長江口南匯潮灘的波浪特征及其影響因素

崔明慧,涂俊彪,孟令鵬,郭興杰,2,蘇 妮,范代讀*

(1.同濟(jì)大學(xué) 海洋地質(zhì)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,上海 200092; 2.上海市地質(zhì)調(diào)查研究院,上海 200072)

0 引言

潮灘是陸地、大氣和海洋系統(tǒng)的交界面,受到波流相互作用的影響,沉積動力過程復(fù)雜,是研究海陸交互作用的理想場所,因此成為“未來地球海岸(Future Earth Coast)”研究計(jì)劃的重要研究對象[1]。波浪是影響潮灘水動力變化的主要因素之一,加速了潮灘的沖淤演變,改變了潮灘的地形地貌[2-3],同時(shí),波浪運(yùn)動又會受到潮灘地形和潮水位的制約[4]。基于現(xiàn)場實(shí)測資料的波浪特征參數(shù)統(tǒng)計(jì)分析和波譜分析可用于工程海域的波浪統(tǒng)計(jì)、可作業(yè)的波浪條件分析和極值波浪的推算等[5],是目前研究的熱點(diǎn)。VANDEVER et al[6]基于十種不同河口海岸環(huán)境的觀測數(shù)據(jù),得到了波高參數(shù)與譜寬度之間的線性關(guān)系。印度學(xué)者對近海波浪進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析,發(fā)現(xiàn)印度沿海以多峰譜的混合浪為主,通過對季風(fēng)爆發(fā)前、中、后期的波譜、波高、波向等的回歸分析和風(fēng)浪、涌浪分離等的機(jī)理研究,揭示了季風(fēng)對印度沿海波浪場的影響機(jī)理[7-10]。國內(nèi)學(xué)者也對波浪行為特征開展了大量研究,ZHOU et al[11]對實(shí)測的三門灣波浪參數(shù)進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)和線性回歸分析,探討了臺風(fēng)影響下三門灣波浪參數(shù)和波浪譜的變化,并進(jìn)行了風(fēng)浪、涌浪的分離。YANG et al[12]在舟山島東北沿海開展了研究,得出在冬季風(fēng)影響下波浪以雙峰譜的涌浪為主。祁祥禮 等[13]對渤海灣中部的波浪特征進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析,發(fā)現(xiàn)大浪期間波高與風(fēng)速、波向與風(fēng)向有較強(qiáng)的相關(guān)性。陳燕萍 等[14]利用波潮儀對崇明東灘以及杭州灣北岸的蘆潮港岸段進(jìn)行了波浪觀測,著重研究了水深對波高的影響,發(fā)現(xiàn)在潮灘坡度較小,風(fēng)速、風(fēng)向較為穩(wěn)定的情況下,水深與波高之間存在著正相關(guān)關(guān)系。前人研究表明波流相互作用對南匯潮灘沖淤變化起主導(dǎo)作用,但鮮少有學(xué)者開展其波浪特征研究[15-17]。

本文基于固定平臺聲學(xué)多普勒流速儀(Acoustic Doppler Velocimeter,ADV)的實(shí)測數(shù)據(jù),首先對南匯潮灘3個(gè)站位的波浪特征參數(shù)的變化規(guī)律進(jìn)行分析,包括波向、有效波高、平均周期、平均跨零周期、波浪軌道流速等;然后對波高最大時(shí)刻和落潮過程中的波浪頻譜特征進(jìn)行了分析;最后對影響波浪參數(shù)和波浪頻譜參數(shù)的因素進(jìn)行了研究分析,并根據(jù)波浪頻譜進(jìn)行了風(fēng)浪、涌浪的分離。本研究可增進(jìn)對潮灘波浪行為特征的認(rèn)識,并為泥質(zhì)海岸工程建設(shè)與防護(hù)等提供科學(xué)依據(jù)。

1 區(qū)域概況與站位布設(shè)

南匯潮灘是長江口入海泥沙的重要沉積區(qū),發(fā)育了規(guī)模大、特色顯著的淤泥質(zhì)潮灘(圖1a),曾為上海市發(fā)展提供了充足的后備土地資源,是重要的河口濕地資源[18-19]。目前南匯潮灘正在進(jìn)行河口工程、海岸防護(hù)工程建設(shè),波浪要素是工程設(shè)計(jì)需要考慮的重要因素。研究區(qū)地處長江口與杭州灣的交匯處,是長江入海泥沙進(jìn)入杭州灣的重要通道。以石皮勒斷面為界,靠近長江口一側(cè)的稱為東灘,岸線走向?yàn)槲鞅薄獤|南向,位于杭州灣北岸的稱為南灘,岸線走向?yàn)闁|北—西南向。南匯潮灘風(fēng)向季節(jié)性變化大,夏季為東南風(fēng),冬季為西北風(fēng),多年平均風(fēng)速為4 m/s[20]。南匯潮灘受波浪、潮汐和徑流的共同控制,由于其地形復(fù)雜,潮汐屬于非正規(guī)半日潮,年平均潮差為3.2 m,大潮潮差為4 m以上。漲潮時(shí),從外海傳入的潮波在南匯嘴發(fā)生分叉,一股沿305°方向進(jìn)入長江口南槽(東灘),為前進(jìn)型潮波;另一股則沿270°方向進(jìn)入南灘,為駐波型[20]。落潮時(shí),南匯東灘東南向的落潮流和南灘東北向的落潮流在南匯嘴匯合之后流向外海。南匯東灘和南灘的潮流大部分為往復(fù)流,南匯嘴處為旋轉(zhuǎn)流[21]。全年常浪向和強(qiáng)浪向一致,為東南向或東向,多年平均波高為0.42 m,平均波周期為2.9 s[22]。南匯潮灘底床沉積物主要以粉砂為主,低潮灘可出現(xiàn)極細(xì)砂[23]。

圖1 長江口南匯潮灘地理概況及站位布設(shè)(a),3個(gè)觀測站位所在斷面的灘面高程變化(b)

2013年9月5日—7日在南匯潮灘3個(gè)站位布設(shè)ADV進(jìn)行水文觀測實(shí)驗(yàn),3個(gè)站位分別是南匯嘴觀測站S1,南匯南灘觀測站S2和南匯東灘觀測站S3,如圖1a所示。3個(gè)觀測站位所在斷面的灘面高程變化見圖1b。S1站位所在潮灘灘面坡度相對較小,平均坡度為0.001,剖面形態(tài)為下凹型;S2所在潮灘灘面最陡,坡度大約為0.006;S3站位所在潮灘地形剖面亦為下凹型,灘面坡度最小,約為0.000 4。

2 數(shù)據(jù)來源和研究方法

2.1 數(shù)據(jù)來源

風(fēng)向、風(fēng)速數(shù)據(jù)(圖2)來源于浦東國際機(jī)場氣象站資料。觀測期間(2013年9月5日18:00至7日6:00)主要盛行偏北風(fēng),風(fēng)速變化范圍為1.8～5.8 m/s,平均風(fēng)速為4.23 m/s。

圖2 觀測期間浦東國際機(jī)場的風(fēng)場變化特征

3個(gè)站位所在剖面水深數(shù)據(jù)來源于上海市地質(zhì)調(diào)查研究院,斷面延伸方向?yàn)榇怪庇?個(gè)站位向海方向。

3個(gè)站位的波浪參數(shù)由ADV實(shí)測數(shù)據(jù)計(jì)算而來。本觀測實(shí)驗(yàn)所用ADV為挪威Nortek公司生產(chǎn)的 6 MHz 聲學(xué)多普勒流速儀,測量精度為測量值的 0.5%或者±0.1 cm/s,采樣頻率為32 Hz。本研究將選取3個(gè)站位自9月5日起時(shí)間相近的3個(gè)潮周期(用T1,T2,T3表示)內(nèi)的觀測數(shù)據(jù),ADV參數(shù)及觀測時(shí)間見表1, 其中ADV8173的流速探頭由纜線連接。

表1 3個(gè)觀測站位置、儀器設(shè)置及有效觀測時(shí)段

3個(gè)站位的沉積物類型由觀測期間進(jìn)行的粒度實(shí)驗(yàn)獲得。觀測期間系統(tǒng)采集了134個(gè)沉積物樣品,經(jīng)預(yù)處理后利用Beckman Coulter LS230型激光粒度儀進(jìn)行了粒度分析(詳細(xì)結(jié)果將另文發(fā)表)。其中S2站位表層沉積物的平均粒徑最大,沉積物以粉砂質(zhì)砂和砂質(zhì)粉砂為主;S3站位次之,沉積物主要是砂質(zhì)粉砂;S1站位平均粒徑最小,主要是黏土質(zhì)粉砂。

2.2 研究方法

2.2.1 ADV原始數(shù)據(jù)預(yù)處理

首先對ADV原始壓力數(shù)據(jù)和流速數(shù)據(jù)進(jìn)行信號質(zhì)量檢查,剔除信噪比小于5 dB或相關(guān)系數(shù)小于70%的無效數(shù)據(jù)。為方便后續(xù)的計(jì)算,將ADV的數(shù)據(jù)重新劃分成10 min的數(shù)組(共19 200個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)),之后再利用GORING et al[24]提出的相空間閾值法對每個(gè)數(shù)組進(jìn)行去毛刺處理(如圖3所示)。為了消除潮汐的影響,對每個(gè)壓力和流速數(shù)組進(jìn)行去中心化和趨勢化處理,得到零均值的時(shí)間序列[25-26]。

圖3 ADV實(shí)測的原始流速數(shù)據(jù)(a)和剔除異常值后的流速數(shù)據(jù)(b)

2.2.2 波浪特征參數(shù)、波浪譜參數(shù)的計(jì)算

對預(yù)處理后的壓力時(shí)間序列進(jìn)行快速傅里葉變換(Fast Fourier Transformation,FFT),得到對應(yīng)的壓力能譜Sp(f),再利用線性波理論將壓力能譜轉(zhuǎn)化為表面波譜Ss(f)[26]:

(1)

式中:k為波數(shù)(k=2π/L,L為波長);f為頻率;z為傳感器所在深度(向上為正);d為水深,由ADV壓力數(shù)據(jù)計(jì)算得到。

根據(jù)波浪的彌散關(guān)系,波數(shù)與頻率的關(guān)系為

ω2=gktanh(kd)

(2)

式中:ω為波浪圓頻率,ω=2πf,截?cái)囝l率設(shè)置為 0.03～0.50 Hz[27-29]。

計(jì)算表面波譜的 0至 4階譜矩:

(3)

由此可得到有效波高Hs:

(4)

平均跨零周期Tz為

(5)

平均周期Tm為

(6)

譜寬度參數(shù)ε為

(7)

譜尖度參數(shù)Qp為

(8)

峰值周期Tp為

(9)

波浪的軌道流速(簡稱波軌流速,ubr)會導(dǎo)致底部泥沙的再懸浮,因此也是一個(gè)重要的波浪參數(shù)。對預(yù)處理后的流速數(shù)據(jù)進(jìn)行快速傅里葉變換獲得水平流速密度能譜Suu和Svv,再根據(jù)WIBERG et al[30]提出的公式計(jì)算得到ubr:

(10)

3 結(jié)果

3.1 水文特征

3個(gè)站位在觀測期間都經(jīng)歷了3個(gè)潮周期,漲、落潮平均歷時(shí)和平均水深等信息如表2所示。分析表明,3個(gè)站位所在灘面漲、落潮不對稱現(xiàn)象較為明顯,落潮歷時(shí)均大于漲潮歷時(shí),存在潮汐日不等現(xiàn)象。S2站位落潮歷時(shí)最長,S1站位最短;S2站位平均水深最大,S3站位次之,S1站位最小。

表2 3個(gè)站位不同潮時(shí)重要潮汐動力參數(shù)統(tǒng)計(jì)值

觀測期間,南匯潮灘3個(gè)站位的流速和流向如 圖4 所示。S1站位流向呈順時(shí)針偏轉(zhuǎn),從漲潮到落潮經(jīng)歷了WSW—N—NNE—SES的偏轉(zhuǎn),為旋轉(zhuǎn)流特征,轉(zhuǎn)流時(shí)刻出現(xiàn)在落潮前期。S2站位漲潮流初始流向?yàn)閃SW,后經(jīng)NE再偏轉(zhuǎn)至ENE,具往復(fù)流特征,轉(zhuǎn)流時(shí)刻出現(xiàn)在漲、落潮交替之際。S3站位漲潮流初始流向?yàn)镹NW,后經(jīng)SE再偏轉(zhuǎn)至SSE,也具往復(fù)流特征,轉(zhuǎn)流時(shí)刻出現(xiàn)在落潮前期,表明此處潮波為前進(jìn)波和駐波的過渡類型。在漲潮初期,由于水深較淺,水層受到灘面較大的底摩擦作用,潮鋒現(xiàn)象明顯,流速較大。由對比可知,S1站位平均流速最大,S3站位次之,S2站位平均流速最小(表2)。

圖4 3個(gè)站位的潮流流向和流速變化特征

3.2 波浪的主要參數(shù)

3.2.1 波向

圖5為16方位的波向玫瑰花圖。統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明: S1站位常浪向?yàn)镋SE向,出現(xiàn)頻率為50%,次常浪向?yàn)镾E向,出現(xiàn)頻率為27%;強(qiáng)浪向?yàn)镋向(有效波高為0.5～0.6 m),出現(xiàn)頻率為6%。S2站位常浪向?yàn)镾E向,出現(xiàn)頻率為42%;次常浪向?yàn)镾SE向,出現(xiàn)頻率為37%;強(qiáng)浪向?yàn)镾E向(有效波高為0.4～0.5 m),出現(xiàn)頻率為8%。S3站位常浪向?yàn)镾E向,出現(xiàn)頻率為41%;次常浪向?yàn)镾SE向,出現(xiàn)頻率為17%;強(qiáng)浪向?yàn)镾E向(有效波高為 0.4～0.5 m),出現(xiàn)頻率為22%?？傮w來說,3個(gè)站位常浪向均為SE向,這與地形向東南面敞開密切相關(guān)。

圖5 3個(gè)站位的波向玫瑰花圖

3.2.2 有效波高

圖6為觀測期間有效波高的變化情況。有效波高的變化規(guī)律與水深變化較為相似,最大有效波高多出現(xiàn)在漲潮期間。S3站位在第一個(gè)潮周期的落潮期間還出現(xiàn)了有效波高的第二個(gè)峰值。進(jìn)一步統(tǒng)計(jì)分析發(fā)現(xiàn)3個(gè)站位漲潮階段平均有效波高均高于落潮階段;S1站位處全潮階段的平均有效波高最大,S3站位次之,而S2站位最小(表3)。

表3 3個(gè)站位不同潮時(shí)重要波浪參數(shù)統(tǒng)計(jì)值

圖6 3個(gè)站位觀測期間有效波高和水深變化特征

3.2.3 平均周期、平均跨零周期

圖7為3個(gè)站位處波浪的平均周期、平均跨零周期在3個(gè)潮周期內(nèi)的變化規(guī)律。對比分析發(fā)現(xiàn),平均周期和平均跨零周期的變化趨勢相同,前者量值稍大于后者。進(jìn)一步統(tǒng)計(jì)分析表明(表3),除S3站位T1和T2潮周期外,其余潮周期內(nèi)落潮階段的平均周期和平均跨零周期均大于漲潮階段。

圖7 3個(gè)站位觀測期間的波浪平均周期和平均跨零周期變化特征

3.2.4 波軌流速

波軌流速會對底床產(chǎn)生剪切應(yīng)力進(jìn)而引起沉積物起動、再懸浮,是一個(gè)很重要的波浪參數(shù)。圖8為3個(gè)站位在觀測期間波軌流速和潮流流向的變化情況,分析發(fā)現(xiàn)3個(gè)站位的波軌流速在整個(gè)潮周期內(nèi)的變化規(guī)律存在異同。相同之處為3個(gè)站位波軌流速的最大值都出現(xiàn)在漲潮初期。而不同之處在于:1)S1站位處潮流為旋轉(zhuǎn)流,存在3次較明顯的轉(zhuǎn)流時(shí)刻(圖中用紅框標(biāo)記),第一次轉(zhuǎn)流時(shí)刻波軌流速達(dá)到谷值,而后增加,至第二次轉(zhuǎn)流時(shí)刻達(dá)到峰值,隨后又減小,直至第三次轉(zhuǎn)流時(shí)刻達(dá)到第二次谷值;2)S2站位雖然在轉(zhuǎn)流時(shí)期存在部分?jǐn)?shù)據(jù)缺失,但是通過已有數(shù)據(jù)也能看到大體的變化趨勢,即在轉(zhuǎn)流時(shí)期波軌流速逐漸減小直至谷值,而在轉(zhuǎn)流結(jié)束后波軌流速又增加至第二次峰值;3)S3站位在T1潮周期內(nèi)波軌流速在轉(zhuǎn)流時(shí)刻達(dá)到了谷值,在T2和T3潮周期內(nèi)波軌流速則是在轉(zhuǎn)流結(jié)束后達(dá)到了谷值,隨后又逐漸增加,在落潮的末期達(dá)到第二次峰值。

圖8 3個(gè)站位觀測期間波軌流速的變化特征

由表3可知, S1站位全潮階段平均波軌流速最大,S2站位次之,S3站位最小。

3.3 波浪的波譜特征

潮灘的地貌演變與波能的耗散密切相關(guān),而波能與波高的平方呈正相關(guān)關(guān)系,因此在下文中將探討波高最大時(shí)刻的波浪頻譜特征。潮水位的變化會對波浪頻譜產(chǎn)生影響,本文將以落潮為例,探討在潮水位減小的過程中波浪頻譜的變化特征。在漲潮時(shí)期,可能由于波流相互作用更加強(qiáng)烈,使得波浪頻譜特征比較復(fù)雜,對此問題的深入分析將另文討論。

3.3.1 波高最大時(shí)刻的波浪頻譜特征

采用頻時(shí)域歸一化的能量密度譜來研究3個(gè)站點(diǎn)波高最大時(shí)的波能分布,并計(jì)算波浪頻譜參數(shù),進(jìn)行波浪頻譜分析。其中S1站位波高最大時(shí)刻為9月5日 22:25、9月6日10:47和23:00,S2站位波高最大時(shí)刻為9月5日22:56、9月6日11:00和23:10,S3站位波高最大時(shí)刻為9月5日23:02、9月6日11:30 和9月7日00:05。值得注意的是,S3站位第一個(gè)潮周期內(nèi)波高最大時(shí)刻出現(xiàn)在落潮的中期。

如圖9所示,3個(gè)站位的波浪頻譜大多為雙峰譜。在S1站位,3個(gè)潮周期內(nèi)峰頻均位于低頻一側(cè),分別為0.12、0.16和0.15 Hz;在S2、S3站位,T1、T2內(nèi)峰頻位于高頻側(cè),峰頻分別為0.36、0.29、0.37和0.32 Hz,而T3內(nèi)峰頻位于低頻側(cè),約為0.16 Hz。

圖9 3個(gè)站位波高最大時(shí)刻的頻譜圖

波高最大時(shí)刻波譜參數(shù)的統(tǒng)計(jì)分析(表4)表明,S1站位的譜尖度參數(shù)最小,譜寬度參數(shù)最大,波能分布比較分散;S2站位的譜尖度參數(shù)最大,譜寬度參數(shù)最小,波能分布比較集中。最大譜密度以S1站位為最大,S3站位次之,S2站位最小。

表4 3個(gè)站位波高最大時(shí)刻的波譜參數(shù)

3.3.2 落潮過程中的波譜變化

圖10為3個(gè)站位落潮過程中逐時(shí)的波譜變化情況。整個(gè)觀測期間,波能受控于周期性的潮汐水位,即隨著水深的減小,波能處于衰減的狀態(tài),而且3個(gè)站位波浪頻譜均為雙峰譜,譜型均較寬。在S1站位,3個(gè)潮周期內(nèi)峰頻能量均位于低頻側(cè),隨著水深的減小,能量逐漸衰減,需要特別注意的是,在T1內(nèi),低頻波能衰減,但高頻波能相對增加。在S2站位,T1內(nèi)的峰頻能量出現(xiàn)了由低頻側(cè)向高頻側(cè)轉(zhuǎn)移,T2、T3內(nèi)的峰頻始終位于低頻一側(cè),但在高頻處存在僅次于主峰能量的次峰值。在S3站位,T1內(nèi)的低頻波能不斷減小,而高頻波能迅速增加,峰頻由低頻側(cè)向高頻測轉(zhuǎn)移,這主要與落潮后期波高的突然增加有關(guān);T2內(nèi)的峰頻始終位于高頻側(cè),且在落潮過程中向更高頻轉(zhuǎn)移;T3內(nèi)的低頻波能急劇減小,峰頻能量由低頻向高頻轉(zhuǎn)移。

圖10 3個(gè)站位落潮過程中的頻譜圖

圖11為落潮過程中波譜參數(shù)的變化規(guī)律,分析發(fā)現(xiàn):3個(gè)站位的最大譜密度均呈減小的趨勢。在落潮過程中,除S3站位T1外,其余潮周期內(nèi)譜寬度參數(shù)均呈增大的趨勢。在S1站位,峰值周期均呈增大趨勢;在S2站位,T1內(nèi)峰值周期先增大后減小,在T2和T3內(nèi)持續(xù)增大;在S3站位,峰值周期均呈減小趨勢。表明除S3站位T1外的其他潮周期在落潮過程中,隨著水深的減小,波浪易發(fā)生破碎,使能量分布更加分散。波譜參數(shù)的變化規(guī)律可能與波浪非線性作用加強(qiáng)有關(guān)。

圖11 3個(gè)站位落潮過程中波譜參數(shù)的變化規(guī)律

4 討論

4.1 南匯潮灘局地波浪構(gòu)成的影響因素

在本研究的野外觀測期間風(fēng)向與波向不一致:風(fēng)向?yàn)槠憋L(fēng),波向多為東南向。為了查明不一致的原因,本文利用PORTILLA et al[31]提出的PM譜法進(jìn)行了風(fēng)浪和涌浪的分離。

PM譜法,即通過波浪譜的峰值能量與同一峰值頻率下PM譜的能量比值判斷浪的性質(zhì):比值大于1時(shí)為風(fēng)浪,反之則為涌浪。譜峰頻率下PM譜的能量密度S(fp)計(jì)算公式為

(11)

式中:fp為譜峰頻率;α為峰形系數(shù), 對于PM譜,α=0.008 1;g為重力加速度。

表5為3個(gè)站位在3個(gè)潮周期內(nèi)的譜峰頻率及其對應(yīng)的譜峰值能量和PM譜峰值能量。分析發(fā)現(xiàn),S2站位三個(gè)潮周期以及S1站位前兩個(gè)潮周期均以涌浪為主,其他站位為涌浪和風(fēng)浪的混合浪,混合浪所對應(yīng)的頻譜圖中,低頻部分為涌浪,高頻部分為風(fēng)浪。S1、S3站位T3內(nèi)均是以低頻能量為主,大部分為涌浪成分。S3站位T1、T2內(nèi)以高頻波浪為主,風(fēng)浪的占比較大,這也解釋了S3站位波向的變化范圍大于其他兩個(gè)站位。

表5 譜峰值能量法分析的3個(gè)站位波浪類型

研究區(qū)域內(nèi)盛行偏北風(fēng),對于南匯南灘S2站位來說是離岸風(fēng),基本沒有風(fēng)浪產(chǎn)生的可能,但此處海域開闊易受到遠(yuǎn)處傳來的低頻涌浪影響,觀測期間的涌浪波向?yàn)闁|南向。東南向涌浪也可進(jìn)入NW—SE向延伸的南槽影響南匯東灘,同時(shí)因南槽江面有一定寬度,對于S1和S3站位來說,北向風(fēng)是有一定的風(fēng)區(qū)存在的,因此會形成局地風(fēng)浪作用。S3站位因處于河口內(nèi)側(cè),涌浪顯著消減,局地風(fēng)浪的影響占比增加。

4.2 漲、落潮過程中波浪參數(shù)的差異

通過對波浪參數(shù)(表3)的分析可知,3個(gè)站位漲潮期間的有效波高和波軌流速均大于落潮期間。除S3站位T2外,其余潮周期內(nèi)漲潮期間平均周期均小于落潮期間。除S3站位T1和T2外,其余潮周期內(nèi)漲潮期間平均跨零周期均小于落潮期間。由有效波高和波軌流速的變化規(guī)律圖(圖6、圖8)可知,在一個(gè)潮周期內(nèi)潮汐對波浪參數(shù)的調(diào)制作用特別明顯,在水位最高時(shí),有效波高和波軌流速也達(dá)到較大值。由于研究區(qū)漲潮歷時(shí)通常比落潮歷時(shí)短,導(dǎo)致漲潮期間平均水深略大于落潮期間的平均水深,這是導(dǎo)致漲潮期間平均有效波高和波軌流速比落潮期間大的主要因素。另外,漲潮流方向與波向較為一致(見表2),為順流狀態(tài),而落潮過程為逆流狀態(tài),這也是導(dǎo)致波浪衰減的原因之一?？梢?潮水位和潮流流向是影響潮灘波浪參數(shù)的兩個(gè)重要因素,對其關(guān)系進(jìn)行量化還需要利用數(shù)值模擬、物理模型等方法做更深入的探討。

4.3 潮灘有效波高的影響因素

潮灘屬于淺水環(huán)境(水深小于3 m),波浪在潮灘上向岸傳播時(shí),隨著水深的減小,底部摩擦耗能增加,導(dǎo)致波高逐漸減小。為了深入了解水深與有效波高的關(guān)系,需要對水深與有效波高進(jìn)行定量化分析。

觀測期間水深與有效波高的相關(guān)性是不斷變化的,且漲潮和落潮期間兩者的相關(guān)性也不同(圖12)。就站位而言,S1站位漲、落潮時(shí)有效波高與水深的擬合最好, S3站位兩者的擬合最差,這可能與兩站位的岸灘坡度的差異較大有關(guān),坡度較大時(shí)兩者的擬合效果較好[18]。就漲、落潮而言,S2和S3站位漲潮期間水深與有效波高的擬合較落潮期間好,而S1站位落潮期間擬合較好,3個(gè)站位整個(gè)潮周期內(nèi)有效波高與水深的擬合均較差。

圖12 3個(gè)站位有效波高與水深的擬合關(guān)系

由此可見,波浪的有效波高不僅受到潮汐水位的制約,還受到風(fēng)況、潮流的流速及流向、潮灘地形等其他因素的影響。已有研究[16]表明,向岸風(fēng)、較大的岸灘坡度、水深較大等有利因素更有利于波浪的生長。

4.4 波軌流速的影響因素

通過對波軌流速的變化趨勢進(jìn)行分析(圖8)可知,在漲潮初期出現(xiàn)較大值主要與波浪的淺水效應(yīng)有關(guān),因水極淺導(dǎo)致波浪與灘面的摩擦阻力較大。此外,在轉(zhuǎn)流時(shí)期,波軌流速往往會達(dá)到谷值而后增加,在轉(zhuǎn)流過后達(dá)到第二次峰值。波軌流速峰值的出現(xiàn)與潮汐水位達(dá)到最大有關(guān),同時(shí)也可能與轉(zhuǎn)流相關(guān),但是這一結(jié)論需要更多證據(jù),也是本研究下一步需要深化的方向。

通過對波軌流速(ubr)和潮流流速(u)的比值變化研究(圖13)發(fā)現(xiàn),只有在轉(zhuǎn)向時(shí)刻的前后,波軌流速大于潮流流速,在其余時(shí)間內(nèi),潮流流速均大于波軌流速。這是因?yàn)樵跐q潮期間潮流流速逐漸減小,在轉(zhuǎn)流時(shí)期,潮流流速幾乎為0,而落潮期間潮流流速又會增加。而波軌流速在全潮范圍來看小于潮流流速,且變化幅度不大。由于波軌流速在潮流轉(zhuǎn)向時(shí)處于主導(dǎo)地位(大于潮流流速),而波軌流速是引起沉積物再懸浮的重要因素,因此應(yīng)該著重研究潮流轉(zhuǎn)向前后波浪對沉積物再懸浮的影響。

圖13 3個(gè)站位波軌流速與潮流流速比值的變化特征

4.5 波浪譜變化的影響因素

波高減小過程中潮水位的變化對波浪譜的影響最大。這是因?yàn)殡S著水位的減小,波浪發(fā)生破碎,能量不斷衰減,且能量的耗散形式從寬頻域向窄頻域轉(zhuǎn)換,譜寬度逐漸增大,這與李志強(qiáng) 等[32]在粵東后江灣近岸觀測到的波浪在向岸傳播過程中的變化趨勢相似。除此之外,地形也對波浪譜的變化產(chǎn)生了較大的影響。在S1和S3站位潮灘的坡度較小(圖1b),波浪頻譜以雙峰譜為主。在S2站位潮灘坡度較大,波浪成分主要為涌浪,因此波浪譜的形狀比較復(fù)雜,且出現(xiàn)了多峰震蕩的現(xiàn)象(圖9b)。

在S2站位T1內(nèi)和S3站位T1和T3內(nèi)均出現(xiàn)了峰頻由低頻向高頻轉(zhuǎn)移的現(xiàn)象,究其原因,可能受到水深和地形的綜合影響。有研究表明[33-34]淺水區(qū)存在著非共振三組成波耦合作用,波浪譜的低頻與譜的峰頻或高頻譜峰之間存在著倍頻、多倍頻和差頻關(guān)系,因此峰頻能量有可能存在轉(zhuǎn)移的過程,而且潮汐水位調(diào)制與岸灘地形的相互作用使得三組成波間的非線性相互作用更加復(fù)雜;任劍波 等[35]也提出低頻波更易受到底摩擦作用而趨于飽和,譜平衡域由低頻域向高頻域擴(kuò)展。

由圖9可知,S2站位的峰頻能量最低,S1站位的最高。底床摩阻損失、滲透損失等是導(dǎo)致近岸淺水區(qū)波能耗散的主要原因,而潮灘坡度和表層沉積物粒度是影響底摩阻耗能、滲透耗能的重要因素[34]。S2站位所在潮灘坡度最大,波浪與潮灘底部的摩擦較大,摩擦耗能也最大;其表層沉積物平均粒徑最大,滲透性也較高,因此滲透耗能也較大。S1站位所在潮灘灘面坡度較小,波浪向岸傳播的過程中與潮灘底部的摩擦較小,摩擦耗能最小;其表層沉積物平均粒徑最小,滲透性較低,因此滲透耗能較小。

5 結(jié)論

本文通過對南匯潮灘3個(gè)站位布放的ADV獲得的流速及水壓數(shù)據(jù)進(jìn)行反演,獲得了水深、波浪特征參數(shù)和波浪譜參數(shù),研究了其在觀測期間的變化規(guī)律,并進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析、波譜分析、擬合分析,根據(jù)PM譜法進(jìn)行了風(fēng)浪、涌浪的分離,并對各波浪特征參數(shù)的影響因素進(jìn)行了分析,得到以下主要結(jié)論。

1) 3個(gè)站位所在灘面漲、落潮不對稱現(xiàn)象明顯,落潮歷時(shí)均大于漲潮歷時(shí)。S1站位所在灘面平均水深最小,潮流為旋轉(zhuǎn)流特征;S2站位所在灘面平均水深最大,潮流為往復(fù)流特征;S3站位所在灘面平均水深介于上述兩個(gè)站位之間,潮流為往復(fù)流特征。

2) 在觀測期間,3個(gè)站位常浪向均位于SE向,這與地形向東南面敞開密切相關(guān)。3個(gè)站位漲潮階段平均有效波高均大于落潮階段,S1站點(diǎn)處全潮階段波浪的平均有效波高最大,S3站點(diǎn)次之,S2站點(diǎn)最小。3個(gè)站位波浪的平均周期和平均跨零周期的變化趨勢相同,平均周期稍大于平均跨零周期。3個(gè)站位的波軌流速均在漲潮初期達(dá)到最大值,在轉(zhuǎn)流過程中或結(jié)束后存在谷值或峰值,但谷值和峰值出現(xiàn)的時(shí)間有所差異。

3) S1站位有效波高與水深的擬合最好,S3站位最差,且各站位在漲、落潮期間的擬合效果也不同。說明波浪的有效波高不僅受到潮汐水位的制約,還受到風(fēng)況、潮流的流速及流向、潮灘地形等其他因素的影響。波軌流速的大小受到淺水效應(yīng)和轉(zhuǎn)流的影響,且只在轉(zhuǎn)流時(shí)期波軌流速是大于潮流流速的。

4) 波高最大時(shí)刻的波浪頻譜多為雙峰譜。利用PM譜法進(jìn)行波浪分離:S2站位為涌浪;S1站位是以涌浪為主的混合浪;S3站位是以風(fēng)浪為主的混合浪。這是因?yàn)樵谄憋L(fēng)影響下,S2站位的風(fēng)浪影響可忽略不計(jì),以來自開闊外海的涌浪為主;S1和S3站位位于長江口南槽內(nèi),江面有一定寬度促成風(fēng)浪增長,形成涌浪和風(fēng)浪的混合浪。由此可見,東南向涌浪不僅可以影響開闊的南匯南灘,而且可進(jìn)入NW—SE向延伸的南槽影響南匯東灘。

5) 在落潮過程中,隨著潮水位的降低,能量不斷衰減,且能量的耗散形式從寬頻域向窄頻域轉(zhuǎn)換,譜寬度逐漸增大,S1站位3個(gè)潮周期和S2站位T2和T3內(nèi)峰頻均位于低頻一側(cè),S2站位T1、S3站位T1和T3內(nèi)峰頻由低頻向高頻側(cè)轉(zhuǎn)移,S3站位T2內(nèi)峰頻始終位于高頻一側(cè)。S2站位因潮灘坡度和沉積物粒徑最大,底摩阻和滲透耗能也最大,因此峰值能量最小;S1站位潮灘坡度較小,沉積物粒徑最小,所以底摩阻和滲透耗能最小,峰值能量最大。