灣西頭輸運，拉格朗日余流矢量圖如圖1。

表2 圍頭灣各測站余流流速及其輸運量Tab.2Velocity and transport volume of residual current of sample stations in Weitou bay

圖2 各測點余流及不同輸沙項輸沙矢量圖Fig.2Vector chart of residual current and sediment transport of different sediment transport item at sample stations

WT9站的拉格朗日余流輸運量最大，沿漲潮方向輸運，WT2站的拉格朗日余流輸運量僅次于WT9站，沿落潮方向輸運，其余測站拉格朗日余流輸運量相差不大。

4.2懸沙輸移

根據(jù)式（7）計算得到各測點潮周期懸沙通量。圖2為各測點余流和各輸沙項潮周期輸沙矢量圖。表3為各輸沙項的大小，方向與各輸沙項占總輸沙量的比例。

表3 圍頭灣各測點潮周期懸沙輸移量與各分量的百分比Tab.3Tidal?averaged suspended sediment flux and the proportion of each dynamic term of sample stations in Weitou bay

懸沙凈輸移方向與余流方向基本一致，在大潮條件下，沿著大金門島東側(cè)的WT2～WT5潮溝進入，由灣口向灣內(nèi)，主要沿著大金門島和大嶝島之間的潮汐通道向西輸運，部分泥沙在大金門島東側(cè)兩串溝進行了交換，由WT1～WT6潮溝經(jīng)WT4所在串溝入WT2～WT5潮溝，一部分向灣口輸運，另一部分向安海灣輸運，總體而言，圍頭灣的泥沙輸運方向與潮波傳播方向一致，除WT2和WT4外，基本上是漲潮占優(yōu)。圍頭灣潮平均含沙量各位置差異并不是很大，凈輸沙量與水深有密切關(guān)系，水深大則其凈輸沙量大，灣兩側(cè)的WT1、WT2和WT9各點水深相對大，因此其凈輸沙量也相對大，而在金門島北水域WT7、WT8站，由于水深很小，相比于其他上述水深較大站點，凈輸沙量小。

對比各項，可以看出，決定泥沙輸移動主要是D1～D5各項，即平流輸沙和潮泵作用，D6～D7項影響非常有限。

5 機制分析

5.1平流輸沙

由式（5）中各項組成可以看出，平流輸沙實際為歐拉余流輸沙和斯托克斯余流輸沙共同作用引起的拉格朗日余流輸沙效應(yīng)，平流輸沙項大小由潮周期平均水深、余流值、潮周期平均懸沙濃度決定。

平流輸沙項中的潮平均流輸沙項D1，其c0和H0為標(biāo)量，其輸運方向取決于當(dāng)?shù)貪q落潮水流強度以及漲落潮歷時的對比，即取決于歐拉余流u0，其方向、路徑與歐拉余流一致。圍頭灣各點潮平均流輸沙項D1方向與其各點凈輸沙方向基本一致，各點除WT2和WT4外，其余均沿著漲潮流方向，說明圍頭灣的平流輸沙總體上是漲潮占優(yōu)。測量表明圍頭灣潮平均含沙量各位置差異并不是很大，因此潮周期平均流輸沙項D1的大小主要受水深影響，灣兩側(cè)的WT1、WT2和WT9各點水深相對大，平流輸沙量也相對大，而在金門島北水域WT7、WT8站水深較小，D1值相對小。

斯托克斯漂流輸沙強度D2反映斯托克斯余流對懸沙輸沙的貢獻。圍頭灣斯托克斯漂流輸沙量計算表明，相對于平均流輸沙，斯托克斯漂流輸沙總體上較小。D2的大小總體呈現(xiàn)如下特點：在潮溝深水區(qū)如WT1站的斯托克斯漂流輸沙占總輸沙的比重較小，大概是5％；淺水區(qū)的斯托克斯漂流輸沙相當(dāng)明顯，尤其在WT8測站，D2占總輸沙量的比例甚至超過D1，表明淺水區(qū)流速變化與水位變化的相關(guān)性相對于深水區(qū)更加明顯。與潮平均流輸沙方向比較，斯托克斯漂流輸沙方向差異較大，甚至與潮平均流輸沙方向相反。

可以得出，總輸沙項中，平流輸沙占主導(dǎo)部分。其中潮平均流輸運項D1的數(shù)值最大，方向也與總輸沙方向基本一致，說明平均流輸沙在總輸沙中占主導(dǎo)作用。深水區(qū)的平流輸沙主要受潮平均流輸沙控制，淺水區(qū)斯托克斯漂流輸沙作用相對明顯。

5.2潮泵作用

潮泵作用輸沙實際是在潮汐周期動力作用下，泥沙顆粒在水體與河床之間周期性地再懸浮、下沉及水平輸移，因潮流和含沙量的不對稱性，產(chǎn)生凈輸沙。取其中4點WT3、WT4、WT7和WT9站觀察其底層流速和含沙量的過程曲線，如圖3～圖6為圍頭灣其中四點的，負(fù)為漲潮流速，正為落潮流速?？梢钥闯?，各位置點最大含沙量出現(xiàn)在漲急稍后，說明在漲潮動力作用下，泥沙發(fā)生再懸浮；當(dāng)轉(zhuǎn)流期，泥沙顆粒發(fā)生沉降，濃度減小，落急時，盡管含沙量也有增加，但其依然比漲潮時期小。統(tǒng)計數(shù)據(jù)表1也可看出，各點漲潮平均含沙量基本大于落潮平均含沙量，漲潮平均流速大于落潮平均流速，在潮泥沙發(fā)生凈輸沙。因此在潮泵作用下，圍頭灣各點潮泵輸沙方向基本為漲潮流方向。

對比平流輸沙項，圍頭灣水域潮泵輸沙比平流輸沙作用小。各位置比較，潮泵輸沙量占比例相對大的為WT3和WT9站，根據(jù)表1統(tǒng)計分析認(rèn)為潮流和含沙量的不對稱性強，漲潮平均明顯大于落潮平均。在潮泵輸沙項中，D3對總輸沙量絕對值的貢獻率最大，D4最小，這也表明潮泵輸沙主要取決于潮流與含沙量的潮周期變化。

5.3垂向凈環(huán)流輸沙

垂向凈環(huán)流輸沙產(chǎn)生的原因是潮周期內(nèi)，垂向各層余流強弱和方向不一致以及懸沙濃度垂向分布不均勻，在垂向上積分后不能相互抵消，產(chǎn)生凈輸移。因此垂向凈環(huán)流輸沙量取決于垂向各層余流和泥沙濃度的不一致性。為此可以從余流和懸沙濃度沿水深分布特性探討垂向環(huán)流輸沙。

圖3 WT3站底層流速和含沙量過程線圖Fig.3Phase relationship between velocity and sediment concentration in bottom layer at station WT3

圖4 WT4站底層流速和含沙量過程線圖Fig.4Phase relationship between velocity and sediment concentration in bottom layer at station WT4

圖5 WT7站底層流速和含沙量過程線圖Fig.5Phase relationship between velocity and sediment concentration in bottom layer at station WT7

圖6 WT9站底層流速和含沙量過程線圖Fig.6Phase relationship between velocity and sediment concentration in bottom layer at station WT9

圖7 各測站垂向余流結(jié)構(gòu)圖（m/s）Fig.7Vertical residual current structure at sample stations

圖7是各測站垂向余流結(jié)構(gòu)圖，負(fù)號表示漲潮方向，正號表示落潮方向。歐拉余流垂向上的變化表征潮動力和其他動力的優(yōu)勢對比。整個圍頭灣區(qū)域，各測站歐拉余流表底層方向一致，WT2和WT4站余流沿落潮方向向灣口流出，其余各站均沿漲潮方向流入灣內(nèi)。斯托克斯余流表、底層大小基本相同，方向基本一致。WT8站，由于水深最淺，波浪非線性效應(yīng)顯著，斯托克斯余流較大。其余各測站斯托克斯余流均小于歐拉余流，表明歐拉余流起主導(dǎo)作用。表4為垂向各層拉格朗日余流及含沙量均值，WT1、WT5和WT6站表底層拉格朗日余流相差較大。WT1處在灣口位置，潮動力作用顯著；WT5站處于安海灣口附近，表層徑流和潮流劇烈作用，部分潮動力被徑流抵消，而底層潮動力占明顯優(yōu)勢，底層余流明顯大于表層余流；WT6站地形轉(zhuǎn)折以及狹管效應(yīng)使得表底層流速大小出現(xiàn)較大差異。

表4 垂向各層拉格朗日余流及含沙量均值Tab.4Vertical distribution of Lagrange residual current and tidal?averaged suspended sediment concentration

分析表4可以看出，含沙量的垂直分布為由表層向下含沙量值逐漸增高。各測站底、表層含沙量比較值相差不大，表明圍頭灣內(nèi)潮流作用強烈，垂線湍混強烈，懸沙混合均勻，垂向上的梯度差異很小。深水區(qū)的WT1和WT6站懸沙分層現(xiàn)象略明顯，主要是深水區(qū)，懸沙難以被掀起到達表層。

綜合余流和泥沙特性，WT1和WT6站垂向環(huán)流輸沙效果較明顯?？傮w上，垂向環(huán)流輸沙取決于D6的大小，垂向環(huán)流輸沙占總輸沙的比重較小，大概是5％，小于潮泵作用輸沙。

6 結(jié)論

運用機制分解法，分析福建圍頭灣大潮期間水沙輸運機制，得到以下認(rèn)識：

（1）金門島東側(cè)余流，部分流向灣口，部分流向安海灣。金門島與大嶝島之間的余流，沿漲潮流向灣內(nèi)；懸沙凈輸移方向和余流方向保持一致。

（2）圍頭灣懸沙輸移各輸沙項中，平流輸沙項占主導(dǎo)部分，深水區(qū)的平流輸沙主要受潮平均流輸沙控制，而淺水區(qū)斯托克斯漂流輸沙作用明顯。

（3）圍頭灣水域潮泵輸沙貢獻較大，漲落潮潮流和含沙量的差異導(dǎo)致懸沙產(chǎn)生凈輸移。

（4）垂向環(huán)流凈環(huán)流作用占總輸沙比重最小，灣內(nèi)各層余流方向保持一致，含沙量垂向梯度差異小。

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Mechanism of suspended sediment transport in Weitou bay in Fujian

ZHU Jia?hua,MENG Yan?qiu,TONG Chao?feng,SHI Jian
（College of Harbor,Coastal and Offshore Engineering,Hohai University,Nanjing 210098,China）

According to tide and suspended sediment data of Weitou bay in Fujian during spring tide,the wa?ter transport was analyzed and the net transport flux of suspended sediment was divided into advection term,tidal pumping effect term and vertical circulation transport term by use of mechanism decomposition method.A discus?sion was made on the dynamic mechanism of suspended sediment transport.The result shows that part of the residu?al current in the east of Jinmen island flows to the bay mouth and part flows to Anhai bay.The residual current be?tween Jinmen island and Dadeng island flows to the bay.The direction of suspended sediment transport is consis?tent with that of residual current.Advection effect is a dominant factor and tidal pumping effect term plays an impor?tant role in suspended sediment transport.The vertical circulation transport term has a small proportion.

suspended sediment transport;mechanism decomposition;residual current;tidal pumping effect; vertical circulation

TV 142

A

1005-8443（2016）02-0121-07

2015-07-06；

2015-10-16

國家自然科學(xué)基金重點項目（51339005）；國家自然科學(xué)基金青年項目（51409094）

朱佳驊(1991-)，女，江蘇省如皋人，碩士研究生，主要從事河口海岸動力學(xué)研究。

Biography：ZHU Jia?hua（1991-），female，master student.