水利工程論文-杭州灣口懸沙濃度變化與模擬.doc

水利工程論文-杭州灣口懸沙濃度變化與模擬摘要：本文對(duì)杭州灣口15個(gè)測(cè)站的大、中、小潮懸沙濃度的變化規(guī)律進(jìn)行了分析，得出大小潮周期流速變化和水位變化是該海區(qū)各站懸沙濃度變化的主要影響因素。通過(guò)分析研究，建立了單點(diǎn)測(cè)站懸沙濃度變化與水位和大小潮最大流速的關(guān)系模型，用該模型的計(jì)算結(jié)果與實(shí)測(cè)資料進(jìn)行比較，擬合程度較好，對(duì)于整個(gè)大小潮周期懸沙濃度的連續(xù)變化可采用該模型進(jìn)行估算。關(guān)鍵詞：懸沙濃度模型杭州灣口1前言在淤泥質(zhì)河口、海岸地區(qū)，粘性細(xì)顆粒懸移質(zhì)泥沙濃度是港口、航道及有關(guān)海岸工程一個(gè)普遍關(guān)心的問(wèn)題。由于海岸地區(qū)物理過(guò)程復(fù)雜，懸沙濃度(含沙量)表現(xiàn)為一個(gè)隨機(jī)性很強(qiáng)的變量，不同的水動(dòng)力環(huán)境，懸沙濃度出現(xiàn)不同的變化特征。一般來(lái)講，近岸海區(qū)懸沙濃度的變化受制于潮周期、大小潮周期和鄰近河口的洪枯季等不同時(shí)間尺度的變化，以及潮流、波浪、底部剪切力、泥沙來(lái)源、海底地形等諸多因素的影響。因而懸沙濃度的變化規(guī)律應(yīng)根據(jù)不同研究區(qū)域的特點(diǎn)來(lái)加以分析。懸沙濃度的變化對(duì)于觀測(cè)點(diǎn)在某個(gè)時(shí)間段，如大、中、小潮來(lái)講，主要與底部泥沙侵蝕與落淤以及平流作用有關(guān)。Clarke和Elliott(1998)1在平流作用較小的河口灣地區(qū)將懸沙濃度變化與底部泥沙的侵蝕與水體泥沙的落淤之差聯(lián)系起來(lái)，建立了一個(gè)單點(diǎn)懸沙濃度模型，通過(guò)確定侵蝕與沉積的臨界值參數(shù)來(lái)模擬泥沙濃度的變化，得到研究的地區(qū)懸沙濃度變化與漲落潮流速有非常好的對(duì)應(yīng)關(guān)系。然而，在杭州灣口由于圖1研究區(qū)域位置與水文泥沙觀測(cè)站位Mapofresearchareaandobservedstationpositions潮差較大，潮流作用強(qiáng)勁，并且受到長(zhǎng)江口杭州灣泥沙擴(kuò)散的影響，灣口內(nèi)外泥沙濃度存在較明顯的水平梯度，因而泥沙濃度變化除了受到流速變化影響外，漲落潮水位變化引起的平流作用也有明顯的作用。本文主要是根據(jù)杭州灣口崎嶇列島附近海區(qū)(圖1)，1996年10月下旬15個(gè)測(cè)站大、中、小潮三次周日水文泥沙實(shí)測(cè)資料，通過(guò)懸沙濃度變化規(guī)律的分析，建立各測(cè)點(diǎn)懸沙濃度預(yù)測(cè)模型，從而可計(jì)算大小潮周期懸沙濃度的連續(xù)變化值。2研究區(qū)域本文研究區(qū)域位于杭州灣口北部海域，處于長(zhǎng)江口外海濱與杭州灣口交接地帶的強(qiáng)動(dòng)力環(huán)境。水體中懸浮泥沙粒徑級(jí)配以單峰為主，粒徑分布變化較小，峰值多在5.04m左右，平均值在5.4m，屬于粘性細(xì)顆粒泥沙的范疇。由于該處為長(zhǎng)江口入海徑流所攜帶泥沙的擴(kuò)散范圍2，其泥沙來(lái)源主要為長(zhǎng)江口直接擴(kuò)散泥沙和潮流攜來(lái)的海域泥沙，后者的最初來(lái)源亦為長(zhǎng)江口。杭州灣口實(shí)際上也是長(zhǎng)江口外水下前三角洲的延伸部分，底部物質(zhì)組成較細(xì)，以細(xì)顆粒沉積物為主，最常見(jiàn)的沉積物類型為粘土和粉砂。在上述泥沙來(lái)源和海底物質(zhì)組成的背景下，該海區(qū)由于受到特殊的水動(dòng)力條件的作用，水體中懸沙濃度變化具有獨(dú)特的規(guī)律。2.1水動(dòng)力條件杭州灣口的潮汐主要受東海前進(jìn)波系統(tǒng)制約，且以M2分潮起支配作用，潮汐性質(zhì)屬于非正規(guī)半日淺海潮。潮汐強(qiáng)度中等，據(jù)大洋山臨時(shí)驗(yàn)潮站一個(gè)月(1996年1011月)的觀測(cè)資料，平均潮差2.79m，最大潮差4.28m，最大可能潮差5.30m。落潮歷時(shí)(平均6h40min)略大于漲潮歷時(shí)(平均5h47min)。研究區(qū)各測(cè)點(diǎn)潮流橢圓長(zhǎng)軸比WK1+WO1/WM2介于0.250.35之間，平均為0.29,均小于0.5，說(shuō)明潮流類型為半日潮流性質(zhì)，但淺水分潮較強(qiáng)，因而潮流性質(zhì)也稱為不正規(guī)半日淺海潮流。表征潮流旋轉(zhuǎn)性質(zhì)的橢圓率K值，變化范圍在0.010.25之間，故總體態(tài)勢(shì)，本海區(qū)的潮流為往復(fù)流性質(zhì)。漲潮方向?yàn)?74294，落潮方向?yàn)?4114。研究區(qū)潮流流速較大，大潮汛時(shí)實(shí)測(cè)最大漲、落潮流速分別可達(dá)2.55m/s和3.09m/s。流速?gòu)拇蟪敝列〕敝饾u減小，實(shí)測(cè)最大流速中潮比大潮減小10左右，小潮比大潮減小約40%。圖2研究區(qū)懸沙濃度分布Distributionofsedimentconcentrationfortheresearcharea2.2懸沙濃度變化海水中懸沙濃度的變化是泥沙運(yùn)動(dòng)的重要表現(xiàn)形式，懸沙濃度時(shí)空上的變化反映了不同的動(dòng)力作用和水深環(huán)境條件下的結(jié)果。研究區(qū)懸浮于水體中的泥沙為粘性細(xì)顆粒泥沙，在強(qiáng)潮作用的杭州灣口泥沙不易沉降，懸浮于水體中的時(shí)間較長(zhǎng)，在憩潮流速較緩時(shí)，近底層泥沙即使落于海床，但未經(jīng)密實(shí)，又為接踵而來(lái)的高速水流掀起，懸浮泥沙表現(xiàn)為隨潮往復(fù)搬運(yùn)，這是該地區(qū)泥沙運(yùn)動(dòng)的基本形式。研究區(qū)平均含沙量為1.510kg/m3，屬高懸沙濃度海區(qū)。平均含沙量的平面分布表現(xiàn)為西高東低(圖2)，即由灣口向外海懸沙濃度逐漸降低，并且在崎嶇列島峽道西側(cè)喇叭口形成一個(gè)相對(duì)較高的高懸沙濃度分布區(qū)，含沙量等值線近南北走向。這主要是由于西側(cè)水深淺，并在峽道強(qiáng)潮流速和NWSE流向的作用下，迫使向南移動(dòng)的長(zhǎng)江口沖淡水朝西北方向偏移，從而出現(xiàn)西部含沙量高，而東部海域較低的特征。圖3懸沙濃度與流速、水位之間的關(guān)系Extractsfromobservedsedimentconcentration,velocityandwaterleveldatafromfivestations圖3為研究區(qū)其中5個(gè)測(cè)站大、中、小潮的懸沙濃度、流速和水位變化過(guò)程曲線。從圖中可以看出，各測(cè)站懸沙濃度變化的總體趨勢(shì)是大潮懸沙濃度最高、中潮次之，小潮最低；大、中、小潮各潮汛的漲、落潮含沙量相差不多。大潮平均含沙量為2.177kg/m3,中潮為1.672kg/m3,小潮僅0.479kg/m3,這顯然與大潮流速大于中潮和小潮，即大小潮周期流速變化有關(guān)。表1列舉了研究區(qū)(崎嶇列島及其附近海區(qū))各測(cè)站大、中、小潮的平均懸沙濃度及其比值與相應(yīng)的平均最大流速及其比值?？傮w上，大、中、小潮懸沙濃度的平均比值為4.53.41，平均最大流速比值為2.31.61，即大潮的最大流速為小潮的2.3倍，而大潮的含沙量為小潮的4.5倍，這表明流速增加1倍含沙量約增加2倍。因此，大小潮周期懸沙濃度的變化與潮流月相的周期變化關(guān)系是非常密切的，而且大致呈上述這樣一種線性關(guān)系。懸沙濃度因潮汛而異，而在同一潮汛又隨時(shí)間而呈周期變化。通常懸沙濃度隨水位的增加而降低，在高潮位時(shí)含沙量較低，而在低潮位時(shí)含沙量較高。這主要是由于漲潮時(shí)外海懸沙濃度相對(duì)較低的水體進(jìn)入杭州灣口，懸沙濃度逐漸降低；而落潮時(shí)懸沙濃度相對(duì)較高的水體向外海傳送，懸沙濃度逐漸增大，這就是泥沙的平流作用。各測(cè)站潮流流速對(duì)懸沙濃度的影響較小，特別是在水深較大的測(cè)站，如W3站水深達(dá)33m,流速的影響極小。而在水深較淺的測(cè)站流速對(duì)懸沙濃度略有影響，但相對(duì)是次要的。因此，在杭州灣口及灣外，泥沙的平流作用起著主導(dǎo)作用，就單個(gè)測(cè)站一個(gè)潮周期內(nèi)來(lái)講，流速變化引起的垂向泥沙交換相對(duì)是次要的。通常在河口和河口灣內(nèi)一個(gè)潮周期內(nèi)懸沙濃度變化與流速有較密切的關(guān)系，流速增強(qiáng)時(shí)底部泥沙受到?jīng)_刷，懸沙濃度增高；而當(dāng)流速降低到一定程度時(shí)，水體中泥沙落淤，懸沙濃度降低。然而，在杭州灣口這種關(guān)系由于受到較大潮差與水位變化引起的漲落潮水體所攜泥沙運(yùn)移所掩蓋，從而表現(xiàn)為在一個(gè)潮周期內(nèi)懸沙濃度變化與流速?zèng)]有上述明顯的對(duì)應(yīng)關(guān)系。這在其它有關(guān)文獻(xiàn)3中也發(fā)現(xiàn)有這一現(xiàn)象。表1杭州灣口各站垂線平均懸沙濃度與平均最大流速特征AverageverticalsuspendedsedimentconcentrationsandmaximumvelocitiesatthestationsofHangzhouBaymouth測(cè)站LI1LI2B1B2B3B4B5大含沙量2.3602.8402.9712.3992.2912.4892.526潮流速2.352.602.512.512.492.482.37中含沙量1.8302.2922.0201.6881.4631.9801.723潮流速1.691.871.811.801.791.781.70小含沙量0.3720.4490.5320.3900.4650.4560.379潮流速1.031.141.101.101.091.091.04含沙量比6.34.916.35.115.63.816.24.314.93.215.54.316.74.51流速比2.31.612.31.612.31.612.31.612.31.612.31.612.31.61測(cè)站P1P2P3P4P5W1W2W3大含沙量3.0172.6382.2891.6202.0121.2401.1230.838潮流速2.442.001.541.812.462.412.211.90中含沙量2.6351.8971.4271.1231.5581.0160.8210.437潮流速1.751.441.111.301.771.731.591.36小含沙量0.6340.5860.7140.5600.3560.3630.2600.166潮流速1.070.880.680.791.081.060.970.83含沙量比4.84.114.53.213.22.312.92.015.74.413.42.814.33.215.02.61流速比2.31.612.31.612.31.612.31.612.31.612.31.612.31.612.31.61單位：含沙量kg/m3,流速m/s3懸沙濃度模型通過(guò)上述分析，懸沙濃度P的變化主要與水位h變化和大小潮周期流速變化U有密切關(guān)系。據(jù)此，大小潮周期內(nèi)懸沙濃度的變化可用如下函數(shù)形式表示P(t)=P0+K1h(t)+K2U(t)(1)式中P0為大、中、小潮總的平均含沙量；K1、K2為系數(shù)。大小潮周期流速變化，可用最大流速變化來(lái)考慮。如果潮流最大流速為Umax，那么半日潮海區(qū)由于大小潮周期引起的最大流速變化可表示為Umax(t)=UM2+US2cos(2/TSN)t-(2)這里太陽(yáng)和太陽(yáng)分潮流速振幅用UM2和US2表示，為相對(duì)于起始點(diǎn)大小潮周期的位相。式中TSN為大小潮周期，=14.765天。根據(jù)上式，大、中、小潮的最大平均流速(US、U