長江口外海域瞬時懸沙質(zhì)量濃度垂向分布剖面的初探.docx

1、第33卷第I期2013年2月Vol.33No.lFeb.2013廣東海洋大學(xué)學(xué)報JournalofGuangdongOceanUniversity長江口外海域瞬時懸沙質(zhì)量濃度垂向分布剖面的初探伊小飛(廣東海洋大學(xué)海洋與氣象學(xué)院，陸架及深遠(yuǎn)海氣候、資源和環(huán)境廣東省高等學(xué)校放點(diǎn)實臉室.廣東湛江524088)摘要：以2006年8月在長江口外海域海試的懸浮泥沙數(shù)據(jù)資料為基礎(chǔ)，采用相關(guān)分析和非線性回歸分析方法，通過在經(jīng)典泥沙剖面模型中引入潮流等過程的影響，改進(jìn)了泥沙剖面模型的預(yù)測效果，將僅受水深一個因素控制的泥沙剖面模型拓展為與不同地點(diǎn)水文物理過程相關(guān)聯(lián)的實用模型.并在整個研究區(qū)域驗證了模型的有效性。關(guān)

2、鍵詞：懸浮泥沙；泥沙剖面；非線性回歸分析；潮流中圖分類號：TP274文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A文章編號：1673-9159(2013)01-0083-06PreliminaryExplorationofInstantaneousVerticalDistributionofSuspendedSedimentMassConcentrationintheOffshoreneartheChangjiangRiverEstuaryYIXiao-fei(GuangdongKeyLaboratoryofClimate,ResourceandEnvironmentinContinentalShelfSeaandDeepS

3、ea,CollegeofOceanologyandMeterorology,GuangdongOceanUniversityZhanjiang524088,China)Abstract:Basedontheobservationdataofsuspendedsedimentconcentration(SSC),collectedintheareasadjacenttotheestuaryoftheChangjiangRiverinAugust,2006,thecorrelationanalysisandnonlinearregressionwereadopted.Thispaperintrod

4、ucedthetidalcurrenttotheclassicalverticaldistributionmodelofSSC,whichimproveditspredictiveeffect.Thismodelcouldbepractical,addingthehydrologicalprocessatdifferentsitesinsteadofonlydepthfactor.Atthesametime,ithadabetterfittingeffectinthewholeareas.Keywords:suspendedsedimentconcentration;verticaldistr

5、ibution;nonlinearregressionmodels;tidalcurrent收稿日期：2012-09-27作者簡介：伊小飛(1986-),男.碩士，主要從事海洋環(huán)境數(shù)值模擬方面的研究。Email：yixiaofeill7大面積的混濁水域是我國近海突出而典型的海洋現(xiàn)象，對其規(guī)律的認(rèn)識不論在科學(xué)上或?qū)嶋H中都有重要的研究價值。東海懸浮顆粒物含最高，影響范圍廣。對懸浮物垂向規(guī)律的研究已有很多成果，張志欣等在只考慮懸浮物的垂向輸運(yùn)過程和海底處的沉降與再懸浮過程的前提下，采用粒子跟蹤方法建立了垂向一維慫浮物質(zhì)量濃度分布模式，可以定量的描述垂向質(zhì)量濃度的變化；根據(jù)長江口北槽和南槽實測的水沙資

6、料，于東生等研究了長江口懸沙含量，并利用紊動擴(kuò)散理論建立垂向一維懸沙數(shù)學(xué)模型，模擬了長江口含沙量及其分布；韓丹岫采用統(tǒng)計學(xué)相關(guān)分析和多元線性回歸方法對黃、東海海域懸浮物質(zhì)員濃度垂向分布進(jìn)行了分析，得出懸浮物沿垂線分布的形態(tài)的區(qū)域性特點(diǎn)；陳沈良等5】對杭州灣大中小潮懸沙質(zhì)量濃度的變化規(guī)律進(jìn)行了分析，發(fā)現(xiàn)潮周期內(nèi)懸沙質(zhì)量濃度隨時間而呈明顯的周期變化；孫效功等舊利用NOAA衛(wèi)星1995年1月至1997年2月的海洋遙感資料系統(tǒng)地分析和研究了黃、東海陸架區(qū)懸浮體向深海輸運(yùn)的時間和空間變化規(guī)律;Chen,Shen-Liang等利用1982年8月至1983年7月、1992年9月至1993年8月、1997年8

7、月至1998年7月及1998年8月至1999年7月、2002年5月至2003年4月長江口附近海域8個觀測站的細(xì)顆粒懸浮物質(zhì)量濃度數(shù)據(jù)，分析了細(xì)顆粒懸浮物的時空分布特征。但由于懸浮體含最和分布的影響因素眾多.變化大而復(fù)雜，已有的工作尚不足以說明其分布規(guī)律，尤其是在分析懸浮物垂向剖面隨時間演變的機(jī)制方面還需要進(jìn)一步研究。1實測資料的獲得2006年8月，中國科學(xué)院海洋研究所使用“科學(xué)三號”、“金星二號”考察船，在長江口外海域進(jìn)行了為期10d的海洋綜合調(diào)查，并在3個站點(diǎn)進(jìn)行了25h連續(xù)海流觀測，其中每站設(shè)表、中、底3層，觀測點(diǎn)位置為：S1站（122。51.811堂，32°0.187N）位于觀

8、測當(dāng)天長江口外混濁水的鋒面處，S2站（122。54.972但，31P.099N）是混濁水域外側(cè)（東邊）較清水域的代表點(diǎn),S3站（122。29.932£,31。15.261卜）是長江口外混濁水高質(zhì)量濃度的代表點(diǎn)（見圖1）。S1站分別在5m（表層）,10m（中層），28m（底層）進(jìn)行觀測，觀測時間從8月圖I懸沙觀測站位分布Fig.lAmapofsuspendedsedimentobservationstations月4日12：00至第2日13：00,共計25ho接著進(jìn)行了S3站的觀測，其表、中、底3層分別設(shè)在5m,10m,18m處，觀測時段從8月5日19：00至6H20：00共計25h。

9、S2站的水深略深,表、中、底3層分別設(shè)在5m,15m,35m處，也是本次觀測最后一個完成觀測的站位，觀測時間從8月7日8：00至809：00，在S1、S3站分別進(jìn)行了9次質(zhì)量濃度剖面觀測，S2站進(jìn)行了8次垂向質(zhì)量濃度剖面觀測，3個站共獲得26個剖面質(zhì)最濃度觀測數(shù)據(jù)。2懸沙模型的由來假定考慮的是單站點(diǎn)的懸沙剖面分布問題，這時懸沙質(zhì)量濃度只與水深、時間有關(guān)，懸浮泥沙擴(kuò)散方程可簡單表示為dS,、一=（6_W）+dt'dzdz'dz禱2（勺竺）o（1）這里S為懸沙質(zhì)量濃度，氣為懸沙沉降速度，w為垂直流速，R為垂向懸沙擴(kuò)散系數(shù)。除水深因素外，主要考慮的是潮流對懸沙垂向剖面的影響過程，而在

10、長江口以外的附近海域，M2分潮占主要作用，因此假定垂直流速的形式為w=4cos（辛，+伊），（2）T為M2分潮的周期。當(dāng)懸沙運(yùn)動達(dá)到平衡狀態(tài)時，懸沙的垂向分布如下式(3)其中S.為懸沙距離床面為。處的懸沙質(zhì)量濃度。為了得到懸沙在非平衡狀態(tài)下解，借鑒式（3）的形式，假定方程的解為S=f（t）代入式（1）,解得/（/）為-4（玄尸+/（0=e,這時方程(1)的一個解為ln(§)=(z-a)/與-4(苧尸sin(蘭f+°)。d11(5)(6)懸沙模型在東海3定點(diǎn)的應(yīng)用由式（6）可知，假定模型的數(shù)學(xué)表達(dá)式為、，S、,.2n、ln()=az+5+ccos(1+(p)SoT利用Matl

11、ab科學(xué)計算軟件，經(jīng)過非線性多元回歸分析，得出了SI、S2、S3三定點(diǎn)的懸沙垂向分布模型。為了比較回歸效果的優(yōu)劣，同時利用平衡狀態(tài)下的懸沙垂向模型式（8）作了回歸分析。表1為二者方程的回歸結(jié)果。=az+bo(8)其中S。，礦分別取3定點(diǎn)各時刻底層懸沙質(zhì)量濃度值和底層懸沙質(zhì)最濃度平均值。表1東海3定點(diǎn)懸沙質(zhì)量濃度垂向分布模型Tab.lTheverticaldistributionmodelofSSConthreefixedpointsoftheestChin匍gen類別懸沙垂向分布模型SISIln(SJ瓦)=-0.1406-0.52372ln(S/S°)=-0.0800-0.5237z

12、-0.0837cos(2n/l2.42)t+1.55)ln(S庇)=-0.1522-1.9710zln(S/So)=-0.1085-1.971Oz+0.0929cos(2x/12.42)t+2.4623)ln(S/瓦)=-0.0672-1.9238zln(S/S°)=-0.0111-1.9238z-0.2579cos(2x/l2.42)/+1.7316)這時，將回歸模型中時間項前的系數(shù)，-0.0837,0.0929,-0.2579與王凱等同的該3定點(diǎn)潮流調(diào)和分析結(jié)果：M2分潮調(diào)和常數(shù)做相關(guān)分析，發(fā)現(xiàn)這3個系數(shù)與中層M2分潮的調(diào)和常數(shù)的相關(guān)系數(shù)為-0.9937,相關(guān)性非常好。這也進(jìn)一步

13、驗證了前文關(guān)于垂直流速的假定。同時，本研究曾經(jīng)考慮將SI、M2分潮都引入懸沙擬合模型中，但是加入SI前后懸沙擬合效果并沒有顯著的提高，猜想這也與長江口外海域主要以半日潮為主有關(guān)。因此本研究考慮潮流主要是M2分潮。文中回歸模型顯示，在長江口以外的附近海域，潮流特別是M2分潮是影響懸沙垂向剖面分布的一個因素。圖2,圖3,圖4為東海3定點(diǎn)懸沙垂向剖面分布的實測值、加入潮流模擬值和未加入潮流的模擬值。圖2-圖4中散點(diǎn)分布是3個站點(diǎn)的實測值，可以看出，大多數(shù)時刻懸浮物質(zhì)量濃度的垂向分布符合“上小下大”的形態(tài)，但也有相當(dāng)一部分時刻的質(zhì)量濃度隨水深的增加形態(tài)復(fù)雜，如“上大中小下大”形、“下小上大”形等。懸浮

14、物質(zhì)量濃度的不規(guī)則分布在天然河道中較少出現(xiàn)，而在海水中，特別是海水水深較大處或遠(yuǎn)離物源的海域，懸浮物垂向質(zhì)量濃度的不規(guī)則分布出現(xiàn)頻率較高。產(chǎn)生上述分布形態(tài)主要有兩方面的原因：1）以上所述海域懸浮物質(zhì)量濃度一般很低，即海水中懸浮顆粒總量不多，而且由于其遠(yuǎn)離物源，懸浮顆粒的粒度極小,沉降速度也極小，所以可以長期保持懸浮狀態(tài)并更易受水動力條件的擾動；2）由于海水中水動力條件的復(fù)雜性和不穩(wěn)定性。0.90.80.70.60.50.4030.20.100804】2實測080415實測080418實測080421實測080500實測080503實測080506實測080509實測加入潮流模擬值未加入潮流模擬

15、（ft懸浮泥沙質(zhì)量濃度/（mgl?）圖2SI站點(diǎn)懸沙垂向剖面分布Fig.2TheverticaldistributionofSSConSIstation進(jìn)一步分析潮流對懸沙質(zhì)量濃度的影響，未加入潮流時，回歸曲線近似為站點(diǎn)各個時刻實測值的平均化結(jié)果，這也驗證了平衡狀態(tài)下懸沙垂向分布公式（8）的有效性；加入潮流后，懸沙質(zhì)量濃度垂向剖面隨著潮流的周期性變化而往復(fù)擺動，并且與實際懸沙質(zhì)量濃度較為吻合。080708實測080711實測080714實測080717實測080720實測080723實測080802實測080805實測加入潮流模擬值未加入潮流模擬值5101520懸浮泥沙質(zhì)量濃度/(mgL-)圖

16、3S2站點(diǎn)懸沙垂向剖面分布Fig3TheverticaldistributionofSSConS2station懸浮泥沙質(zhì)量濃度/(mgL1)-080519實測。080522實測.080601煙080604鋼°080607鋼<080610翊。080613實測080616實測.080619獅一加入潮流模擬值未加入潮流模擬值25入潮流后，相對平均誤差在原有基礎(chǔ)上改進(jìn)了23.33%。表2中同時看到S2在加入潮流前后該進(jìn)程度不大，分析可能的原因是：1)該站點(diǎn)總體海水的懸浮物質(zhì)量濃度較低，水較深，懸沙質(zhì)量濃度垂向剖面隨時間變化較??；2)該站點(diǎn)離岸較遠(yuǎn)，受潮流的影響程度較S1、S3要小。表

17、2加入潮流前后相對平均誤差對比Tab.2Therelativeaverageerrorofthemodelwithorwithouttidalcurrent站位加入潮流前加入潮流后加入潮流改進(jìn)程度/%S10.32080.221231.06S2026620.24119.41S30.32480.228929.53圖4S3站點(diǎn)懸沙垂向剖面分布Fig.4TheverticaldistributionofSSConS3station4回歸效果分析為了進(jìn)一步檢驗擬合效果，將3個站點(diǎn)的數(shù)據(jù)資料帶入相應(yīng)的回歸模型中，分別計算兩個模型模擬值與實測值的相對平均誤差(表2),總體來看加5懸沙質(zhì)量濃度垂向模型在研究區(qū)

18、域內(nèi)模擬結(jié)果與實測比較由回歸效果分析可知，加入潮流后對懸沙質(zhì)量濃度垂向剖面分布有很好的改善，下面我們把模型推廣到其他各個觀測站點(diǎn)，試驗?zāi)Ｐ褪欠褚廊怀闪?。由?定點(diǎn)的模型自變最的系數(shù)不同，嘗試先分別將風(fēng)前站點(diǎn)數(shù)據(jù)資料帶入加入潮流前后3定點(diǎn)模型中，然后對其回歸結(jié)果求平均作為模擬結(jié)果。為了形象的比較模擬效果，作者選取了風(fēng)前幾個代表站點(diǎn)的模擬與觀測的比較圖。圖5圖7分別為hl02、h204.h601站點(diǎn)在加入潮流前后模擬與觀測的比較。從圖中可以看出，考慮潮流的影響對觀測的模擬要明顯改進(jìn)了一些。同時也要看到，無論是加入潮流的擬合曲線還是未加入潮流的擬合曲線，在表層的值都與觀測結(jié)果有很大誤差，分析可能的原

19、因是：一方面，表層懸沙質(zhì)地濃度小，易受觀測手段的影響，觀測誤差大；另一方面，擬合曲線考慮的是整體的擬合效果，表層小的泥沙質(zhì)量濃度，對擬合的貢獻(xiàn)低，擬合偏差要來的大。泥沙實測加入潮流未加入潮流懸浮泥沙質(zhì)量濃度/(mgL)圖5hl02站點(diǎn)的加入潮流前后與實測的比較Fig3Thecontrastofthemodelwithorwithouttidalcurrentonh102stationL卜kLLJ2O-IO-2O-3O-4O-5O-6OE'a蓄炒圖6h204站點(diǎn)的加入潮流前后與實測的比較Fig.6Thecontrastofthemodelwithorwithouttidalcurrent

20、onh204station為了定量分析模型的好壞，加入潮流前后相對誤差對比見表3O誤差顯示，該回歸模型能夠很好的應(yīng)用與該海區(qū)，從平均結(jié)果看，平均相對誤差從0.3213減至0.2582.在原有基礎(chǔ)上改進(jìn)了19.64%,考慮潮流后平均相對誤差有一定的改善。但同時表中有3個站位hlO3、h202、h501在加入潮流后平均相對誤差有一定程度的增加，一方面可能是因為本研究的擬合模型考慮影響懸沙質(zhì)fit濃度垂向分布的因素還較少，不能完全的反應(yīng)各個站點(diǎn)的懸沙質(zhì)量濃度垂向分布的特征；另一方面可能是因為3個站點(diǎn)的觀測出現(xiàn)了人為的操作錯誤，造成觀測結(jié)果異常，導(dǎo)致擬合效果變低。除這3個站點(diǎn)外，其他站點(diǎn)加入潮流后的平

21、均相對誤差都有不同程度的降低，達(dá)到預(yù)期效果。圖7h601站點(diǎn)的加入潮流前后與實測的比較Fig.7Thecontrastofthemodelwithorwithouttidalcunentonh601station站點(diǎn)未加潮流加入潮流站點(diǎn)未加潮流加入潮流h!020.22360.1474h4040.41890.3385h!030230802500h4050.44090.3591h1040.34330.2587h4060449803632hl05014540.0958h5010.270403205hl06041520.3343h50IP032930.2463h202041830.4678h5020.

22、45340.3677h2030.18840.1320h5O3026060.1900h204016330.0890h5040.33340.2638h2O50308802372h5O50.40770.3438h2060216201871h5060.279502312h3O40.262401839h60l0157101169h3O50337902561h602024940.1701h3060.434903512h603038880.3027h4010.37240.2880h6040357102823h4020.29040.2118h6O50.44060.3566h4030.27460.1967h6060297602269h403p0.44250.3532平均0.32130.2582表3加入潮流前后風(fēng)前站點(diǎn)的平均相對誤差Tab.3TherelativeaverageerrorofthemodelwithorwithouttidalcurrentonstationsbeforeTyphoonSaomei6結(jié)論基于長江口外海域現(xiàn)場觀測的懸浮泥沙資料，初步得到了該海域瞬時懸浮泥沙垂向剖面的回歸模型，并有如下結(jié)論：1) 懸沙質(zhì)量濃度垂向剖面因地點(diǎn)和時間的不同而復(fù)雜多樣，但是大多數(shù)時刻懸浮物質(zhì)量濃度的垂向分布符合“上小下大”的形態(tài)；2) 對經(jīng)典懸沙剖