椒江河口水沙特征分析和懸沙分布推算

戴瑋琦，陶建峰，張 琴，張長寬，徐 凡

（1.河海大學(xué)水文水資源與水利工程科學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南京210098；2.河海大學(xué)港口海岸與近海工程學(xué)院，南京210098）

椒江河口水沙特征分析和懸沙分布推算

戴瑋琦1，2，陶建峰1，2，張 琴2，張長寬2，徐 凡2

（1.河海大學(xué)水文水資源與水利工程科學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南京210098；2.河海大學(xué)港口海岸與近海工程學(xué)院，南京210098）

基于椒江河口2009～2014年洪、枯季共5次全潮水文泥沙測驗(yàn)數(shù)據(jù)，分析了河口區(qū)的水沙特征，建立了河口區(qū)洪、枯季大潮期半潮平均漲落潮水沙關(guān)系，利用二維潮流泥沙數(shù)學(xué)模型結(jié)果對水沙關(guān)系推算的含沙量分布進(jìn)行了驗(yàn)證。結(jié)果表明：椒江河口的水流從外海至口門逐漸增大，高濃度懸沙從口外向口門積聚，白沙至瑯磯山一線以西海域的懸沙濃度較高；河口區(qū)含沙量分布與流場及水下地形呈良好的相關(guān)關(guān)系；結(jié)合潮流場數(shù)值模擬結(jié)果，擬合的水沙關(guān)系可較好地推算出河口區(qū)的懸沙濃度分布。

水沙特征；水沙關(guān)系；懸沙分布；椒江河口

潮汐河口是流域和海洋的樞紐，既是流域物質(zhì)的歸宿，又是海洋的開始，是陸海相互作用的集中地帶［1］。潮汐河口廣泛存在含沙濃度明顯高于其上下游的最大渾濁區(qū)［2］，受洪、枯季徑流和潮汐周期變化的作用。河口區(qū)特定河段內(nèi)懸沙與床沙的交換頻繁、通航水域淤淺嚴(yán)重、河床沖淤多變等均與最大渾濁區(qū)的存在密切相關(guān)［2-3］。我國東南沿海分布著數(shù)條源短流急的山溪性河流，具有徑流洪枯比大、潮差大、潮流作用強(qiáng)、水體含沙量高的特點(diǎn)［2，4］。徑流和潮流是塑造這類河口的兩大動力因素［4］，而決定河床演變的最活躍因素是水流與泥沙條件［5］。因此，研究該類河口水沙特征對于分析河口泥沙沖淤等問題具有一些重要的意義［2-4，6］。

椒江位于浙江中部沿海，是浙江省沿海第三大水系［5］，自牛頭頸流入臺州灣海域，椒江河口是典型的喇叭狀強(qiáng)潮河口（圖1），徑流量與輸沙量洪枯懸殊。根據(jù)孫英等［4］分析，汛期4～6月為主要輸水期，輸水量占總輸水量的76％，汛期7～9月為主要輸沙期，輸沙量占總輸沙量的94.4％。椒江河口至臺州灣水域的潮流具有順時(shí)針旋轉(zhuǎn)性質(zhì)，旋轉(zhuǎn)性自東向西漸?。?］。波浪對椒江口懸沙濃度分布產(chǎn)生的作用較少［7］。泥沙運(yùn)動主要表現(xiàn)為懸沙運(yùn)動，漲潮水流經(jīng)口門時(shí)迅速收縮，落潮水流出口門后突然擴(kuò)散，從而導(dǎo)致在潮流流速較大的河口段，其含沙量高于口外海域和口門上游河段［8］。

椒江河口的水動力和泥沙研究，歷來是眾多學(xué)者的研究熱點(diǎn)。符寧平等［9］根據(jù)大量實(shí)測資料，對椒江懸沙的沉降機(jī)理、含沙量分布進(jìn)行了分析和討論，認(rèn)為河口區(qū)以絮團(tuán)方式沉降的懸沙是河床沖淤變化的主要物質(zhì)，其含量對河口含沙量的影響極大。趙龍保［10］引入前期含沙量的概念，獲得適用于強(qiáng)潮河口的潮流挾沙力經(jīng)驗(yàn)公式。李伯根等［11］討論了椒江河口懸沙粒徑分布的區(qū)域變化和潮汐周期變化，認(rèn)為河口區(qū)泥沙主要來源于口外海域、底部沉積物再懸浮物質(zhì)和絮凝沉降。郭琳等［12］以椒江口-臺州灣為研究區(qū)，建立了懸沙濃度遙感處理模型，分析了不同季節(jié)、不同潮汐情況下懸沙的分布特征?？梢?，近30 a來，眾多學(xué)者們對椒江河口的水動力特征、懸沙濃度分布規(guī)律、懸沙輸移機(jī)制以及懸沙絮凝沉降等方面進(jìn)行了較多研究，但是很少對椒江河口的水動力和泥沙的直接關(guān)系進(jìn)行分析。

本文基于椒江河口2009～2014年洪、枯季共5次現(xiàn)場水沙觀測資料，分析河口區(qū)的水沙特征，進(jìn)而借鑒劉家駒的挾沙力含沙量統(tǒng)一公式，建立河口區(qū)洪、枯季大潮期漲落潮水沙關(guān)系，并利用二維潮流泥沙數(shù)學(xué)模型結(jié)果對含沙量與水流要素的相關(guān)關(guān)系進(jìn)行了驗(yàn)證。

1 資料與方法

1.1資料

2009、2012和2014年洪季以及2011、2013年枯季，于椒江河口、臺州灣海域進(jìn)行了5次大潮全潮的流速、流向、懸移質(zhì)含沙量等進(jìn)行了現(xiàn)場觀測，共布設(shè)了21條固定垂線，其中夏季12條、冬季9條，具體垂線位置如圖1所示。垂線測驗(yàn)采用6點(diǎn)法，垂線平均按加權(quán)平均獲得。

圖1 椒江河口區(qū)域測站分布Fig.1Distribution of stations in Jiaojiang Estuary area

1.2劉家駒挾沙力含沙量統(tǒng)一公式

劉家駒［13］將《海港水文規(guī)范》［14］推薦的淤泥質(zhì)海岸航道回淤計(jì)算方法拓展到粉砂質(zhì)海岸和沙質(zhì)海岸的應(yīng)用上，建立了挾沙力含沙量統(tǒng)一公式［15］，其具體形式為

式中：S為平均含沙量，m3/s；γ=1 000 kg/m3為水的密度；γs=2 650 kg/m3為泥沙顆粒密度；V1為潮流垂線平均流速，m/s；V2為平均波動流速，m/s，對于水深大于3～5 m、波高0.5 m以下的海域，其波浪影響可以略去［16］；g為重力加速度，m/s2；d為水深，m；α和n為系數(shù)。

當(dāng)懸沙粒徑小于等于0.03 mm時(shí)，泥沙因子可取為1。

1.3二維水動力模型和懸沙輸運(yùn)模型

為了驗(yàn)證水沙關(guān)系的合理性，采用Mike21軟件［17］模擬了椒江口-臺州灣海域的二維流場和懸沙場。模型計(jì)算域包含椒江以及臺州灣近海海域，北至擴(kuò)塘山，南至溫州市，南北范圍為28.3°N～29.0°N，東至122°E（見圖1左下小圖）。模型采用三角形網(wǎng)格離散，最小空間步長為50 m，近岸區(qū)域網(wǎng)格尺寸為200～600 m，外海區(qū)域網(wǎng)格尺寸為3 000 m。時(shí)間步長取30 s。椒江上游給定流量作為邊界輸入，外海開邊界給定潮位邊界，由東中國海潮波數(shù)學(xué)模型提供［18］。懸沙輸運(yùn)模型的開邊界條件分流入計(jì)算域和流出計(jì)算域兩種情況：對于流入計(jì)算域，采用已知懸沙含沙量邊界值，對于流出計(jì)算域的，邊界條件處理為閉邊界取含沙量的法向梯度為零。

2 結(jié)果與討論

2.1水沙特征

臺州灣海域旋轉(zhuǎn)流明顯，椒江河口以往復(fù)流為主，河口區(qū)含沙濃度明顯高于海門以上河段及其口外海域［19］。表1給出了洪、枯兩季大潮期各測站漲、落潮平均的流速和含沙量特征值。由表1可見，口門處垂線平均流速為0.8～1.0 m/s，自口門向外海方向遞減，白沙-瑯磯山一線流速降至0.4～0.5 m/s，外海區(qū)域流速為0.3～0.4 m/s。口門處洪季大潮垂線平均流速略大于枯季，說明上游徑流對河口區(qū)潮流影響不大。

自海門港以下的河口水域，懸沙含量分布具有明顯的時(shí)空變化特征?？菁竞沉看笥诤榧?，主要是冬季浙江沿岸流挾帶長江入海泥沙南下造成的［20］。海門附近洪、枯季大潮落潮期含沙量高達(dá)7.0 kg/m3以上（C1、D1垂線），漲潮期含沙量小于落潮期含沙量。河口區(qū)含沙量自口門向海方向遞減，在海門港附近懸沙濃度達(dá)到最大值，垂線平均含沙量大于5 kg/m3，老鼠山-巖頭一線附近為2～3 kg/m3，白沙-瑯磯山一線附近為0.5～1.2 kg/m3，外海區(qū)域含沙量小于0.3 kg/m3。臺州灣淺灘南部含沙量小于北部，外海區(qū)域南北差異不明顯。在一個(gè)潮周期中，懸沙含量與流速變化相對應(yīng)，其峰值一般滯后漲、落急1～2 h。

表1 大潮水沙特征值統(tǒng)計(jì)Tab.1Statistics of hydrodynamic?sediment characteristics in spring tide

2.2水沙關(guān)系擬合及驗(yàn)證

含沙量的分布是分析河口區(qū)河床演變的關(guān)鍵因素之一。河口區(qū)水流流速隨漲落潮過程變化，而水體含沙量隨水流速度變化有滯后效應(yīng)［21］，因此難以建立逐時(shí)的水沙相關(guān)關(guān)系。但水體含沙量的潮平均值接近其平均挾沙能力，因此，將漲、落潮的水流、泥沙等因素分別取平均，探求椒江河口的水沙關(guān)系。

將椒江河口區(qū)2009～2014年共5次水沙數(shù)據(jù)按照洪季漲潮、洪季落潮、枯季漲潮、枯季落潮分成4組，利用式（2）擬合水深、流速和含沙量的相關(guān)關(guān)系，式（3）～式（6）給出了相關(guān)關(guān)系式和相關(guān)系數(shù)。其中，泥沙因子為實(shí)測資料的懸沙粒徑的加權(quán)平均，經(jīng)計(jì)算椒江河口區(qū)的泥沙因子平均為0.96。

洪季漲、落潮含沙量S1、S2與水深、流速之間的關(guān)系式為

枯季漲、落潮含沙量S3、S4與水深、流速之間的關(guān)系式為

圖2和圖3分別為洪、枯季漲、落潮水沙實(shí)測數(shù)據(jù)和水沙關(guān)系擬合曲線，其中橫坐標(biāo)Fr為弗勞德數(shù)

由相關(guān)關(guān)系和圖可見，所擬合的公式總體上能反映出含沙量與弗勞德數(shù)的關(guān)系，即含沙量與流速和水位的關(guān)系。

圖2 擬合與實(shí)測含沙量的比較（洪季）Fig.2Contrast of fitting and measured sediment concentration（flood season）

圖3 擬合與實(shí)測含沙量的比較（枯季）Fig.3Contrast of fitting and measured sediment concentration（dry season）

圖4 潮位驗(yàn)證結(jié)果Fig.4Verification results of tidal level

圖5 大潮垂線平均流速流向驗(yàn)證結(jié)果Fig.5Verification results of vertical average current velocity and direction in spring tide

圖6 大潮含沙量驗(yàn)證結(jié)果Fig.6Verification results of sediment concentration in spring tide

2.3數(shù)值模型驗(yàn)證

為了能給出合理的懸沙場分布，首先對1.3中的水動力和懸沙模型進(jìn)行了模型驗(yàn)證。模型計(jì)算了2014年6月13日～28日的大、中、小潮連續(xù)潮流場和懸沙場，并采用同步實(shí)測資料的海門站、瑯磯山站為潮位驗(yàn)證點(diǎn)，C1、C2、C3為潮流和含沙量驗(yàn)證點(diǎn)（點(diǎn)位見圖1）。限于篇幅，本文只列出大潮期的驗(yàn)證結(jié)果，潮位驗(yàn)證過程見圖4，潮流驗(yàn)證過程見圖5，泥沙驗(yàn)證過程見圖6。由圖可見，模型基本能夠反演臺州灣的流場和懸沙場。根據(jù)數(shù)值模擬的結(jié)果，統(tǒng)計(jì)了一個(gè)漲落潮期間椒江河口附近半潮平均含沙量分布（圖7）。從圖7可以看出，椒江口門懸沙濃度高，其分布自河口向外海方向減少。海門港附近的含沙量為5.0～10.0 kg/m3；在河口區(qū)域附近，含沙量急劇降低，在1.0 kg/m3以下。并且落潮含沙量略高于漲潮含沙量。

圖7 數(shù)值模擬洪季大潮半潮平均含沙量分布圖Fig.7Numerical simulation results of mean sediment concentration distribution at half?tide during spring tide in flood season

2.4懸沙場分析

運(yùn)用洪季漲潮平均含沙量公式（式3）和落潮平均含沙量公式（式4），將數(shù)值模擬計(jì)算所得的2014年洪季水深、流速條件代入上述關(guān)系式，得到漲、落潮期間平均含沙量場（圖8）

圖8 數(shù)值模擬枯季大潮半潮平均含沙量分布圖Fig.8Numerical simulation results of mean sediment concentration distribution at half?tide during spring tide in dry season

圖9 公式擬合洪季大潮半潮平均含沙量分布圖Fig.9Formula calculation results of mean sediment concentration distribution at half?tide during spring tide in flood season

圖10 公式擬合枯季大潮半潮平均含沙量分布圖Fig.10Formula calculation results of mean sediment concentration distribution at half?tide during spring tide in dry season

從水沙關(guān)系公式推算得到的懸沙場（圖9～圖10）可見，含沙量總體分布趨勢接近于數(shù)值模擬得到的懸沙場，均為椒江口門懸沙濃度高，從口門向口外濃度逐漸降低。老鼠山與巖頭一線以西洪季流速大于枯季，老鼠山與巖頭一線以東枯季流速大于洪季，河口的高濃度懸沙區(qū)隨著季節(jié)的變換在上下游發(fā)生移動；此外，冬季浙江沿岸流挾帶長江入海泥沙南下。因此，枯季含沙量略高于洪季含沙量。漲潮期，高濃度懸沙在椒江口外積聚，白沙與瑯磯山一線以西海域的懸沙濃度較高，均大于0.5 kg/m3，椒江口門濃度接近4.5 kg/m3。落潮期，隨著水位降低，落潮流和上游徑流搬運(yùn)高濃度懸沙往臺州灣海域，0.5 kg/m3濃度線可到達(dá)頭門島南部海域。因此，落潮含沙量略高于漲潮含沙量。

椒江河口灣內(nèi)臺州淺灘和南洋灘涂之間的椒江口外航道內(nèi)懸沙濃度低于航道外懸沙濃度。這是因?yàn)閮蓚?cè)圍墾工程對椒江口外航道起到了一定的疏水作用，使得航道水深逐漸加深，從而影響到航道內(nèi)懸沙濃度低于航道外懸沙濃度。

3 結(jié)論

通過分析椒江河口附近海域2009～2014年的水文泥沙資料并進(jìn)行水沙關(guān)系擬合和懸沙分布推算，得到以下主要結(jié)論：

椒江河口垂線平均流速自口門向外海方向遞減，洪季大潮垂線平均流速略大于枯季。

自海門港以下的河口水域，懸沙含量分布具有明顯的時(shí)空變化特征。枯季含沙量大于洪季，落潮期含沙量大于漲潮期。河口區(qū)含沙量自口門向海方向遞減，在海門港附近懸沙濃度達(dá)到最大值。

基于劉家駒的挾沙力含沙量統(tǒng)一公式擬合得到的椒江河口區(qū)洪、枯季大潮漲落潮水沙關(guān)系能夠用于在不運(yùn)用數(shù)值模型計(jì)算懸沙場的情況下，結(jié)合流場推算出合理的懸沙場分布。

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Analysis on characteristics of hydrodynamic?sediment and calculation on distribution of suspended sediment concentration in Jiaojiang Estuary

DAI Wei?qi1,2,TAO Jian?feng1,2,ZHANG Qin2,ZHANG Chang?kuan2,XU Fan2
（1.State Key Laboratory of Hydrology?Water Resources and Hydraulic Engineering,Hohai University,Nanjing 210098,China;2.College of Harbor,Coastal and Offshore Engineering,Hohai University,Nanjing 210098,China）

Based on 5 group data of water and sediment of flood and dry season in Jiaojiang Estuary from 2009 to 2014,the characteristics of hydrodynamic?sediment were analyzed.Four formulas between tidal current and sedi?ment concentration were obtained by means of empirical formula,and they were validated using results of numerical simulation.The results show that the flow field and sediment concentration of Jiaojiang Estuary are gradually in?creasing from the sea area to estuary,and the high concentration of suspended sediment is accumulated from the sea area to Jiaojiang entrance.It shows a good relationship between suspended sediment concentration and flow.Based on these relationships and simulated flow field,the distribution of suspended sediment concentration agrees well with the numerical simulation results.

hydrodynamic?sediment characteristics;hydrodynamic?sediment relationship;distribution of sus?pended sediment concentration;Jiaojiang Estuary

TV 142；O 242.1

A

1005-8443（2016）02-0128-07

2015-07-22；

2015-11-03

國家自然科學(xué)基金（51109074，51179067）；江蘇省高?！扒嗨{(lán)工程”項(xiàng)目

戴瑋琦(1991-)，女，河南省開封人，碩士研究生，主要從事河口海岸水動力與物質(zhì)輸運(yùn)研究。

Biography：DAI Wei?qi（1991-），female，master student.