大小潮作用對(duì)潮灘沉積物層理影響的數(shù)值模擬研究

徐孟飄，東培華，馬駿，羅鋒，張長(zhǎng)寬，范代讀，周曾,,5*

(1.河海大學(xué) 水文水資源與水利工程科學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 南京 210098；2.華設(shè)設(shè)計(jì)集團(tuán)股份有限公司，江蘇 南京 210014；3.杭州市港航管理服務(wù)中心航道管理處，浙江 杭州 310016；4.同濟(jì)大學(xué) 海洋與地球科學(xué)學(xué)院，上海 200092；5.河海大學(xué) 江蘇省海岸海洋資源開(kāi)發(fā)與環(huán)境安全重點(diǎn)試驗(yàn)室，江蘇 南京 210098)

1 引言

潮灘是細(xì)顆粒沉積物在潮流為主導(dǎo)的水動(dòng)力條件下形成的寬闊而平坦的淺灘[1]。潮灘上的水動(dòng)力過(guò)程及沉積物輸移過(guò)程呈雙向反饋，集中表現(xiàn)為潮灘剖面形態(tài)的演變及潮灘上多組沉積物的分選現(xiàn)象。不同類型、屬性的沉積物顆粒在潮灘上呈現(xiàn)不同的空間分布特征，該現(xiàn)象通常被稱為沉積物分選。沉積物分選現(xiàn)象主要包括水平向分布和垂向分層兩個(gè)方面，常見(jiàn)的水平向分布現(xiàn)象例如潮灘沉積物粒徑的陸向細(xì)化，垂向分層現(xiàn)象一般通過(guò)潮灘底床沉積物層理來(lái)描述，沉積物在水平向和垂向的分選過(guò)程一般是緊密聯(lián)系的。

層理是描述沉積特征常用的術(shù)語(yǔ)[2]，潮汐沉積物中的潮汐層理展現(xiàn)出的周期韻律性可用于估算風(fēng)暴潮事件、推算古地月軌道參數(shù)，有助于推算地史時(shí)期地?月系的演化歷史[3]，同時(shí)有助于分析潮灘沉積歷史及提高對(duì)海平面變化規(guī)律的認(rèn)知等[3]，因此開(kāi)展粉砂淤泥質(zhì)潮灘上多組分泥沙的垂向分選機(jī)制的研究具有重要的實(shí)際意義。潮灘上潮汐的周期性作用（漲落潮周期、大小潮周期、季節(jié)性及更長(zhǎng)時(shí)間尺度的周期）在沉積地貌上表現(xiàn)出的沖刷與淤積的交替促使了互層層理（砂質(zhì)層和泥質(zhì)層構(gòu)成）的形成[4]。對(duì)于互層層理的形成機(jī)制及內(nèi)在機(jī)理的認(rèn)知仍未形成統(tǒng)一認(rèn)識(shí)，許多學(xué)者從現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際觀測(cè)入手分析其機(jī)制并取得一些進(jìn)展。Deloffre等[5]在對(duì)法國(guó)、英國(guó)等河口潮間帶潮灘的研究中發(fā)現(xiàn)沉積物表現(xiàn)出大小潮周期性特征，王建等[6]對(duì)江蘇中部淤泥質(zhì)潮灘進(jìn)行實(shí)地觀測(cè)認(rèn)為毫米級(jí)薄水平互層層理由半日潮產(chǎn)生，而厘米級(jí)厚砂泥互層層理則為半月天文潮（大小潮）的產(chǎn)物范代讀等[7]和Fan等[8]對(duì)長(zhǎng)江口潮灘進(jìn)行觀測(cè)，發(fā)現(xiàn)潮汐層偶的厚度與大小潮周期潮差旋回性有關(guān)，層偶厚度是潮差的函數(shù)，隨潮差由小潮?大潮?小潮而發(fā)生由薄?厚?薄的規(guī)律性變化。相較于現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際觀測(cè)方面，數(shù)值模擬層面的研究相對(duì)較少，是有待進(jìn)一步深入的方向。本文以潮流為主導(dǎo)作用的潮灘為例，建立了潮灘一維概化動(dòng)力地貌模型，分析沉積物垂向分布規(guī)律，探究周期性潮汐條件及不同邊界含沙量對(duì)沉積韻律層結(jié)構(gòu)（層理組成、層理厚度等）的影響。

2 研究方法

本文使用Delft3D模型系統(tǒng)中的水動(dòng)力模塊、沉積物輸移模塊以及動(dòng)力地貌演變模塊來(lái)進(jìn)行一維水動(dòng)力及地貌演變的數(shù)值模擬計(jì)算。Delft3D模型系統(tǒng)是一套可進(jìn)行水流、波浪、水質(zhì)、生態(tài)、泥沙輸移、床底地貌及各個(gè)過(guò)程之間相互作用數(shù)值模擬的強(qiáng)大開(kāi)源軟件包，在內(nèi)河、河口、海岸、沉積物、地貌演變水質(zhì)等各方面被廣泛應(yīng)用。

2.1 模型介紹

2.1.1 水動(dòng)力模塊

假設(shè)潮灘沿岸均勻，可使用一維模式對(duì)潮灘剖面進(jìn)行模擬，在靜壓假定和Boussinesq近似兩個(gè)假定的基礎(chǔ)上，對(duì)不可壓縮流體的Navier-Stokes方程進(jìn)行求解。一維淺水方程包括連續(xù)性方程和動(dòng)量守恒方程。

（1）基本方程

① 連續(xù)性方程：

② 動(dòng)量守恒方程：

式中，x為空間水平坐標(biāo)；u為垂線平均流速在x方向的分量（單位：m/s）；h為全水深，即水面到水底的距離（單位：m）；η為相對(duì)于某標(biāo)準(zhǔn)（例如：平均海平面，MSL）的水位值（單位：m）；v為平面紊動(dòng)黏性系數(shù)（單位：m2/s）；g為重力加速度（單位：m/s2）；C為謝才系數(shù)（單位：m1/2/s）。

模型中設(shè)置某一時(shí)間步長(zhǎng)中當(dāng)計(jì)算單元的水深小于 0.1 m（臨界值）時(shí)，處于“干”狀態(tài)，該計(jì)算單元不參與計(jì)算。當(dāng)該計(jì)算單元水深大于0.2 m（臨界值）時(shí)，處于“濕”狀態(tài)，該計(jì)算單元重新被激活參與模型計(jì)算。

（2）由潮流引起的底部切應(yīng)力

計(jì)算公式為： τc= ρgu2/C2，式中，ρ為水的密度（單位：kg/m3）。

（3）波浪模塊

Delft3D默認(rèn)的波浪模塊為SWAN（Simulating Waves Nearshore）波浪模型，由于長(zhǎng)周期模擬需要的計(jì)算時(shí)長(zhǎng)較長(zhǎng)因此本文未使用SWAN模塊，而是采用了基于 Young 和 Verhagen[9]以及 van Rijn[10]提出的公式開(kāi)發(fā)的簡(jiǎn)單的風(fēng)浪模型，該公式于2009年被證實(shí)適用于模擬淺灘上風(fēng)浪產(chǎn)生的作用[11]，該公式將無(wú)量綱波能量（ε =g2E/UW4）及無(wú)量綱譜峰波頻率（?=與無(wú)量綱風(fēng)區(qū)及無(wú)量綱水深聯(lián)系起來(lái)，對(duì)已知風(fēng)場(chǎng)（例如：風(fēng)區(qū)長(zhǎng)度、風(fēng)速及水深）的波高及波周期進(jìn)行估算。

式中，A1=0.493δ0.75，B1=3.13×10?3χ0.57，A2=0.331δ1.01，B2=5.215×10?4χ0.73；UW為海拔10 m處的風(fēng)速；F為風(fēng)區(qū)長(zhǎng)度；TP為峰波周期；E為波能，其公式為E=ρgHS2/8（HS為有效波高）。當(dāng)風(fēng)條件給定時(shí)，解以上方程可估算有效波高HS和峰波周期TP。由于波浪在傳播過(guò)程中波陡增大，波浪在淺灘上會(huì)破碎，衡量波浪破碎的典型破碎指標(biāo) γ為有效波高和水深的比值（γ =HS/h），在本文中，參考Roberts等[12]參數(shù)設(shè)置，設(shè)定 γ =0.5。在波浪破碎后，波高變?yōu)槭芩钕拗疲碒S=γh。當(dāng)波浪破碎時(shí)，波浪引起的底部切應(yīng)力達(dá)到最大值且隨著水深的向陸減小而減小[13]。根據(jù)線性波理論，底部最大軌道速度為

且由波浪引起的底床切應(yīng)力為

式中，k為波數(shù)；fw為由Soulsby[14]定義的波浪摩擦因子；為非黏性沉積物的中值粒徑。綜合底床最大切應(yīng)力是引起沉積物輸移的主要因素，由潮流和風(fēng)浪引起的底床切應(yīng)力的疊加通常大于兩者的線性總和，在本模型中參考文獻(xiàn)[14]，綜合底床最大切應(yīng)力的公式為

2.1.2 沉積物輸運(yùn)模塊

模塊中的沉積物分為黏性和非黏性兩種，在計(jì)算沉積物的輸運(yùn)時(shí)，黏性部分與非黏性部分使用不同方法進(jìn)行計(jì)算，即該模塊忽略了沉積物混合物的臨界再懸浮條件與單個(gè)種類沉積物的臨界條件的差別。黏性沙和非黏性沙的物理過(guò)程（例如侵蝕、淤積和輸移）均分為不同部分考慮。

黏性沉積物的輸運(yùn)使用帶源匯項(xiàng)的平流方程來(lái)描述黏性沙的侵蝕與淤積過(guò)程

式中，Qmud,e與Qmud,d分別代表侵蝕量與淤積量，該沖淤量使用被廣泛運(yùn)用的經(jīng)典的Patheniades-Krone公式來(lái)計(jì)算，公式如下：

式中，Me為沖刷系數(shù)（單位：kg/（m2·s））；ωs為沉降速度（單位：m/s）；c是垂向平均濃度（單位：kg/m3）；τcr,e和τcr,d（ 單位：Pa）分別表示黏性沉積物的臨界起動(dòng)切應(yīng)力及臨界沉降切應(yīng)力。該模型中使用Winterwerp[15]提出的“連續(xù)沉積”的概念，因此黏性沉積物的臨界沉降切應(yīng)力 τcr,d取 較大值（默認(rèn)為1 000 Pa），則上公式可近似等于Qmud,d=ωsc。

對(duì)于非黏性沉積物，使用Sousby-van Rijn公式來(lái)計(jì)算潮流與波浪共同作用下的輸移量?？偝练e物輸移量分為推移質(zhì)和懸移質(zhì)兩類來(lái)計(jì)算

其中，

式中，Acal是 校準(zhǔn)系數(shù)；CD是僅有潮流產(chǎn)生的阻力系數(shù)；Urms為 波質(zhì)點(diǎn)軌道流速的均方根ucr為泥沙顆粒起動(dòng)的臨界流速；s為沉積物的相對(duì)密度 ；D?無(wú)量綱粒徑大小

2.1.3 地貌演變模塊

床面變形方程為

式中，D是沉積物的沉積通量；E是沉積物的侵蝕通量；ρs為沉積物的密度。地貌演變的計(jì)算是基于黏性沙與非黏性沙這兩種沉積物在每個(gè)水動(dòng)力計(jì)算步長(zhǎng)上 的侵蝕或淤積量的更新。

2.1.4 底床分層模塊

模型中將初始底床分為若干薄層，分為3大類：沖淤層、交換層以及基準(zhǔn)層。沖淤層的厚度 δa是一個(gè)用戶根據(jù)模擬需要選取的參數(shù)，在模型計(jì)算時(shí)沖淤層中的沉積物發(fā)生侵蝕或者淤積與水體中的沉積物進(jìn)行交換，但厚度始終保持不變來(lái)保證模型的穩(wěn)定性，交換層在計(jì)算過(guò)程中厚度可變化，但存在一個(gè)最大厚度 δu。

模型開(kāi)始計(jì)算之前，不同種類沉積物（黏性沙及非黏性沙）由初始設(shè)定的比例進(jìn)行均勻混合且被分為若干層，當(dāng)模型開(kāi)始計(jì)算時(shí)，最頂層的沖淤層會(huì)發(fā)生侵蝕或淤積，且沖淤層下的交換層數(shù)量及厚度也會(huì)隨之發(fā)生變化。底床分層模型及模型中的侵蝕或淤積的計(jì)算過(guò)程見(jiàn)圖1。當(dāng)床面發(fā)生侵蝕時(shí)，沖淤層會(huì)發(fā)生沖刷且部分沉積物會(huì)被帶走，當(dāng)侵蝕量大于 δa厚的沖淤層時(shí)，其下的交換層會(huì)向沖淤層進(jìn)行沉積物補(bǔ)充使侵蝕過(guò)程繼續(xù)執(zhí)行，在下一個(gè)計(jì)算步長(zhǎng)開(kāi)始之前交換層會(huì)對(duì)被侵蝕過(guò)的沖淤層執(zhí)行補(bǔ)充過(guò)程，使沖淤層厚度再次回到定值 δa，此時(shí)交換層厚度減小，以此反映床面的侵蝕過(guò)程。當(dāng)床面發(fā)生淤積時(shí)，沖淤層會(huì)變厚，在下一個(gè)計(jì)算步長(zhǎng)開(kāi)始之前會(huì)執(zhí)行補(bǔ)充過(guò)程，沖淤層厚度將保持定值 δa將多余的沉積物向下傳遞并入交換層，若交換層達(dá)到所設(shè)定的厚度值 δu，則底床中 將會(huì)產(chǎn)生一層新的交換層，以此反映床面的淤積過(guò)程。

圖1 底床分層模型及其計(jì)算過(guò)程Fig.1 Bed stratigraphy modeling and schematic diagram of calculation process

2.2 模型建立

本文基于我國(guó)沿海典型粉砂淤泥質(zhì)潮灘概化模型對(duì)潮灘沉積物垂向分層機(jī)制開(kāi)展研究，研究使用的底床分層模型由于模型設(shè)置垂向?qū)訑?shù)較多，長(zhǎng)期沉積過(guò)程計(jì)算時(shí)間很長(zhǎng)，且本研究主要關(guān)注的是垂向的沉積物分布特征，因此選擇一維模型更為合適，在不影響研究需求的前提下大大提高了模型計(jì)算效率。

粉砂淤泥質(zhì)潮灘坡度較緩，約為1‰～3‰[16]，本文基于Zhou等[17]的研究進(jìn)行模型設(shè)定，采用一維模型，初始床面為高程從–14 m 至–1 m（平均海平面以下）的緩坡，且垂向分層層厚1 mm。模型使用50 m的等距矩形網(wǎng)格，共計(jì)280個(gè)網(wǎng)格，時(shí)間步長(zhǎng)Δt=0.25 min，滿足模型計(jì)算穩(wěn)定性及精度要求。圖2為初始地形剖面示意圖，假設(shè)初始底床由50%的黏土、25%粉砂和25%的細(xì)砂組成，且這3種沉積物沿深度方向均勻混合。

圖2 初始床面組成Fig.2 Initial bed composition

模型的東側(cè)為開(kāi)邊界其余均為固邊界，開(kāi)邊界水動(dòng)力條件主要使用M2及S2兩個(gè)分潮，M2為太陰主要半日分潮，S2為太陽(yáng)主要半日分潮。為研究垂向分層結(jié)構(gòu)對(duì)不同潮流條件的響應(yīng)，設(shè)置了6組工況進(jìn)行計(jì)算，工況設(shè)置如表1所示。

表1 水動(dòng)力條件工況設(shè)置Table 1 Hydrodynamic condition setting

由于粉砂淤泥質(zhì)潮灘主要由黏土、粉砂及細(xì)砂構(gòu)成，因此模型同時(shí)考慮黏性沙與非黏性沙，設(shè)定3種沉積物：黏土、粉砂和細(xì)砂。粉砂介于黏性和非黏性之間，處理時(shí)有時(shí)被當(dāng)做黏性砂，但也有一些學(xué)者發(fā)現(xiàn)由于粉砂的成分與砂相似，透水性強(qiáng)、黏性差，一些國(guó)內(nèi)外同行在研究中也有將之處理為非黏性砂。本研究中的粉砂粒徑設(shè)置為30 μm，在粉砂界定的3.9～62.5 μm范圍內(nèi)，顆粒相對(duì)較大，將其考慮為非黏性沙。其中，黏土設(shè)置為黏性沙且以懸移質(zhì)的方式輸移，而粉砂與細(xì)砂均設(shè)置為非黏性沙，既可以懸移質(zhì)的方式輸移也以推移質(zhì)的方式輸運(yùn)。初始底床由2 m的黏土、1 m的粉砂和 1 m的細(xì)砂組成，3種沉積物均勻混合。經(jīng)過(guò)調(diào)試，黏土沉速取為0.5 mm/s，臨界起動(dòng)切應(yīng)力為 0.2 N/m2，沖刷率系數(shù)取為 5×10?4kg/(m2·s)，為了使黏性沙始終處于沉降狀態(tài)，因此黏性沙的沉降臨界切應(yīng)力取較大值設(shè)定為 1 000 N/m2（默認(rèn)值），黏性沉積物干密度為500 kg/m3。屬于非黏性沙的細(xì)砂的中值粒徑D50取為90 μm，粉砂的中值粒徑D50取為30 μm，由于Delft3D軟件內(nèi)默認(rèn)的非黏性沙計(jì)算公式不能設(shè)置粒徑小于 63 μm的顆粒，因此本文調(diào)用Van Rijn[10]公式進(jìn)行非黏性沙的計(jì)算，非黏性沉積物干密度為1 600 kg/m3。在東側(cè)開(kāi)邊界給予泥沙含沙量邊界條件：黏土為 0.006 kg/m3，粉砂為 0.004 kg/m3，細(xì)砂為0.001 kg/m3。由于本研究是概化模型，側(cè)重于揭示一些機(jī)制，若邊界含沙量設(shè)置過(guò)大，易形成邊界的劇烈淤積造成模型無(wú)法長(zhǎng)期運(yùn)行，因此選取的工況邊界含沙量相對(duì)較小，但不會(huì)影響所得結(jié)論。

3 結(jié)果與分析

3.1 垂向分層結(jié)構(gòu)對(duì)潮流的響應(yīng)

為研究潮流對(duì)潮灘底床沉積物垂向結(jié)構(gòu)的影響，模型采用了單M2分潮作用及M2、S2共同作用兩種工況，其模擬的沉積物分選、分層特征結(jié)果如圖3所示，計(jì)算結(jié)果是10 a接近平衡態(tài)。由于邊界含沙量相對(duì)較低，潮間帶發(fā)育相對(duì)較慢，且表現(xiàn)出不完全，但這對(duì)本文側(cè)重說(shuō)明的泥沙垂向?qū)永憩F(xiàn)象影響較小。

圖3 單M2分潮作用下（a）以及大小潮作用下（b）潮灘沉積物分選、分層特征，代表點(diǎn)A、B、C將用作后續(xù)分析Fig.3 Results of sediment sorting and layering under only M2tide (a) and spring/neap tidal cycles (b),representative points A,B and C are used for subsequent analyses

在僅M2分潮作用下，選取潮間帶上的3點(diǎn)A、B、C點(diǎn)來(lái)進(jìn)行對(duì)比分析（A點(diǎn)距離岸線0.5 km，B點(diǎn)距離岸線 1 km，C 點(diǎn)距離岸線 1.5 km），圖 4為 3個(gè)代表點(diǎn)僅在M2分潮作用下垂向沉積物占比圖。

圖4 僅 M2分潮作用下 A、B、C 3 點(diǎn)處垂向沉積物占比Fig.4 Percentage of vertical sediments at points A,B and C under the action of M2 tidal constituent

由圖4可見(jiàn)，潮間帶上A、B、C 3點(diǎn)，由于底床高程的不斷抬高，同一位置的水動(dòng)力條件發(fā)生改變，各類沉積物垂向含沙量也發(fā)生改變。A、B、C 3點(diǎn)細(xì)砂垂向含沙量占比幾乎為0。A點(diǎn)位于高程最大處，潮間帶上部黏性沉積物占主導(dǎo)，因此垂向沉積物含沙量中黏土占比均大于粉砂占比。B點(diǎn)位于黏土與粉砂分布的過(guò)渡區(qū)域，垂向上在高程較小處粉砂占比較多，但隨著沉積物淤積底床抬升，動(dòng)力條件減弱，在高程較小處沉積物的垂向含沙量發(fā)生變化（黏土占比大于粉砂占比），而C點(diǎn)處于粉砂主導(dǎo)區(qū)域，因此粉砂占比整體大于黏土占比。盡管3個(gè)代表點(diǎn)在垂向占比上有所不同，但在垂向上含沙量曲線較為平滑沒(méi)有明顯波動(dòng)，且均未見(jiàn)到明顯的層理現(xiàn)象，可能原因包括：（1）模型中底床分層層厚設(shè)置較大（1 mm）限制了單個(gè)潮周期內(nèi)潮汐層偶現(xiàn)象的形成；（2）模型中將粉砂當(dāng)作一個(gè)組分，未考慮粗、細(xì)粉砂的不同行為過(guò)程；（3）模型未考慮絮凝沉積作用和細(xì)粒沉積物在灘上沉積后暴露空氣發(fā)生脫水固結(jié)作用對(duì)再侵蝕的影響等。

圖5 大小潮作用下 A、B、C 3 點(diǎn)處垂向沉積物占比Fig.5 Percentage of vertical sediments at points A,B and C under the action of the superposition of M2and S2constituents

圖5為M2和S2分潮疊加的大小潮作用下潮間帶上離岸 0.5 km、1 km、1.5 km 的 A、B、C 3點(diǎn)處的垂向沉積物占比分布，由于潮間帶上的沉積物主要由粉砂與黏土組成，因此圖中只對(duì)比了粉砂與黏土的垂向占比分布情況。由圖可見(jiàn)，相較于圖4，垂向上黏土與粉砂的含量分布線呈鋸齒狀表現(xiàn)出明顯的波動(dòng)且具有一定的規(guī)律性，這種周期性的規(guī)律主要是由大小潮的周期旋回造成的。A點(diǎn)處高程較小處的鋸齒狀較高程大處更明顯，是由于隨著沉積物的不斷淤積地貌不斷變化使得水深在減小，潮動(dòng)力相對(duì)的越來(lái)越弱，相對(duì)較粗顆粒的沉積物（粉砂）更難以被搬運(yùn)至近岸處。從水平向沉積物的分布規(guī)律來(lái)看，B點(diǎn)位于黏土區(qū)域與粉砂區(qū)域的過(guò)渡區(qū)域，在此區(qū)域中黏土與粉砂對(duì)于潮汐能量的變化響應(yīng)較好沉積物占比變化劇烈，因此鋸齒狀明顯。而C點(diǎn)位于粉砂與細(xì)砂的過(guò)渡帶，該點(diǎn)垂向上高程較小處細(xì)砂含量相對(duì)較大，因此由黏土與細(xì)砂形成的層理結(jié)構(gòu)表現(xiàn)較差。

為研究沉積物垂向分布與潮汐周期的對(duì)應(yīng)關(guān)系，選取離岸0.6 km、高程約為–1.4 m處的P1點(diǎn)以及離岸0.2 km、高程約為–1.1 m處的P2點(diǎn)進(jìn)行分析（即模型的一個(gè)網(wǎng)格50 m），圖6為黏土與粉砂的垂向分布情況，圖中的沉積物于29 d內(nèi)形成，包含兩個(gè)大小潮周期，該段時(shí)間內(nèi)的潮位過(guò)程、P2點(diǎn)累計(jì)層數(shù)及含沙量變化如圖7所示。

圖6a代表黏土的占比分布，顏色越紅代表黏土占比越多，越藍(lán)代表占比越少，圖6b代表粉砂的占比分布，同理越紅表示粉砂越多，越藍(lán)代表粉砂越少，由圖可見(jiàn)，P1點(diǎn)與P2點(diǎn)均包含完整的潮汐韻律層，韻律層由位于上部的砂質(zhì)層及位于下部的泥質(zhì)層構(gòu)成，且韻律層的個(gè)數(shù)與大小潮周期數(shù)量相一致。P2點(diǎn)垂向?qū)永斫Y(jié)構(gòu)中黏土占比均大于P1點(diǎn)，這是由于P2點(diǎn)較P1點(diǎn)高程更大，水動(dòng)力條件相對(duì)弱，粗顆粒沉積物更難輸移至較高處。由圖7可見(jiàn)，該潮位過(guò)程呈現(xiàn)“大潮–小潮–大潮–小潮”的變化趨勢(shì)，與潮位過(guò)程相對(duì)應(yīng)，垂向分層結(jié)構(gòu)中沉積物顆粒均呈現(xiàn)“較粗–較細(xì)–較粗–較細(xì)”的變化規(guī)律。同時(shí)潮汐大小潮周期性的變化規(guī)律也體現(xiàn)于層理厚度的旋回性變化之中，由于大潮期間潮汐能量大，沉積物在較強(qiáng)的動(dòng)力條件下更易起動(dòng)并發(fā)生輸運(yùn)，潮差大時(shí)層理較厚而潮差小時(shí)能量衰減，因此層理較薄。

圖6 P1 點(diǎn)（a，b）和 P2 點(diǎn)（c，d）兩個(gè)大小潮周期內(nèi)垂向沉積物占比Fig.6 Percentage of vertical sediments in two spring-neap tidal cycles at poiots P1 and P2

圖7 潮位過(guò)程（a），P2 點(diǎn)累計(jì)層數(shù)（b）和含沙量變化（c）Fig.7 Tidal level (a)， cumulative layers (b) and changes of percentage of vertical sediments (c)

3.2 邊界含沙量對(duì)垂向分層結(jié)構(gòu)的影響

現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)表明，水體中懸浮沉積物的濃度也會(huì)影響大小潮周期層偶結(jié)構(gòu)的組成。因此，為研究水體含沙量對(duì)于沉積層偶結(jié)構(gòu)特征的影響，在相同水動(dòng)力條件的基礎(chǔ)上設(shè)置3種邊界含沙量工況，如表2所示。3種工況中，工況三的含沙量量級(jí)與通常認(rèn)為的相對(duì)接近，工況一及工況二的設(shè)置實(shí)際上是對(duì)層理結(jié)構(gòu)中“粗–細(xì)”形成機(jī)制的對(duì)比試驗(yàn)及研究，工況二及工況三的設(shè)置實(shí)際上是對(duì)層理結(jié)構(gòu)中“厚–薄”形成機(jī)制的對(duì)比試驗(yàn)及研究。此外，由于本研究是概化模型側(cè)重于揭示一些機(jī)制，在邊界含沙量設(shè)置過(guò)大時(shí)，容易形成邊界的劇烈淤積造成模型無(wú)法長(zhǎng)期運(yùn)行，因此選取的工況邊界含沙量相對(duì)較小，但不會(huì)影響所得結(jié)論。

表2 3種工況的邊界含沙量設(shè)置Table 2 Three settings of sediment concentration

圖8為不同工況下潮間帶區(qū)域（0～4 km）黏土與粉砂占比分布對(duì)比，黏土占比圖中顏色越紅代表黏土占比越多，顏色越藍(lán)代表黏土占比越少，粉砂占比圖中顏色含義同理。在工況一情況下，黏土邊界含沙量略大于粉砂含沙量，潮汐韻律層結(jié)構(gòu)于離岸0～2 km處較為明顯，主要是由黏土與粉砂組成，而2～4 km處主要是由粉砂與細(xì)砂組成的層理。在粉砂邊界含沙量大于黏土邊界含沙量的工況二的情況中，可見(jiàn)在0.5～4 km范圍內(nèi)粉砂占比明顯增大，在離岸0～2 km處雖然仍是黏土與粉砂組成的層理結(jié)構(gòu)，但不論是大潮期形成的砂質(zhì)層還是小潮期形成的泥質(zhì)層層理中的沉積物顆粒一定程度上均發(fā)生粗化，而在離岸2～4 km范圍內(nèi)由粉砂與細(xì)砂構(gòu)成的韻律層中的沉積物顆粒在一定程度上均發(fā)生了細(xì)化。工況三中由于黏土與細(xì)砂的含沙量是工況二中的10倍，由圖8明顯可見(jiàn)潮間帶區(qū)域內(nèi)整體淤積且最高處達(dá)到1 m左右，且離岸2～4 km范圍內(nèi)黏土與粉砂占比均有所增大，其中粉砂占比增大更明顯，該范圍內(nèi)變?yōu)轲ね?、粉砂與細(xì)砂3種沉積物構(gòu)成的層理結(jié)構(gòu)，韻律層內(nèi)的沉積物顆粒發(fā)生了明顯的細(xì)化。并且，當(dāng)邊界含沙量濃度增大時(shí)，整個(gè)潮間帶區(qū)域內(nèi)大小潮對(duì)應(yīng)的層理更加完整。

圖8 不同工況下潮間帶區(qū)域黏土與粉砂占比分布Fig.8 Distribution of clay and silt fractions in intertidal flat under different sediment concentration conditions

圖9為代表點(diǎn)（離岸1 km處）不同工況下兩個(gè)大小潮周期內(nèi)黏土與粉砂的垂向占比分布，由圖可見(jiàn)，當(dāng)粉砂邊界含沙量大于黏土邊界含沙量時(shí)，潮汐韻律層中的沉積物均發(fā)生粗化。而當(dāng)黏土與粉砂邊界含沙量整體增大時(shí)（工況三）該代表點(diǎn)處兩個(gè)潮周期內(nèi)產(chǎn)生的潮汐韻律層明顯增厚，但整體沉積物顆粒粒徑變小，這主要是由于粉砂的邊界含沙量雖然較大，但水體的挾沙能力有限，很大一部分粉砂較難隨潮流輸移至高灘處而是停留在高程較小處，而較大部分黏土卻能輸移至高灘處并沉積，因此粉砂占比反而減小。

圖9 代表點(diǎn)（離岸1 km處）不同工況下兩個(gè)大小潮周期內(nèi)沉積物垂向分布Fig.9 Vertical distribution of sediments in two tidalcycles under different conditions at representative points

4 結(jié)論

潮灘垂向沉積韻律層的形成是多種動(dòng)力因子共同作用的結(jié)果，其中大小潮周期性變化是韻律層形成的重要原因之一，本文著重從數(shù)值模擬角度探討了大小潮周期的影響，分析了潮灘垂向沉積物的分選與分層結(jié)構(gòu)形成的機(jī)理。具體結(jié)論如下：

（1）大小潮作用下，潮間帶區(qū)域可見(jiàn)明顯的分層結(jié)構(gòu)（主要由黏土與粉砂形成），黏土與粉砂含沙量曲線沿垂向表現(xiàn)出明顯的波動(dòng)呈鋸齒狀。

（2）結(jié)果表明一個(gè)層理結(jié)構(gòu)由泥質(zhì)層與砂質(zhì)層構(gòu)成，其中泥質(zhì)層在小潮期間形成，而砂質(zhì)層于大潮期間形成，同時(shí)層理的厚度也與大小潮周期相關(guān)，大潮時(shí)層理較厚而小潮時(shí)層理較薄。

（3）除了周期性的潮汐條件這個(gè)主要因素，懸浮泥沙濃度也是影響大小潮周期性層理結(jié)構(gòu)的重要因子。邊界含沙量中粉砂占比增大會(huì)使得大小潮周期性層理結(jié)構(gòu)中泥質(zhì)層與砂質(zhì)層均粗化且砂質(zhì)層厚度增大，當(dāng)邊界含沙量整體顯著增大時(shí)，潮灘上的垂向潮汐韻律層會(huì)更加完整且厚度明顯增大。

在本文的研究中，在計(jì)算沉積物的輸運(yùn)時(shí)，黏性與非黏性沙使用不同方法進(jìn)行計(jì)算，忽略了泥沙混合物由于黏性沙的存在呈現(xiàn)出的一定的黏性，可能會(huì)使得泥沙輸運(yùn)通量略有增大。同時(shí)，在潮灘底床垂向沉積物觀測(cè)中，除了大小潮表現(xiàn)出的韻律性層理結(jié)構(gòu)，漲落潮期間形成的潮汐層偶（基本沉積單元）以及波浪、風(fēng)暴（風(fēng)暴來(lái)臨的水位、風(fēng)暴歷時(shí)）等動(dòng)力因子作用下的層理重塑或破壞也常被觀測(cè)到的現(xiàn)象，是未來(lái)數(shù)值模擬研究的重點(diǎn)，進(jìn)而可以更加深入地掌握潮汐層理的形成與演化機(jī)制。