朱佳驊，孟艷秋，童朝鋒，時(shí) 健

（河海大學(xué)港口海岸與近海工程學(xué)院，南京210098）

福建圍頭灣懸沙輸移機(jī)制分析

朱佳驊，孟艷秋，童朝鋒，時(shí) 健

（河海大學(xué)港口海岸與近海工程學(xué)院，南京210098）

根據(jù)福建圍頭灣大潮期間潮汐、潮流、懸沙實(shí)測(cè)資料，分析水流輸運(yùn)，同時(shí)利用機(jī)制分解法，將懸沙凈輸移通量分解為平流項(xiàng)、潮泵效應(yīng)項(xiàng)和垂向凈環(huán)流輸移項(xiàng)，對(duì)懸沙輸移的動(dòng)力機(jī)制進(jìn)行分析討論。結(jié)果表明：金門(mén)島東側(cè)余流，部分流向?yàn)晨?，部分流向安海灣。金門(mén)島與大嶝島之間的余流，沿漲潮流向?yàn)硟?nèi)，懸沙凈輸移方向和余流方向保持一致；平流輸沙對(duì)懸沙凈輸移起主導(dǎo)作用；水域潮泵輸沙貢獻(xiàn)較大；垂向凈環(huán)流輸沙影響較小。

懸沙輸移；機(jī)制分解；余流；潮泵效應(yīng)；垂向環(huán)流

海灣泥沙輸移直接關(guān)系到海灣或者潮溝的海床演變，在河口海灣區(qū)域，泥沙輸移動(dòng)主要?jiǎng)恿κ菑搅鳌⒊彼?、波浪等。為了解海灣泥沙運(yùn)動(dòng)規(guī)律，計(jì)算分析進(jìn)出海灣泥沙通量，探究海灣泥沙輸送機(jī)制，可更加便于掌握海灣演變規(guī)律。由Bowden等在1960年代開(kāi)始提出的機(jī)制分解法近年來(lái)在河口海灣懸沙通量輸移研究中得到良好應(yīng)用［1-9］。采用機(jī)制分解法對(duì)懸沙輸送的動(dòng)力機(jī)制進(jìn)行分解，分析各動(dòng)力因子對(duì)泥沙輸移的貢獻(xiàn)度，可獲得研究海域促使泥沙輸運(yùn)的控制動(dòng)力因子。

福建圍頭灣是一典型的兩頭開(kāi)放的海灣（圖1），受潮汐動(dòng)力作用，泥沙不斷的在海灣內(nèi)外進(jìn)行交換，為了更好地了解圍頭灣內(nèi)泥沙輸運(yùn)規(guī)律，根據(jù)圍頭灣觀測(cè)點(diǎn)實(shí)測(cè)水文泥沙資料進(jìn)行分析，闡明灣內(nèi)余流規(guī)律，采用機(jī)制分解法，分析圍頭灣泥沙輸移特征，并對(duì)平流輸沙、潮泵作用和垂向環(huán)流作用進(jìn)行探討。

1 研究區(qū)域

圍頭灣位于福建省東南部，系金門(mén)島與大陸圍成的海灣，北側(cè)為大陸，南側(cè)是金門(mén)島和小金門(mén)島，西側(cè)為廈門(mén)島，海灣內(nèi)海域總面積371 km2（圖1）。圍頭灣內(nèi)金門(mén)島東西兩側(cè)各有兩條較深潮汐通道，從東至西，分別是WT2-WT5潮溝，WT1-WT6潮溝，以及小金門(mén)島左右兩側(cè)潮汐通道，其中東側(cè)兩潮汐通道有淺灘但無(wú)島嶼隔開(kāi)，中間有串溝，東側(cè)兩潮溝和西側(cè)兩潮溝由金門(mén)島和大嶝島之間的潮汐通道相連，但是水深相對(duì)較淺。圍頭灣潮汐性質(zhì)屬于正規(guī)半日潮，潮差較大，最大潮差6.35 m，最小潮差2.11 m，平均潮差4.19 m，灣內(nèi)潮差略大于灣口，漲、落潮歷時(shí)相差不大。外海潮波通過(guò)金門(mén)斷面—圍頭斷面進(jìn)入廈門(mén)海域，南面的潮波通過(guò)廈門(mén)東側(cè)海區(qū)進(jìn)入同安灣，北面的潮流經(jīng)過(guò)圍頭灣，進(jìn)入大嶝南側(cè)大片淺水區(qū)，在澳頭—金門(mén)五沙角斷面附近海區(qū)，在漲潮過(guò)程與南面潮流匯合。落潮分為南北兩支落潮流，與漲潮反方向向外海流出［10］。圍頭灣海域水域正規(guī)半日潮流占絕對(duì)優(yōu)勢(shì)，受潮溝地形制約，灣內(nèi)潮流呈往復(fù)流，與潮波傳播方向一致，漲潮流為西北偏西的方向，落潮流反之為東向偏東南向。灣內(nèi)泥沙除部分由安海灣內(nèi)的九溪雨季時(shí)開(kāi)閘排洪帶來(lái)，主要來(lái)源是海域來(lái)沙，在季風(fēng)浪和潮流共同作用下，灣外渾水隨漲潮流入灣，并隨潮流來(lái)回搬運(yùn)。灣內(nèi)底沙粒徑平均中值粒徑為0.29 mm，由灣頂至灣口底沙逐漸變粗，灣頂?shù)咨硨俜凵坝倌噘|(zhì)，灣中部底沙粒徑達(dá)到0.4～0.6 mm，屬粗砂，與圍頭灣外波浪動(dòng)力較強(qiáng)有關(guān)。圍頭灣海區(qū)懸移質(zhì)泥沙粒徑較細(xì)，屬粉砂或粘土質(zhì)粉砂，正常條件下海域含沙量較低，冬季和夏季含沙量較為接近，灣內(nèi)垂線平均含沙量在平面上的分布，除了安海灣口等近岸水域含沙量大外，金門(mén)島與大陸之間的潮汐通道內(nèi)含沙量比較均勻；在垂線分布呈現(xiàn)表層低、底層高的特點(diǎn)；漲潮期垂線平均含沙量大于落潮期。

圖1 圍頭灣地形、測(cè)點(diǎn)位置及余流矢量圖Fig.1Diagram of topography，measuring point position and residual current vector of Weitou bay

2 資料來(lái)源

分析數(shù)據(jù)直接采用現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)水文數(shù)據(jù)和懸沙采樣數(shù)據(jù)。潮位觀測(cè)點(diǎn)位于圍頭角、石井、菊江和澳頭站共4點(diǎn)，共進(jìn)行連續(xù)29 h觀測(cè)，平均漲潮歷時(shí)分別為6h06min、6h08min、6h08min、6h05min，落潮歷時(shí)分別為6h17min、6h15min、6h19min、6h06min。潮流觀測(cè)點(diǎn)共布設(shè)9個(gè)點(diǎn)，分別為WT1～WT9，測(cè)站分布見(jiàn)圖1，其中WT2、WT3、WT5布置在圍頭灣最東側(cè)潮溝區(qū)域，WT1、WT2布置在金門(mén)島東側(cè)近島側(cè)潮溝水域，WT4布設(shè)于東側(cè)兩潮溝的串溝內(nèi)，WT7、WT8為金門(mén)島和大嶝島之間水域，WT9布置于大金門(mén)島和大嶝島之間水域西側(cè)潮溝內(nèi)，各測(cè)點(diǎn)代表了不同的水域動(dòng)力特征。測(cè)量時(shí)間為2010年1月17日06：00～18日09：00大潮，共進(jìn)行連續(xù)28 h觀測(cè)，采用直讀式海流計(jì)SLC-92，測(cè)量觀測(cè)采用六層法，沿水深分別為表層、0.2 H、0.4 H、0.6 H、0.8 H和底層。大潮觀測(cè)期間主要為東北風(fēng)，最大風(fēng)速為11.7 m/s，海面最大波高為1.5 m。懸浮泥沙觀測(cè)站位布設(shè)位置與海流觀測(cè)站位一致，并與海流觀測(cè)同步進(jìn)行，采用三層法，各層位置為表層、0.6 H、底層。表1為圍頭灣水域測(cè)量的流速、水深、含沙量特征值，流速測(cè)量結(jié)果顯示，灣內(nèi)水流基本屬往復(fù)流。

表1 圍頭灣水域流速、水深、含沙量特征值Tab.1 Characteristic values of tidal current，water depth and sediment concentration in Weitou bay waters

3 研究方法

3.1余流計(jì)算方法

在周期性變化的潮流水體中，流速u(mài)（t）可分解為沿水深垂向平均與垂向平均值的偏差項(xiàng)之和

式中：“-”為沿水深垂線平均的物理量。

同樣，懸沙濃度可以分解為

水深H（t）可分解為潮平均H0和潮變化Ht之和

按照拉格朗日余流UL的物理意義，即水體在整數(shù)個(gè)潮周期時(shí)段內(nèi)的隨體平均速度

由此單寬潮平均輸運(yùn)量，即拉格朗日輸運(yùn)量＜Q＞為

式中：＜UE＞·H0為歐拉輸運(yùn)量；＜US＞·H0為斯托克斯漂流輸運(yùn)量。

3.2懸沙輸移通量機(jī)制分解法

采用相對(duì)水深對(duì)瞬時(shí)物質(zhì)輸移量進(jìn)行分解。潮周期T平均單寬懸沙凈輸移通量D的計(jì)算式為［12-13］

式中：D1是潮平均流輸沙，即歐拉余流輸沙；D2是潮汐波動(dòng)與潮流變化的相關(guān)項(xiàng)，即斯托克斯漂移輸沙，D1+ D2為平流輸移，反映的是拉格朗日余流輸沙。D3是潮流和垂線平均含沙量潮變化的相關(guān)項(xiàng)，D4是水深與垂向平均含沙量的潮變化相關(guān)項(xiàng)；D5是水深、垂線平均含沙量與潮流的潮變化相關(guān)項(xiàng)，D3、D4、D5等三項(xiàng)均有隨潮汐變化的ct，因此D3+D4+D5被稱(chēng)為“潮泵效應(yīng)”輸運(yùn)項(xiàng)；D6+D7為垂向切變輸沙項(xiàng)，表示垂向凈環(huán)流對(duì)輸沙的貢獻(xiàn)。

4 水流輸運(yùn)與懸沙輸移結(jié)果

4.1水流輸運(yùn)

計(jì)算得到圍頭灣內(nèi)各測(cè)點(diǎn)大潮期間垂線平均余流以及余流輸運(yùn)量（表2），表中落潮流方向?yàn)檎瑵q潮流方向?yàn)樨?fù)。通過(guò)計(jì)算可知，各測(cè)站歐拉余流均小于0.1 m/s。WT2和WT4站余流沿落潮方向流出灣內(nèi)，其余各測(cè)站歐拉余流均沿漲潮方向流向?yàn)硟?nèi)。除了WT8站，各測(cè)站斯托克斯余流都小于歐拉余流。各測(cè)站斯托克斯余流大多沿漲潮方向流向?yàn)硟?nèi)。拉格朗日余流大小接近歐拉余流，方向與歐拉余流保持一致，余流由WT2-WT5潮溝進(jìn)入，金門(mén)島東側(cè)余流，部分流向?yàn)晨冢糠至飨虬埠?，金門(mén)島與大嶝島之間的余流，沿漲潮流向?yàn)澄黝^輸運(yùn)，拉格朗日余流矢量圖如圖1。

表2 圍頭灣各測(cè)站余流流速及其輸運(yùn)量Tab.2Velocity and transport volume of residual current of sample stations in Weitou bay

圖2 各測(cè)點(diǎn)余流及不同輸沙項(xiàng)輸沙矢量圖Fig.2Vector chart of residual current and sediment transport of different sediment transport item at sample stations

WT9站的拉格朗日余流輸運(yùn)量最大，沿漲潮方向輸運(yùn)，WT2站的拉格朗日余流輸運(yùn)量?jī)H次于WT9站，沿落潮方向輸運(yùn)，其余測(cè)站拉格朗日余流輸運(yùn)量相差不大。

4.2懸沙輸移

根據(jù)式（7）計(jì)算得到各測(cè)點(diǎn)潮周期懸沙通量。圖2為各測(cè)點(diǎn)余流和各輸沙項(xiàng)潮周期輸沙矢量圖。表3為各輸沙項(xiàng)的大小，方向與各輸沙項(xiàng)占總輸沙量的比例。

表3 圍頭灣各測(cè)點(diǎn)潮周期懸沙輸移量與各分量的百分比Tab.3Tidal?averaged suspended sediment flux and the proportion of each dynamic term of sample stations in Weitou bay

懸沙凈輸移方向與余流方向基本一致，在大潮條件下，沿著大金門(mén)島東側(cè)的WT2～WT5潮溝進(jìn)入，由灣口向?yàn)硟?nèi)，主要沿著大金門(mén)島和大嶝島之間的潮汐通道向西輸運(yùn)，部分泥沙在大金門(mén)島東側(cè)兩串溝進(jìn)行了交換，由WT1～WT6潮溝經(jīng)WT4所在串溝入WT2～WT5潮溝，一部分向?yàn)晨谳斶\(yùn)，另一部分向安海灣輸運(yùn)，總體而言，圍頭灣的泥沙輸運(yùn)方向與潮波傳播方向一致，除WT2和WT4外，基本上是漲潮占優(yōu)。圍頭灣潮平均含沙量各位置差異并不是很大，凈輸沙量與水深有密切關(guān)系，水深大則其凈輸沙量大，灣兩側(cè)的WT1、WT2和WT9各點(diǎn)水深相對(duì)大，因此其凈輸沙量也相對(duì)大，而在金門(mén)島北水域WT7、WT8站，由于水深很小，相比于其他上述水深較大站點(diǎn)，凈輸沙量小。

對(duì)比各項(xiàng)，可以看出，決定泥沙輸移動(dòng)主要是D1～D5各項(xiàng)，即平流輸沙和潮泵作用，D6～D7項(xiàng)影響非常有限。

5 機(jī)制分析

5.1平流輸沙

由式（5）中各項(xiàng)組成可以看出，平流輸沙實(shí)際為歐拉余流輸沙和斯托克斯余流輸沙共同作用引起的拉格朗日余流輸沙效應(yīng)，平流輸沙項(xiàng)大小由潮周期平均水深、余流值、潮周期平均懸沙濃度決定。

平流輸沙項(xiàng)中的潮平均流輸沙項(xiàng)D1，其c0和H0為標(biāo)量，其輸運(yùn)方向取決于當(dāng)?shù)貪q落潮水流強(qiáng)度以及漲落潮歷時(shí)的對(duì)比，即取決于歐拉余流u0，其方向、路徑與歐拉余流一致。圍頭灣各點(diǎn)潮平均流輸沙項(xiàng)D1方向與其各點(diǎn)凈輸沙方向基本一致，各點(diǎn)除WT2和WT4外，其余均沿著漲潮流方向，說(shuō)明圍頭灣的平流輸沙總體上是漲潮占優(yōu)。測(cè)量表明圍頭灣潮平均含沙量各位置差異并不是很大，因此潮周期平均流輸沙項(xiàng)D1的大小主要受水深影響，灣兩側(cè)的WT1、WT2和WT9各點(diǎn)水深相對(duì)大，平流輸沙量也相對(duì)大，而在金門(mén)島北水域WT7、WT8站水深較小，D1值相對(duì)小。

斯托克斯漂流輸沙強(qiáng)度D2反映斯托克斯余流對(duì)懸沙輸沙的貢獻(xiàn)。圍頭灣斯托克斯漂流輸沙量計(jì)算表明，相對(duì)于平均流輸沙，斯托克斯漂流輸沙總體上較小。D2的大小總體呈現(xiàn)如下特點(diǎn)：在潮溝深水區(qū)如WT1站的斯托克斯漂流輸沙占總輸沙的比重較小，大概是5％；淺水區(qū)的斯托克斯漂流輸沙相當(dāng)明顯，尤其在WT8測(cè)站，D2占總輸沙量的比例甚至超過(guò)D1，表明淺水區(qū)流速變化與水位變化的相關(guān)性相對(duì)于深水區(qū)更加明顯。與潮平均流輸沙方向比較，斯托克斯漂流輸沙方向差異較大，甚至與潮平均流輸沙方向相反。

可以得出，總輸沙項(xiàng)中，平流輸沙占主導(dǎo)部分。其中潮平均流輸運(yùn)項(xiàng)D1的數(shù)值最大，方向也與總輸沙方向基本一致，說(shuō)明平均流輸沙在總輸沙中占主導(dǎo)作用。深水區(qū)的平流輸沙主要受潮平均流輸沙控制，淺水區(qū)斯托克斯漂流輸沙作用相對(duì)明顯。

5.2潮泵作用

潮泵作用輸沙實(shí)際是在潮汐周期動(dòng)力作用下，泥沙顆粒在水體與河床之間周期性地再懸浮、下沉及水平輸移，因潮流和含沙量的不對(duì)稱(chēng)性，產(chǎn)生凈輸沙。取其中4點(diǎn)WT3、WT4、WT7和WT9站觀察其底層流速和含沙量的過(guò)程曲線，如圖3～圖6為圍頭灣其中四點(diǎn)的，負(fù)為漲潮流速，正為落潮流速。可以看出，各位置點(diǎn)最大含沙量出現(xiàn)在漲急稍后，說(shuō)明在漲潮動(dòng)力作用下，泥沙發(fā)生再懸?。划?dāng)轉(zhuǎn)流期，泥沙顆粒發(fā)生沉降，濃度減小，落急時(shí)，盡管含沙量也有增加，但其依然比漲潮時(shí)期小。統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)表1也可看出，各點(diǎn)漲潮平均含沙量基本大于落潮平均含沙量，漲潮平均流速大于落潮平均流速，在潮泥沙發(fā)生凈輸沙。因此在潮泵作用下，圍頭灣各點(diǎn)潮泵輸沙方向基本為漲潮流方向。

對(duì)比平流輸沙項(xiàng)，圍頭灣水域潮泵輸沙比平流輸沙作用小。各位置比較，潮泵輸沙量占比例相對(duì)大的為WT3和WT9站，根據(jù)表1統(tǒng)計(jì)分析認(rèn)為潮流和含沙量的不對(duì)稱(chēng)性強(qiáng)，漲潮平均明顯大于落潮平均。在潮泵輸沙項(xiàng)中，D3對(duì)總輸沙量絕對(duì)值的貢獻(xiàn)率最大，D4最小，這也表明潮泵輸沙主要取決于潮流與含沙量的潮周期變化。

5.3垂向凈環(huán)流輸沙

垂向凈環(huán)流輸沙產(chǎn)生的原因是潮周期內(nèi)，垂向各層余流強(qiáng)弱和方向不一致以及懸沙濃度垂向分布不均勻，在垂向上積分后不能相互抵消，產(chǎn)生凈輸移。因此垂向凈環(huán)流輸沙量取決于垂向各層余流和泥沙濃度的不一致性。為此可以從余流和懸沙濃度沿水深分布特性探討垂向環(huán)流輸沙。

圖3 WT3站底層流速和含沙量過(guò)程線圖Fig.3Phase relationship between velocity and sediment concentration in bottom layer at station WT3

圖4 WT4站底層流速和含沙量過(guò)程線圖Fig.4Phase relationship between velocity and sediment concentration in bottom layer at station WT4

圖5 WT7站底層流速和含沙量過(guò)程線圖Fig.5Phase relationship between velocity and sediment concentration in bottom layer at station WT7

圖6 WT9站底層流速和含沙量過(guò)程線圖Fig.6Phase relationship between velocity and sediment concentration in bottom layer at station WT9

圖7 各測(cè)站垂向余流結(jié)構(gòu)圖（m/s）Fig.7Vertical residual current structure at sample stations

圖7是各測(cè)站垂向余流結(jié)構(gòu)圖，負(fù)號(hào)表示漲潮方向，正號(hào)表示落潮方向。歐拉余流垂向上的變化表征潮動(dòng)力和其他動(dòng)力的優(yōu)勢(shì)對(duì)比。整個(gè)圍頭灣區(qū)域，各測(cè)站歐拉余流表底層方向一致，WT2和WT4站余流沿落潮方向向?yàn)晨诹鞒?，其余各站均沿漲潮方向流入灣內(nèi)。斯托克斯余流表、底層大小基本相同，方向基本一致。WT8站，由于水深最淺，波浪非線性效應(yīng)顯著，斯托克斯余流較大。其余各測(cè)站斯托克斯余流均小于歐拉余流，表明歐拉余流起主導(dǎo)作用。表4為垂向各層拉格朗日余流及含沙量均值，WT1、WT5和WT6站表底層拉格朗日余流相差較大。WT1處在灣口位置，潮動(dòng)力作用顯著；WT5站處于安海灣口附近，表層徑流和潮流劇烈作用，部分潮動(dòng)力被徑流抵消，而底層潮動(dòng)力占明顯優(yōu)勢(shì)，底層余流明顯大于表層余流；WT6站地形轉(zhuǎn)折以及狹管效應(yīng)使得表底層流速大小出現(xiàn)較大差異。

表4 垂向各層拉格朗日余流及含沙量均值Tab.4Vertical distribution of Lagrange residual current and tidal?averaged suspended sediment concentration

分析表4可以看出，含沙量的垂直分布為由表層向下含沙量值逐漸增高。各測(cè)站底、表層含沙量比較值相差不大，表明圍頭灣內(nèi)潮流作用強(qiáng)烈，垂線湍混強(qiáng)烈，懸沙混合均勻，垂向上的梯度差異很小。深水區(qū)的WT1和WT6站懸沙分層現(xiàn)象略明顯，主要是深水區(qū)，懸沙難以被掀起到達(dá)表層。

綜合余流和泥沙特性，WT1和WT6站垂向環(huán)流輸沙效果較明顯。總體上，垂向環(huán)流輸沙取決于D6的大小，垂向環(huán)流輸沙占總輸沙的比重較小，大概是5％，小于潮泵作用輸沙。

6 結(jié)論

運(yùn)用機(jī)制分解法，分析福建圍頭灣大潮期間水沙輸運(yùn)機(jī)制，得到以下認(rèn)識(shí)：

（1）金門(mén)島東側(cè)余流，部分流向?yàn)晨?，部分流向安海灣。金門(mén)島與大嶝島之間的余流，沿漲潮流向?yàn)硟?nèi)；懸沙凈輸移方向和余流方向保持一致。

（2）圍頭灣懸沙輸移各輸沙項(xiàng)中，平流輸沙項(xiàng)占主導(dǎo)部分，深水區(qū)的平流輸沙主要受潮平均流輸沙控制，而淺水區(qū)斯托克斯漂流輸沙作用明顯。

（3）圍頭灣水域潮泵輸沙貢獻(xiàn)較大，漲落潮潮流和含沙量的差異導(dǎo)致懸沙產(chǎn)生凈輸移。

（4）垂向環(huán)流凈環(huán)流作用占總輸沙比重最小，灣內(nèi)各層余流方向保持一致，含沙量垂向梯度差異小。

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Mechanism of suspended sediment transport in Weitou bay in Fujian

ZHU Jia?hua,MENG Yan?qiu,TONG Chao?feng,SHI Jian
（College of Harbor,Coastal and Offshore Engineering,Hohai University,Nanjing 210098,China）

According to tide and suspended sediment data of Weitou bay in Fujian during spring tide,the wa?ter transport was analyzed and the net transport flux of suspended sediment was divided into advection term,tidal pumping effect term and vertical circulation transport term by use of mechanism decomposition method.A discus?sion was made on the dynamic mechanism of suspended sediment transport.The result shows that part of the residu?al current in the east of Jinmen island flows to the bay mouth and part flows to Anhai bay.The residual current be?tween Jinmen island and Dadeng island flows to the bay.The direction of suspended sediment transport is consis?tent with that of residual current.Advection effect is a dominant factor and tidal pumping effect term plays an impor?tant role in suspended sediment transport.The vertical circulation transport term has a small proportion.

suspended sediment transport;mechanism decomposition;residual current;tidal pumping effect; vertical circulation

TV 142

A

1005-8443（2016）02-0121-07

2015-07-06；

2015-10-16

國(guó)家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目（51339005）；國(guó)家自然科學(xué)基金青年項(xiàng)目（51409094）

朱佳驊(1991-)，女，江蘇省如皋人，碩士研究生，主要從事河口海岸動(dòng)力學(xué)研究。

Biography：ZHU Jia?hua（1991-），female，master student.