舟山群島海域波浪對(duì)泥沙沖淤過程的影響?

陸罕芳， 顧峰峰， 陳學(xué)恩??， 戚定滿

(1.中國(guó)海洋大學(xué)海洋與大氣學(xué)院，山東 青島 266100； 2.上海河口海岸科學(xué)研究中心，上海 201201)

舟山群島位于長(zhǎng)江口東南側(cè)，北面連接長(zhǎng)江口海域，西面與杭州灣相連，東面連接?xùn)|中國(guó)海。群島島嶼眾多，岸線地勢(shì)復(fù)雜多變。舟山群島海域(見圖1)既是杭州灣水體與東海水體交換的主要通道，也是杭州灣向東海輸運(yùn)泥沙的重要通道，還是東海沿岸流攜帶泥沙向南輸運(yùn)的過渡地帶[1]。在舟山群島海域，開闊海域沉積類型以粉砂為主，島嶼附近則是以細(xì)砂為主，黏土主要來源于從長(zhǎng)江口直接進(jìn)入杭州灣的泥沙，外海輸沙的影響很小[1-2]。表層沉積物總體上呈東粗(砂)西細(xì)(泥)、粒徑由北向南逐漸變細(xì)的特點(diǎn)[3-4]。舟山群島海域懸沙含量東南方向低、西北方向高，自杭州灣向外海迅速降低[1，5]。落潮平均懸沙含量一般高于漲潮平均懸沙含量，大潮間懸沙平均含量大于小潮間，冬季懸沙平均含量大于夏季。潮流是控制泥沙輸運(yùn)的主要?jiǎng)恿σ蜃覽1，6-7]。懸沙輸運(yùn)具有往復(fù)搬運(yùn)、凈輸沙量小的特點(diǎn)[1]。舟山群島的存在對(duì)海流變化、泥沙分布和泥沙輸運(yùn)有顯著影響，具有明顯的“群島效應(yīng)”[5]。由杭州灣向外海，泥沙起動(dòng)流速越來越大，在群島內(nèi)，泥沙基本沿水道走向輸運(yùn)[1]。

一般天氣條件下，舟山群島海域波浪主要為風(fēng)浪，呈現(xiàn)東高西低特征：在群島以東，平均波高1 m左右，在群島以西，由于群島阻礙作用，波浪向西傳播時(shí)迅速衰減[8]。舟山群島海域夏秋臺(tái)風(fēng)(熱帶風(fēng)暴)影響頻繁。臺(tái)風(fēng)天氣條件下，舟山群島對(duì)臺(tái)風(fēng)浪的阻擋效果亦顯著。臺(tái)風(fēng)期間舟山東部海域波高大、周期長(zhǎng)且涌浪影響明顯，西部海域波高較小且以風(fēng)浪影響為主[9]。已有研究表明，波浪能通過影響流速、底部切應(yīng)力和紊動(dòng)擴(kuò)散系數(shù)來影響泥沙的起動(dòng)、懸沙的輸運(yùn)和擴(kuò)散[10-13]。故而泥沙沖淤研究中，特別是基于數(shù)值模型模擬研究時(shí)考慮波浪的影響是十分有必要的。尹超等[14]采用ECOMSED模式進(jìn)行了不同波浪動(dòng)力條件影響下山東半島東側(cè)黑泥灣海域沖淤演化的數(shù)值模擬，結(jié)果表明，隨機(jī)波浪要素的引入對(duì)沖淤演變模擬結(jié)果有較大的影響，引入波浪要素后的模擬結(jié)果與海圖更為接近。舟山群島海域泥沙輸運(yùn)數(shù)值模擬研究方面，二維泥沙模型主要有Delft 2D[15]、SWEM2D[16]以及潮流模型如ADCIRC耦合懸沙輸運(yùn)基本方程[17-18]等；三維泥沙模型主要有ECOMSED[19]、Delft 3D[20]FVCOM[21-23]等。但上述數(shù)值模擬研究或只針對(duì)舟山群島海域中某一特定小區(qū)域，或缺少對(duì)舟山群島整體海域泥沙沖淤特征詳細(xì)的分析，且均未分析波浪作用對(duì)泥沙輸運(yùn)的影響。

(b2：嵊山驗(yàn)潮站，b1：佘山驗(yàn)潮站； a2：浮標(biāo)Q206，a1：浮標(biāo)Q207； 1～9：懸沙濃度測(cè)站；c*：流速測(cè)站；d：春曉油管水深測(cè)點(diǎn))b2: Shengshan tide station, b1:Sheshan tide station; a2:buoy Q206,a1:buoy Q207; 1～9:sediment suspended concentration(SSC); c*: velocity; d:Chunxiao pipeline water depth).)

綜合前人的研究可知，現(xiàn)有的舟山群島海域泥沙輸運(yùn)的研究多為利用一次或多次有限站點(diǎn)的調(diào)查采樣數(shù)據(jù)來分析舟山群島海域整體的懸沙和沉積物的分布特征、泥沙輸運(yùn)方向和通量以及動(dòng)力機(jī)制，或者是針對(duì)某個(gè)具體水道、具體工程范圍的泥沙輸運(yùn)數(shù)值模擬研究。但整個(gè)舟山群島海域一般天氣條件下的泥沙輸運(yùn)特征尚不清晰，波浪對(duì)舟山群島海域泥沙沖淤影響以及不同的波浪條件下產(chǎn)生的影響差異有待進(jìn)一步深入研究。

因而，本文在長(zhǎng)江口與杭州灣及其鄰近海域建立了一個(gè)高分辨的三維水沙鹽模型SWEM，并以舟山群島海域?yàn)橹攸c(diǎn)研究海域；研究分別模擬了一般天氣條件下，該海域在潮汐、徑流、風(fēng)和波浪影響下的地形沖淤與懸沙含量分布特征，并對(duì)一般天氣條件下和臺(tái)風(fēng)天氣條件下波浪對(duì)該海域泥沙沖淤過程的影響及其差異進(jìn)行了和分析比較。

1 研究方法與數(shù)據(jù)簡(jiǎn)介

SWEM是上海河口海岸科學(xué)研究中心自主研發(fā)的三維潮流泥沙數(shù)值模型[24]。該模型基于無結(jié)構(gòu)三角網(wǎng)格和有限體積離散，具有很好的復(fù)雜邊界適應(yīng)能力和守恒性；對(duì)于流場(chǎng)計(jì)算采用了歐拉—拉格朗日追蹤法，計(jì)算效率較高，可以滿足較大范圍、復(fù)雜邊界區(qū)域的研究需要。本文模式計(jì)算網(wǎng)格范圍(見圖2)120.31°E～124.13°E，28.46°N～33°N，包括長(zhǎng)江口、杭州灣、舟山群島及其鄰近海域，其中長(zhǎng)江口區(qū)域采用了1∶2000的實(shí)測(cè)地形資料，其余采用了該區(qū)域2010年的海圖地形資料。

圖2 SWEM模式水平網(wǎng)格Fig.2 SWEM model horizontal mesh

模式采用冷啟動(dòng)，對(duì)2010年全年進(jìn)行了逐月模擬。開邊界采用16個(gè)主要分潮驅(qū)動(dòng)；模式考慮長(zhǎng)江、錢塘江徑流量；長(zhǎng)江上游采用大通站2010年的日平均流量，錢塘江采用多年平均的年平均流量；采用WOA09氣候態(tài)逐月特征溫度均一場(chǎng)；泥沙邊界條件取開邊界零通量，泥沙初始場(chǎng)取為長(zhǎng)江口口門外小范圍(121.4°E～122.3°E，31.2°N～31.8°N)海域0.3 g/mL，其他海域?yàn)榱愠跏紙?chǎng)；泥沙沉降速度與臨界起動(dòng)應(yīng)力隨著海域泥沙粒徑由西向東逐漸增大，沉降速度：0.25～0.5 mm/s，臨界起動(dòng)應(yīng)力：0.4～0.8 Pa；沖刷率為0.000 2 kg/m3,沉降概率為0.2；考慮波流共同作用下的底部切應(yīng)力。

CCMP(Cross Calibrated Multi-Platform)風(fēng)場(chǎng)數(shù)據(jù)集與浮標(biāo)QF206(見圖1:a1)風(fēng)場(chǎng)數(shù)據(jù)(見圖3:a,b)對(duì)比結(jié)果顯示，該數(shù)據(jù)集在本研究海域可信度較高。故而一般天氣條件下的風(fēng)場(chǎng)數(shù)據(jù)采用2010年CCMP(Cross Calibrated Multi-Platform)數(shù)據(jù)集(0.25°×0.25°，6 h/次)插值到計(jì)算網(wǎng)格上。選取2014年經(jīng)過舟山群島海域的“鳳凰”臺(tái)風(fēng)(見圖4)，并基于臺(tái)風(fēng)特征因素，通過常用的Jelesnianski-I[25]風(fēng)場(chǎng)模型重建得到臺(tái)風(fēng)風(fēng)場(chǎng)。相應(yīng)天氣下的波浪場(chǎng)由SWAN海浪模式給出。SWAN模型波浪驗(yàn)證結(jié)果見圖3c。模式實(shí)驗(yàn)設(shè)置如下(見表1)：一般天氣條件下考慮波浪(實(shí)驗(yàn)1-1)，一般天氣條件下不考慮波浪(實(shí)驗(yàn)1-2)，臺(tái)風(fēng)天氣條件下考慮波浪(實(shí)驗(yàn)2-1)，臺(tái)風(fēng)天氣條件下不考慮波浪(實(shí)驗(yàn)2-2)。

圖3 CCMP風(fēng)場(chǎng)(a、b)和SWAN波浪驗(yàn)證(c) Fig.3 CCMP data compare with the buoy data (a，b)and SWAN significant wave high verification(c)

此外，由于缺少相應(yīng)時(shí)段的實(shí)測(cè)資料，根據(jù)可用實(shí)測(cè)資料的時(shí)段，本文選取2006年10月、2010年1月、2010年5月、2012年7月分別模擬，進(jìn)行泥沙、水位和流速驗(yàn)證。模式驅(qū)動(dòng)條件均為該時(shí)段的潮汐、CCMP風(fēng)場(chǎng)(2012年采用NECP后報(bào)風(fēng)場(chǎng))、對(duì)應(yīng)風(fēng)場(chǎng)下的波浪場(chǎng)、日平均長(zhǎng)江徑流與錢塘江多年的年平均徑流。

圖4 臺(tái)風(fēng)路徑示意圖Fig.4 Typhoon path

表1 實(shí)驗(yàn)設(shè)置Table1 Model experiments setup

2 模式結(jié)果驗(yàn)證

模式結(jié)果驗(yàn)證分為水動(dòng)力驗(yàn)證和泥沙(懸沙含量、地形沖淤)驗(yàn)證兩部分。所用實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)測(cè)點(diǎn)見圖1。潮位實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)采用佘山、嵊山測(cè)站(見圖1:b1,b2)2010年5月的逐時(shí)水位數(shù)據(jù)(見圖5)。流速數(shù)據(jù)采用2010年1月7日—9日浮標(biāo)QF207(見圖1:a2)的垂向分層逐時(shí)流速數(shù)據(jù)(見圖6)與2012年7月20日14時(shí)至21日16時(shí)測(cè)點(diǎn)SW1(見圖1:c)的垂向平均逐時(shí)流速數(shù)據(jù)(見圖7)。

泥沙含量驗(yàn)證(見圖8)采用2006年10月青島海洋地質(zhì)研究所和中國(guó)海洋大學(xué)在該海域進(jìn)行的9個(gè)站位(見圖1:1～9)、25 h周日平均數(shù)據(jù)[1]。地形沖淤變化采用春曉油管海域2007年和2013年兩次相隔6年的實(shí)測(cè)地形數(shù)據(jù)(見圖1:d)之差作為實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)。因此，本文將2010年全年地形沖淤變化的模擬結(jié)果乘以6倍，與觀測(cè)作對(duì)比(見圖9)。

(S1: 佘山站；S2: 嵊山站。 S1: Sheshan station；S2: Shengshan station.)

圖6 模式垂向分層流速結(jié)果驗(yàn)證Fig.6 Model vertical velocity verification

圖7 模式平均流速結(jié)果驗(yàn)證Fig.7 Model mean velocityverification

圖8 模式懸沙含量結(jié)果驗(yàn)證Fig.8 Model SSC verification

圖9 模式地形沖淤變化結(jié)果驗(yàn)證Fig.9 Model micro-topography change verification

從圖5～9的模式驗(yàn)證結(jié)果來看，模式結(jié)果和實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)吻合較好，流速與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)基本接近，模式懸沙含量模擬結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果變化趨勢(shì)一致，均呈現(xiàn)杭州灣1～3測(cè)點(diǎn)懸沙含量高，舟山群島海域4～9測(cè)點(diǎn)懸沙含量較低的趨勢(shì)，模式模擬的地形沖淤變化與實(shí)測(cè)地形沖淤變化趨勢(shì)一致。綜上表明，模式結(jié)果能較好的反映研究海域的水動(dòng)力、懸沙分布以及地形沖淤特征，可以用來進(jìn)行后續(xù)研究分析，其中計(jì)算的誤差主要和該區(qū)域較為復(fù)雜的地形及風(fēng)浪條件有關(guān)。

3 結(jié)果分析討論

3.1 一般天氣條件下地形沖淤和懸沙含量時(shí)空分布特征

為研究一般天氣條件下地形沖淤變化和懸沙含量的分布特征，選取2、5、7、8、10與12月作為典型月份。取模式逐月運(yùn)行結(jié)果后15 d的懸沙含量進(jìn)行時(shí)間平均，作為當(dāng)月潮周期平均的懸沙含量分布，與當(dāng)月地形沖淤變化模擬結(jié)果繪制圖10。

舟山群島海域島嶼間東西方向水道基本表現(xiàn)為沖刷地形，如螺頭水道、舟山—岱山水道等。沖刷量表現(xiàn)為2月份開始增強(qiáng)，在7月達(dá)到最大值10 cm，秋季開始減弱，至12月或1月最弱。島嶼間南北方向的水域如岱山島—大長(zhǎng)途間水域和朱家尖東側(cè)等海域則表現(xiàn)為較強(qiáng)的淤積特征。淤積量基本表現(xiàn)為秋季開始增強(qiáng)，在10或12月達(dá)到最大，最大淤積量分別為7和14 cm，春季開始減弱，至5月達(dá)到最小值。海域懸沙含量由西北向東南迅速降低,懸沙含量在群島西北側(cè)海域一般為1 g/L左右，在群島東南側(cè)海域則降低為0.1 g/L，體現(xiàn)了群島“慮沙”的特點(diǎn)。冬季懸沙平均含量大于夏季。整體上看3月份懸沙含量最大，此時(shí)1 g/L 等值線深入群島內(nèi)部，8月份懸沙含量最小，此時(shí)1 g/L等值線遠(yuǎn)離舟山群島海域。懸沙含量分布特征與胡日軍[1]、黃慧明等[5，26]、壽瑋瑋[27]和周鴻權(quán)等[7]的研究結(jié)果吻合。懸沙含量的分布與潮汐余流場(chǎng)分布吻合，表明了潮汐是控制懸沙輸運(yùn)的主要因素。來自長(zhǎng)江口的懸沙隨著潮波運(yùn)動(dòng)，進(jìn)入舟山群島海域，結(jié)合局地掀沙，在潮波與地形作用下或沿著幾個(gè)主要的水道向外海擴(kuò)散，或在流速較小的區(qū)域沉積。

3.2 一般天氣條件下波浪對(duì)泥沙沖淤過程的影響

波浪模擬結(jié)果表明波浪自舟山群島東側(cè)傳入，受到群島阻礙作用迅速減弱。波浪分布自西向東呈帶狀分布，等值線密集。海域秋冬季節(jié)的波浪強(qiáng)于春夏季節(jié)，其中5月最弱，10和12月最強(qiáng)(具體的SWAN波浪模擬結(jié)果本文未給出)。

((填充圖為地形沖淤變化/m；等值線為懸沙含量。藍(lán)色0.1:0.2:0.5 g/L；綠色1:0.5:1.5 g/L；紅色2 g/L。The fill color, /m and SSC distribution (the contour). Blue 0.1:0.2:0.5 g/L； Green 1:0.5:1.5 g/L； Red 2 g/L) .)

由考慮波浪作用(實(shí)驗(yàn)1-1)的模式結(jié)果與不考慮波浪作用(實(shí)驗(yàn)1-2)的模式結(jié)果，得到波浪對(duì)舟山群島海域泥沙沖淤過程的影響的分布變化(見圖11)。從時(shí)間分布上看，舟山群島海域秋冬季受波浪影響較大，春夏季受影響較小。波浪對(duì)泥沙沖淤過程影響較顯著的區(qū)域?yàn)橹旒壹鈻|側(cè)海域。波浪對(duì)該海域泥沙沖淤過程的影響表現(xiàn)為促進(jìn)泥沙淤積和增加懸沙含量。在該海域，波浪影響顯著的月份為1—3月和10—12月，其中10月的影響最大，波浪影響增加的淤積量為10.7 mm，約占總體淤積量的10%。在其他月份的影響很小，特別在4、5月波浪的影響幾乎可以忽略。結(jié)合Soulsby底應(yīng)力的計(jì)算公式[28]與黃慧明等[26]給出的2007年11月朱家尖東北側(cè)海域水質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)軌跡圖，推測(cè)該海域受波浪影響形成促進(jìn)淤積、增加懸沙含量特征的原因可能是：相對(duì)于不考慮波浪作用，考慮波浪作用情況下整體海域的底應(yīng)力增大，使得海域水體懸沙含量有所增加。隨著水體輸運(yùn)到朱家尖東側(cè)海域的懸沙也隨之增多，從而朱家尖東側(cè)海域懸沙含量增加。同時(shí)在該海域，水質(zhì)點(diǎn)停留時(shí)間長(zhǎng)，故而泥沙沉降增多。

3.3 臺(tái)風(fēng)天氣條件下波浪對(duì)泥沙沖淤過程的影響

為研究在波浪條件變化劇烈的情況下，波浪對(duì)舟山群島海域泥沙沖淤過程的影響是否會(huì)發(fā)生較大變化，進(jìn)行了臺(tái)風(fēng)天氣條件下舟山群島海域泥沙沖淤過程的模擬。臺(tái)風(fēng)自2014年9月22日15時(shí)進(jìn)入舟山群島海域，到2014年9月23日21時(shí)離開舟山群島海域，一共歷時(shí)30 h。在臺(tái)風(fēng)過程中，有效波高高值區(qū)集中在舟山群島外側(cè)(見圖12)，并隨著臺(tái)風(fēng)中心向北移動(dòng)。最大有效波高達(dá)到6 m。

由實(shí)驗(yàn)2-1與實(shí)驗(yàn)2-2得出2014年“鳳凰”臺(tái)風(fēng)風(fēng)浪對(duì)舟山群島海域泥沙沖淤過程的影響，同時(shí)選取2010年9月份波浪的影響圖，繪制圖13，對(duì)比討論臺(tái)風(fēng)天氣條件下和一般天氣條件下波浪對(duì)舟山群島海域泥沙沖淤過程的影響。

((填充圖為地形沖淤變化/m；等值線為懸沙含量；藍(lán)色0.01:0.02:0.05 g/L；綠色0.1:0.05:0.15 g/L；紅色0.2 g/L).The fill color, /m and SSC distribution (the contour). Blue 0.01:0.02:0.05 g/L； Green 0.1:0.05:0.15 g/L； Red 0.2 g/L.).)

圖12 臺(tái)風(fēng)天氣條件下有效波高(填充圖,/m)和風(fēng)場(chǎng)分布特征(等值線, m/s)Fig.12 Significant wave high (the fill color, /m) and wind speed distribution (the contour，m/s) under typhoon weather condition

圖13 臺(tái)風(fēng)天氣條件下波浪引起的地形沖淤變化與泥沙含量分布變化(a)和一般天氣條件下9月波浪引起的地形沖淤變化與懸沙含量分布變化(b) (填充圖為地形沖淤變化/m；等值線為懸沙含量g/L)Fig.13 Micro-topography change(the fill color,/m)and SSC distribution(the contour,g/L) induced by wave influence under typhoon weather condition(a) and in September under general weather condition(b)

由圖13可知，在臺(tái)風(fēng)天氣條件下，舟山群島大部分海域受波浪影響，地形沖刷增強(qiáng)。波浪對(duì)泥沙沖淤過程的影響在朱家尖東側(cè)海域仍然較為顯著。在該海域，波浪對(duì)影響表現(xiàn)為促進(jìn)泥沙的淤積和增加懸沙含量。在臺(tái)風(fēng)天氣條件下，波浪引起的朱家尖東側(cè)海域的最大淤積量為4.2 mm。在一般天氣條件下，波浪9月在朱家尖東側(cè)海域的影響不顯著，最大淤積量?jī)H為0.8 mm。臺(tái)風(fēng)天氣條件下波浪在朱家尖東側(cè)海域引起的淤積量為一般天氣條件下的6倍，且引起的淤積范圍也有所增大。對(duì)比一般天氣情況，臺(tái)風(fēng)天氣的懸沙含量有所增加?？傮w而言，在臺(tái)風(fēng)天氣條件下，波浪對(duì)除朱家尖東側(cè)海域外的其他舟山海域的泥沙沖淤過程的影響為促進(jìn)沖刷和增加含沙量，在朱家尖東側(cè)海域則依舊表現(xiàn)為促進(jìn)淤積和增加含沙量。

4 結(jié)論

本文基于SWEM三維水沙鹽模式，考慮潮汐、徑流、風(fēng)場(chǎng)和波浪影響，在長(zhǎng)江口與杭州灣及其鄰近海域建立高分辨率的三維水沙鹽模型?；谀Ｊ浇Y(jié)果，本文研究了舟山群島海域在一般天氣條件下地形沖淤與懸沙含量的分布特征。分析了一般天氣條件下和臺(tái)風(fēng)天氣條件下波浪對(duì)舟山群島海域泥沙沖淤過程的影響。得出主要結(jié)論如下：

(1)一般天氣條件下，舟山群島海域內(nèi)部東西方向水道為沖刷特征，舟山群島東側(cè)海域以及舟山群島內(nèi)部南北方向水道為淤積特征。以沖刷為主的海域，沖刷強(qiáng)度春夏逐漸增強(qiáng)，至6月左右沖刷強(qiáng)度最大，然后開始減弱，至10月達(dá)到最小值。以淤積特征為主的海域，淤積強(qiáng)度秋季開始增強(qiáng)，10或12月淤積強(qiáng)度最大，春季開始減弱，在5月達(dá)到最小值。

(2)一般天氣條件下，舟山群島海域懸沙含量分布由西北向東南迅速降低。懸沙含量3月份最大，8月份最小，冬季懸沙平均含量大于夏季。懸沙含量的分布表明，潮汐是控制懸沙輸運(yùn)的主要因素。

(3)一般天氣條件下，波浪對(duì)舟山群島海域泥沙沖淤過程影響較為顯著的海域?yàn)橹旒壹鈻|側(cè)海域。在該海域波浪的影響為促進(jìn)淤積和增加懸沙含量。波浪影響的強(qiáng)度秋冬季增強(qiáng)，夏季最小。波浪影響的最大淤積量約占總淤積量的10%。臺(tái)風(fēng)天氣條件下，波浪對(duì)除朱家尖東側(cè)海域外的其他舟山群島海域的泥沙沖淤過程的影響為促進(jìn)沖刷和增加含沙量，在朱家尖東側(cè)海域則依舊表現(xiàn)為促進(jìn)淤積和增加含沙量。

本文模擬了一般天氣下舟山群島海域的地形沖淤與懸沙含量分布特征，并探究了一般天氣與臺(tái)風(fēng)天氣下波浪對(duì)該海域泥沙沖淤過程的影響。但海域受波浪的影響與具體的波浪因素如波高、波向、周期等之間的關(guān)系還有待進(jìn)一步研究。

致謝：國(guó)家超級(jí)計(jì)算濟(jì)南中心提供了“神威藍(lán)光”計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的支持。