博賀灣海域懸沙輸移機(jī)制分析

樊立東,童朝鋒,孟艷秋

(河海大學(xué)港口海岸與近海工程學(xué)院,江蘇 南京 210098)

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博賀灣海域懸沙輸移機(jī)制分析

樊立東,童朝鋒,孟艷秋

(河海大學(xué)港口海岸與近海工程學(xué)院,江蘇 南京 210098)

根據(jù)博賀灣海域大潮期間的水文泥沙實(shí)測資料,采用懸沙通量機(jī)制分解法將懸沙凈輸移通量分解為多個(gè)動力項(xiàng),并分別從平流輸沙、潮泵輸沙和垂向凈環(huán)流輸沙三方面分析了懸沙輸移機(jī)制。結(jié)果表明:博賀灣海域大潮期間拉格朗日余流基本沿漲潮方向,離岸越遠(yuǎn),余流值越大,歐拉余流大小與拉格朗日余流相近,斯托克斯余流接近于零;平流輸沙在懸沙凈輸移中占主導(dǎo)作用,其中歐拉余流輸沙作用方向與漲落潮優(yōu)勢流相關(guān);博賀灣海域潮泵效應(yīng)輸沙作用不強(qiáng),潮泵作用由漲落潮潮流和含沙量在潮周期的不對稱性引起;垂向余環(huán)流輸沙作用很弱,垂向凈環(huán)流輸沙和拉格朗日余流和含沙量的垂向分布有關(guān)。

懸沙輸移;余流;平流輸沙;潮泵效應(yīng);垂向凈環(huán)流; 博賀灣

海灣泥沙輸移過程涉及非常復(fù)雜的物理機(jī)制,影響因素包括潮汐、波浪、風(fēng)場、水團(tuán)流系、岸灘地形及泥沙來源等[1-3]。懸沙通量機(jī)制分解法是將懸沙通量分解成多個(gè)動力項(xiàng),再對各項(xiàng)內(nèi)影響輸沙的動力因素進(jìn)行計(jì)算、比較和分析的一種懸沙輸移分析方法[4],早在20世紀(jì)六七十年代,Bowden等[5-7]先后提出并發(fā)展了懸沙輸移公式,分析了河口區(qū)懸沙輸移特征。到20世紀(jì)90年代之后,懸沙通量機(jī)制分解法進(jìn)一步發(fā)展并得到廣泛運(yùn)用:陳子燊[8]利用珠江伶仃洋河口與內(nèi)陸架的流速、含沙量等資料,運(yùn)用懸沙通量機(jī)制分解法,分析得到凈平流是懸沙輸運(yùn)的主要動力因素;任杰等[9]將懸沙總輸移分解為8個(gè)分量,結(jié)合低通濾波技術(shù),發(fā)現(xiàn)平流、潮汐捕集和垂向凈環(huán)流是懸沙輸移的主要動力;Talke等[10]將流速與懸沙濃度分解為潮汐項(xiàng)、風(fēng)浪項(xiàng)、波動項(xiàng)和潮周期項(xiàng),分析了舊金山海灣潮間帶的懸沙輸移特征;楊曉東等[11]根據(jù)樂清灣大小潮期間實(shí)測水文泥沙資料,將懸沙輸移項(xiàng)分解為平流輸移項(xiàng)、潮泵輸移項(xiàng)和垂向環(huán)流輸移項(xiàng),發(fā)現(xiàn)潮泵輸沙在樂清灣貢獻(xiàn)較大,平流輸沙項(xiàng)在開闊水域和中灣深槽起控制作用,垂向凈環(huán)流輸沙作用在小潮外灣淺灘、中灣和內(nèi)灣貢獻(xiàn)較大;劉運(yùn)令等[12]根據(jù)南海輻射沙脊群西洋水道大潮條件下的實(shí)測數(shù)據(jù),利用懸沙通量機(jī)制分解法,分析了西洋水道的水和懸沙通量。

博賀灣是一個(gè)典型的半開敞式的沙壩潟湖,灣內(nèi)外動力條件復(fù)雜,懸沙也呈現(xiàn)出復(fù)雜的輸移規(guī)律,如何準(zhǔn)確分析該地區(qū)的輸沙機(jī)制,在潟湖的演變、博賀港區(qū)建設(shè)和航道維護(hù)等工程方面都具有重要的實(shí)際意義和理論價(jià)值。已有許多學(xué)者[13-15]對博賀灣海域的潮流特征、懸沙濃度分布特征和懸沙輸運(yùn)特征進(jìn)行了研究,但對懸沙輸運(yùn)機(jī)制研究較少,本文根據(jù)博賀灣附近海域各測站水沙實(shí)測資料,運(yùn)用懸沙通量機(jī)制分解法,從平流輸沙、潮泵輸沙、垂向凈環(huán)流輸沙三方面對懸沙輸移機(jī)制進(jìn)行分析。

圖1 研究區(qū)域地形和測站位置

1 區(qū)域概況及資料來源

博賀灣海域位于廣東茂名市電白區(qū)的東南面,是由東閣嶺、蓮頭嶺半島及大、小放雞島等延伸島礁圍成的半開敞式海灣。博賀灣海域主要是沙壩潟湖地貌,在該海域的東北區(qū)域,以博賀港為界,以北是內(nèi)潟湖,以南是由蓮頭嶺沙嘴圍成的外潟湖。博賀港為廣東省著名的漁港,博賀灣東岸線為正在開發(fā)建設(shè)的博賀新港區(qū)。博賀港潟湖的灣口朝向東南,有麻港河等多條小河匯入,挾沙量較大,潟湖的沙嘴在博賀港的西南側(cè);潟湖開口較寬,約為3.5 km[16]。博賀灣海域的灣口位于水東港外航道,水東港有徑流匯入并攜帶較高濃度的泥沙,在灣中處通過大、小放雞島等島礁之間的潮汐通道與灣外海域存在著水流泥沙交換,灣內(nèi)泥沙灘涂廣闊。研究區(qū)域包括博賀灣海域的灣內(nèi)和灣外,東西長約34 km,南北寬約24 km。根據(jù)水文資料統(tǒng)計(jì)分析,研究海域潮動力較弱,潮流屬于不規(guī)則半日潮,其中M2分潮起控制作用,潮流為略帶旋轉(zhuǎn)的往復(fù)流,海區(qū)漲潮歷時(shí)普遍大于落潮歷時(shí),漲潮平均流速一般大于落潮平均流速。波浪主要是以風(fēng)浪為主的混合浪,常浪向?yàn)闁|南東向,強(qiáng)浪向?yàn)槟蠔|向。海區(qū)水體含沙量很小,底質(zhì)均由砂、粉砂和黏土組成。海域泥沙主要來源于徑流下泄、岸灘侵蝕和漲潮流攜帶的泥沙。

采用2004年10月30—31日的大潮期間、在研究區(qū)域布設(shè)的8個(gè)流速懸沙測站測得的水文資料，研究區(qū)域地形、測站位置見圖1,圖中等值線為地形等高線,采用1985國家高程基準(zhǔn)；各測站水深及流速特征值見表1。1號測站位于博賀灣海域的灣口處,2號測站位于博賀灣海域的灣中,3號測站位于博賀灣海域?yàn)稠數(shù)某毕ǖ捞?4號測站位于小放雞島與蓮頭嶺之間,5號、6號測站位于博賀灣外蓮頭嶺的東南方向,7號、8號測站位于灣外較遠(yuǎn)處。采用DEM6型手持式風(fēng)速風(fēng)向儀在1號、3號、6號、7號測站從開始測次起每隔1h觀測風(fēng)速風(fēng)向。1～8號測站采用常規(guī)的ZSX-3型流速流向儀按6點(diǎn)法測量流速流向,包括水面、0.2H(H為水深)、0.4H、0.6H、0.8H、水底,每1 h觀測1次流速流向,并在漲憩、落急、落憩、漲急時(shí)段0.5 h加密觀測1次。各測站每1h用橫式采樣器采取500 mL水樣用于懸移質(zhì)含沙量分析。采樣的點(diǎn)位與測速點(diǎn)位相同,運(yùn)用6點(diǎn)法對水面、0.2H、0.4H、0.6H、0.8H、水底與流速同步測驗(yàn)。

根據(jù)測得的資料,水文資料測量期間平均風(fēng)速為4.4 m/s,風(fēng)向介于北-南南東之間,其中東南向頻率最大,占35.3%,東向次之,占28.0%。1號測站漲落潮流速都很小,漲潮主流向?yàn)槲鞅毕?落潮受徑流影響明顯,主流向?yàn)槟舷?2號、4號測站水深相近,且夾在蓮頭嶺和大放雞島的中間,漲潮流向?yàn)槲鞅毕?落潮流向?yàn)闁|南向;3號測站位于博賀灣海域的灣頂處,受地形束窄作用,漲落潮流速很大,漲潮流指向東北,落潮流指向西南;5號、6號測站受海岸地形影響,漲潮主流向?yàn)槲髌?落潮主流向?yàn)闁|稍偏北,落潮流由于受蓮頭嶺的遮擋,在8個(gè)測站中最小;7號、8號測站位于灣外離岸較遠(yuǎn),受海岸影響很小,流速較大,漲潮主流向與5號、6號測站相近,但落潮主流指向東偏南。博賀灣海域懸沙中值粒徑在0.006～0.037 mm之間,屬于細(xì)顆粒泥沙,懸沙輸移動力主要以潮流和余流為主。

表1 各測站水深及流速特征值

2 輸沙機(jī)制分析方法

(1)

同理,懸沙濃度可分解為

(2)

水深可分解為潮周期平均值及潮周期震蕩項(xiàng)之和:

H=+Ht

(3)

拉格朗日余流是指在一個(gè)或多個(gè)潮周期內(nèi)流體微團(tuán)隨體速度的平均值,通常由下式計(jì)算得到:

(4)

式中:uE為垂向平均歐拉余流,它是去除周期性天文潮后的非周期流動,通常受風(fēng)海流、密度流、徑流和潮汐余流等影響;uS為斯托克斯余流,直接反映水位變化量和水流變化量的相關(guān)性,主要由水波的非線性引起。

根據(jù)瞬時(shí)流速、含沙量和水深的分解方法,潮周期平均單寬懸沙輸移量可表示為[18]

(5)

式中:T1為歐拉余流輸移項(xiàng),T1的方向取決于漲落潮的優(yōu)勢流對比;T2為斯托克斯余流輸移項(xiàng),反映了斯托克斯漂流效應(yīng)對單寬輸沙的貢獻(xiàn);T1和T2共同組成了平流輸移項(xiàng),即拉格朗日輸移,其方向與拉格朗日余流方向一致;T3、T4、T5均含有ct,即與垂線平均含沙量的潮變化項(xiàng)相關(guān),反映了懸沙輸移量與水體和底部泥沙之間的雙向交換有一定聯(lián)系,因此,T3+T4+T5稱為潮泵輸移項(xiàng);T6、T7為與垂向流速變化相關(guān)的項(xiàng),T6+T7稱為垂向凈環(huán)流輸移項(xiàng)。

3 懸沙輸移結(jié)果與分析

主流向是指漲落潮急流時(shí)刻的垂線平均方向,通常以漲潮主流向?yàn)檎颉Ｓ杀?可知，1～8號測站漲潮主流向分別為297°、298°、37°、321°、265°、239°、257°和258°,垂直主流向的方向?yàn)闄M向,將懸沙輸移通量分解到主流向和橫向上進(jìn)行分析。表2給出了各測站余流值和方向,表3給出了各站懸沙輸移通量分解結(jié)果,表4則給出了各站懸沙輸移大小及方向。

從表2可以看出,位于博賀灣海域?yàn)惩獾?～8號測站的歐拉余流方向與漲潮主流向基本一致,灣內(nèi)近岸的1號、2號、3號測站的歐拉余流也基本沿漲潮方向,但受到各自下泄徑流的影響,與漲潮主流向有一定偏差,說明在博賀灣海域漲潮流是優(yōu)勢流。距岸線越遠(yuǎn)的測站拉格朗日余流值越大,各站拉格朗日余流和歐拉余流的數(shù)值接近,方向一致,說明拉格朗日余流中歐拉余流占主導(dǎo)。斯托克斯余流的量值比歐拉余流小了1個(gè)數(shù)量級,方向無明顯的規(guī)律。

由表4可知,懸沙凈輸移中,博賀灣海域?yàn)惩怆x岸較遠(yuǎn)的7號、8號測站懸沙凈輸移量最大,隨著與岸線距離的縮短,輸沙量逐漸減少,但在灣頂?shù)?號測站處,由于其位于潮汐通道處,水深相對較大,因3號測站受地形束窄作用,流速很快,所以導(dǎo)致懸沙輸移略有增大。博賀灣外海域5～8號測站的泥沙凈輸移方向與漲潮主流向一致,泥沙從灣外沿漲潮主流方向通過大、小放雞島與蓮頭嶺之間的潮汐通道輸移到灣內(nèi),一部分沿西北向輸移到博賀港西南側(cè)的博賀灘淤積下來,產(chǎn)生新的沙嘴,使得外潟湖口門寬度不斷減小;另一部分沿西偏南方向輸出博賀灣海域。灣內(nèi)近岸海域1號和2號測站的凈輸沙方向均為西南向,受水東港附近徑流下泄的影響,使得這兩點(diǎn)處的輸沙方向與漲潮主流向有一定的偏差。灣頂處3號測站的主流向上的輸沙量很小,而橫向輸沙較大,產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因有:在3號測站附近,潮汐通道發(fā)生了向北方向的偏轉(zhuǎn),加上上游下泄徑流的頂托作用使泥沙偏向海岸的方向輸移。各站凈輸沙方向與拉格朗日余流方向基本一致,總體呈現(xiàn)沿漲潮方向輸沙的趨勢。

表2 各測站余流值和方向

表3 各測站潮周期懸沙輸移通量分解 g/(m·s)

測站方向T1T2T1+T2T3+T4+T5T6+T7凈輸沙1號2號3號4號5號6號7號8號主流向16.70.317.0-5.8-0.310.9橫 向33.9-1.432.41.7-1.432.7主流向18.4-0.817.6-5.3-1.410.9橫 向17.00.117.11.10.818.9主流向32.2-8.124.1-22.50.42.0橫 向47.61.649.24.40.253.8主流向42.6-1.341.32.8-0.243.9橫 向-1.0-1.1-2.00.20-1.9主流向79.04.083.0-10.61.574.0橫 向9.73.112.80.32.816.0主流向61.2-0.460.88.1-0.568.5橫 向0.20.50.70.41.02.1主流向165.26.1171.32.40.4174.1橫 向34.11.835.9-7.11.330.1主流向114.81.3116.1-2.6-1.9111.5橫 向16.41.818.2-4.73.717.1

表4 各測站潮周期懸沙輸移大小及方向

3.1 平流輸沙

平流輸沙實(shí)際為綜合考慮歐拉余流和斯托克斯余流輸沙作用后的結(jié)果,其方向由拉格朗日余流控制,大小由潮平均水深、余流值和垂向潮平均含沙量共同決定。由表4可知,1號、2號和3號測站所在的博賀灣內(nèi)近岸海域平流輸沙方向與漲潮主流向有一定偏差,其余灣外各站輸沙方向與漲潮主流向一致。5～8號測站所在灣外海域由于水深較大,平流輸沙量要明顯大于灣內(nèi)各站平流輸沙量。在主流向及橫向上,各測站平流輸沙量均接近于懸沙凈輸沙量;凈輸沙方向與拉格朗日余流方向基本一致,可見懸沙凈輸移由平流輸沙項(xiàng)主導(dǎo)。T1的方向與歐拉余流的方向一致,表3中所有在主流向上的T1項(xiàng)均為正值,說明各點(diǎn)都是漲潮流占優(yōu),這與漲潮歷時(shí)普遍長于落潮歷時(shí)和漲潮流速大于落潮流速的潮汐特性相吻合。T2輸沙值很小,比T1項(xiàng)小了1個(gè)數(shù)量級,方向與斯托克斯余流方向一致,但無明顯規(guī)律。灣頂處3號測站的T2項(xiàng)比其余測站的T2輸沙值大了將近1個(gè)數(shù)量級,是因?yàn)?號測站處受地形的束窄作用,水位變化量與水流變化量的相關(guān)性較強(qiáng)。

3.2 潮泵輸沙

潮泵效應(yīng)輸沙是由于底部泥沙與水體之間相互交換以及滯后效應(yīng),導(dǎo)致懸沙濃度在漲落潮時(shí)期內(nèi)不對稱,同時(shí)在漲落潮流速和歷時(shí)不對稱的作用下,潮周期內(nèi)漲落潮泥沙輸移不能相互抵消,從而產(chǎn)生泥沙的凈輸移。各測站的潮泵效應(yīng)輸沙作用不強(qiáng),相比平流輸沙量小了一個(gè)數(shù)量級。以灣內(nèi)的1號、2號、3號測站為例,通過分析含沙量與底層流速的關(guān)系來解釋潮泵輸沙機(jī)理,圖2給出了含沙量與流速的過程線(流速正值表示漲潮,負(fù)值表示落潮)。位于水東港外航道的1號測站受徑流影響,落潮時(shí)含沙量明顯要高于漲潮時(shí)期,含沙量與流速之間存在1h的相位差。1號測站所在位置漲落潮流速很小,在漲急流后1 h,含沙量基本處于最低點(diǎn),說明在現(xiàn)有流速情況下很難將泥沙起動,漲潮水體含沙量主要為水體背景含沙量,而落潮時(shí)含沙量較大主要是因?yàn)樗畺|港附近徑流下泄攜帶了大量的泥沙。2號測站距岸線稍遠(yuǎn),漲潮歷時(shí)大于落潮歷時(shí),仍受徑流影響,導(dǎo)致落潮含沙量明顯大于漲潮含沙量。博賀灣頂?shù)?號測站由于漲落潮的流速均很大,含沙量維持在一個(gè)很高的水平,約80 g/m3,但落潮時(shí)期含沙量略大于漲潮時(shí)期。這是由于灣頂處的3號測站受地形束窄的影響,漲潮流速很大,有利于底部較多的泥沙懸浮進(jìn)入水體,泥沙被帶入外潟湖后,隨著流速的減小,逐漸沉積下來,落潮時(shí)束水歸槽,流速很快,且距徑流入海口較近,落潮歷時(shí)大于漲潮歷時(shí),泥沙有較長時(shí)間發(fā)生再懸浮,并攜帶麻港河等多條小河匯入的高濃度泥沙,落潮水體含沙量要大于漲潮時(shí)期含沙量。綜上所述,潮泵輸沙主要由漲落潮時(shí)期含沙量的不對稱及漲落潮流速和歷時(shí)的不對稱引起。

圖2 含沙量與流速過程線

3.3 垂向凈環(huán)流輸沙

垂向凈環(huán)流輸沙是由拉格朗日余流和懸沙濃度在垂向上的不均勻分布引起的,由T6、T7組成。由表4可知垂向凈環(huán)流輸沙量很小,與平流輸沙和潮泵效應(yīng)輸沙相比要小1～2個(gè)數(shù)量級。圖3給出了沿漲落潮主流向的各余流垂向結(jié)構(gòu)(圖中縱坐標(biāo)采用相對水深,0表示水表層,1表示水底層,橫坐標(biāo)表示余流大小,正值表示漲潮方向)。各垂線上歐拉余流從表層至底層方向一致,均沿漲潮方向,說明各站沿垂向都是漲潮流占優(yōu)勢,各測站表層歐拉余流均大于底層歐拉余流,但相差都不大,所以沒有出現(xiàn)明顯的垂向歐拉余環(huán)流。各測站的垂向各層斯托克斯余流值接近于零,對拉格朗日余流的垂向結(jié)構(gòu)幾乎沒有影響,也就是說拉格朗日的余流和歐拉余流的垂向結(jié)構(gòu)基本一致。

圖3 各測站垂向余流結(jié)構(gòu)

垂向含沙量的分布不均也是影響垂向凈環(huán)流輸沙的重要因素。表5給出了各層潮周期含沙量均值。表中底層與表層的差值介于-3～9 g/m3之間,比值介于0.97～1.13之間,表層和底層含沙量相差很小,主要是因?yàn)榇蟪逼陂g水動力強(qiáng),垂向摻混作用劇烈,各層泥沙之間交換頻繁,所以泥沙在垂向分布較均勻。各站拉格朗日余流和含沙量沒有出現(xiàn)明顯的垂向不均勻分布,導(dǎo)致各測站的垂向凈環(huán)流輸沙很小。

表5 垂向各層含沙量均值

4 結(jié) 論

a. 博賀灣拉格朗日余流基本沿漲潮方向,離岸越遠(yuǎn),余流值越大,其中歐拉余流占主導(dǎo),斯托克斯余流很小。

b. 各懸沙輸移項(xiàng)中,平流輸沙項(xiàng)占主導(dǎo)作用,凈輸沙方向和拉格朗日余流方向一致,其中歐拉余流輸沙作用明顯,而斯托克斯余流輸沙作用非常小。

c. 潮泵效應(yīng)輸沙作用不強(qiáng),比平流輸沙項(xiàng)小了1個(gè)數(shù)量級。漲落潮潮流和含沙量的不對稱性是產(chǎn)生潮泵輸沙的主要因素。

d. 垂向凈環(huán)流的輸沙貢獻(xiàn)非常小,該輸沙項(xiàng)主要與拉格朗日余環(huán)流和含沙量的垂向分布結(jié)構(gòu)有關(guān)。

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Analyses of mechanism of suspended sediment transport in Bohe Bay

//FAN Lidong, TONG Chaofeng，MENG Yanqiu

(CollegeofHarbor,CoastalandOffshoreEngineering,HohaiUniversity,Nanjing210098,China)

According to measured hydrological and suspended sediment data from spring tides in Bohe Bay, the suspended sediment transport flux was divided into several dynamic items using the mechanism decomposition method, and the mechanism of suspended sediment transport was analyzed in terms of the advection sediment transport, tidal pumping effect, and vertical circulation transport. The results show that the Lagrangian residual current basically moves in the direction of the flood tide and its value increases with the distance from the shore. The Euler residual current has a value similar to the Lagrangian residual current, while the value of the Stokes residual current is close to zero. The advection is the leading factor affecting the suspended sediment transport and the transport effect of the Euler residual current is correlated with preferential flow in the tidal process. The tidal pumping effect in Bohe Bay does not have a strong influence on the suspended sediment transport, and it is induced by the asymmetry of the tidal current and suspended sediment concentration. The vertical residual circulation has a weak effect on the suspended sediment transport and is related to the vertical distributions of the Lagrange residual current and suspended sediment concentration.

suspended sediment transport; residual current; advection sediment transport; tidal pumping effect; vertical circulation; Bohe Bay

10.3880/j.issn.1006-7647.2016.06.011

國家自然科學(xué)基金(51339005);國家自然科學(xué)基金青年基金(51409094)

樊立東(1992—),男,碩士研究生,主要從事河口海岸動力學(xué)研究。E-mail:fanlidong0203@163.com

童朝鋒(1973—),男，副教授,博士,主要從事河口海岸動力學(xué)研究。E-mail:tongchaofeng@126.com

TV148+.5

A

1006-7647(2016)06-0058-06

2015-11-10 編輯：熊水斌)