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

摘要本文對杭州灣口15個測站的大、中、小潮懸沙濃度的變化規(guī)律進行了分析，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，建立了單點測站懸沙濃度變化與水位和大－小潮最大流速的關系模型，用該模型的計算結果與實測資料進行比較，擬合程度較好，對于整個大－小潮周期懸沙濃度的連續(xù)變化可采用該模型進行估算。

關鍵詞懸沙濃度模型杭州灣口

1前言在淤泥質河口、海岸地區(qū)，粘性細顆粒懸移質泥沙濃度是港口、航道及有關海岸工程一個普遍關心的問題。由于海岸地區(qū)物理過程復雜，懸沙濃度(含沙量)表現(xiàn)為一個隨機性很強的變量，不同的水動力環(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)律應根據不同研究區(qū)域的特點來加以分析。懸沙濃度的變化對于觀測點在某個時間段，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。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，建立了一個單點懸沙濃度模型，通過確定侵蝕與沉積的臨界值參數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應關系。然而，在杭州灣口由于潮差較大，潮流作用強勁，并且受到長江口－杭州灣泥沙擴散的影響，灣口內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。本文主要是根據杭州灣口崎嶇列島附近海區(qū)(圖1)，1996年10月下旬15個測站大、中、小潮三次周日水文泥沙實測資料，通過懸沙濃度變化規(guī)律的分析，建立各測點懸沙濃度預測模型，從而可計算大－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，處于長江口外海濱與杭州灣口交接地帶的強動力環(huán)境。水體中懸浮泥沙粒徑級配以單峰為主，粒徑分布變化較小，峰值多在μm左右，平均值在μm，屬于粘性細顆粒泥沙的范疇。由于該處為長江口入海徑流所攜帶泥沙的擴散范圍，其泥沙來源主要為長江口直接擴散泥沙和潮流攜來的海域泥沙，后者的最初來源亦為長江口。杭州灣口實際上也是長江口外水下前三角洲的延伸部分，底部物質組成較細，以細顆粒沉積物為主，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組成的背景下，該海區(qū)由于受到特殊的水動力條件的作用，水體中懸沙濃度變化具有獨特的規(guī)律。水動力條件杭州灣口的潮汐主要受東海前進波系統(tǒng)制約，且以M2分潮起支配作用，潮汐性質屬于非正規(guī)半日淺海潮。潮汐強度中等，據大洋山臨時驗潮站一個月(1996年10～11月)的觀測資料，平均潮差，最大潮差，最大可能潮差。落潮歷時(平均6h40min)略大于漲潮歷時(平均5h47min)。研究區(qū)各測點潮流橢圓長軸比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，但淺水分潮較強，因而潮流性質也稱為不正規(guī)半日淺海潮流。表征潮流旋轉性質的橢圓率K值，變化范圍在～之間，故總體態(tài)勢，本海區(qū)的潮流為往復流性質。漲潮方向為274°～294°，落潮方向為94°～114°。研究區(qū)潮流流速較大，大潮汛時實測最大漲、落潮流速分別可達/s和/s。流速從大潮至小潮逐漸減小，實測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動的重要表現(xiàn)形式，懸沙濃度時空上的變化反映了不同的動力作用和水深環(huán)境條件下的結果。研究區(qū)懸浮于水體中的泥沙為粘性細顆粒泥沙，在強潮作用的杭州灣口泥沙不易沉降，懸浮于水體中的時間較長，在憩潮流速較緩時，近底層泥沙即使落于海床，但未經密實，又為接踵而來的高速水流掀起，懸浮泥沙表現(xiàn)為隨潮往復搬運，這是該地區(qū)泥沙運動的基本形式。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喇叭口形成一個相對較高的高懸沙濃度分布區(qū)，含沙量等值線近南北走向。這主要是由于西側水深淺，并在峽道強潮流速和NW－SE流向的作用下，迫使向南移動的長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個測站大、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，各測站懸沙濃度變化的總體趨勢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。表1列舉了研究區(qū)(崎嶇列島及其附近海區(qū))各測站大、中、小潮的平均懸沙濃度及其比值與相應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∶∶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系是非常密切的，而且大致呈上述這樣一種線性關系。懸沙濃度因潮汛而異，而在同一潮汛又隨時間而呈周期變化。通常懸沙濃度隨水位的增加而降低，在高潮位時含沙量較低，而在低潮位時含沙量較高。這主要是由于漲潮時外海懸沙濃度相對較低的水體進入杭州灣口，懸沙濃度逐漸降低；而落潮時懸沙濃度相對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。各測站潮流流速對懸沙濃度的影響較小，特別是在水深較大的測站，如W3站水深達33m,流速的影響極小。而在水深較淺的測站流速對懸沙濃度略有影響，但相對是次要的。因此，在杭州灣口及灣外，泥沙的平流作用起著主導作用，就單個測站一個潮周期內來講，流速變化引起的垂向泥沙交換相對是次要的。通常在河口和河口灣內一個潮周期內懸沙濃度變化與流速有較密切的關系，流速增強時底部泥沙受到沖刷，懸沙濃度增高；而當流速降低到一定程度時，水體中泥沙落淤，懸沙濃度降低。然而，在杭州灣口這種關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移所掩蓋，從而表現(xiàn)為在一個潮周期內懸沙濃度變化與流速沒有上述明顯的對應關系。這在其它有關文獻中也發(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有密切關系。據此，大－小潮周期內懸沙濃度的變化可用如下函數形式表示式中P0為大、中、小潮總的平均含沙量；K1、K2為系數。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和太陽分潮流速振幅用UM2和US2表示，θ為相對于起始點大－小潮周期的位相。式中TSN為大－小潮周期，=天。根據上式，大、中、小潮的最大平均流速(US、UM、UN)分別為公式(1)的關鍵是如何確定系數K1、K2。根據式(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K1、K2根據典型的大、小潮水文泥沙測驗資料，確定上述系數值后，從而可計算整個大－小潮周期內泥沙濃度的連續(xù)變化值(包括中潮)。4計算結果與討論本文所用的水文泥沙資料是根據1996年10月下旬大、中、小潮三個不同潮型期間觀測得到的。由于觀測期間海況良好，風浪對海區(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。實際上，懸沙分布形式與潮型之間存在非常明顯的對應關系：高、中、低懸沙濃度對應大、中、小潮。這種懸沙濃度與潮型之間的關系在其他許多大、中潮河口及河口灣都有觀測到。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，一個潮周期內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。而且，通常懸沙濃度較高時對應的潮位較低，而懸沙濃度較低的對應的潮位較高?？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懸沙濃度的波動變化，而大－小潮周期流速的變化控制了懸沙濃度總體趨勢變化。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。應用上述單點測站懸沙濃度模型方法，對杭州灣口各站點的懸沙濃度變化進行了模擬，其中6個站的模擬結果如圖4所示。通過計算值與實測值之間誤差分析，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，這主要是因為系數K1、K2的確定是根據大潮和小潮懸沙濃度的平均值。由于懸沙濃度是一個隨機性較強的變量，上述誤差還是屬于允許范圍內。說明根據水位變化和大－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，底部泥沙侵蝕懸浮，水體泥沙濃度增加；反之，當流速降低到某個臨界值時泥沙沉積到海底，水體懸沙濃度降低。在杭州灣口懸沙濃度在一個潮周期內懸沙濃度變化與漲落潮流速沒有上述明顯的對應關系，說明該海區(qū)平流作用占主導地位。該海區(qū)大－小潮周期懸沙濃度具有大的變化幅度，說明動力作用仍然起著重要作用，大潮時潮差較大，潮流動力作用較強，懸沙濃度顯著增高；而小潮時潮差較小，動力作用減弱，相應懸沙濃度也明顯降低。從懸沙濃度的平面分布可以看出，整個研究區(qū)懸沙濃度變化較大，P0、K1、K2的值在各測點是不同的，因而上述系數確定是基于各站大、小潮實測資料。該模型主要適合單點測站的某個季節(jié)大－小潮周期內的懸沙濃度變化預測。由于懸沙濃度存在季節(jié)性變化，更長序列的濃度變化描述需要季節(jié)性變化的實測資料。5結論杭州灣口海區(qū)懸移質泥沙隨潮往復運移是該地區(qū)泥沙運動的基本形式。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。潮周期內懸沙濃度也隨時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。相關分析表明，單個測站泥沙的垂向交換相對是次要的，而漲落潮水體運動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懸沙濃度的波動變化；而大－小潮周期流速的變化控制了懸沙濃度總體趨勢變化。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－小潮周期內的變化過程。[1]Clarke,S.andElliott,Modellingsu