朱子晨胡澤建劉建強(qiáng)張莞君張永強(qiáng)黃炳智

(自然資源部 第一海洋研究所,山東 青島266061)

海灣是海洋資源開發(fā)利用的重要區(qū)域,由于其優(yōu)良的自然環(huán)境和開發(fā)條件,海灣地區(qū)往往是人口聚集、經(jīng)濟(jì)發(fā)展的中心區(qū)域[1]。對(duì)多數(shù)海灣地區(qū)而言,由于具有較好的波浪掩護(hù)條件,潮流常常是泥沙運(yùn)動(dòng)的主要?jiǎng)恿σ蛩亍６硟?nèi)的泥沙運(yùn)動(dòng),影響著地形地貌及灣內(nèi)港口、能源工程的運(yùn)營(yíng)和維護(hù)[2-3]。懸浮泥沙能夠吸附重金屬等化學(xué)物質(zhì),對(duì)光具有吸收作用,又對(duì)海灣的生態(tài)環(huán)境具有顯著影響[4]。海水中的懸浮泥沙來(lái)源于再懸浮、水平輸運(yùn)等方式,其組成中包含多種粒徑成分。由于不同粒徑的泥沙,其起動(dòng)、沉降等特征均不相同,各成分的百分含量在一個(gè)潮周期內(nèi)具有較為明顯的變化。王愛軍等[5]2005年對(duì)長(zhǎng)江口懸沙粒度與濃度關(guān)系的研究顯示,特征時(shí)段內(nèi)懸沙中值粒徑與濃度存在指數(shù)關(guān)系；張一乙等[6]2016年對(duì)長(zhǎng)江口懸沙組分對(duì)再懸浮過程響應(yīng)的研究顯示,砂質(zhì)組分是懸沙中對(duì)再懸浮過程響應(yīng)的敏感組分；陳語(yǔ)等[7]2016年對(duì)長(zhǎng)江口渾濁帶懸沙粒度分布的研究顯示,懸沙粒度的垂向差異在大潮期十分顯著,而小潮期粒徑垂向梯度較低；徐海和李伯根[8]2009年對(duì)椒江河口懸沙分選機(jī)制研究的結(jié)果表明,懸沙粒徑分選主要受物質(zhì)來(lái)源、潮流動(dòng)力作用下底質(zhì)再懸浮、絮凝沉降三個(gè)因素影響。這些研究表明,我國(guó)河口、海岸帶地區(qū)懸沙組成的變化規(guī)律受到廣泛關(guān)注。泥沙組分的運(yùn)動(dòng)、變化規(guī)律與海洋開發(fā)及環(huán)境保護(hù)息息相關(guān),如某些海域開發(fā)后,人工構(gòu)筑物附近出現(xiàn)的泥化現(xiàn)象等。為探究潮流作用下懸浮泥沙組成成分對(duì)動(dòng)力因素的響應(yīng)機(jī)制,本文采用觀測(cè)與模型相結(jié)合的方法,選擇潮差較大、波浪掩護(hù)條件較好的湄洲灣羅嶼支水道為目標(biāo)區(qū)域,對(duì)半日潮周期的時(shí)間尺度內(nèi)懸沙組成的變化特征進(jìn)行探討。

1 研究方法

1.1 水動(dòng)力觀測(cè)與泥沙取樣分析

湄洲灣位于福建省莆田、泉州兩市之間,秀嶼站1978-01—1980-12潮汐觀測(cè)顯示,該地區(qū)平均潮差5.12 m,最大潮差7.59 m,潮差較大,且海灣狹長(zhǎng),波浪掩護(hù)條件較好。本研究選擇在湄洲灣羅嶼東南側(cè)支水道設(shè)置測(cè)站,同步觀測(cè)水深(潮汐)、潮流、懸沙,測(cè)站處水深9.77 m(以平均海平面計(jì)),觀測(cè)時(shí)段為2007-08-14T19:00—08-15T20:00(大潮期),涵蓋2個(gè)完整的半日潮周期,并對(duì)底質(zhì)取樣。研究海域及測(cè)站位置見圖1。潮位采用水位計(jì)觀測(cè),海流、懸沙采用5層觀測(cè),潮流觀測(cè)采用Aanderaa RCM9型海流計(jì),懸沙使用采水器采集后,在實(shí)驗(yàn)室分析,并對(duì)漲落潮中間時(shí)刻與高低潮時(shí)刻4個(gè)特征時(shí)刻的懸沙粒度組成進(jìn)行分析。

圖1 研究海域及測(cè)站位置Fig.1 Study area and the location of observation site

1.2 一維水深平均懸沙模型

1)控制方程與假設(shè)

湄洲灣以M2,S2為主要潮流分量,本次觀測(cè)時(shí)段內(nèi)M2分潮流占比59%,S2分潮流占比18%,其他分潮流占比均小于9%,M4分潮流僅占比4%①國(guó)家海洋局第一海洋研究所.福建湄州灣電廠二期擴(kuò)建工程可行性研究工程海域原型觀測(cè)專題報(bào)告,2007.,因此本文模型水動(dòng)力因素主要考慮M2,S2分潮,并進(jìn)行適當(dāng)簡(jiǎn)化。觀測(cè)期間,測(cè)站處潮流流向幾乎與水道走向平行,往復(fù)流態(tài)十分明顯,漲潮流向40°,落潮流向217°,因此,本文使用一維水深平均懸沙控制方程來(lái)仿真所觀測(cè)到的懸沙序列:

式中,c表示懸沙濃度；t表示時(shí)間；H表示水深；U表示海流流速,羅嶼水道往復(fù)流特征顯著,近似假設(shè)潮流為一維,以漲潮流方向?yàn)檎?；x為水平距離,正方向與海流方向一致；Qr與Qd則分別代表沉積物再懸浮量和沉降量?！础荡硌厮罘较蚱骄Ｓ捎谘芯繙y(cè)站處水動(dòng)力條件較強(qiáng),本次觀測(cè)到的漲急流速達(dá)到68 cm/s,落急流速73 cm/s,水平擴(kuò)散項(xiàng)量級(jí)遠(yuǎn)小于水平輸沙項(xiàng),忽略水平擴(kuò)散項(xiàng)[9-10]。

式(1)中,平流項(xiàng)采用下列分解式表達(dá):

式中,下標(biāo)“d”代表該量與其垂向平均值的差。式(2)中等號(hào)右側(cè)第二項(xiàng)代表垂向流速與懸沙濃度剖面特征之間的非線性相互作用,為了對(duì)模型進(jìn)行簡(jiǎn)化,將該非線性項(xiàng)忽略[11-12]。最終,平流項(xiàng)可以表示為

式(1)中,再懸浮項(xiàng)由底層海流剪切海床產(chǎn)生,本文采用水深平均模型仿真懸沙變化,因此,為了表達(dá)再懸浮項(xiàng)Qr與垂向平均流的關(guān)系,采用如下方法計(jì)算[13]:

式(4)中,M表示泥沙單位起動(dòng)量(單位面積、單位時(shí)間)；ρ表示海水密度；CD表示拖曳系數(shù)；τcr表示臨界起動(dòng)切應(yīng)力。假設(shè)M,ρ,CD,τcr均為常數(shù),因此影響沉積物再懸浮量的參數(shù)B簡(jiǎn)化為常數(shù)[14]。

懸沙沉降量與沉降速度成正比,并受海水底層懸沙和水深的影響,沉降項(xiàng)采用下式表達(dá)[3,14]:

式中,D=Kdws,ws表示泥沙沉降速度；cb表示海水底層懸沙質(zhì)量濃度。最終,沉降項(xiàng)由垂向平均懸沙質(zhì)量濃度、水深、沉降速度和沉降參數(shù)D表示。根據(jù)一維連續(xù)方程:

結(jié)合式(6)與式(3),并將式(1)～(6)合并,一維垂向平均懸沙模型控制方程表示為

式(7)表示,懸沙質(zhì)量濃度的時(shí)間序列主要受3個(gè)物理過程控制,按等式右側(cè)順序依次是平流項(xiàng)、再懸浮項(xiàng)與沉積項(xiàng)。上述3項(xiàng)可使用簡(jiǎn)諧波表示[13]。式(7)中,垂向平均流速、總水深(水深與潮位之和)均可利用觀測(cè)結(jié)果,通過調(diào)和分析表達(dá),并可將式(7)以三角傅里葉變換的形式表示為

式中,Ai、ωi與ψi為各個(gè)傅里葉分量的振幅、角速度與初相位。將式(8)對(duì)時(shí)間積分后,懸浮泥沙濃度表示為

式中,u0表示余流；u1、ω1、φ1分別表示 M2分潮流的振幅、角速度與初相位；u2,ω2,φ2分別表示S2分潮流的振幅、角速度與初相位。相比于u0和u2,u1在量級(jí)上具有絕對(duì)優(yōu)勢(shì),因此做如下變換:

相近地,水深可采用下式表示:

式中,h0為平均水深(以平均海平面計(jì)),h1,φ1分別為M2分潮的振幅和初相位；h2,φ2分別為S2分潮的振幅和初相位。由于測(cè)站平均水深是潮位振幅的4倍,因此做如下變換:

則式(7)再懸浮項(xiàng)中水深的倒數(shù)可表示為

式(7)中平流項(xiàng)受懸沙濃度水平梯度控制,該量十分復(fù)雜,且難以觀測(cè),將該梯度進(jìn)行簡(jiǎn)化,設(shè)水平濃度梯度為常數(shù)[3,9,15],懸沙質(zhì)量濃度水平梯度表示為

結(jié)合式(7)、式(9)、式(11)和工(14),并將振幅中包含u0/u1,u2/u1,h1/h0與h2/h0的高階項(xiàng)(階數(shù)＞1)忽略[14],最終將懸沙分解為12個(gè)主要的傅里葉分量,其時(shí)間序列可表示為

表1 三角傅里葉分量參數(shù)Table 1 Parameters of Fourier components

各傅里葉分量中(表1),E1代表在整個(gè)潮周期內(nèi)懸沙的平均水平,不隨時(shí)間變化,該分量由M2分潮流與余流共同作用下的水平輸沙、M2分潮流剪切海底引起的再懸浮兩部分組成,是這2個(gè)物理過程的疊加；E2也是2個(gè)物理過程的疊加,包括M2分潮流作用下的水平輸沙、M2分潮流與余流共同作用剪切海底引起的再懸浮；E3,E4和E8三個(gè)分量同源,是M2分潮流剪切海底與M2分潮引起的水深變化共同作用產(chǎn)生的再懸浮項(xiàng),通過三角變換分解為3個(gè)分量；E5是S2分潮流作用下的水平輸沙項(xiàng)；E6,E11和E12三個(gè)分量同源,是M2分潮流剪切海底與S2分潮引起的水深變化共同作用產(chǎn)生的再懸浮項(xiàng),通過三角變換分解為3個(gè)分量；E7分量是由M2分潮流剪切海底產(chǎn)生的再懸浮項(xiàng),且不受其他動(dòng)力因素控制；E9,E10兩項(xiàng)同源,是M2分潮流與S2分潮流共同作用剪切海底產(chǎn)生的再懸浮項(xiàng),通過三角變換分解為2個(gè)分量,且E10分量的角速度為M2與S2分潮角速度之差,具有半月潮周期,說(shuō)明在M2與S2分潮的共同作用下,懸沙序列能夠體現(xiàn)出半月潮周期變化。

2)參數(shù)設(shè)置

測(cè)站處底質(zhì)粒徑分布見圖2a,低潮、漲急、高潮、落急四個(gè)特征時(shí)刻懸沙的粒徑組成見圖2b。測(cè)站處底質(zhì)包含淤泥、粉砂與細(xì)砂各個(gè)成分,最大粒徑2 mm,但懸沙成分僅包含淤泥、粉砂兩種成分,最大粒徑0.063 mm。觀測(cè)結(jié)果說(shuō)明細(xì)砂并未起動(dòng),因此模型將懸沙分為淤泥、粉砂兩種組分進(jìn)行模擬,以粒徑0.016 mm代表粉砂,粒徑0.002 mm代表淤泥組分,懸沙濃度為兩者之和。

模型自由參數(shù)B,D,k與泥沙特性及海水特性等有關(guān),如泥沙臨界起動(dòng)切應(yīng)力、沉降速度等,由于其難以測(cè)定,在同類的模型研究中通常采用觀測(cè)結(jié)果進(jìn)行率定[9,16-17]。在率定前,部分參數(shù)可根據(jù)現(xiàn)有研究成果限定合理的取值范圍。

圖2 底質(zhì)與懸沙粒徑組成Fig.2 Grain diameter compositions of sediment and suspension

k取值范圍在-2.0×10-5～2.0×10-5kg/m4[14],本研究取k=-1.0×10-5kg/m4。單位起動(dòng)量M取值范圍在2.0×10-5～3.5×10-3kg·m-2·s-1[18],粉砂組分取3.5×10-3kg·m-2·s-1,淤泥組分取2.48×10-3kg·m-2·s-1。粉砂臨界起動(dòng)切應(yīng)力τcr在0.05～0.13 N/m2[19],本文研究取0.05 N/m2；淤泥臨界起動(dòng)切應(yīng)力τcr在0.05～0.2 N/m2[19-21],本研究取τcr=0.14 N/m2。CD取值5.0×10-3。海水密度ρ取1 025.0 kg/m3。粒徑為0.01 mm的泥沙沉速大于0.07 mm/s[22],絮凝體的沉降速度小于3 mm/s[23]。對(duì)于各組分沉降速度ws,粉砂組分取1.06 mm/s[19]；淤泥組分沉降速度在0.003～0.2 mm/s[24],本文取0.2 mm/s。沉降參數(shù)Kd則較為復(fù)雜,影響因素包括垂向平均懸沙與近底層懸沙之比、水深等,經(jīng)過率定,參數(shù)Kd粉砂組分取值1 800,淤泥組分取值4 680。由式(5)計(jì)算得到,粉砂組分D=0.195,淤泥組分D=0.096。

2 結(jié)果與驗(yàn)證

本期觀測(cè)在大潮期內(nèi)進(jìn)行,觀測(cè)到的最大潮差6.32 m,漲潮過程最大流速0.68 m/s,落潮過程最大流速0.73 m/s,懸沙質(zhì)量濃度最高達(dá)到94.5 mg/L,最低質(zhì)量濃度39.3 mg/L。對(duì)應(yīng)時(shí)段內(nèi),經(jīng)調(diào)和分析計(jì)算到的最大潮差6.01 m,漲潮過程最大流速0.73 m/s,落潮過程最大流速0.60 m/s,模擬得到的最高懸沙質(zhì)量濃度81.9 mg/L,最低質(zhì)量濃度42.0 mg/L。

將計(jì)算結(jié)果與觀測(cè)資料比對(duì)驗(yàn)證,水深、潮流及懸沙質(zhì)量濃度驗(yàn)證結(jié)果見圖3a～3c,粉砂、淤泥組分占比驗(yàn)證見圖3d,驗(yàn)證結(jié)果顯示,計(jì)算結(jié)果與觀測(cè)資料基本吻合,能夠反映懸沙質(zhì)量濃度隨時(shí)間的變化趨勢(shì),粉砂、淤泥組分隨時(shí)間變化的計(jì)算結(jié)果也與觀測(cè)結(jié)果吻合。本文由于對(duì)模型進(jìn)行簡(jiǎn)化,潮流僅考慮了M2,S2兩個(gè)分量及余流,因此,潮汐、潮流計(jì)算結(jié)果與觀測(cè)結(jié)果存在誤差,且水動(dòng)力計(jì)算誤差可傳遞至懸沙計(jì)算,最終引發(fā)懸沙計(jì)算誤差。除上述原因外,懸沙計(jì)算誤差的產(chǎn)生原因還包括:1)雖然湄洲灣內(nèi)波浪掩護(hù)條件較好,但依然受到波浪影響,因此懸沙的部分高頻率的變化特征沒有被仿真出來(lái)；2)測(cè)站處底質(zhì)與懸沙的組成成分復(fù)雜,含有粉砂、淤泥的各個(gè)粒徑成分,本文采用2種粒徑的泥沙來(lái)代替成分復(fù)雜的混合物,因此存在計(jì)算誤差。經(jīng)準(zhǔn)調(diào)和分析后,垂向平均流速及水深近似以式(10)及式(12)表示為

圖3 計(jì)算結(jié)果驗(yàn)證Fig.3 Validadtion of model simulations

由于實(shí)際懸沙在海水中的運(yùn)動(dòng)是三維的,而本文采用一維水深平均模型進(jìn)行簡(jiǎn)化,因此模型本身存在誤差。觀測(cè)期間,漲落潮流主流向相差177°,在平面上,本文模型簡(jiǎn)化為一維,這是造成模型從動(dòng)力方面產(chǎn)生誤差的一個(gè)方面。另一方面,本文選擇垂向平均懸沙濃度作為研究指標(biāo),因此忽略了懸沙的垂向結(jié)構(gòu),沒有能夠反映海流作用下懸沙的垂向輸運(yùn)和垂向擴(kuò)散兩個(gè)物理過程,這會(huì)造成模型計(jì)算結(jié)果與實(shí)際觀測(cè)結(jié)果之間存在濃度和相位兩方面的誤差。從模型驗(yàn)證結(jié)果來(lái)看,簡(jiǎn)化模型基本反映了實(shí)際情況,說(shuō)明簡(jiǎn)化后的模型抓住了主要的物理過程。

圖4 潮流矢量圖Fig.4 Tidal current vectors

圖5 懸沙組分質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)潮流的響應(yīng)Fig.5 Responses of grain diameter composition to current

3 討 論

3.1 各組分起動(dòng)、沉降能力比較

圖5所示為模型計(jì)算得到的粉砂、淤泥組分在懸沙中所占質(zhì)量分?jǐn)?shù)隨潮流變化的過程,由于模型沒有考慮波浪作用,剪切作用強(qiáng)弱僅與潮流流速有關(guān),因此對(duì)流速取絕對(duì)值進(jìn)行對(duì)照分析。在所模擬的2個(gè)半日潮周期內(nèi),粉砂所占質(zhì)量分?jǐn)?shù)在62.0%～69.4%,淤泥占比在30.6%～38.0%；在觀測(cè)到的4個(gè)特征時(shí)刻,粉砂占比在62%～71%,淤泥占比在29%～38%。模擬與觀測(cè)結(jié)果均顯示,粉砂組分占優(yōu)勢(shì)。而底質(zhì)分析結(jié)果顯示,細(xì)砂占比21.6%,粉砂占比40.6%,淤泥占比37.8%,底質(zhì)中粉砂與淤泥組分較為接近。從沉降角度考慮,粉砂組分由于粒徑較粗,沉降速度高于淤泥。本文模型中沉降參數(shù)D經(jīng)率定后,粉砂組分D=0.195,淤泥組分D=0.096,粉砂沉降能力明顯高于淤泥。粉砂組分在沉降能力明顯高于淤泥組分、且在底質(zhì)中占比與淤泥組分接近的條件下,在懸沙中的占比明顯高于淤泥,這說(shuō)明,粉砂組分的起動(dòng)能力明顯高于淤泥組分,淤泥組分起動(dòng)條件較高與黏性泥沙黏結(jié)力等特性有關(guān)[19]。由于粉砂組分的起動(dòng)和沉降能力均高于淤泥組分,因此,懸沙中粉砂百分含量的極大值出現(xiàn)在動(dòng)力條件較強(qiáng)時(shí)刻附近,約在漲落急時(shí)刻1.5 h后,淤泥質(zhì)量分?jǐn)?shù)的極大值則出現(xiàn)在動(dòng)力較弱的漲落憩時(shí)刻1.5 h后,這說(shuō)明,漲落急或漲落憩等潮流特征時(shí)刻所觀測(cè)到的懸沙組成,并不能代表懸沙組成的極值,但采集到的懸沙樣本基本包含了本地懸浮體中各粒徑成分。

3.2 懸沙組分傅里葉分量

本文模型分解得到的12個(gè)傅里葉分量(表1)中,E1分量代表懸沙序列的平均水平,不隨時(shí)間變化；E10分量的角速度為M2分潮與S2分潮角速度之差,具有半月潮周期,說(shuō)明在M2與S2分潮共同作用下,懸沙能夠表現(xiàn)出大小潮變化趨勢(shì),這是因?yàn)镸2與S2分潮的角速度接近卻不重合,但由于本文研究沒有觀測(cè)到完整的半月潮周期,因此主要討論E2～E9,E11,E12分量。

圖6所示為M2,S2分潮流及余流共同作用下,對(duì)粉砂、淤泥兩種組分進(jìn)行傅里葉分析得到的主要諧波分量,結(jié)果顯示,2種懸沙組分均以E7為主要傅里葉分量,E7具有M2分潮2倍的角速度(表1),呈1/4日潮周期,是在M2分潮流的剪切作用下產(chǎn)生,揭示了半日潮海區(qū)在潮流作用下,懸沙呈1/4日潮周期的原因。其次,主要傅里葉分量還包括E2,E9,E3分量。E2由水平輸沙、余流、M2分潮流共同作用產(chǎn)生,具有與M2分潮相同的角速度及半日潮周期；E9由M2,S2分潮共同作用產(chǎn)生,角速度為M2,S2分潮角速度之和,具有1/4日潮的周期；E3主要由M2分潮剪切海床產(chǎn)生,具有M2分潮的角速度及半日潮周期?？倯腋∧嗌秤筛鞣至刊B加而成,而上述4個(gè)主要傅里葉分量分別具有1/4日潮周期與半日潮周期,因而懸沙濃度在一個(gè)潮周期內(nèi)呈現(xiàn)出不對(duì)稱特征,即一個(gè)半日潮周期內(nèi)兩次峰值具有明顯差異(圖3c),這與觀測(cè)結(jié)果吻合。

圖6 傅里葉分量的時(shí)間序列Fig.6 Time series of Fourier components

對(duì)比圖6a與圖5b,粉砂組分各分量的振幅均顯著高于淤泥組分,這是由于淤泥組分起動(dòng)和沉降能力均弱于粉砂組分造成的。觀測(cè)懸沙總質(zhì)量濃度波動(dòng)范圍在39～95 mg/L,特征時(shí)刻觀測(cè)到的粉砂組分波動(dòng)范圍在29～41 mg/L,淤泥組分波動(dòng)范圍在17～20 mg/L,觀測(cè)結(jié)果也顯示,粉砂組分的振幅明顯高于淤泥組分。本次模型計(jì)算結(jié)果顯示,總懸沙波動(dòng)范圍在42～82 mg/L,粉砂組分波動(dòng)范圍在26～57 mg/L,淤泥組分波動(dòng)范圍在16～25 mg/L,與觀測(cè)結(jié)果基本吻合,趨勢(shì)一致。作為主要傅里葉分量,粉砂組分的E7分量振幅為6.1 mg/L,而淤泥組分的E7分量振幅為1.5 mg/L；此外,粉砂組分的E2,E9,E3分量振幅分別為4.9,3.7和2.7 mg/L,淤泥組分的E2,E9,E3分量振幅分別為1.2,0.9和0.7 mg/L,均說(shuō)明粉砂組分的波動(dòng)幅度高于淤泥組分。

3.3 余流對(duì)懸沙組分的影響

為討論余流對(duì)海區(qū)懸沙組分變化特征的影響,假定其他因素固定,對(duì)比真實(shí)余流(u0=0.06 m/s,最適率定值)、余流消失(u0=0)、余流增強(qiáng)一倍(u0=0.12 m/s)與余流反向(u0=-0.06 m/s)四種情況下懸沙組分百分含量的變化特征,如圖7所示。對(duì)比結(jié)果顯示,由于余流方向與漲潮流方向相同,當(dāng)余流消失時(shí),漲潮過程粉砂組分所占百分比將下降,落潮過程粉砂組分將升高,而淤泥組分則相反,且由于余流對(duì)主要半日潮傅里葉分量(E2)的影響,如果余流消失,半日潮周期內(nèi)懸沙相鄰的兩個(gè)波峰之間的不對(duì)稱性(漲潮過程波峰高于落潮過程波峰)減弱；當(dāng)余流增強(qiáng)一倍時(shí),半日潮周期內(nèi)懸沙相鄰波峰之間的不對(duì)稱性將增強(qiáng),漲潮過程粉砂組分占比將上升,淤泥組分將下降；當(dāng)余流反向時(shí),半日潮周期內(nèi)懸沙相鄰波峰之間的不對(duì)稱性發(fā)生反轉(zhuǎn),變?yōu)闈q潮過程波峰低于落潮過程波峰,漲潮過程粉砂組分將下降,淤泥組分將提高。

圖7 余流對(duì)懸沙組分的影響Fig.7 Influence of residual current on suspended sediment components

4 結(jié) 論

以泥沙的起動(dòng)、沉降和水平輸運(yùn)為主要物理過程,根據(jù)所研究海域動(dòng)力環(huán)境,以M2,S2為主要潮汐、潮流分量,建立了一維水深平均懸沙模型,采用傅里葉分析方法,將懸沙時(shí)間序列分解為12個(gè)主要傅里葉分量,模擬了湄洲灣海域2個(gè)完整半日潮周期內(nèi)懸沙中粉砂、淤泥兩種組分的運(yùn)動(dòng)過程。模型能夠與水動(dòng)力、懸沙同步觀測(cè)吻合,并能仿真出各粒級(jí)組分對(duì)潮流的響應(yīng)規(guī)律。

模型分解得到的主要傅里葉分量具有M2分潮兩倍的角速度與1/4日潮周期,該分量粉砂組分振幅6.1 mg/L,淤泥組分振幅1.5 mg/L；次主要傅里葉分量具有M2分潮的角速度,振幅受水平輸沙、余流、M2分潮流共同影響,粉砂組分振幅4.9 mg/L,淤泥組分振幅1.2 mg/L；振幅第三的分量由M2,S2分潮共同作用產(chǎn)生,角速度為M2,S2分潮角速度之和,具有1/4日潮的周期,粉砂組分振幅3.7 mg/L,淤泥組分振幅0.9 mg/L。觀測(cè)與模型主要分量均顯示,粉砂組分振幅高于淤泥組分,這是由于粉砂組分單位起動(dòng)能力強(qiáng)、沉降速度高造成的,且淤泥組分由于黏結(jié)力等因素,起動(dòng)條件較高。

本文測(cè)站位置余流與漲潮流方向一致,余流的存在致使?jié)q潮過程中粉砂組分含量所占百分比上升,而落潮過程下降,淤泥組分則相反。此外,傅里葉分析說(shuō)明,具有半日潮周期的傅里葉分量中振幅最大者,其振幅受余流影響,因此余流影響了半日潮周期內(nèi)懸沙波峰之間的不對(duì)稱性,由于余流方向同漲潮流,漲潮時(shí)段懸沙波峰高于落潮時(shí)段內(nèi)的波峰。