三沙灣夏季底邊界層動(dòng)力過程及懸沙輸運(yùn)特征

齊昱愷， 涂俊彪， 于俊杰， 范代讀

(1. 同濟(jì)大學(xué)海洋地質(zhì)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 上海 200092； 2. 中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局南京地質(zhì)調(diào)查中心， 江蘇 南京 210016)

海灣區(qū)域是海陸相互作用的關(guān)鍵帶， 有著復(fù)雜的地理形態(tài)、多重的動(dòng)力作用、豐富的海洋資源和頻繁的人類活動(dòng)， 使其成為海岸海洋環(huán)境研究的重點(diǎn)對(duì)象。三沙灣位于福建省東北沿海(圖1)， 是福建省面積最大的海灣。三沙灣屬半封閉海灣， 僅以東南方向的一個(gè)狹口(東沖口)與東海相通， 口門寬度不過3 km； 灣內(nèi)海域由三都澳、東吾洋、官井洋等眾多次一級(jí)海灣匯集而成， 是個(gè)灣中有灣、港中有港的復(fù)雜海灣[1]。

圖1 三沙灣區(qū)位和水文觀測(cè)站位圖(審圖號(hào)： GS(2019)3266號(hào))Fig. 1 Location of Sansha Bay and observation sites

三沙灣是我國(guó)重要的天然良港和水產(chǎn)養(yǎng)殖基地，但其總體的研究程度仍較低。林航[2]統(tǒng)計(jì)分析了灣內(nèi)霞浦東沖站、寧德城澳站及福安白馬站2012年5月至2013年4月實(shí)測(cè)的逐時(shí)潮位資料， 發(fā)現(xiàn)灣內(nèi)均以落潮流為主的潮汐特征。嚴(yán)肅莊等[3]的研究表明三沙灣海域沉積物粗顆粒物質(zhì)主要是由徑流輸入的， 細(xì)顆粒物質(zhì)主要由潮流從灣外海域輸入。林建偉等[4]基于ROMS模型， 同時(shí)考慮溫度、鹽度和流場(chǎng)以及海表的凈熱通量、水氣通量、動(dòng)量通量和地表徑流， 建立三沙灣精細(xì)化水動(dòng)力數(shù)值模型。三沙灣人類活動(dòng)頻繁，主要以網(wǎng)箱養(yǎng)殖為主。Lin等[5]在三沙灣開展了關(guān)于網(wǎng)箱養(yǎng)殖對(duì)水體交換的影響的研究， 結(jié)果表明網(wǎng)箱的存在會(huì)減慢海水的運(yùn)動(dòng)， 從而改變海灣的水動(dòng)力格局，減緩灣內(nèi)外水體交換， 進(jìn)而影響海灣的泥沙輸運(yùn)。

三沙灣水清沙少， 沉積物再懸浮及輸運(yùn)的過程主要集中在底邊界層。底邊界層作為海床與海水能量及物質(zhì)交換的重要場(chǎng)所， 對(duì)其動(dòng)力過程的研究就顯得尤為重要。底質(zhì)沉積物在水流的作用下懸浮進(jìn)入底邊界層， 然后又受到底邊界層復(fù)雜的水動(dòng)力條件的影響向上擴(kuò)散， 當(dāng)表層懸浮泥沙沉降后經(jīng)過底邊界層又堆積在底床， 這一系列過程能夠在底邊界動(dòng)力過程中得到很好地響應(yīng)[6-7]。因此， 深入研究底邊界層動(dòng)力過程是認(rèn)識(shí)三沙灣沉積動(dòng)力及懸沙輸運(yùn)的關(guān)鍵。其中， 底切應(yīng)力是描述底邊界層水體混合和泥沙輸運(yùn)的重要參數(shù)。本文也將基于現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)底切應(yīng)力等關(guān)鍵混合參數(shù)進(jìn)行計(jì)算， 探究三沙灣底邊界動(dòng)力過程。

懸浮泥沙是海洋沉積動(dòng)力研究的一個(gè)重要因子，對(duì)研究海岸帶物質(zhì)交換和地形地貌變化有著重要意義。本文采用通量機(jī)制分解法， 探究三沙灣的懸沙輸運(yùn)機(jī)制。利用傳統(tǒng)的水文學(xué)方法分析處理實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)， 研究單點(diǎn)測(cè)站或斷面的懸沙濃度變化是前人研究懸沙輸運(yùn)機(jī)制所普遍采用的研究手段[8-10]。Dyer[11]提出了懸沙通量計(jì)算公式， 對(duì)流速和含沙量進(jìn)行了平均值和脈動(dòng)值的分解， 再結(jié)合橫截面面積，用這三者乘積來表示一個(gè)潮周期通過某橫斷面的懸沙通量。

目前對(duì)于三沙灣的水文環(huán)境研究更多集中于采用模型探討其水動(dòng)力過程， 也有部分集中于水產(chǎn)養(yǎng)殖方面， 但鮮少開展針對(duì)灣內(nèi)泥沙輸運(yùn)格局和機(jī)制的研究。本文的工作為進(jìn)一步研究三沙灣底質(zhì)再懸浮， 底邊界能量物質(zhì)交換、海岸帶工程建設(shè)及生態(tài)環(huán)境保護(hù)等有著重要的參考意義。基于2018年夏季在三沙灣海域獲得的水文泥沙數(shù)據(jù)， 結(jié)合觀測(cè)期間水文泥沙時(shí)空變化特征， 分析比較了三沙灣底邊界動(dòng)力過程以及懸浮泥沙通量， 探討沉積物在底邊界層動(dòng)力中的再懸浮情況。

1 方法

1.1 野外觀測(cè)

2018年8月1—8日先后在寧德三沙灣ND-2站位(中潮， 2日8： 00—3日9： 00)和ND-8站位(小潮，7日16： 00—8日17： 00)進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)水文定點(diǎn)潮周期觀測(cè)， 主要包括流速、鹽度、溫度、濁度等水文參數(shù)的采集。航次調(diào)查期間， 天氣狀況良好， 風(fēng)浪較小。觀測(cè)期間， 使用雙頻測(cè)深儀記錄水深， 將光學(xué)后向散射濁度計(jì)Campbell OBS-3A固定在不銹鋼架子上，在OBS-3A探頭同一高度固定水管口， 并下置鉛魚，通過絞車在各站位每小時(shí)拉剖面一次對(duì)整個(gè)水柱的水文參數(shù)進(jìn)行觀測(cè)。在表層、中層、底層各停留3～5 min， 并對(duì)相應(yīng)層位抽取一定量的水樣， 現(xiàn)場(chǎng)用規(guī)格為直徑47 mm、孔徑0.45 μm的醋酸纖維濾膜進(jìn)行抽濾， 記錄水樣體積， 將濾后的濾膜包裝好帶回實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行烘干稱重， 計(jì)算各水樣的懸沙濃度(suspended sediment concentration，CSS)。此外， 流場(chǎng)觀測(cè)的儀器主要有： ND-2站位， ADCP 600 kHz(坐底三腳架探頭朝上， bin size： 0.5 m)、ADCP 300 kHz(海表面浮船探頭朝下， bin size： 1.0 m)、ADP(坐底三腳架探頭朝下，距底約1.05 m， bin size： 0.04 m， 4 Hz)和ADV(坐底三腳架， 距底0.75 m， 8 Hz)； ND-8站位， 除ADV(坐底三腳架， 距底0.50 m， 32 Hz)的設(shè)置不同， 其余儀器設(shè)置不變。

1.2 數(shù)據(jù)分析

1.2.1 底邊界層摩阻流速的計(jì)算

摩阻流速*u是描述底邊界層混合和沉積物再懸浮的重要參數(shù)。然而摩阻流速難以直接測(cè)量， 通常通過對(duì)流速的現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)計(jì)算得到：

其中，0τ為底切應(yīng)力，0ρ是海水的平均密度。

本文將用前文所述的3種方法估算ND-2、ND-8站位的底邊界摩阻流速， 討論比較各個(gè)方法的差異。

1) 直接協(xié)方差測(cè)量法(COV法)

直接協(xié)方差測(cè)量法是一種根據(jù)摩擦速度*u的定義來直接估算雷諾應(yīng)力的方法。每個(gè)測(cè)得的瞬時(shí)流速(u、v、w)在無明顯波浪影響下都可以進(jìn)一步分解為2個(gè)部分， 平均流速和脈動(dòng)項(xiàng)(u′、v′、w′)。COV法取決于雷諾應(yīng)力的直接估算， 與脈動(dòng)流速的時(shí)均量直接相關(guān)[12]

在常應(yīng)力層內(nèi)， 底應(yīng)力0τ可以假定近似等于雷諾應(yīng)力， 結(jié)合公式(1)則有：

2) 對(duì)數(shù)剖面法(LP法)

對(duì)數(shù)剖面法是利用在常應(yīng)力層內(nèi)流速成對(duì)數(shù)分布的特點(diǎn)來估算摩阻流速*u， 又根據(jù)底邊界層剪切理論和經(jīng)驗(yàn)觀察， 有：

其中，U為平均流速(m/s)，z為距海底高度(m)，κ≈0.4為卡門常數(shù)。

在底床附近的區(qū)域， 因流速成對(duì)數(shù)分布， 所以被稱之為對(duì)數(shù)層， 將上式積分得到對(duì)數(shù)形式， 即：

其中，z0被稱為粗糙長(zhǎng)度。通過觀測(cè)距底不同層位z的流速剖面U， 可以擬合得到摩阻流速*u和粗糙長(zhǎng)度z0。

3) 慣性耗散法(ID法)

慣性耗散法利用了慣性子區(qū)內(nèi)湍動(dòng)能(P)的剪切生成和耗散率(ε)相互平衡的理論關(guān)系。本文對(duì)ADV采集的流速在各個(gè)方向上進(jìn)行了功率譜分析(圖5)，結(jié)果表明垂直方向的流速受到噪聲影響較小， 且在對(duì)數(shù)空間內(nèi)基本吻合–5/3的斜率， 故選取垂直方向的湍流流速功率譜計(jì)算湍動(dòng)能耗散率：

α為Kolmogorov常數(shù)取1.56，kw為波數(shù)等于根據(jù)Taylor凍結(jié)假設(shè)[13](Taylor's frozen turbulence hypothesis)， 波數(shù)譜和頻譜存在這樣的換算關(guān)系：為水平流速的時(shí)間平均， 進(jìn)而計(jì)算得到湍動(dòng)能耗散率ε。

海底邊界層內(nèi)海水的運(yùn)動(dòng)被認(rèn)為是穩(wěn)定的一維單向湍流運(yùn)動(dòng)， 遠(yuǎn)離湍動(dòng)能的生成區(qū)和耗散區(qū)， 即處于慣性子區(qū)內(nèi)， 湍動(dòng)能的生成和耗散處于平衡狀態(tài)[14-17]， 得到如下關(guān)系：

P與ε兩者在理想情況下是相等的， 通過這兩者的實(shí)際關(guān)系可以用來驗(yàn)證數(shù)據(jù)。

結(jié)合公式(3)(COV法)和公式(4)(LP法)， 可得：

1.2.2 拖曳系數(shù)的計(jì)算

本文還對(duì)拖曳系數(shù)(drag coefficient，CD)進(jìn)行了計(jì)算。底部切應(yīng)力與拖曳系數(shù)、對(duì)應(yīng)層的平均流速還有水體密度相關(guān)

結(jié)合公式(1)， 可得

1.2.3 懸沙輸運(yùn)

1) 懸沙濃度反演

本文研究區(qū)水清沙少， 在ND-2站位和ND-8站位利用OBS-3A實(shí)測(cè)時(shí)得到的濁度值很小， 某些時(shí)刻的測(cè)量值甚至小于OBS-3A的測(cè)量精度， 得到的數(shù)據(jù)結(jié)果會(huì)存在較大誤差。Rügner等[18]， Lin等[19]，Grayson等[20]等均認(rèn)為在低濁度水域， 擬合曲線應(yīng)是過原點(diǎn)的正比例曲線， 即CSS=mNTU， NTU是濁度單位。研究區(qū)表層與底層的懸沙濃度數(shù)據(jù)在室內(nèi)分析時(shí)存在較大誤差與對(duì)應(yīng)層的濁度擬合結(jié)果不理想，為了能夠更精確地反演懸沙濃度， 本文用中層濁度數(shù)據(jù)與對(duì)應(yīng)層的懸沙濃度進(jìn)行擬合，如圖2所示。

圖2 中藍(lán)色虛線是擬合曲線y=3.132x， 紅色和橙色虛線分別是擬合系數(shù)95%的置信區(qū)間y=2.901x、y=3.362x。

圖2 濁度數(shù)據(jù)擬合曲線Fig. 2 Calibration for the OBS outputs (NTU)

2) 懸沙通量機(jī)制分析

懸沙通量是指單位時(shí)間內(nèi)垂直通過某一給定面積的懸沙總量。懸沙通量的機(jī)制分解是以研究懸沙通量輸運(yùn)機(jī)理為目的， 將懸沙通量分解為若干個(gè)動(dòng)力項(xiàng)， 研究這些動(dòng)力項(xiàng)對(duì)總通量的貢獻(xiàn)以及各個(gè)動(dòng)力項(xiàng)所代表的內(nèi)在機(jī)理， 前人對(duì)機(jī)制分解法已有較多研究， 是一個(gè)較成熟的研究分析方法。Dyer[21]將瞬時(shí)流速u(x，z，t) 分解為垂向平均量及其偏差項(xiàng)uv之和， 而垂向平均值又可以分解為潮平均項(xiàng)和潮變化項(xiàng)所以瞬時(shí)流速u(x，z，t)表達(dá)式為：

同理， 瞬時(shí)含沙量c(x，z，t)表達(dá)式為：

因本文研究站位水深隨潮周期變化較大， 將水深h(x，t)也分解為潮平均項(xiàng)h0和潮變化項(xiàng)ht：

則根據(jù)懸沙通量的定義， 得到懸沙潮周期Tt平均瞬時(shí)單寬懸沙輸運(yùn)通量為：

式中：T為潮周期，——表示垂向平均， 〈〉表示潮周期平均。T1、T2又稱為平流輸移， 即拉格朗日輸移， 反映了單寬潮周期平均水體對(duì)單寬潮周期平均懸沙輸運(yùn)的影響；T3、T4、T5反映了漲落潮時(shí)水體夾帶懸沙的交換現(xiàn)象， 三者共同組成潮泵輸移項(xiàng)， 它表示了懸沙的沉降、沖刷與流速間的相位差所引起的輸移；T6、T7組成垂向凈環(huán)流輸移項(xiàng)， 與剪切擴(kuò)散相關(guān)[22-23]。

2 結(jié)果與討論

2.1 溫度、鹽度、懸沙濃度以及流速的時(shí)空分布特征

根據(jù)儀器觀測(cè)結(jié)果， 在航次觀測(cè)期間， ND-2站位于三沙灣航道分叉處， 平均水深10.6 m， 潮差5.5 m， 漲潮平均流速0.37 m/s， 最大漲潮流速0.81 m/s， 流向346°；落潮平均流速0.33 m/s， 最大落潮流速0.66 m/s， 流向170°。ND-8站位于三沙灣灣外較開闊海域， 平均水深31.2 m， 潮差4.5 m， 漲潮平均流速0.34 m/s， 最大漲潮流速0.63 m/s， 流向274°， 落潮平均流速0.39 m/s， 最大落潮流速0.81 m/s， 主流向93°。兩個(gè)站位漲落潮時(shí)長(zhǎng)基本一致約6小時(shí)， 但呈現(xiàn)出漲落潮流速的不對(duì)稱： ND-2站位漲潮流速大于落潮流速而ND-8站位則相反(圖3a、3b)。

兩個(gè)站位鹽度呈現(xiàn)明顯的垂直分層現(xiàn)象(圖3c、3d)。ND-2站位于交溪河口處， 由交溪帶來的淡水與灣外輸入的海水相互作用， 使得鹽度隨漲落潮呈周期性變化。鹽度最低值出現(xiàn)在落平潮表層， 最高值出現(xiàn)在漲平潮底部， 整體鹽度范圍27～32。ND-8站位受到灣內(nèi)淡水影響較小， 總體鹽度相較ND-2站位大，鹽度變化范圍小， 基本為33～34。

兩個(gè)站位的溫度在垂向剖面上與鹽度分布相似(圖3e、3f)， 灣內(nèi)ND-2站位漲潮時(shí)低溫海水從底部進(jìn)入灣內(nèi)， 至漲潮后期水體混合良好， 落潮時(shí)層化較為顯著。ND-8站位水體溫度呈現(xiàn)良好分層， 且未見漲落潮顯著差異。

此次研究區(qū)域懸沙濃度較低， 通過擬合反演得到整個(gè)剖面的懸沙濃度(圖3g、3h)。ND-2站位在漲急時(shí)， 雖然底層水體流速較小， 但漲潮流先從底層進(jìn)入帶起部分底部沉積物， 導(dǎo)致懸沙濃度升高， 最大值為212.3 mg/L，可影響至距底5 m左右的位置， 5 m以上水體懸沙濃度變化范圍在28.5～86.4 mg/L； 但在落急時(shí)， 表、中層水體向?yàn)惩夥较蛲巳ィ?對(duì)水體底部的沉積物作用較弱， 沉積物再懸浮引起的水體懸沙濃度并沒有漲急時(shí)來的高。而ND-8站位水體的懸沙濃度更低， 最大值109.3 mg/L，底層懸沙濃度高于中層和表層， 在距底5 m以下， 懸沙濃度變化范圍較大約在24.7～109.3 mg/L， 由于水深較深，漲落潮時(shí)引起的懸沙濃度升高僅能影響距底10 m左右的位置。綜上， 三沙灣區(qū)域沉積物搬運(yùn)、再懸浮的過程主要集中在水體近底部， 因此， 本文將對(duì)ND-2、ND-8站位的底邊界層的相關(guān)物理過程進(jìn)行更深入的研究。

圖3 ND-2站位、ND-8站位流速(a、b)、鹽度(c、d)、溫度(e、f)和懸沙濃度(g、h)的潮周期變化Fig. 3 Temporal variations of vertical structure in current velocity (a， b)， salinity (c， d)， temperature (e， f)， and suspended sediment concentration (g， h) over the tidal cycles at sites ND-2 and ND-8

2.2 底邊界層物理過程分析

2.2.1 沉積物再懸浮

將ND-2、ND-8底邊界分別為距底0.75 m、0.50 m層的流速與單個(gè)潮周期懸沙濃度變化結(jié)合(圖3g、3h)，在漲落潮流急時(shí)底部的水體懸沙濃度明顯升高， 沉積物被湍流攜帶而起， 存在明顯的再懸浮， 且2個(gè)站位懸沙濃度在單個(gè)潮周期內(nèi)的變化相對(duì)于流速的變化存在一定滯后。在高潮位和低潮位時(shí)， 底邊界層水體流速小不足以搬運(yùn)沉積物， 此時(shí)水體底部懸沙濃度較低。對(duì)比ND-2與ND-8站位， ND-2站位的底層流速大于ND-8站位(圖3g、3h、4a、4b)， 能夠卷起更多的泥沙， 水體也更渾濁。

2.2.2 摩阻流速特征

底應(yīng)力可以控制沉積物在底床上的再懸浮、搬運(yùn)及沉積。而底應(yīng)力的強(qiáng)弱又可以從摩阻流速等物理參數(shù)來體現(xiàn)。本文在數(shù)據(jù)采集時(shí)， 在ND-2、ND-8站位坐底三腳架上布放了ADV與ADP， 用于對(duì)底邊界層物理過程的深入觀測(cè)。

ND-2站位、ND-8站位ADV采集的流速數(shù)據(jù)分別為距底0.75 m、0.50 m， 繪制底部流速矢量圖可以發(fā)現(xiàn)ND-2站位距底0.75 m的潮流為往復(fù)流， ND-8站位距底0.5 m的潮流為旋轉(zhuǎn)流(圖4c、4d)。另外， 在對(duì)兩個(gè)站位的底邊界層流速做功率譜分析時(shí)， 發(fā)現(xiàn)在三個(gè)速度分量譜中在對(duì)數(shù)坐標(biāo)下存在–5/3斜率。其中， 垂直方向的流速功率譜斜率最接近–5/3理論斜率， 其受到環(huán)境噪聲影響較小， 同時(shí)這也標(biāo)志著慣性子區(qū)間的存在(圖5)。

圖4 ND-2站位(a、c、e、g、i)、ND-8站位(b、d、f、h、j)底邊界水平流速流速、流速矢量、雷諾應(yīng)力和摩阻流速潮周期變化Fig. 4 Temporal variations in the horizontal velocity， current vector， Reynolds stress， and friction velocity over the tide cycles at (a， c， e， g， and i) ND-2 and (b， d， f， h， and j) ND-8

圖5 ND-2站位(a)、ND-8站位(b)底邊界層速度分量功率譜Fig. 5 Power spectrum of the 3D velocity components at (a) ND-2 and (b) ND-8

1) COV法

用COV方法可以直接估算ND-2、ND-8站位底邊界的雷諾應(yīng)力(圖4e、4f)。結(jié)果顯示， ND-2站位與ND-8站位的雷諾應(yīng)力與該點(diǎn)位的平均流速存在較好的正相關(guān)性， 流速大時(shí)雷諾應(yīng)力也相對(duì)較大； 從整體來看， ND-2站位的雷諾應(yīng)力大于ND-8站位， 又根據(jù)得到兩個(gè)站位的摩阻流速， ND-2平均值為0.016 m/s， 最大值為0.030 m/s； ND-8平均值為0.012 m/s， 最大值為0.027 m/s。

2) LP法

經(jīng)過對(duì)ADP的流速數(shù)據(jù)(距底1.05 m)處理后發(fā)現(xiàn)， ND-2、ND-8站位底邊界層的流速符合對(duì)數(shù)分布(圖6)， 故可利用LP方法求得兩站位的摩阻流速。在對(duì)數(shù)擬合過程中， 為了能夠得到更精確的摩阻流速， 計(jì)算時(shí)挑選了擬合相關(guān)系數(shù)R2＞0.98的時(shí)刻數(shù)據(jù)。對(duì)比ND-2與ND-8站位， 灣內(nèi)的ND-2站位摩阻流速曲線的起伏波動(dòng)較灣外ND-8的小。用LP方法求得ND-2站位底邊界層摩阻流速平均值為0.021 m/s， 最大值0.053 m/s； ND-8站位底邊界層摩阻流速平均值為0.024 m/s， 最大值0.062 m/s(圖4g、4h)。

圖6 ND-2站位(a)、ND-8站位(b)底邊界流速對(duì)數(shù)層擬合結(jié)果Fig. 6 Logarithmic layer fitting curve for the measured velocity at (a) ND-2 and (b) ND-8

3) ID法

ND-2、ND-8站位底邊界湍動(dòng)能的產(chǎn)生和耗散存在如圖7的關(guān)系， 其中P是通過雷諾應(yīng)力計(jì)算得到(式7)，ε是根據(jù)功率譜中的斜率計(jì)算得到(式6)， 兩個(gè)站位的P與ε處于相對(duì)平衡的狀態(tài)。根據(jù)式8可以得到ND-2與ND-8站位的摩阻流速(圖4g、4h)。結(jié)果顯示， 在潮周期內(nèi)圖像連續(xù)且隨著漲落潮流速變化， 摩阻流速也發(fā)生相應(yīng)的變化， 在ND-2站位， 底邊界層摩阻流速的平均值為0.015 m/s， 最大值0.028 m/s； ND-8站位， 底邊界層摩阻流速的平均值為0.014 m/s， 最大值0.027 m/s。

圖7 ND-2站位(a)、ND-8站位(b)能量產(chǎn)生與耗散Fig. 7 Scatter plots of the turbulent kinetic energy production (P) and dissipation (ε) at (a) ND-2 and (b) ND-8

對(duì)比兩個(gè)站位用3種方法估算的摩阻流速， 結(jié)果為L(zhǎng)P法估算的摩阻流速最大， COV法與ID法的估算結(jié)果相近， 這與Sherwood等[24]得到的結(jié)論類似。LP法通常應(yīng)用于穩(wěn)定且發(fā)育良好的底邊界層中， 流速通常符合對(duì)數(shù)分布規(guī)律[14]， 對(duì)數(shù)據(jù)的擬合相關(guān)性要求較高， 較低的擬合相關(guān)性會(huì)對(duì)計(jì)算結(jié)果有巨大影響，這種方法容易受水體層化或底床變化的影響[25]。本文選取R2＞0.98的數(shù)據(jù)， 故可以忽略數(shù)據(jù)上對(duì)計(jì)算結(jié)果造成的誤差； 另外， Kim等[26]認(rèn)為沉積物分層也會(huì)影響LP法的估算結(jié)果； 另一誤差來源是， 分析計(jì)算時(shí)，通常假設(shè)底床位置不變， 在動(dòng)力較強(qiáng)區(qū)， 底床會(huì)在潮周期內(nèi)發(fā)生變化， 在此情況下若仍使用z=0的固定位置， 勢(shì)必會(huì)造成誤差。根據(jù)上述誤差來源分析ND-2，ND-8站位可能存在的情況， 在灣內(nèi)的ND-2站位主要受到潮汐作用的影響， 波浪的對(duì)底床形態(tài)的影響可忽略不計(jì)， 而該站位懸沙濃度較高， 影響結(jié)果誤差的主要因素很可能是沉積物分層； 處于灣外的ND-8站位懸沙濃度較低， 受到潮汐和波浪的共同作用， 底床形態(tài)的變化可能是計(jì)算結(jié)果誤差的主要原因。COV法的估算結(jié)果在靠近底床時(shí)更加準(zhǔn)確， 更適用于恒應(yīng)力層摩阻流速的計(jì)算[26]， Voulgaris等[27]和Trowbridge等[28]用COV方法計(jì)算大陸架海域摩阻流速取得了較為精確的估計(jì)值。與LP法不同， COV法并不依賴測(cè)量點(diǎn)距底的高度， 誤差主要來源于觀測(cè)時(shí)儀器是否發(fā)生傾斜或是否收到次生流的影響， 本文中ND-2站位與ND-8站位摩阻流速的結(jié)果與流速成正相關(guān)關(guān)系， 推測(cè)觀測(cè)時(shí)底部水體混合均勻處于恒應(yīng)力狀態(tài)。ID法基于慣性子區(qū)內(nèi)湍動(dòng)能的產(chǎn)生和耗散之間平衡的理論關(guān)系， 來估算底邊界層摩阻流速， 該方法已廣泛應(yīng)用于海洋底邊界層的研究[28-29]。因此， 湍動(dòng)能的產(chǎn)生區(qū)和耗散區(qū)是否充分分離以及底部沉積物分層是否會(huì)擾亂湍動(dòng)能產(chǎn)生和耗散的局部平衡是ID法估算結(jié)果的主要誤差來源。Kim等[26]認(rèn)為因懸浮泥沙分層導(dǎo)致的產(chǎn)生與耗散的擾亂， 可能會(huì)使最后的估計(jì)值偏小10%， 結(jié)果顯示ID法的估算結(jié)果較準(zhǔn)確。本次研究中，利用COV法和ID法求得兩個(gè)站位的摩阻流速接近，且誤差較小， LP法的估算結(jié)果存在較大誤差， 為了讓誤差最小化， 盡可能避免3種計(jì)算方法適用條件造成的局限， 故舍去LP法的估算結(jié)果， ND-2站位與ND-8站位取COV法與ID法計(jì)算結(jié)果的平均值作為該站位的摩阻流速(圖4i、4j)。ND-2站位摩阻流速平均值為0.016 m/s， ND-8站位摩阻流速平均值為0.013 m/s。

拖曳系數(shù)也是一個(gè)能夠反映底邊界層泥沙輸運(yùn)情況的重要物理參數(shù)。根據(jù)公式(10)， 可以得到兩個(gè)站位的拖曳系數(shù)。但在計(jì)算時(shí)， 由于在流速小于0.1 m/s的情況下， 儀器在收集數(shù)據(jù)時(shí)會(huì)受到噪聲干擾， 以至于得到數(shù)據(jù)無法檢驗(yàn)湍流行為[30]， 進(jìn)一步計(jì)算會(huì)導(dǎo)致計(jì)算結(jié)果誤差較大。本文ND-2站位中所有時(shí)刻的流速頻譜符合–5/3斜率， 但ND-8站位存在50個(gè)時(shí)刻的流速慣性子區(qū)間被噪聲干擾受到限制[31-32]， 圖像斜率并不符合–5/3斜率， 所以舍去后對(duì)剩余100個(gè)數(shù)據(jù)進(jìn)行結(jié)果擬合。從最后的擬合結(jié)果(圖8)中可以發(fā)現(xiàn)，ND-2站位距底0.75 m的拖曳系數(shù)約為2.03×10–3，ND-8站位距底0.50 m的拖曳系數(shù)約為2.03×10–3， 兩個(gè)站位的0.75 m層與0.50 m層的拖曳系數(shù)幾乎相等， 可以推斷出ND-2站位的底邊界切應(yīng)力大于ND-8站位。

圖8 ND-2站位(a)、ND-8站位(b)拖曳系數(shù)Fig. 8 Drag coefficient of (a) ND-2 and (b) ND-8

2.3 懸沙輸運(yùn)機(jī)制分析

運(yùn)用公式(14)對(duì)ND-2、ND-8站位的潮周期平均單寬懸沙輸運(yùn)量進(jìn)行計(jì)算， 結(jié)果如圖9和表1。其中，T1—T7分別表示不同動(dòng)力因素相關(guān)的通量項(xiàng)，Tsum為凈輸運(yùn)通量， 正值表示沿主流速方向向內(nèi)(向?yàn)硟?nèi))， 負(fù)值表示沿主流速方向向外(向?yàn)惩?。從圖中可以看到， 三沙灣懸沙整體從灣外向?yàn)硟?nèi)方向輸運(yùn)， ND-2站位潮周期平均單寬懸沙輸運(yùn)強(qiáng)度為74.88 g/(m·s)， 遠(yuǎn)大于ND-8站位10.57 g/(m·s)， 兩個(gè)站位的輸沙強(qiáng)度受到不同動(dòng)力因素的影響， 在ND-2站位平流輸沙項(xiàng)(T1、T2)占主導(dǎo)作用， 潮泵輸沙項(xiàng)(T3、T4、T5)次之， 垂向凈環(huán)流輸沙項(xiàng)略有影響； ND-8站位平流輸沙和垂向凈環(huán)流輸沙是主要影響因素，潮泵輸沙幾乎無貢獻(xiàn)。

圖9 ND-2站位(a)、ND-8站位(b)潮周期平均單寬懸沙通量Fig. 9 Tidally averaged fluxes per unit width at the observation sites： (a) ND-2 (a) and (b) ND-8

表1 單寬輸沙量絕對(duì)值的貢獻(xiàn)率(%), 沿流速主方向向?yàn)硟?nèi)為正Tab. 1 Contributions of different sediment transport parameters to the magnitude of absolute sediment transport (%),positive toward the bay along the main direction of the velocity

歐拉余流輸沙項(xiàng)(T1)和斯托克斯漂移輸沙項(xiàng)(T2)構(gòu)成平流輸沙項(xiàng)， 又稱為拉格朗日余流輸沙項(xiàng)。其大小與余流和潮周期平均懸沙濃度密切相關(guān)。ND-2與ND-8站位在觀測(cè)期間，T1均大于T2， 這使得平流輸沙項(xiàng)的方向主要由T1決定。在ND-2站位，T1與T2方向相同， 均向?yàn)硟?nèi)方向， 兩者加強(qiáng)了懸沙向?yàn)硟?nèi)輸運(yùn)；在ND-8站位，T2抑制懸沙向?yàn)硟?nèi)輸運(yùn)， 其方向與T1相反， 平流輸沙方向向?yàn)硟?nèi)。ND-2站位平流輸沙強(qiáng)度為62.83 g/(m·s)， ND-8站位為20.58 g/(m·s)。

潮汐與懸沙濃度潮變化項(xiàng)(T3)、潮汐、潮流與懸沙濃度潮變化項(xiàng)(T4)、潮流與懸沙濃度潮變化項(xiàng)(T5)共同組成潮泵輸沙， 由于漲落潮挾沙量不同， 導(dǎo)致底部沉積物在潮周期內(nèi)不對(duì)稱輸移， 并且其產(chǎn)生的滯后效應(yīng)使得懸沙濃度與流速存在一定的相位差，從而在潮周期內(nèi)懸沙發(fā)生凈輸移。ND-2站位T3和T4作用較小，T5的貢獻(xiàn)占主要， 且懸沙向?yàn)硟?nèi)方向輸運(yùn)，輸沙強(qiáng)度為49.25 g/(m·s)。而在ND-8站位， 潮泵輸沙項(xiàng)幾乎為0， 輸沙強(qiáng)度為0.78 g/(m·s)。張釗等[33]認(rèn)為在漲潮懸沙濃度明顯大于落潮的潮周期里，T5向陸輸沙， 在漲落潮懸沙濃度相差無幾的潮周期里，T5輸沙強(qiáng)度較弱。

重力環(huán)流貢獻(xiàn)項(xiàng)(T6)與流速與含沙量潮變化垂向剪切相關(guān)項(xiàng)(T7)組成垂向凈環(huán)流輸沙項(xiàng)。由于在垂向上， 各層余流的不一致和懸沙濃度分布不均勻， 導(dǎo)致在潮周期內(nèi)各層輸沙量疊加后不能相互抵消， 從而產(chǎn)生懸沙的凈輸移， 不難得出， 垂向環(huán)流輸沙項(xiàng)的強(qiáng)度與垂向余環(huán)流和懸沙垂向分布情況緊密相關(guān)。在觀測(cè)期間兩個(gè)站位的垂向凈環(huán)流輸沙項(xiàng)并不高都向?yàn)惩廨斏常?其中的T6項(xiàng)均為主要貢獻(xiàn)項(xiàng)， ND-2站位垂向凈環(huán)流輸沙項(xiàng)強(qiáng)度為–31.24 g/(m·s)， 在ND-8站位垂向凈環(huán)流輸沙項(xiàng)強(qiáng)度為–10.79 g/(m·s)。

三沙灣地區(qū)主要受到潮汐的影響。平流輸沙方向主要受余流的控制， 根據(jù)資料三沙灣夏季余流方向北， 導(dǎo)致ND-2及ND-8站位的平流輸沙向?yàn)硟?nèi)。Yu等[34]認(rèn)為潮泵作用引起的懸沙輸運(yùn)主要是海流不對(duì)稱及泥沙滯后效應(yīng)引起的。在ND-2站位潮差較大，漲落潮流呈現(xiàn)明顯的不對(duì)稱性， 從而導(dǎo)致了潮泵輸沙整體向?yàn)硟?nèi)。ND-8站位流速呈旋轉(zhuǎn)流特征， 而機(jī)制分解法潮泵輸沙項(xiàng)對(duì)往復(fù)流的響應(yīng)明顯， 在ND-8站位潮泵輸沙貢獻(xiàn)率低可能是旋轉(zhuǎn)流導(dǎo)致了懸沙橫向輸移。

3 結(jié)論

1) 三沙灣潮汐類型為正規(guī)半日潮。灣內(nèi)ND-2站位溫鹽特征明顯受漲落潮影響， 表現(xiàn)為漲潮時(shí)水體呈低溫高鹽， 落潮相反； 位于灣外的ND-8站位水體層化明顯且基本不受漲落潮的影響。三沙灣水域懸沙濃度總體較低， 并呈現(xiàn)出底層聚集和隨流速變化的特征， 表明再懸浮作用起主導(dǎo)作用。

2) 位于灣內(nèi)的ND-2站位近底層懸沙濃度灣外ND-8站位高。通過計(jì)算發(fā)現(xiàn)ND-2站位底切應(yīng)力較ND-8更大， 因此判斷為潮致切應(yīng)力主導(dǎo)下的底部再懸浮導(dǎo)致ND-2懸沙濃度更高。

3) 懸沙通量機(jī)制分解表明， 三沙灣夏季中潮與小潮期間的潮周期單寬懸沙從灣外向?yàn)硟?nèi)方向凈輸運(yùn)， 在ND-2站位平流輸沙項(xiàng)占主導(dǎo)作用， 潮泵輸沙項(xiàng)次之， 垂向凈環(huán)流輸沙項(xiàng)略有影響； ND-8站位平流輸沙和垂向凈環(huán)流輸沙是主要影響因素， 潮泵輸沙幾乎無貢獻(xiàn)。

致謝： 參與外業(yè)調(diào)查的還有阮得衛(wèi)， 江彬彬， 任發(fā)慧， 李健成， 孫飛翔，一并表示感謝。