伶仃洋洪季懸沙平面分布特征及成因探討

何嘉偉，賈良文，韋獻(xiàn)革，賈妍紅，程聰

(1.中山大學(xué) 海洋科學(xué)學(xué)院 近岸海洋科學(xué)與技術(shù)研究中心，廣東 廣州 510275; 2.中山大學(xué) 環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，廣東 廣州 510275)

伶仃洋洪季懸沙平面分布特征及成因探討

何嘉偉1，賈良文1，韋獻(xiàn)革2*，賈妍紅1，程聰1

(1.中山大學(xué) 海洋科學(xué)學(xué)院 近岸海洋科學(xué)與技術(shù)研究中心，廣東 廣州 510275; 2.中山大學(xué) 環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，廣東 廣州 510275)

基于伶仃洋河口2007年洪季(8月)潮流和泥沙現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)資料，通過(guò)實(shí)測(cè)資料分析結(jié)合二維泥沙數(shù)值模型的方法，分析其懸沙濃度平面分布特征。結(jié)果表明，懸沙濃度從伶仃洋灣頂虎門至灣口沿西槽向海在縱向上呈現(xiàn)出先減小再增大后減小的變化趨勢(shì)；橫向上，西槽最大，東槽和中灘次之；內(nèi)伶仃島西北側(cè)海域?yàn)楹沉扛咧抵行?。懸沙縱向輸移機(jī)制分析表明，伶仃洋洪季輸沙主要貢獻(xiàn)項(xiàng)為平流向海輸沙、潮汐捕集和垂向環(huán)流的向陸輸沙，其中后兩項(xiàng)在內(nèi)伶仃島附近的貢獻(xiàn)較大。潮流、徑流來(lái)沙、徑潮強(qiáng)度對(duì)比以及地形邊界作用為懸沙場(chǎng)平面分布差異的主要成因。

伶仃洋；懸沙濃度；平面分布特征；成因探討

1 引言

河口的發(fā)育主要依賴于徑流、潮流、波浪和泥沙等自然條件的影響，但近幾十年來(lái)，我國(guó)河口地區(qū)的人類活動(dòng)愈發(fā)劇烈，甚至成為了河口發(fā)育演變的主導(dǎo)因素。關(guān)于在人類活動(dòng)影響下我國(guó)河口地區(qū)泥沙新時(shí)期特征的研究也逐漸增多，Dai等[1]認(rèn)為長(zhǎng)江三峽大壩工程建成后，雖然上游輸沙量減少，但河口攔門沙附近區(qū)域的年平均懸沙濃度變化不大，攔門沙內(nèi)側(cè)懸沙濃度的季節(jié)變化為洪高枯低，攔門沙外側(cè)則洪低枯高。Kong等[2]指出黃河下游在小浪底水庫(kù)水沙調(diào)控影響下，輸沙量總體相對(duì)穩(wěn)定，其中洪季有所下降，枯季有所增加，泥沙中值粒徑表現(xiàn)為上游細(xì)下游粗。胡德禮等[3]以1978年和1999年洪季作為對(duì)比，研究了人類活動(dòng)影響下珠江口門水沙分配調(diào)整后伶仃洋的水沙場(chǎng)的響應(yīng)，結(jié)果表明，水動(dòng)力和懸沙濃度整體上均有增大。

伶仃洋位于珠江三角洲的東南部，為呈南北走向的典型喇叭狀河口灣(圖1)，東、西、北江的來(lái)水來(lái)沙通過(guò)東四口門即虎門、蕉門、洪奇瀝以及橫門注入伶仃洋灣內(nèi)。珠江三角洲注入伶仃洋的徑流和泥沙分別從20世紀(jì)80年代的占比53%和47%，到90年代增大至64%和57%[4]。伶仃洋灣內(nèi)和灣口存在天然的島嶼屏障，其水下地形的整體格局呈現(xiàn)為“三灘夾兩槽”，即東灘、中灘、西灘和東槽(礬石水道)、西槽(伶仃航道)。

自20世紀(jì)80年代起，珠江三角洲的社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展帶動(dòng)了河道采砂業(yè)的繁榮，而大規(guī)模且無(wú)序的采砂活動(dòng)使部分河床發(fā)生非自然深切，不同口門河段的水沙對(duì)比情況則發(fā)生了相應(yīng)調(diào)整。伶仃洋的分流比和分沙比逐步增大，同時(shí)出現(xiàn)大規(guī)模的圍墾活動(dòng)，近30年來(lái)伶仃洋海域?yàn)┩棵娣e減少約132 km2，而且海岸線呈現(xiàn)出明顯的海進(jìn)趨勢(shì)，人類活動(dòng)的影響幾乎掩蓋了其自然演變的趨勢(shì)[5]。西槽作為伶仃洋的出海主航道，通過(guò)航道疏浚工程，在2000年時(shí)已經(jīng)從平均水深6.8 m被挖深至11.5 m。故近30年來(lái)，伶仃洋河口灣在河床采砂、灘涂圍墾、航道疏浚等強(qiáng)烈人類活動(dòng)影響下，其來(lái)水來(lái)沙以及邊界條件快速變化。懸沙分布及成因是伶仃洋河口灣開(kāi)發(fā)保護(hù)的基礎(chǔ)性研究工作，因此，需要在新的來(lái)水來(lái)沙、地形邊界條件下對(duì)其進(jìn)行研究，可為伶仃洋的綜合整治規(guī)劃、出海航道的維護(hù)等提供一定的科學(xué)依據(jù)。

圖1 伶仃洋地形示意圖Fig.1 Topography of the Lingdingyang Estuary

2 資料和方法

2.1 資料來(lái)源

水文資料觀測(cè)時(shí)間為2007年8月13-14日(大潮期間)以及16-17日(中潮期間)，共布設(shè)了21條垂線進(jìn)行同步水文信息(潮流、含沙量和鹽度)測(cè)量以及13個(gè)水位站的同步潮位觀測(cè)。本文主要應(yīng)用其中14條垂線的潮流、含沙量以及8個(gè)水位站的同步潮位實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析以及模型驗(yàn)證(站點(diǎn)分布見(jiàn)圖2)。

模型地形資料為2008年伶仃洋河口灣以及三角洲河網(wǎng)的水深數(shù)據(jù)，采用北京54坐標(biāo)系，水深數(shù)據(jù)為珠江基面。

圖2 伶仃洋洪季實(shí)測(cè)站點(diǎn)位置圖Fig.2 Observation stations in the Lingdingyang Estuary

2.2 研究方法

本文主要采用實(shí)測(cè)資料分析與TELEMAC數(shù)值模擬相結(jié)合的研究方法，分析河口灣內(nèi)洪季懸沙場(chǎng)的平面分布特征，并探討懸沙場(chǎng)的平面分布差異的成因。

實(shí)測(cè)資料分析包括對(duì)實(shí)測(cè)流速、含沙量、鹽度等信息進(jìn)行數(shù)據(jù)處理以及作圖，如計(jì)算余流、滯流點(diǎn)和泥沙縱向輸移通量機(jī)制分解等。數(shù)值模擬方面，應(yīng)用TELEMAC水動(dòng)力模塊以及泥沙模塊SISYPHE模擬伶仃洋河口灣的水動(dòng)力場(chǎng)以及懸沙場(chǎng)。

TELEMAC-MASCARET是一套用于模擬自由表面流的水動(dòng)力、水質(zhì)、沉積等的模型系統(tǒng)，其由法國(guó)國(guó)家水力學(xué)和環(huán)境實(shí)驗(yàn)室開(kāi)發(fā)。模型采用非結(jié)構(gòu)三角形網(wǎng)格，數(shù)值模擬計(jì)算基于有限元法，穩(wěn)定性相對(duì)較好。

伶仃洋區(qū)域泥沙大多數(shù)屬于黏性砂，關(guān)于水體與底床泥沙的交換，本文在泥沙模塊SISYPHE中采用Einstein和Krone[6]、Partheniades和Paaswell[7]的黏性砂經(jīng)典公式進(jìn)行侵蝕、沉積通量計(jì)算：

(1)

式中，E為河床泥沙侵蝕通量；D為河床泥沙沉積通量；M為系數(shù)；u*為水流的摩阻流速；u*e和u*d分別為泥沙侵蝕和沉積的臨界剪切流速；Ws為泥沙沉降速度；C為懸沙濃度。當(dāng)水流的摩阻流速大于泥沙侵蝕的臨界剪切流速時(shí)，河床發(fā)生侵蝕，河床泥沙進(jìn)入水體；當(dāng)水流的摩阻流速小于泥沙沉積的臨界剪切流速時(shí)，懸移質(zhì)沉降至河床。

模型中采用的二維懸移質(zhì)輸沙方程如下：

(2)

式中，h為水深；U和V分別為x、y方向的垂向平均流速；C為垂向平均懸沙濃度；εs為泥沙擴(kuò)散系數(shù)；E-D為侵蝕量減去沉積量的凈泥沙通量。

3 實(shí)測(cè)資料分析

3.1 潮流分析

3.1.1 縱向流速變化

由灣頂至灣口沿西槽向海選取L1、L5、L7、L8、L11及L13站的大潮期間漲、落潮平均流速進(jìn)行比較，如圖3，伶仃洋海域潮流動(dòng)力從外海到灣中部增強(qiáng)，灣中部過(guò)后開(kāi)始減弱，接近灣頂時(shí)潮流動(dòng)力再度增強(qiáng)。漲潮時(shí)，潮流從外海進(jìn)入河口灣，受到地形橫斷面收縮的作用而增大，至L8站附近時(shí)受到的內(nèi)伶仃島的阻隔作用，潮流分支進(jìn)入西槽和東槽，故流速減小，在灣上部L5站，西、東槽漲潮流匯合進(jìn)入虎門，同時(shí)橫斷面收窄，故流速再次增強(qiáng)。落潮時(shí)，潮流出虎門后橫斷面放寬，并分成兩支沿西、東槽下泄，故流速減小，在西槽L7站受到灣上部西部口門下泄流匯入的影響而流速增大，隨著河口橫斷面放寬和島嶼的阻流效應(yīng)，潮流開(kāi)始不斷減小，最后流入外海。

圖3 大潮期間流速縱向變化圖Fig.3 Longitudinal variation of current speed in the spring tide

3.1.2 余流

潮流余流是指從實(shí)測(cè)的潮流矢量疊加后剩下的部分，其對(duì)泥沙凈輸移以及污染物擴(kuò)散方向具有一定的指示意義。

根據(jù)本次大、中潮的水文實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)計(jì)算分析，各站點(diǎn)的表、底層余流情況如圖4所示。河口灣上部?jī)?nèi)伶仃島以北區(qū)域的余流基本指向海，偏南向，其中洪奇瀝出口L3站表層余流流速能達(dá)到0.48 m/s；L8站出現(xiàn)表層指向海，底層指向陸的典型密度環(huán)流結(jié)構(gòu)；灣口大濠島西側(cè)海域的L11和L12站，底層余流較表層大，指向外海；中潮期間灣口外海的L13和L14站存在相對(duì)較強(qiáng)的向西的表層余流，主要因?yàn)成喜靠陂T淡水徑流沿著河口灣西側(cè)而下形成。

3.1.3 滯流點(diǎn)

滯流點(diǎn)概念最早見(jiàn)于Schultz和Simmons[8]以及Simmons和Broun[9]對(duì)水流優(yōu)勢(shì)程度理論的論述中。在一個(gè)潮周期內(nèi)，由于河口存在密度梯度，沿程向陸的底部水流會(huì)從上溯流逐漸變成下泄流，中途會(huì)出現(xiàn)某處凈泄量為0的地點(diǎn)，稱為“滯流點(diǎn)”。而滯流點(diǎn)所在的位置并不是固定的，它隨著徑流量與潮流的對(duì)比變化而在一定的范圍內(nèi)有規(guī)律地來(lái)回移動(dòng)，而滯流帶通常為河口內(nèi)泥沙顯著淤積的區(qū)域。

由灣頂至灣口沿西槽向海選取L1、L5、L7、L8及L11站作為縱向代表站位來(lái)繪制優(yōu)勢(shì)流曲線圖5。大潮期間，底層潮流滯流點(diǎn)位于L8站附近，而中潮期間底層潮流滯流點(diǎn)位置則往上游移動(dòng)至L7站附近。表明在L7站和L8站之間，即內(nèi)伶仃島附近為泥沙聚集沉降的區(qū)域。

3.2 懸沙分析

3.2.1 縱向懸沙濃度變化

由灣頂至灣口沿西槽向海選取L1、L5、L7、L8、L11以及L13站作為代表站比較伶仃洋內(nèi)縱向平均懸沙濃度的變化。如圖6所示，河口灣中部L7站和L8站之間的懸沙濃度最大，恰好是潮流分析中滯流點(diǎn)的位置，懸沙濃度往外海迅速減小，往灣頂方向先減小，到灣上部口門后增大。

圖4 各站實(shí)測(cè)表、底層余流圖Fig.4 Surface and bottom residual currents at the observation stations

圖5 優(yōu)勢(shì)流曲線圖Fig.5 Dominant current curves

圖6 懸沙濃度縱向變化圖Fig.6 Longitudinal variation of suspended sediment concentration

3.2.2 懸沙縱向輸移分解

根據(jù)單寬懸沙縱向輸運(yùn)模式[10-11]將懸沙輸移量分解為8項(xiàng)：

(3)

上述具體算法以及公式中各項(xiàng)參數(shù)意義見(jiàn)文獻(xiàn)[12]。其中，T1和T2共為平流項(xiàng)輸移；T3和T4分別表示潮汐、潮流與懸沙濃度的潮變化項(xiàng)；T5表示垂向流速與懸沙濃度變化相關(guān)項(xiàng)；T6、T7和T8項(xiàng)的貢獻(xiàn)一般較小不予考慮。計(jì)算時(shí)，灣上部口門河段選取的流速值投影到河道方向，其他站的流速值則投影到南北方向，負(fù)號(hào)表示向陸輸移，正號(hào)表示向海輸移。

計(jì)算結(jié)果如表1所示，河口灣中上部口門站點(diǎn)基本為向海輸沙為主，以向海平流輸沙項(xiàng)T1和T2的貢獻(xiàn)為主，但在內(nèi)伶仃島東西側(cè)附近海域的L7、L9、L6和L10站的T4項(xiàng)和T5項(xiàng)的貢獻(xiàn)有所增大。位于內(nèi)伶仃島南側(cè)附近海域的L8站，T4和T5項(xiàng)的向陸輸沙貢獻(xiàn)接近向海平流輸沙項(xiàng)的貢獻(xiàn)。其中T4項(xiàng)體現(xiàn)河口近底過(guò)程對(duì)最大渾濁帶高濃度懸沙的貢獻(xiàn)，如床沙的再懸浮過(guò)程和潮流不對(duì)稱引起的輸沙[13]，而T5項(xiàng)則表示垂向環(huán)流對(duì)輸沙的貢獻(xiàn)。L8站對(duì)應(yīng)潮流分析中滯流點(diǎn)和垂向環(huán)流發(fā)育的位置。

表1 大潮期間懸沙輸移分解項(xiàng)統(tǒng)計(jì)表

從各輸沙因子的重要性來(lái)說(shuō)，對(duì)伶仃洋河口灣洪季輸沙影響最大的為T1、T2、T4和T5項(xiàng)，主要為平流向海輸沙，潮汐捕集和垂向環(huán)流的向陸輸沙，其他項(xiàng)的貢獻(xiàn)相對(duì)十分小。

4 模型建立與驗(yàn)證

4.1 模型建立

本研究基于TELEMAC系統(tǒng)內(nèi)的水動(dòng)力模塊TELEMAC-2D和泥沙模塊SISYPHE建立了兩個(gè)模型，一為包含珠江網(wǎng)河、河口灣及相鄰近海的大范圍水動(dòng)力模型 Ⅰ，二為伶仃洋河口灣水沙耦合模型 Ⅱ。

模型Ⅰ計(jì)算區(qū)域如圖7a所示，網(wǎng)格單元數(shù)共有202 321個(gè)，節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)為114 665，外海單元空間步長(zhǎng)最大為7 000 m，部分上游內(nèi)河段網(wǎng)格空間步長(zhǎng)達(dá)50 m。模型上游邊界從東向西分別到達(dá)了東江博羅、流溪河老鴉崗、北江石角、西江高要以及潭江石咀水文(位)站，輸入實(shí)測(cè)流量或潮位，外海邊界采用OSU預(yù)報(bào)的潮位數(shù)據(jù)，并應(yīng)用大萬(wàn)山T9站實(shí)測(cè)水位進(jìn)行校正。

模型Ⅱ計(jì)算區(qū)域?yàn)榱尕暄蠛涌跒?圖7b)，網(wǎng)格單元數(shù)共有44 507個(gè)，節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)為23 114，網(wǎng)格空間步長(zhǎng)200～500 m。泥沙參數(shù)中值粒徑給定為0.002 cm，沉降速度給定為0.05 cm/s，各開(kāi)邊界懸沙輸入取本次實(shí)測(cè)懸沙濃度的平均值。

4.2 模型驗(yàn)證

采用實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)分別對(duì)大范圍水動(dòng)力模型Ⅰ結(jié)果的潮位(9個(gè)站點(diǎn))、潮流(14個(gè)站點(diǎn))以及伶仃洋水沙耦合模型Ⅱ結(jié)果的懸沙濃度(8個(gè)站點(diǎn))進(jìn)行驗(yàn)證。其中驗(yàn)證點(diǎn)位置見(jiàn)圖2，大潮驗(yàn)證時(shí)間為2007年8月13-14日，中潮潮驗(yàn)證時(shí)間為16-17日。

潮位驗(yàn)證結(jié)果如圖8所示，RMSE平均為0.137 m，相關(guān)系數(shù)r為0.988；流速驗(yàn)證結(jié)果如圖9所示，RMSE平均為0.101 m/s，相關(guān)系數(shù)r為0.967；懸沙濃度驗(yàn)證結(jié)果如圖10所示，RMSE平均為0.051 kg/m3。總體來(lái)說(shuō)，模擬結(jié)果較好，模型基本能反映伶仃洋洪季水動(dòng)力特點(diǎn)和懸沙變化過(guò)程。

圖7 模型計(jì)算范圍Fig.7 TELEMAC model computational domains

圖8 潮位驗(yàn)證圖Fig.8 Comparison between the model calculated and observed water level

圖9 潮流流速驗(yàn)證圖Fig.9 Comparison between the model calculated and observed tidal current velocity

圖10 懸沙濃度驗(yàn)證圖Fig.10 Comparison between the model calculated and observed suspended sediment concentration

圖11 大、小潮平均懸沙場(chǎng)平面分布Fig.11 Disribution of suspended sediment concentration in spring and neap tide

圖12 大、小潮各斷面懸沙場(chǎng)變化圖Fig.12 Longitudinal variation of suspended sediment concentration in the spring and neap tide

圖13 伶仃洋洪季各特征時(shí)刻懸沙場(chǎng)Fig.13 Distribution of suspended sediment concentration at characteristic time in the Lingdingyang Estuary

5 懸沙場(chǎng)平面分布

5.1 平均懸沙場(chǎng)

伶仃洋河口灣洪季大潮(13-14日)以及小潮期間(20-21日)的平均懸沙場(chǎng)平面分布模擬結(jié)果如圖11所示。大潮期間，懸沙濃度最高的區(qū)域位于內(nèi)伶仃島西北側(cè)海域，約為0.20 kg/m3，其次在東槽以及中灘西北部區(qū)域的也相對(duì)較大，達(dá)到0.12 kg/m3以上，而虎門河道、川鼻水道以及燈籠水道為0.08 kg/m3，其余地方的懸沙濃度則相對(duì)較小。小潮期間整體平均懸沙濃度水平明顯降低，內(nèi)伶仃島西北側(cè)的海域含沙量?jī)H約0.05 kg/m3，其中虎門段含沙量較高可能是受到模型邊界懸沙輸入的影響。

在大潮平均懸沙場(chǎng)中取2個(gè)縱斷面和4個(gè)橫斷面進(jìn)行分析(圖11a)，其懸沙濃度的沿程變化如圖12所示。沿D1縱斷面，灣頂虎門處含沙量達(dá)0.10 kg/m3，隨后沿西槽向海迅速增大，至內(nèi)伶仃島以北接近0.20 kg/m3，在內(nèi)伶仃島以南開(kāi)始逐漸減?。谎貣|槽的縱斷面D2，從龍穴島附近向海含沙量變化不大，而過(guò)了內(nèi)伶仃島之后含沙量則逐漸下降。灣上部橫斷面D3則表現(xiàn)為中部礬石水道較高；灣中部的橫斷面D4以及D5，從西往東，西灘水體含沙量較小，在西槽達(dá)最大值約0.20 kg/m3，至中灘懸沙濃度略減，而后至東槽又略增，然后向東灘減小；位于內(nèi)伶仃島南側(cè)和大濠島北側(cè)的斷面D6，從西灘往東含沙量逐漸增大，西槽處達(dá)最大，隨后在內(nèi)伶仃洋島南側(cè)海域出現(xiàn)急劇下降，再往東緩慢下降。

從各斷面的懸沙濃度變化情況可知，縱向上出虎門口后懸沙濃度先減小后增大，在內(nèi)伶仃島附近懸沙濃度最大，隨后向海逐漸減小。橫向上看，西槽最大，東槽和中灘次之。

5.2 各特征時(shí)刻懸沙場(chǎng)

伶仃洋河口灣洪季大潮以及小潮的漲急時(shí)刻、漲憩時(shí)刻、落急時(shí)刻和落憩時(shí)刻懸沙場(chǎng)分布模擬結(jié)果如圖13所示。

大潮落憩時(shí)刻伶仃洋整體的懸沙濃度最大，內(nèi)伶仃島西側(cè)海域能達(dá)到0.40 kg/m3，平面上表現(xiàn)為西、東槽以及中灘的含沙量相對(duì)較大。落急時(shí)刻整體區(qū)域的懸沙濃度也比較大，但是比落憩時(shí)刻略小，高值區(qū)域可達(dá)0.30 kg/m3，亦出現(xiàn)在內(nèi)伶仃島西北側(cè)的海域。漲急和漲憩時(shí)刻整體含沙量明顯比落急和落憩時(shí)刻小，含沙量高值區(qū)域出現(xiàn)在內(nèi)伶仃島西北側(cè)的海域，但不到0.20 kg/m3。小潮期間懸沙平面分布相對(duì)情況與大潮期間類似，但量值明顯減小，最大值出現(xiàn)在落急時(shí)刻，約0.12 kg/m3。

6 懸沙場(chǎng)分布成因探討

6.1 潮流作用

一般來(lái)說(shuō)，較大的流速條件下會(huì)產(chǎn)生相對(duì)大的底切應(yīng)力，從而能在底床起動(dòng)更多的泥沙，增大水體的懸沙濃度。灣內(nèi)漲、落潮流不對(duì)稱現(xiàn)象明顯，大、小潮潮流強(qiáng)度變化亦明顯，這必然影響懸沙的潮內(nèi)變化情況。選取西槽上、中、下游3個(gè)站點(diǎn)作為代表(位置見(jiàn)圖11a)，其流速與懸沙濃度過(guò)程線如圖14所示，由圖可見(jiàn)，該站懸沙濃度和流速大小變化趨勢(shì)較一致并具有周期性變化，特別是當(dāng)流速在落急時(shí)候達(dá)到極大值時(shí)，懸沙濃度隨后迅速增大達(dá)到極大值，當(dāng)流速下降時(shí)，懸沙濃度亦有一個(gè)相對(duì)緩慢的下降過(guò)程，懸沙濃度對(duì)流速的響應(yīng)存在滯后現(xiàn)象，延遲約2 h。此外，大潮期間流速極值小于小潮期間，大潮期間的懸沙濃度亦相對(duì)大于小潮期間。故潮流動(dòng)力是伶仃洋泥沙再懸浮的主要?jiǎng)恿Α?/p>

圖14 流速與懸沙濃度過(guò)程線Fig.14 Time series variation of velocity and suspended sediment concentration

圖15 有無(wú)徑流來(lái)沙的大、小潮平均懸沙場(chǎng)Fig.15 Comparison of the suspended sediment concentration distribution without and with upstream sediment transport

6.2 徑流來(lái)沙作用

伶仃洋河口灣的來(lái)水來(lái)沙集中在洪季，其上游的西江高要站、北江石角站、東江博羅站8月份的月徑流量分別約為240億m3、30億m3和40億m3，各口門來(lái)水來(lái)水沙存在差異，故洪季的徑流來(lái)沙，以及灣上部東西來(lái)沙不平衡必將影響懸沙場(chǎng)的空間分布。

為了探討徑流來(lái)沙對(duì)懸沙場(chǎng)的影響，本文在模型Ⅱ中關(guān)閉河口灣上游口門的懸沙輸入，計(jì)算了一個(gè)對(duì)比案例，并選取了大潮、小潮平均的狀態(tài)下，對(duì)有上游來(lái)沙和無(wú)上游來(lái)沙的懸沙分布進(jìn)行了比較。如圖15所示，大潮平均懸沙場(chǎng)，在無(wú)上游來(lái)沙的情況下，僅內(nèi)伶仃島西北側(cè)以及東槽的懸沙濃度比較大，最大不超過(guò)0.15 kg/m3，當(dāng)有上游來(lái)沙時(shí)，內(nèi)伶仃島西北側(cè)的高值范圍明顯往四周擴(kuò)散，懸沙濃度最大能達(dá)到0.20 kg/m3，同時(shí)東槽的含沙量高值也不再局限于窄的深槽。其次，受到虎門河口徑流來(lái)沙的影響，中灘北部含沙量明顯增大。另外，各口門河段深槽的含沙量亦有明顯增大，反映了泥沙隨著徑流沿河道下泄入注灣內(nèi)的路徑。小潮期間的情況與大潮類似。

6.3 徑、潮流對(duì)比作用

伶仃洋河口灣存在四大口門，其中東側(cè)的虎門屬于潮流優(yōu)勢(shì)型，山潮比值僅為0.25，而西側(cè)的蕉門、洪奇門以及橫門則屬?gòu)搅鲀?yōu)勢(shì)型，山潮比分別為1.67、2.06以及2.63。

根據(jù)3.1.3的實(shí)測(cè)資料分析得出，滯流點(diǎn)在內(nèi)伶仃島南北附近移動(dòng)，而滯流點(diǎn)的位置是下泄流與上溯流的對(duì)比情況決定的，徑流會(huì)加大下泄流，滯流點(diǎn)位置是徑流、潮流作用的平衡點(diǎn)，泥沙易于在此淤積，為懸沙活躍的中心。滯流點(diǎn)上游以下泄流作用為主，下游以上流溯流作用為主。根據(jù)3.2.2泥沙縱向輸移機(jī)制分析的結(jié)果，灣上部各站總體以徑流的平流凈向海輸沙為主，而滯流點(diǎn)以南的內(nèi)伶仃島南側(cè)L8站，潮流作用引起的T4項(xiàng)以及垂向環(huán)流作用引起的T5項(xiàng)的向陸輸沙貢獻(xiàn)較大?；㈤T為灣內(nèi)流速高值區(qū)，其以平流向海凈輸沙貢獻(xiàn)為主，泥沙不在此淤積集中，故并未在此形成懸沙高值中心。

6.4 地形邊界作用

6.4.1 口門

“門”是珠江三角洲獨(dú)特而典型的地貌單元，指的是通過(guò)狹窄的基巖峽口流入河口灣的口門?；㈤T兩側(cè)基巖島丘使其成為的峽口，而其上下游的獅子洋和伶仃洋河口灣的橫斷面均有放寬，并具有較大的納潮量，故在此發(fā)育雙向射流系統(tǒng)，這特別有利于徑流攜帶大量泥沙往下游輸移[14]。而蕉門、洪奇瀝和橫門河道出口后橫斷面亦大幅放寬，導(dǎo)致流速逐漸減小，水流挾沙力下降，從而在出口門處形成局部懸沙濃度高值區(qū)。

6.4.2 島嶼

伶仃洋河口灣灣口分布大大小小的島嶼，如大濠島、萬(wàn)山群島等，這些灣口的島嶼阻擋外海波浪的傳入，使得灣內(nèi)的波浪作用減弱，懸沙場(chǎng)的分布受到波浪的改造作用也比較弱。灣口東側(cè)由于受到大濠島的影響，通過(guò)香港暗士頓水道出口的路徑幾乎與灣內(nèi)漲落潮主流向垂直，故懸沙更加集中分布在伶仃洋西側(cè)即靠近珠海-澳門一側(cè)，但灣南部東側(cè)海域含沙量處于較低的狀態(tài)。位于灣中間的內(nèi)伶仃島，具有阻隔水、沙的作用，由于泥沙主要來(lái)源于東四口門，受到內(nèi)伶仃島的阻隔，東四口門下泄的泥沙更易在其北側(cè)淤積，這也是內(nèi)伶仃島北側(cè)形成中灘的原因之一。

6.4.3 深槽

伶仃洋河口灣內(nèi)水深較大的水道有：虎門口的川鼻水道、伶仃水道(西槽)、礬石水道(東槽)以及洪奇瀝出口的燈籠水道。特別是虎門河道，其上游獅子洋具備較大納潮量，當(dāng)處于大潮落潮時(shí)，水流沿著川鼻水道深槽迅速下泄，隨后分成西、東兩路分別順著西槽和東槽攜帶大量泥沙快速下泄。深槽是漲落潮流的主要通道，具有較大的流速，同時(shí)也能更多地?cái)y帶泥沙下泄，導(dǎo)致其懸沙濃度增大。

6.5 分、匯流作用

鳧洲水道為蕉門的分汊，其出口幾乎以垂直方向匯入虎門水道，在交匯處懸沙在此形成強(qiáng)烈的混合聚集，所以在鳧洲水道東側(cè)出口處小范圍內(nèi)形成懸沙濃度高值中心(圖13)；由于橫門出口分東西二汊，東汊呈東西向，因此，洪奇瀝、橫門出口處存在較強(qiáng)的橫向向東的輸沙流，其與來(lái)自蕉門的南向落潮流以幾乎以垂直方向交匯，懸沙在此形成強(qiáng)烈的混合聚集，在萬(wàn)頃沙南面海域形成一含沙量高值中心(圖13)；淇澳島東側(cè)，燈籠水道攜帶泥沙向東南匯入西槽，故在西槽中段高值中心的西側(cè)，其含沙量亦同樣保持在較高值。挾沙水流的分、匯作用是灣內(nèi)局部區(qū)域懸沙濃度增強(qiáng)的原因之一。

7 結(jié)論

通過(guò)實(shí)測(cè)資料分析與數(shù)值模擬相結(jié)合，本文探討了伶仃洋河口灣洪季懸沙場(chǎng)平面分布特征及成因，主要結(jié)論如下：

(1)實(shí)測(cè)水沙資料分析表明：洪季滯流點(diǎn)位于內(nèi)伶仃島附近；縱向輸移機(jī)制分析表明，伶仃洋洪季輸沙主要貢獻(xiàn)項(xiàng)為平流向海輸沙，潮汐捕集和垂向環(huán)流的向陸輸沙，其中后兩者在內(nèi)伶仃島附近的貢獻(xiàn)較大。

(2)伶仃洋洪季懸沙場(chǎng)平面分布：縱向上，虎門出口后懸沙濃度先減小后增大，在內(nèi)伶仃島附近的懸沙濃度最大，隨后向海逐漸減??；橫向上看，西槽最大，東槽和中灘次之；高值中心出現(xiàn)在內(nèi)伶仃島西北側(cè)的海域。

(3)從潮流、徑流來(lái)沙、徑潮強(qiáng)度對(duì)比、地形邊界作用分析了伶仃洋洪季懸沙場(chǎng)的平面分布差異成因：大潮落急時(shí)刻的高流速是泥沙再懸浮的主要?jiǎng)恿Γ粡搅鱽?lái)沙明顯會(huì)增大整個(gè)灣內(nèi)懸沙含量，而灣上部東西輸沙量不平衡則導(dǎo)致西部懸沙濃度高值和范圍比東部大；徑、潮流強(qiáng)度的對(duì)比變化在內(nèi)伶仃島附近形成滯流點(diǎn)，利于形成懸沙濃度高值區(qū)；地形邊界、分匯流作用是灣內(nèi)局部區(qū)域懸沙濃度增大或減小的原因之一。

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The 2D distribution characteristics and formation mechanism of suspended sediment concentration during the flood season in the Lingdingyang Estuary

He Jiawei1，Jia Liangwen1，Wei Xiange2，Jia Yanhong1，Cheng Cong1

(1.CoastalOceanResearchCenter,SchoolofMarineScience，SunYen-satUniversity，Guangzhou510275，China；2.SchoolofEnvironmentScienceandEngineering，SunYen-satUniversity，Guangzhou510275，China)

Based on the observed data of current and suspended sediment concentration (SSC) during the flood season (13-14 and 16-17， August， 2007)， by the means of measured data analysis and the TELEMAC-2D numerical model， this article reveals the spatial distribution characteristics of SSC in the Lingdingyang Esturay: in the longitudinal direction along west channel， SSC decrease first， then increase， and then decrease again from bay head to open sea; laterally， west channel， east channel and the north of the middle flat are higher SSC areas; the maximal center of SSC is located on the northwest of Neilingding Island. The model of longitudinal material transport reveals that the main reasons of net suspended sediment transport are advection， tidal asymmetry and vertical circulation. The effects of tidal current， runoff with sediment transport， solid boundary and topography condition are the main reasons for the 2D distribution characteristics of SSC in the Lingdingyang Estuary．

Lingdingyang Estuary; suspended sediment concentration; 2D distribution characteristics; mechanism

10.3969/j.issn.0253-4193.2017.09.003

2016-11-07；

2016-12-21。

國(guó)家自然科學(xué)基金“復(fù)雜動(dòng)力條件下磨刀門河口長(zhǎng)周期地貌演變研究”(41376101)；國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目“珠江河口與網(wǎng)河演變機(jī)制及治理研究”(2016YFC0402603)；廣東省海洋漁業(yè)科技與產(chǎn)業(yè)發(fā)展專項(xiàng)“珠江口伶仃洋圍填海工程的累積環(huán)境影響及生態(tài)修復(fù)措施研究”(A201401D01)；水利公益性行業(yè)科研專項(xiàng)經(jīng)費(fèi)項(xiàng)目“珠江河口咸情變化及抑咸對(duì)策研究”(201501010)。

何嘉偉(1990—)，男，廣東省深圳市人，研究助理，從事河口海岸動(dòng)力、泥沙研究。E-mail：jiawei_he@foxmail.com

*通信作者：韋獻(xiàn)革(1966-)，男，廣西省柳州市人，博士，從事環(huán)境科學(xué)研究。E-mail：eeswxg@mail.sysu.edu.cn

TV142

A

0253-4193(2017)09-0026-14

何嘉偉， 賈良文， 韋獻(xiàn)革， 等. 伶仃洋洪季懸沙平面分布特征及成因探討[J]. 海洋學(xué)報(bào)， 2017， 39(9): 26-39，

He Jiawei， Jia Liangwen， Wei Xiange， et al. The 2D distribution characteristics and formation mechanism of suspended sediment concentration during the flood season in the Lingdingyang Estuary[J]. Haiyang Xuebao， 2017， 39(9):26-39， doi:10.3969/j.issn.0253-4193.2017.09.003