杭州灣口懸沙濃度變化與模擬

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)心的問題。由于海岸地區(qū)物理過程復(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，建立了一個(gè)單點(diǎn)懸沙濃度模型，通過確定侵蝕與沉積的臨界值參數(shù)來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μm左右，平均值在μm，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，其泥沙來源主要為長(zhǎng)江口直接擴(kuò)散泥沙和潮流攜來的海域泥沙，后者的最初來源亦為長(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，最常見的沉積物類型為粘土和粉砂。在上述泥沙來源和海底物質(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。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10～11月)的觀測(cè)資料，平均潮差，最大潮差，最大可能潮差。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～之間，平均為,均小于，說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～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)?74°～294°，落潮方向?yàn)?4°～114°。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)/s和/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%。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/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NW－SE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/m3,中潮為/m3,小潮僅/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。總體上，大、中、小潮懸沙濃度的平均比值為∶∶1，平均最大流速比值為∶∶1，即大潮的最大流速為小潮的倍，而大潮的含沙量為小潮的倍，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)中也發(fā)現(xiàn)有這一現(xiàn)象。單位：含沙量kg/m3,流速m/s

3懸沙濃度模型通過上述分析，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這里太陽(yáng)和太陽(yáng)分潮流速振幅用UM2和US2表示，θ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，=天。根據(jù)上式，大、中、小潮的最大平均流速(US、UM、UN)分別為公式(1)的關(guān)鍵是如何確定系數(shù)K1、K2。根據(jù)式(1)得到大、小潮的懸沙濃度S、N分別為由于大、小潮平均水位近似相等，即S≈N，因而大-小潮周期懸沙濃度的變化主要受大－小潮流速差異的控制，而在同一潮汛則主要受水位變化影響。由式(4a、b)可確定系數(shù)K1、K2根據(jù)典型的大、小潮水文泥沙測(cè)驗(yàn)資料，確定上述系數(shù)值后，從而可計(jì)算整個(gè)大－小潮周期內(nèi)泥沙濃度的連續(xù)變化值(包括中潮)。4計(jì)算結(jié)果與討論本文所用的水文泥沙資料是根據(jù)1996年10月下旬大、中、小潮三個(gè)不同潮型期間觀測(cè)得到的。由于觀測(cè)期間海況良好，風(fēng)浪對(duì)海區(qū)懸沙濃度的影響較小，可以忽略。潮汐潮流成為影響懸沙濃度變化的主要因素。實(shí)際上，懸沙分布形式與潮型之間存在非常明顯的對(duì)應(yīng)關(guān)系：高、中、低懸沙濃度對(duì)應(yīng)大、中、小潮。這種懸沙濃度與潮型之間的關(guān)系在其他許多大、中潮河口及河口灣都有觀測(cè)到。疊加在大－小潮周期之上的是潮周期的變化，在半日潮海區(qū)的杭州灣口即為半日周期。在潮差較大的大、中潮汛期間，一個(gè)潮周期內(nèi)的懸沙濃度變化幅度與大－小潮周期的懸沙濃度變化幅度具有基本相同的量級(jí)。而且，通常懸沙濃度較高時(shí)對(duì)應(yīng)的潮位較低，而懸沙濃度較低的對(duì)應(yīng)的潮位較高?？梢?，杭州灣口由于潮差較大，水位變化過程顯著影響到潮周期內(nèi)懸沙濃度的波動(dòng)變化，而大－小潮周期流速的變化控制了懸沙濃度總體趨勢(shì)變化。二者疊加可較好地反映杭州灣口地區(qū)懸沙濃度的變化過程。應(yīng)用上述單點(diǎn)測(cè)站懸沙濃度模型方法，對(duì)杭州灣口各站點(diǎn)的懸沙濃度變化進(jìn)行了模擬，其中6個(gè)站的模擬結(jié)果如圖4所示。通過計(jì)算值與實(shí)測(cè)值之間誤差分析，各站大、中、小潮平均誤差分別為～％、～％、～％。其中，小潮和大潮誤差較小，而中潮誤差偏大，這主要是因?yàn)橄禂?shù)K1、K2的確定是根據(jù)大潮和小潮懸沙濃度的平均值。由于懸沙濃度是一個(gè)隨機(jī)性較強(qiáng)的變量，上述誤差還是屬于允許范圍內(nèi)。說明根據(jù)水位變化和大－小潮周期的最大流速變化可較好地模擬懸沙濃度大－小潮周期的連續(xù)變化規(guī)律。在平流影響較小情形下，漲潮或落潮水流流速增加到一定程度時(shí)，底部泥沙侵蝕懸浮，水體泥沙濃度增加；反之，當(dāng)流速降低到某個(gè)臨界值時(shí)泥沙沉積到海底，水體懸沙濃度降低。在杭州灣口懸沙濃度在一個(gè)潮周期內(nèi)懸沙濃度變化與漲落潮流速?zèng)]有上述明顯的對(duì)應(yīng)關(guān)系，說明該海區(qū)平流作用占主導(dǎo)地位。該海區(qū)大－小潮周期懸沙濃度具有大的變化幅度，說明動(dòng)力作用仍然起著重要作用，大潮時(shí)潮差較大，潮流動(dòng)力作用較強(qiáng)，懸沙濃度顯著增高；而小潮時(shí)潮差較小，動(dòng)力作用減弱，相應(yīng)懸沙濃度也明顯降低。從懸沙濃度的平面分布可以看出，整個(gè)研究區(qū)懸沙濃度變化較大，P0、K1、K2的值在各測(cè)點(diǎn)是不同的，因而上述系數(shù)確定是基于各站大、小潮實(shí)測(cè)資料。該模型主要適合單點(diǎn)測(cè)站的某個(gè)季節(jié)大－小潮周期內(nèi)的懸沙濃度變化預(yù)測(cè)。由于懸沙濃度存在季節(jié)性變化，更長(zhǎng)序列的濃度變化描述需要季節(jié)性變化的實(shí)測(cè)資料。5結(jié)論杭州灣口海區(qū)懸移質(zhì)泥沙隨潮往復(fù)運(yùn)移是該地區(qū)泥沙運(yùn)動(dòng)的基本形式。懸沙濃度平面分布表現(xiàn)為西高東低，大－小潮周期變化顯著，大、中、小潮的懸沙濃度平均比值為∶∶1。潮周期內(nèi)懸沙濃度也隨時(shí)間而呈明顯的周期變化。杭州灣口由于潮差較大，漲落潮流作用強(qiáng)。相關(guān)分析表明，單個(gè)測(cè)站泥沙的垂向交換相對(duì)是次要的，而漲落潮水體運(yùn)動(dòng)的平流作用起主要作用。水位變化過程顯著影響到潮周期內(nèi)懸沙濃度的波動(dòng)變化；而大－小潮周期流速的變化控制了懸沙濃度總體趨勢(shì)變化。這兩者疊加可較好地反映該海區(qū)懸沙濃度的變化過程。因此，根據(jù)水位變化和大－小潮周期的最大平均流速變化可較好地模擬懸沙濃度的大－小潮周期內(nèi)的變化過程。[1]Clarke,S.andElliott,Modellingsu