陳斌，王義剛，黃惠明，孫繼斌

（河海大學(xué) 海岸災(zāi)害及防護(hù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 南京 210098）

江蘇海域位于南黃海西部，岸外淺海區(qū)分布著世界上特有的海底輻射沙脊群，整個(gè)海域受黃海逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)潮波的影響（王穎，2002）。江蘇近海海域是南黃海的一部分，具有獨(dú)特又相對穩(wěn)定的潮汐動力環(huán)境，其潮汐與潮流反映出外圍南黃海帶來的一種響應(yīng)潮波系統(tǒng)和響應(yīng)潮流場特征，該響應(yīng)潮波系統(tǒng)為由東海前進(jìn)潮波和黃海旋轉(zhuǎn)潮波輻聚而成的移動性駐潮波（Tao et al，2009），這為輻射沙脊群的形成提供了良好環(huán)境，同時(shí)也對輻射沙脊群的水沙輸運(yùn)產(chǎn)生了重大影響。在20 世紀(jì)80年代初，江蘇曾進(jìn)行了海岸帶與海涂資源綜合調(diào)查（任美鍔等，1986），對輻射沙洲歷史成因及演變規(guī)律等方面做了卓有成效的研究和分析。其后不斷有學(xué)者對輻射沙脊群不同區(qū)域進(jìn)行各方面研究（陳君等，2006）。在水沙輸運(yùn)方面，有對江蘇沿海區(qū)域做了詳細(xì)的懸沙平面分布以及垂直分布分析（邢飛等，2010），以及利用實(shí)測資料結(jié)合數(shù)值模擬對一些重要潮汐水道進(jìn)行了水沙輸運(yùn)特征分析（黃惠明等2011）。但在這些研究中，缺乏對輻射沙脊群區(qū)域懸沙輸運(yùn)情況的具體深入分析。

在2006 夏季8 至9月之間，江蘇省組織開展了“江蘇省近海海洋綜合調(diào)查與評價(jià)”專項(xiàng)，收集了流速、流向、懸移質(zhì)含沙量、懸移質(zhì)顆分、床沙顆分、風(fēng)向、風(fēng)速、水溫、水色、透明度、鹽度等資料。本文利用其中懸移質(zhì)含沙量，流速流向數(shù)據(jù)，采用水深對瞬時(shí)物質(zhì)輸移量分解的方法，計(jì)算潮周期單寬懸沙輸移通量及其各個(gè)分量的值，重點(diǎn)對江蘇輻射沙脊群懸沙輸運(yùn)機(jī)制以及特征進(jìn)行了分析和探討。

1 理論基礎(chǔ)與數(shù)據(jù)介紹

1.1 通量機(jī)制分解法

通量機(jī)制分解法是最早在20 世紀(jì)60年代由Uncles 等（1986） 與Dyer 等（1988） 提出，后經(jīng)過不斷完善，在國內(nèi)許多區(qū)域水沙輸運(yùn)研究中得到應(yīng)用（楊曉東等，2011；吳德安等，2006；英曉明等，2011）。

設(shè)x 軸為縱向坐標(biāo)，t 為時(shí)間，z 為相對水深（0≤z≤1），將瞬時(shí)流速u（z，x，t） 分解為垂向平均量項(xiàng)和偏差項(xiàng)，即

u 和u 又可以分解為潮平均量和潮變化量，即

則瞬時(shí)流速可以分解為

類似的，含沙量也可以按這樣分解

水深分解為

單寬瞬時(shí)懸沙輸移通量可表示為

則潮周期單寬懸沙輸移通量為

其中T1為平均流引起的懸沙輸移；T2為潮汐與潮流相關(guān)項(xiàng)，即Stokes 漂流輸移項(xiàng)；T1+T2為平流輸移，即拉格朗日輸移；T3為潮汐與懸沙含量的潮變化相關(guān)項(xiàng)；T4為懸沙與潮流場變化相關(guān)項(xiàng)，也稱做潮汐捕獲作用；為垂向流速變化和含沙量變化的相關(guān)項(xiàng)，在河口存在垂向環(huán)流一般底層的含沙量高于表層，從而只要有一定量的低流速即可產(chǎn)生凈向陸的水沙輸移，故為垂向凈環(huán)流的貢獻(xiàn)；T6和T7為時(shí)均量與潮振動切變引起的剪切擴(kuò)散；T8為垂向潮振蕩切變作用。

1.2 數(shù)據(jù)來源介紹

文中所采用數(shù)據(jù)為“我國近海海洋綜合調(diào)查與評價(jià)（即908 專項(xiàng)）”下江蘇省近海地區(qū)調(diào)查所得流速與含沙量數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)為2006年夏季所測得。

數(shù)據(jù)一共包含輻射沙脊群區(qū)域12 個(gè)站位，北至新洋港，南至呂四，基本上涵蓋了輻射沙脊群絕大部分區(qū)域。其中7 個(gè)站位進(jìn)行一次大潮準(zhǔn)同步一次和小潮準(zhǔn)同步全潮測驗(yàn)（A2，A4，A5，A6，A7，A9，A12 號站位）；其它5 個(gè)站位進(jìn)行一次大潮準(zhǔn)同步全潮測驗(yàn)。近岸站位為定點(diǎn)連續(xù)測站，離岸的一些站位則為近海大面測站（圖1）。本文將重點(diǎn)對這些站位進(jìn)行計(jì)算分析，探討該地區(qū)懸沙輸移的一些現(xiàn)象與特征。

1.3 數(shù)據(jù)處理

輻射沙脊群區(qū)域?yàn)檎?guī)半日潮區(qū)域，原始數(shù)據(jù)采用整點(diǎn)測量，因此從原始數(shù)據(jù)中篩選出具有連續(xù)25 小時(shí)的流速流向以及含沙量的完整潮周期數(shù)據(jù)。將獲得的25 小時(shí)連續(xù)的流速流向資料進(jìn)行正交分解，再結(jié)合含沙量資料按進(jìn)行上述方法對兩個(gè)方向分別進(jìn)行計(jì)算，最后進(jìn)行復(fù)合計(jì)算，得到各測量站點(diǎn)潮周期單寬懸沙輸移通量（后簡稱懸沙輸運(yùn)量）大小方向以及各個(gè)分量的大小和方向。

圖1 測量站位分布圖

2 輻射沙脊群懸沙輸運(yùn)特征分析

2.1 懸沙總體輸運(yùn)特征

從數(shù)據(jù)分析結(jié)果中發(fā)現(xiàn)，在輻射沙脊群地區(qū)，懸沙輸運(yùn)量在各個(gè)點(diǎn)差異很大，沿岸地區(qū)站點(diǎn)A2，A3，A5 等懸沙輸運(yùn)量很大，而離岸地區(qū)則相對小很多，由于數(shù)量級相差過大，數(shù)值過小的數(shù)據(jù)僅用灰色小箭頭表示其方向，并非按照比例尺所示大小，以下圖中相同情況均采用這種表示方法。

輻射沙脊群區(qū)域懸沙輸運(yùn)量如下圖所示（圖2）。

圖2 輻射沙脊群區(qū)域潮周期單寬懸沙輸移通量

在圖2 中可以看到，輻射沙脊群地區(qū)懸沙輸運(yùn)量量級和方向差異很大，總體上看，近岸點(diǎn)懸沙輸運(yùn)量明顯大于離岸的站點(diǎn)，并且呈現(xiàn)越靠岸數(shù)值越大的趨勢，離岸較遠(yuǎn)的站點(diǎn)從數(shù)值上相比明顯偏小。在輻射沙脊群區(qū)域，由于潮波的輻聚輻散作用，在近岸地區(qū)潮流作用很強(qiáng)，這導(dǎo)致了其懸沙輸運(yùn)明顯大于輻射沙脊群外圍區(qū)域，其中在A2 點(diǎn)大潮期間有此次站位中最大懸沙輸運(yùn)量2.91 kg/ms。同時(shí)，在存在大小潮量次數(shù)據(jù)的站點(diǎn)中，大潮的懸沙輸運(yùn)和小潮的懸沙輸運(yùn)方向基本一致，但大潮要明顯大于小潮，符合大小潮的潮汐特征。在近岸的站點(diǎn)中除A2，A5 以外，都表現(xiàn)為很強(qiáng)的向岸輸沙，這是導(dǎo)致輻射沙脊群區(qū)域岸線常年淤長的重要原因。

在近岸的站點(diǎn)中，A2，A5 兩個(gè)站點(diǎn)同時(shí)表現(xiàn)為強(qiáng)烈的東南向懸沙輸運(yùn)，方向較為特殊，這主要與輻射沙脊群地形有關(guān)。根據(jù)輻射沙脊群地區(qū)地形（夏娟等，2014） 可以看到這兩個(gè)站點(diǎn)處在西洋水道內(nèi)，受西洋水道本身形態(tài)的和南黃海潮波的影響，水道內(nèi)漲落潮流強(qiáng)勁且有較大的漲潮優(yōu)勢，造成較大的南向懸沙輸運(yùn)，這與20 世紀(jì)80年代江蘇海岸帶調(diào)查以先前研究（徐凡等，2013；黃惠明等，2011） 結(jié)果都想吻合。而相鄰的A3 點(diǎn)輸運(yùn)方向較為特殊，該點(diǎn)處于西洋水道邊緣，西洋水道本身有內(nèi)部沖刷向岸堆積的特點(diǎn)（劉運(yùn)令 等，2011），并且逐漸向東推移，A3 點(diǎn)的懸沙輸運(yùn)特點(diǎn)也印證了這一點(diǎn)。A7 與A8 兩點(diǎn)位于爛沙洋水道，懸沙輸運(yùn)量較大，方向也與水道走向相符。在離岸較遠(yuǎn)的站點(diǎn)，懸沙輸移量都較小，方向上也比較雜亂，這是由于輻射沙脊群地區(qū)地形復(fù)雜，處在潮流通道內(nèi)的點(diǎn)懸沙輸運(yùn)主要受到潮流方向的影響（倪文斐等，2013）。

由于輻射沙脊群區(qū)域懸沙輸移的復(fù)雜性，整體的分析并不能充分了解懸沙輸運(yùn)特點(diǎn)，故對該地區(qū)懸沙輸移按前面所提方法進(jìn)行各個(gè)分量的分析，進(jìn)行進(jìn)一步的研究和探討。分量計(jì)算方法如前面所介紹。在各個(gè)站位中，大潮數(shù)據(jù)較為全面，因此分量分析中，只采用所有站點(diǎn)的大潮數(shù)據(jù)。

2.2 平流輸沙項(xiàng)

平流輸沙項(xiàng)是各個(gè)分量中對整體貢獻(xiàn)最大的一項(xiàng)，也叫Lagrange 余流輸移量。從圖3 與圖2 的對比中可以看到，平流輸沙項(xiàng)的大小和方向基本和整體懸沙輸運(yùn)一致（圖3）。具體的平流項(xiàng)以及其分項(xiàng)的大小與整體懸沙輸運(yùn)量的對比如下（表1）。其中對比平流項(xiàng)（T1+T2） 和整體項(xiàng)T 可以發(fā)現(xiàn)，除12 號站位以外，平流項(xiàng)與整體輸沙大小基本相等，并且多數(shù)情況下平流項(xiàng)數(shù)值上比整體項(xiàng)略大，這是由于其他項(xiàng)的輸沙方向與平流項(xiàng)存在一些差異，使得最終整體的懸沙輸運(yùn)量反而略低于平流項(xiàng)輸運(yùn)量。而對比平流項(xiàng)的具體分量T1（平均流項(xiàng)）和T2（Stokes 漂流輸移項(xiàng)） 可以看到，其中T1項(xiàng)占了很大比例，多數(shù)站點(diǎn)中，T1的值基本等于平流項(xiàng)，也大致與整體輸運(yùn)量相等。因此在輻射沙脊群區(qū)域，多數(shù)情況下平流項(xiàng)決定了整體懸沙輸運(yùn)的大小和方向；而其中的平均流引起的輸運(yùn)量則是平流項(xiàng)中其主導(dǎo)作用的項(xiàng)，所以也可以用平均流項(xiàng)近似代表整體的懸沙輸運(yùn)大小。所有站位中A7 與A12 點(diǎn)情況較為特別。兩個(gè)站位的T2項(xiàng)較大，數(shù)值大約為T1項(xiàng)的一半。并且A12 點(diǎn)情況更為特殊，A12 點(diǎn)T1與T2兩項(xiàng)方向相反，使得T1+T2反而明顯低于T1。

圖3 平流項(xiàng)（T1+T2）

表1 所有站點(diǎn)大潮平流項(xiàng)分量對比（kg/ms）

2.3 潮汐捕獲項(xiàng)

構(gòu)成T4的各項(xiàng)中，ht為水位的潮變化量，u t為垂線平均流速的潮周期脈動項(xiàng)，ct為垂線平均含沙量的潮周期脈動項(xiàng)，三項(xiàng)雖然各自在一個(gè)潮周期平均值未為0，但是三個(gè)關(guān)聯(lián)之后也會產(chǎn)生懸沙輸移，因此把T1也稱作潮汐捕獲項(xiàng)（劉高峰等，2005）。潮汐捕獲項(xiàng)量級較小，整體上呈現(xiàn)越近岸越大的趨勢。

圖4 潮汐捕獲項(xiàng)（T4）

但是與平流輸沙項(xiàng)不同，潮汐捕獲項(xiàng)規(guī)律性較強(qiáng)，在輻射沙脊群上部地區(qū)，從A1 至A5 點(diǎn)，都表現(xiàn)出南向的輸沙，而下半部地區(qū)，除了A8 點(diǎn)，均表現(xiàn)出西向的輸沙（圖5），這實(shí)際上與輻射沙脊群地區(qū)的潮汐特點(diǎn)相關(guān)。江蘇海域位于南黃海西部，整個(gè)海域受黃海逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)潮波的影響，潮流在輻射沙脊群區(qū)域產(chǎn)生輻聚輻散的現(xiàn)象，這也是導(dǎo)致了潮汐捕獲項(xiàng)在上下兩部分向輻射沙脊群輻聚的原因。而A8 點(diǎn)則可能是由于地形的特殊因素導(dǎo)致了輸沙的異常。

2.4 垂向凈環(huán)流項(xiàng)

垂向凈環(huán)流主要由表層和底層含沙量差異導(dǎo)致。在各個(gè)分量中，垂向凈環(huán)流項(xiàng)是除平流輸沙項(xiàng)外量級最大的一項(xiàng)，但數(shù)量級上還是與平流項(xiàng)差距較大。從總體上看，從近岸向離岸的站位逐漸減小，但是趨勢是與潮汐捕獲項(xiàng)正好相反，呈輻散狀態(tài)（圖5）。

圖5 垂向凈環(huán)流項(xiàng)（T5）

含沙水體中，一定的表層流動會引起底層的反向流動，形成一個(gè)垂向的環(huán)流，只要底層與表層的泥沙濃度存在差異，即可產(chǎn)生泥沙的輸運(yùn)。在輻射沙脊群區(qū)域底層泥沙濃度高于表層，漲潮時(shí)輻射沙脊群潮流為向岸方向，所以在漲潮時(shí)，由垂向凈環(huán)流引起的是與潮流方向相反的離岸懸沙輸運(yùn)，在落潮時(shí)則正好相反，產(chǎn)生的向岸的懸沙輸運(yùn)。而在輻射沙脊群區(qū)域垂向凈環(huán)流狀態(tài)為向外輻散，這表明了漲潮時(shí)所產(chǎn)生的垂向凈環(huán)流強(qiáng)度大于落潮時(shí)，這一定程度上說明了輻射沙脊群區(qū)域漲潮時(shí)的潮流強(qiáng)度大于落潮，潮汐捕獲項(xiàng)的輻聚特點(diǎn)也同樣是表明了這一點(diǎn)。

2.5 其他項(xiàng)

在其余量級很小的項(xiàng)中，T3項(xiàng)所代表是漲落潮挾沙強(qiáng)度不同所導(dǎo)致的懸沙輸移，在輻射沙脊群區(qū)域站點(diǎn)中，該項(xiàng)均很小，其原因可能是由于輻射沙脊群區(qū)域水體高含沙量，雖然整體懸沙輸移量大，但是漲潮與落潮時(shí)水體含沙量差異小，導(dǎo)致T3項(xiàng)較小。另外T3，T4，T5三項(xiàng)共同組成“潮泵效應(yīng)”項(xiàng)，這主要是由潮相位差引起的。雖然在輻射沙脊群區(qū)域T4，T5兩項(xiàng)各自較大，但在多數(shù)站點(diǎn)中，兩項(xiàng)方向缺截然相反，所以整體上看，輻射沙脊群區(qū)域“潮泵效應(yīng)”所帶來的懸沙輸移量并不大。另外的T6-T8項(xiàng)由于分解時(shí)其各項(xiàng)組成的原因，其量值應(yīng)當(dāng)就如前面圖表所示幾乎為0。

3 結(jié)論

輻射沙脊群區(qū)域懸沙濃度高，地形復(fù)雜，區(qū)域內(nèi)懸沙輸運(yùn)方向、大小差異大，整體情況十分復(fù)雜?？傮w上輻射沙脊群區(qū)域懸沙輸運(yùn)呈現(xiàn)從沿岸向外海逐漸減小，近岸最大處可達(dá)2.91 kg/ms，最小處僅10-2量級。區(qū)域內(nèi)懸沙輸運(yùn)方向向岸居多，但在一些特殊潮汐通道，例如西洋水道內(nèi)的站位，方向受到水道特殊性的影響很大。

在各站位具體分量中，平流輸沙項(xiàng)、潮汐捕獲項(xiàng)和垂向凈環(huán)流是量值較大的三項(xiàng)，其余分量遠(yuǎn)小于這三項(xiàng)。在這三項(xiàng)中，平流輸沙項(xiàng)又是其中貢獻(xiàn)比例最大的一項(xiàng)，多數(shù)站位中其量值基本與整體懸沙輸運(yùn)量值相近。而平流輸沙項(xiàng)的組成部分T1（平均流項(xiàng)） 和T2（Stokes 漂流輸移項(xiàng)） 兩者大小差異較大，T1量值比T2大很多，T1在多數(shù)情況下與平流輸沙項(xiàng)大小相近，所以在輻射沙脊群區(qū)域T1的大小一般可以近似代表整體懸沙輸運(yùn)值。

潮汐捕獲項(xiàng)與垂向凈環(huán)流項(xiàng)相比于平流項(xiàng)較小，但在所有分量中相對較大。潮汐捕獲項(xiàng)和垂向凈環(huán)流項(xiàng)基本在平流輸沙項(xiàng)量值的10%以下。兩者都表現(xiàn)出比較好的規(guī)律性，大小上也是類似于平流項(xiàng)，呈現(xiàn)從近岸向外海減小。在方向上，潮汐捕獲項(xiàng)總體上呈現(xiàn)向輻射沙脊群輻聚的特點(diǎn)，而垂向凈環(huán)流項(xiàng)則相反，為輻散的特點(diǎn)。兩種特征都是由輻射沙脊群區(qū)域的潮汐潮流特點(diǎn)所導(dǎo)致。

Dyer K R, 1988． Fine sediment particle transport in estuaries J．Dronkers，W． VanLeussen．Physical Processes Estuaries． Spring -Verlag,New York:295-310．

Tao J F,Zhang C K,YAO J,et al,2009.Numerical simulation of tides and tidal currents in Jiangsu offshore areas, China. Osaka, Proceedings of 19th ISOPE Conference.Cupertino：International Society of Offshore and Polar Engineers:1243-1247.

Uncles R J, 1986． Synoptic observations of salinity，suspended sediment and vertical current structure in a artly mixed estuary． J．van de kreeke．Lecture Notes on Coastal and Estuarine Studies． Physical of hallow Estuaries and Bays．Springer-Verlag,New York,16：58-70．

陳君，王義剛，張忍順.2006，江蘇岸外東沙沙脊群的沉積特征.海洋通報(bào)，06：37-46.

黃惠明，王義剛，楊海寧.2011.江蘇沿海潮灘-沙洲海域冬季懸沙輸運(yùn)特征. 第十五屆中國海洋（岸） 工程學(xué)術(shù)論會論文集（中）：929-933.

劉高峰，朱建榮，沈煥庭，吳華林，等.2005.河口漲落潮槽水沙輸運(yùn)機(jī)制研究.泥沙研究，05：51-57.

劉運(yùn)令，汪亞平，吳祥柏，等.2011.南黃海蘇北近岸西洋水道水沙輸運(yùn)機(jī)制分析.海洋科學(xué)，35（11）：20-127.

倪文斐，汪亞平，鄒欣慶，高建華.2013.南黃海輻射沙脊群苦水洋海域的沉積動力特征及穩(wěn)定性研究.海洋通報(bào)，06：668-67

任美鍔，許廷官，朱季文，等.1986.江蘇省海岸帶和海涂資源綜合調(diào)查.北京：海洋出版社.

吳德安，張忍順，嚴(yán)以新，等.2006.輻射沙洲東大港潮流水道懸沙輸移機(jī)制分析.河海大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)），02：216-222.

王穎. 2002. 黃海陸架輻射沙脊群. 北京：中國環(huán)境科學(xué)出版社：30-63.

徐凡，陶建峰，張長寬，等.2013.南黃海輻射沙脊群西洋水道質(zhì)點(diǎn)示蹤數(shù)值模擬.水道港口，34（2）：93-98.

邢飛，汪亞平，高建華，等.2010.江蘇近岸海域懸沙濃度的時(shí)空分布特征.海洋與湖沼，41（3）：459-468.

夏娟，丁賢榮，康彥彥，等.2014.輻射沙脊群地貌遙感制圖.國土資源遙感，26（1）：122-126.

楊曉東，姚炎明，蔣國俊，李佳.2011.樂清灣懸沙輸移機(jī)制分析.海洋通報(bào)，01：53-59.

英曉明，丁平興.2011.洋山港海域水體和懸沙輸運(yùn)機(jī)制研究.海洋通報(bào)，02：135-141.