杭州灣南岸庵東邊灘弧頂斷面二維形態(tài)研究

潘冬子，金桂中，陳水龍，楊元平，孫　超，李紅燕

(1．浙江省水利河口研究院,浙江　杭州　310020；2．紹興市上虞區(qū)港務(wù)管理局，浙江　上虞　312369)

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杭州灣南岸庵東邊灘弧頂斷面二維形態(tài)研究

潘冬子1，金桂中2，陳水龍2，楊元平1，孫超1，李紅燕1

(1．浙江省水利河口研究院,浙江杭州310020；2．紹興市上虞區(qū)港務(wù)管理局，浙江上虞312369)

摘要：針對杭州灣南岸庵東邊灘和近岸潮流水動力特性，在現(xiàn)場調(diào)研和資料分析的基礎(chǔ)上，通過因次分析，確定波浪和潮汐水流共同作用下床面泥沙運(yùn)動的動床模型比尺關(guān)系，在此基礎(chǔ)上，研究了杭州灣南岸庵東邊灘弧頂斷面二維形態(tài)演進(jìn)過程。

關(guān)鍵詞：強(qiáng)潮河口；淤泥質(zhì)潮灘；模型試驗；相似理論

淤泥質(zhì)潮灘主要是指分布在河口海岸潮間帶由細(xì)顆粒泥沙組成的灘地[1]。浙江省大陸海岸線曲折7，北起平湖金絲娘橋，南至蒼南縣虎頭鼻，全長1 840 km，形成杭州灣、象山港、三門灣、樂清灣等許多海灣。淤泥質(zhì)海岸是浙江海岸的主要類型，由粉砂、泥質(zhì)粉砂和粉砂質(zhì)泥等細(xì)粒物質(zhì)組成，浙江省潮灘主要分布在河口、港灣岸段，逾1 000 km，占浙江岸線的54%。利用豐富的灘涂資源進(jìn)行圍墾造地一直是浙江省緩解人多地少矛盾的主要措施，有利于加速城市化進(jìn)程、調(diào)整農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)、加快農(nóng)業(yè)農(nóng)村現(xiàn)代化提供腹地，有力地促進(jìn)了沿海社會經(jīng)濟(jì)的發(fā)展。自新中國成立以來至2007年，全省沿海圍填灘涂20.87萬hm2(313萬畝)，約0.210萬km2。由于浙江省易于復(fù)墾整理的土地大多已開發(fā)完畢，新增空間十分有限，沿海可適宜圍墾造地的0.171萬km2灘涂資源，將成為全省新增建設(shè)用地的主要空間和重要途徑。

浙江省多數(shù)海岸又屬于強(qiáng)潮岸段，當(dāng)潮波傳人半封閉港灣，具有駐波特性，一般從口門向內(nèi)潮差逐漸增大。港灣有寬廣的蓄潮盆地，蓄納豐富的潮量，致使落潮流速大于漲潮流速。港灣沉積物為淤泥，以海域來沙為主，受到長江口泥沙擴(kuò)散和沿岸淺海沉積物輸移的影響。港灣內(nèi)形成水深良好的港道，灣頂發(fā)育寬廣的潮灘，構(gòu)成浙江省特殊的海岸類型。然而由于河口的水動力及地質(zhì)條件非常復(fù)雜，目前對潮汐水流作用下淤泥質(zhì)潮灘剖面形態(tài)演進(jìn)規(guī)律還沒有充分地認(rèn)識與理解，使得近岸灘涂的合理開發(fā)與利用受到諸多限制。本文針對杭州灣南岸庵東邊灘和近岸潮流水動力特性，在現(xiàn)場調(diào)研和資料分析的基礎(chǔ)上，開展淤泥質(zhì)潮灘二維剖面形態(tài)研究，為灘涂資源的開發(fā)和濕地與岸線保護(hù)等工程提供合理實用的技術(shù)儲備。

1現(xiàn)場調(diào)研和資料分析

淤泥質(zhì)潮灘主要成分是具有粘性的泥質(zhì)泥沙，但往往也含有砂質(zhì)泥沙，其剖面特征是坡度較平緩，灘面水淺，前灘寬廣。庵東邊灘位于杭州灣南岸潮灘的突出段，為強(qiáng)潮環(huán)境下凸岸邊灘式堆積體，東鄰灣口潮汐通道，西至錢塘江河口，延伸60余公里[2]。觀察斷面剖面形態(tài)的長歷時演變見圖1，總體表現(xiàn)成橫臥S形，離岸12 000 m范圍內(nèi)灘地平緩，平均坡度為1/3 000；斷面末端為水下斜坡，坡度為1/400，它似一道堤壩的邊坡，坡面平整，斜置水下，與海底床面構(gòu)成夾角，形成一條明顯的轉(zhuǎn)折帶。1993—2013年，觀測斷面上前后經(jīng)過2次圍墾，第1次海塘封閉在2002年，陸中灣十塘建成；第2次海塘封閉在2009年，陸中灣十一塘建成；海塘推進(jìn)對于斷面剖面形態(tài)的塑造影響有限，塘前灘面地形的調(diào)整非常迅速；實測資料表明，海塘推出以后，一般1 a內(nèi)的平均沖淤量能占總平衡沖淤厚度的80%左右，2～3 a內(nèi)達(dá)到?jīng)_淤整體平衡。

1993—2013年杭州灣南岸庵東邊灘弧頂斷面坡度變化見圖2，一般在1∶700～1∶4 500；近21 a來坡度變化成累積增長趨勢；扣除增長趨勢后，具有周期變化的規(guī)律；通過頻譜分析，發(fā)現(xiàn)變化周期大約為4.8 a。

實測資料表明(見圖3)，庵東邊灘前沿的潮流基本呈往復(fù)流，流向大致與岸線走向平行。從一個潮周期流場分布來看，在漲潮初期和落潮末期有明顯的向岸漫灘或離岸歸槽的趨勢，即灘面存在顯著地橫向流。該橫向流的存在對灘面二維剖面的塑造具有重要影響。

研究區(qū)域風(fēng)速波高年頻率強(qiáng)度玫瑰圖見圖4，全年較強(qiáng)的波浪出現(xiàn)在冬季，即11月、12月和次年1月，這幾個月的波浪向主要是NE-NW，全年1.0 m以上的波浪主要出現(xiàn)在這3個月，約占全年同類波高的70%，最大波高可達(dá)2.4 m。4—8月的波浪向主要是E-SE，波高主要在0.5 m以下。研究表明，風(fēng)浪掀沙和潮流輸沙是區(qū)域淤泥質(zhì)潮灘演變的重要機(jī)制。潮流輸沙以平行于岸線方向的沿岸往復(fù)流為主，風(fēng)浪掀沙的行波傳播方向一般與岸線成一定夾角。

灘面整體的沖淤變化及頻譜分析結(jié)果見圖5，顯然灘面整體的淤積與沖刷變化趨勢是交替進(jìn)行的，即使在2次大圍墾期間也是如此。這種趨勢性變化的出現(xiàn)不是偶然的，而是庵東邊灘所在地理位置決定了其動力條件、泥沙供應(yīng)的結(jié)果。影響潮灘發(fā)育的因子，如潮流、風(fēng)浪與泥沙來源等的變化， 是導(dǎo)致潮灘沖淤交替變化的原因。通過頻譜分析，發(fā)現(xiàn)與平均坡度變化的規(guī)律一致，其變化的第一主周期也近似為4.8 a。

2模型試驗比尺研究

由于河口的水動力及地質(zhì)條件非常復(fù)雜，目前對波流作用下淤泥質(zhì)潮灘演變規(guī)律還沒有充分地認(rèn)識與理解。相關(guān)的理論研究與數(shù)值模型的建立需要大量可靠而詳盡的實驗數(shù)據(jù)加以驗證和優(yōu)化。相對于現(xiàn)場原位試驗而言，模型試驗方法具有費(fèi)用低廉，易于操作、外界干擾因素少等優(yōu)點(diǎn)。風(fēng)浪掀沙和潮流輸沙是淤泥質(zhì)潮灘演變的重要機(jī)制?，F(xiàn)有的波流水槽試驗系統(tǒng)潮流方向與波浪傳播方向平行，很難合理考察波流斜交作用下淤泥質(zhì)潮灘的演變。而大型的港池造波系統(tǒng)雖然可以模擬波流斜交的作用機(jī)制，但是其造價昂貴，單次試驗投入和占有空間大，一般的科研單位引進(jìn)的較少。本項目采用大型水槽(見圖5)，長50.00 m，寬7.00 m，深0.60 m，并自主研發(fā)了簡易的造波裝置，基于相似理論，在水槽中實現(xiàn)了淤泥質(zhì)潮灘坡面演變的模擬，為后面的研究打下了堅實的基礎(chǔ)。

考慮實際流體在無粘性動床上運(yùn)動形式為單向平移運(yùn)動和雙向軌跡運(yùn)動的耦合。假設(shè)推進(jìn)波的軌跡運(yùn)動可以用質(zhì)點(diǎn)速度U和波浪周期T表征，而潮流引起的平移運(yùn)動可以用速度V給定。顯然，U和V是位置m(x，y，z)和時間t的連續(xù)函數(shù)，而T只是時間t的函數(shù)。如果α是任何量，則：(α)p為α的原型值，(α)m為α的模型值，λα=(α)p/(α)m為α的比尺。通過因次分析建立的比尺關(guān)系為：

流速比尺：λU=λV=(λL/λh3/2)-1/2；干容重比尺：λγ=(λL/λh3/2)3/2；

中值粒徑比尺：λγ=(λL/λh3/2)-1/2；波浪周期比尺：λT=(λh3/2/λL)1/2；

水流連續(xù)時間比尺：λtl=λL/λU；波高比尺：λγ=(λL/λh1/2)1/2；

含沙量比尺：λS=λγ/λ(γ-γ0)。

(1)

式中：λL是平面比尺；λh是鉛直比尺。

3模型試驗結(jié)果分析

試驗得到的典型灘面形態(tài)見圖6。從圖6中可以明顯地看到潮灘發(fā)育有樹枝狀潮溝。試驗結(jié)果表明，即使是穩(wěn)定的潮灘，灘面地貌的變化也是非常復(fù)雜的。每一個潮溝系統(tǒng)均由主溝和多條若干級別的支溝組成。若干個潮溝系統(tǒng)及其分水高灘組成淤泥質(zhì)平原潮灘。在正常的動力循環(huán)過程中，潮溝只是在本身所屬的系統(tǒng)中正常變化，潮灘面貌沒有明顯變化，這就是潮灘的均衡態(tài)。一旦潮灘動力泥沙條件受外界沖擊發(fā)生巨變，主潮溝將大大加快移動的速度，脫離原系統(tǒng)的束縛，這就是潮灘的非均衡態(tài)。大波浪能促使潮灘均衡狀態(tài)的變化。

試驗得7到的潮灘剖面演變過程見圖7，由于潮灘在波浪和潮流耦合作用下具有復(fù)雜的水動力特性，剖面分布大致存在A、B、C和D共4個區(qū)域。定義A區(qū)為近岸堆積區(qū)，C區(qū)為臨槽堆積區(qū)，這2個區(qū)域床面泥沙以淤積為主；定義B區(qū)為破波侵蝕區(qū)，D區(qū)為灘坡侵蝕區(qū)，這2個區(qū)域床面泥沙以沖刷為主；由于波浪的強(qiáng)度年際內(nèi)隨季節(jié)變化，淤泥質(zhì)潮灘會發(fā)生局部季節(jié)性沖淤狀態(tài)調(diào)整，但不改變其整體格局。

根據(jù)試驗數(shù)據(jù)擬合，灘面剖面四參數(shù)函數(shù)可以表示為：

(2)

4結(jié)論

(1)杭州灣南岸庵東邊灘弧頂斷面剖面形態(tài)總體表現(xiàn)成橫臥S形，近21 a來坡度變化成累積增長趨勢；扣除增長趨勢后，具有周期變化的規(guī)律。通過頻譜分析，發(fā)現(xiàn)變化周期大約為4.8 a，平均坡度變化規(guī)律與其一致。

(2)通過控制方程的因次分析，建立了水槽試驗二維潮灘剖面比尺模型關(guān)系?；谧灾聘倪M(jìn)的波流水槽試驗系統(tǒng)，通過系列組合模型試驗，有效獲取了淤泥質(zhì)潮灘剖面形態(tài)演進(jìn)過程。

(3)通過實驗數(shù)據(jù)分析結(jié)合現(xiàn)場觀測，初步揭示了淤泥質(zhì)潮灘二維剖面形態(tài)演進(jìn)規(guī)律。由于潮灘在波浪和潮流耦合作用下具有復(fù)雜的水動力特性，剖面分布大致可分為近岸堆積區(qū)、破波侵蝕區(qū)、臨槽堆積區(qū)、灘坡侵蝕區(qū)。由于波浪的強(qiáng)度年際內(nèi)隨季節(jié)變化，淤泥質(zhì)潮灘會發(fā)生局部季節(jié)性沖淤狀態(tài)調(diào)整，但不改變其整體格局。

參考文獻(xiàn)：

[1]Shi Z,Chen J Y.Morphodynamics and sediment dynamics on intertidal mudflats in China(1961-1994) [J].Continental Shelf Research,1996,16(15):1909-1926.

[2]王珊珊,韓曾萃.杭州灣庵東邊灘現(xiàn)代發(fā)育特征分析[J].科技通報,2014,30(5):66-71.

(責(zé)任編輯郎忘憂)

Two-dimensional Shape Study on the Arc Section of Andong Beach at South Coast of Hangzhou Bay

PAN Dong-Zi1,JIN Gui-Zhong2,CHEN Shui-Long2, YANG Yuan-Ping1,SUN Chao1,LI Hong-Yan1

(1. Zhejiang Institute of Hydraulics & Estuary, Hangzhou 310020, Zhejiang, China；2.Shaoxing Shangyu District Port Authority, Shangyu 312369, Zhejiang, China)

Key words:strong tidal estuary; muddy tidal flat; model test; similarity theory

Abstract:Aiming at the hydrodynamic characteristics of Andong Beach at South Coast of Hangzhou Bay and coastal tide, based on field research and data analysis,this paper used dimensional analysis to determine the movable bed model scale relationship of bed sediment movement under the wave and tidal stream interaction.Further, the two-dimensional shape evolution process of the arc section of the beach was studied.

收稿日期：2016-01-22

基金項目：水利部公益性行業(yè)科研專項(201401010)；浙江省水利科技計劃重點(diǎn)項目(RB1517)；浙江省科技計劃項目(2014F10036、2014F10007)；浙江省自然科學(xué)基金(Y5110076)。

作者簡介：潘冬子(1978-)，男，教授級高級工程師，博士，主要從事河口海岸研究。E-mail：23887352@qq.com

中圖分類號：TV131.2

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1008-701X(2016)02-0037-04

DOI：10.13641/j.cnki.33-1162/tv.2016.02.011