伊兆晗，胡日軍,2，李毅，陳曉磁，陳娟娟，孟令鵬，朱龍海,2，張曉東,2

1. 中國海洋大學(xué)海洋地球科學(xué)學(xué)院，青島 266100

2. 中國海洋大學(xué)海底科學(xué)與探測技術(shù)教育部重點實驗室，青島 266100

3. 華能霞浦核電有限公司，寧德 352100

4. 同濟大學(xué)海洋與地球科學(xué)學(xué)院，上海 200082

海灣地區(qū)的懸浮泥沙時空分布特征及輸運機制一直是海洋沉積作用研究的熱點問題之一[1]。一方面海灣系統(tǒng)因為不同的地形地貌以及水動力條件而具有獨特的懸浮泥沙輸運特征[2]；另一方面，懸浮泥沙在潮汐、風(fēng)浪的作用下，不斷呈現(xiàn)出動態(tài)的變化。在任何情況下，水體中的懸浮泥沙都是影響水質(zhì)的一個重要因素[3]，并且水體中的懸浮泥沙在水動力作用下的輸運會引起海底沖淤的變化，進而影響海床演變和岸灘的穩(wěn)定性[4-5]。開展海灣懸浮泥沙輸運機制研究，對于指導(dǎo)海洋工程建設(shè)與理解現(xiàn)代沉積過程都具有重要意義[6]。

近年來，隨著遙感衛(wèi)星技術(shù)的進步，其更高的靈敏度和信噪比可以提供更高精度的懸浮泥沙數(shù)據(jù)信息[7]。根據(jù)遙感數(shù)據(jù)來研究海域內(nèi)懸浮泥沙的變化規(guī)律和輸運趨勢已被學(xué)者廣泛應(yīng)用到世界各地的河口和近海海域[8-10]。韓國的GOCI衛(wèi)星憑借其高時間分辨率的優(yōu)點，能夠滿足對TSS短時間尺度內(nèi)變化研究的需求，成為眾多學(xué)者青睞的研究手段[11-13]。楊雪飛[14]利用數(shù)學(xué)模型與GOCI影像數(shù)據(jù)對比驗證的方法研究了東海近海域懸浮泥沙濃度逐時變化，其數(shù)學(xué)模型對比結(jié)果表明GOCI影像數(shù)據(jù)精準(zhǔn)，可以用于近岸水體的動態(tài)變化監(jiān)測。Yin和Huang[15]利用GOCI-TSS數(shù)據(jù)詳細(xì)描述了東海近岸海域一次完整的潮周期變化；艾喬[16]等將實測數(shù)據(jù)與遙感影像相結(jié)合，分析了遼東半島近海泥區(qū)懸浮泥沙潮周期內(nèi)的時空分布及變化趨勢。因此，GOCI數(shù)據(jù)應(yīng)用于近岸海域懸浮泥沙濃度短時間尺度內(nèi)的變化是可靠的。

通量機制分解法可以探討不同環(huán)境下不同動力因子對物質(zhì)輸移貢獻的大小，是懸浮泥沙輸運機制研究中較為成熟可靠的方法。東海北部冬季懸浮泥沙在平流輸沙項的作用下，為濟州島泥質(zhì)區(qū)的沉積提供了大量物質(zhì)來源[17]；而對于弱動力淺海海域，潮泵輸運項在天津港附近海域的懸浮泥沙輸運中起主導(dǎo)地位[18]。在近海海域中，水深、流速以及懸沙濃度等其他條件復(fù)雜的相互作用會導(dǎo)致不同的輸沙機制。在Aulne River附近海域，河口區(qū)域以歐拉余流輸運項為主，但順著由海向陸，斯托克斯漂移輸運項和潮泵輸沙項的作用逐漸增大，同時，潮周期內(nèi)水體底部泥沙的再懸浮作用對泥沙輸運量的貢獻也不可忽視[19]。

東海屬于大陸架邊緣海，長江和黃河為其提供了大量的沉積物源[20]，其泥沙輸運活動相對活躍，懸浮泥沙含量具有典型的季節(jié)變化特征[21]。冬季受陸架環(huán)流的作用，懸浮泥沙濃度較高；夏季受溫躍層和鹽躍層的影響，底層懸浮泥沙濃度較高，但整體懸浮泥沙濃度要低于冬季[22-23]。福寧灣海域水深地形多變，岸線蜿蜒曲折，岬角相間，島嶼眾多，工業(yè)生產(chǎn)和海水養(yǎng)殖等人類活動密集，水動力條件復(fù)雜多變。研究區(qū)海域懸浮泥沙濃度和輸運趨勢存在顯著的季節(jié)性變化[24]，孟令鵬[25]等主要探討了冬季正常天氣下懸沙的時空變化及輸運機制，而關(guān)于夏季懸浮泥沙輸運機制以及控制因素的研究目前尚未有相關(guān)研究。因此，本文基于2015年福寧灣海域夏季大潮期水文泥沙觀測資料，分析研究區(qū)海域懸浮泥沙輸運機制，探討懸浮泥沙輸運控制因素，為復(fù)雜水動力環(huán)境下的海灣泥沙輸運研究提供參考。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于福建省霞浦縣東南部的福寧灣附近海域，水深較淺，灣內(nèi)水深不足12 m，灣外最大水深不超過30 m。福寧灣灣口東開，面向東海，基巖海岸，岸線蜿蜒曲折，長約85 km。灣內(nèi)島嶼眾多，分布有火煙山島、大目島、小目島等；灣口處分布長表島、嶼尾島、北澳島等；灣外?，幜袓u、四礵列島環(huán)峙。地理坐標(biāo)范圍為26°40′～26°55′ N、120°05′～120°25′ E，觀測站位見圖1。該海域為中亞熱帶季風(fēng)濕潤氣候，年均降雨量1 100～1 800 mm，季風(fēng)特征明顯，夏季以西南風(fēng)和南風(fēng)為主，且容易受到臺風(fēng)的影響，冬季多為東北風(fēng)[24]。來自西北太平洋的半日潮波流入東海后，主要部分流入黃海和渤海，而另外一部分則向浙閩方向的海域傳播，形成了研究區(qū)以M2分潮為主的正規(guī)半日潮[26]。

圖1 福寧灣海域調(diào)查站位圖A. 東海環(huán)流圖（改繪自Guan[27]），B. 研究區(qū)調(diào)查站位圖。Fig.1 Location map of Funing Bay Survey StationsA: East China Sea main circulation system （Repainted from Guan [27]）,B: Survey stations of the study area.

2 數(shù)據(jù)來源與研究方法

2.1 數(shù)據(jù)來源

國家海洋局第三海洋研究所于2015年7月2日10:00至7月3日12:00（大潮期）在福寧灣海域進行了多船同步10個站位連續(xù)27 h海流觀測。海流觀測主要采用ADCP、AWAC海流剖面儀，并按照規(guī)范中的六點法（表層、0.2H、0.4H、0.6H、0.8H、底層）提取數(shù)據(jù)?？紤]到ADCP、AWAC在表層和底層約有0.5 m的盲區(qū)，因此在每個站位增加一臺Alec Compact EM電磁海流計按六點法逐層逐時進行觀測，以作較正。

為測驗懸浮泥沙濃度，現(xiàn)場每小時按照六點法采集水樣，每層水樣不少于500 mL。對現(xiàn)場采集的水樣在實驗室進行抽濾、烘干、稱重。過濾膜為0.45 μm醋酸纖維膜，樣品在電熱培養(yǎng)恒溫箱經(jīng)一定溫度烘干，稱重在精度為1/10 000的天平進行。為保證質(zhì)量，烘干稱重反復(fù)進行2～3次，保證誤差小于0.5 mg。

2.2 研究方法

2.2.1 潮流場數(shù)值模擬

利用MIKE 21對研究區(qū)海域進行潮流場模擬，從模擬結(jié)果中提取研究區(qū)海域大潮期海流數(shù)據(jù)，并繪制余流場矢量圖。計算域坐標(biāo)范圍為25.808°～27.366°N、119.672°～121.142°E，順岸距離約為168 km，垂直岸線距離約為70 km。為清楚了解研究區(qū)附近海域的潮流狀況，將研究區(qū)附近海域進行局部加密處理（圖2）。

圖2 研究區(qū)海域數(shù)值模擬加密網(wǎng)格圖Fig.2 Refined grid for numerical simulation in the study area

2.2.2 懸浮泥沙濃度遙感反演

本文利用韓國海洋衛(wèi)星中心提供的GOCI-TSS影像來反演懸浮泥沙濃度，GOCI-TSS是基于GOCI數(shù)據(jù)的二級產(chǎn)品，其中的TSS是利用GDPS軟件基于Case-2算法得到的產(chǎn)品。通過觀察2013—2017年GOCI-TSS影像的長時間序列，挑選了正常天氣大潮期（2014年7月28日）和強風(fēng)天氣大潮期（2016年8月19日）的遙感影像來分析研究區(qū)懸浮泥沙時空分布的變化特征。根據(jù)衛(wèi)片選取時間，從歐洲中期天氣預(yù)報中心網(wǎng)站下載衛(wèi)片對應(yīng)日期的風(fēng)場數(shù)據(jù)，用MATLAB編程提取計算得到研究區(qū)域內(nèi)的風(fēng)速及風(fēng)向數(shù)據(jù)（表1）。

表1 遙感衛(wèi)片日期對應(yīng)的風(fēng)速風(fēng)向Table 1 The wind speed and direction corresponding to the date of the remote sensing image

2.2.3 懸浮泥沙通量計算

目前機制分解法在泥沙輸運機制方面研究中較為成熟[17,28]，因能直接確定影響通量變化的各種因素、相互作用及其貢獻大小,是目前通量計算研究中較為成熟和可靠的方法[19]。

依據(jù)Ingram[29]和Uncles[30]等提出的用相對水深進行分解瞬時的物質(zhì)輸運量的方式，潮周期Tt平均瞬時單寬懸沙輸移通量T的計算式為：

式中：T1-歐拉余流輸運量；T2-斯托克斯漂移輸運量；T1+T2-拉格朗日平流輸運量，即平流輸運項；T3-潮汐與懸浮泥沙含量的潮變化相關(guān)項；T4-懸浮泥沙與潮流場變化相關(guān)項；T3+T4-潮泵作用輸沙項，是由T2，T3，T4三者相關(guān)產(chǎn)生的泥沙輸運；T5-垂向流速變化和懸浮泥沙濃度變化的相關(guān)項，為垂向上的凈環(huán)流產(chǎn)生的輸沙項；T6，T7-時均量和潮汐振動切變引起的剪切擴散；T8-垂向潮振蕩切變作用產(chǎn)生的泥沙輸運。

3 結(jié)果

3.1 潮流及余流特征

為方便討論，根據(jù)觀測站位所在的地理位置特征，將研究區(qū)1#和2#站位歸為灣內(nèi)站位，3#、4#、5#、6#和7#站位歸為灣口站位，8#、9#和10#歸為灣外站位。研究區(qū)灣內(nèi)受灣頂?shù)匦?、島嶼及岸線的影響，表現(xiàn)出明顯的往復(fù)流性質(zhì)，流向以NW-NE為主；灣口處3#和6#站位往復(fù)流以SW-NE為主，其余站位旋轉(zhuǎn)流現(xiàn)象相對明顯；而處于等深線12 m以外的灣外區(qū)域表現(xiàn)為帶一定旋轉(zhuǎn)性質(zhì)的往復(fù)流（圖3）。潮流從海灣外向海灣內(nèi)移動時，受灘面摩擦力的影響，水體能量不斷衰減，導(dǎo)致流速降低[31]。從平面上看，研究區(qū)海域潮流灣外流速較大，而灣口和灣內(nèi)流速較小。

圖3 各站位垂向平均海流矢量圖Fig.3 Vertical mean current vectors at each station

余流指示著水體的運移和交換情況，是進一步研究物質(zhì)輸運的基礎(chǔ)[32]。根據(jù)余流計算結(jié)果（表2）繪制各站位垂向余流矢量圖（圖4）。余流最大值出現(xiàn)在8#站位0.2H，流速為20.7 cm/s，方向為195°；最小值出現(xiàn)在3#站位底層，流速為0.2 cm/s，對應(yīng)方向為172.9°。研究區(qū)灣內(nèi)余流受水深地形的影響，方向由表層到底層差異較大，表層和近表層余流流向以NW向為主，底層和近底層偏NE向；灣口處各站位的各層余流方向較為一致，主要為SW流向，6#和7#站位余流流速較大，其余3個站位流速較??；灣外離岸處余流流速較大，且各個層位的余流方向相近，以SW流向為主。從整體上看，各個站位余流表層和近表層余流較大，余流流速由表層到底層逐漸減小。

圖4 各站位垂向余流矢量圖Fig.4 Vertical residual current vector of each station

本文選取長門、北礵兩個驗潮站位和2#、6#、9#三個海流觀測站位的實測數(shù)據(jù)與數(shù)值模擬結(jié)果對比驗證（圖5和圖6），結(jié)果顯示研究區(qū)數(shù)值模擬得到的流速流向與實測資料吻合度較高，表明通過數(shù)值模擬能夠比較真實地反映研究區(qū)潮流場的特征。根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果（圖7），研究區(qū)海域大潮期余流流速主要為1～20 cm/s，余流流速整體上表現(xiàn)為由灣內(nèi)到灣外逐漸增大的趨勢，余流流速最大值出現(xiàn)在灣外的四礵列島附近。余流流向灣內(nèi)表現(xiàn)為向岸輸運，灣口與灣外處余流指向西南方向，這與余流計算結(jié)果基本一致，說明數(shù)值模擬結(jié)果能夠比較真實地反映研究區(qū)海域余流場的特征。

圖5 長門、北礵站位潮位驗證圖Fig.5 Tide level verification at Changmen and Beishuang stations

圖6 2#、6#、9#站位流向、流速驗證圖Fig.6 Verification of flow direction and velocity at 2#,6# and 9# stations

圖7 正常天氣下研究區(qū)海域大潮期余流分布圖Fig.7 Spring tide residual current distribution in the study area under normal weather

3.2 懸浮泥沙時空變化特征

3.2.1 潮周期內(nèi)懸浮泥沙濃度變化特征

懸浮泥沙濃度在大潮周期的尺度下變化較為復(fù)雜，各個站位懸浮泥沙濃度在單日內(nèi)一般出現(xiàn)2～6次峰值，尤以灣內(nèi)海域明顯（圖8）。大潮期間，潮周期內(nèi)懸浮泥沙濃度變化與潮位變化的相關(guān)性較好。灣內(nèi)站位在漲潮中間時刻和落潮中間時刻，懸浮泥沙濃度受流速引起的再懸浮作用迅速增大，而在高潮和低潮時刻水體流速下降，再懸浮作用減弱，表層的懸浮泥沙下沉，導(dǎo)致水體中垂向平均懸浮泥沙的濃度減小。灣口處和灣外海域，雖然水深增加，但流速引起的懸浮泥沙濃度變化滯后現(xiàn)象并不明顯。研究區(qū)海域漲、落潮平均懸浮泥沙濃度差異在0.31～5.56 mg/L之間，最大濃度差異出現(xiàn)在2#站位，落潮平均懸浮泥沙濃度要比漲潮時高。整體來看，大潮期間漲潮與落潮平均懸浮泥沙濃度變化相對差異較小。

圖8 各站位流速與懸浮泥沙濃度時間序列圖Fig.8 Time series of velocity and suspended sediment concentration at each station

平面上，通過各站位漲、落潮垂向平均懸浮泥沙濃度圖（圖9）可以看出，懸沙濃度整體上表現(xiàn)為灣內(nèi)最大，灣口次之，灣外最小。通過對比各站位由表層到底層的平均懸沙濃度（表3），表底層懸沙濃度變化最大的是2#站位，底層懸沙濃度約為表層的3.5倍；9#站位懸沙濃度在垂向上變化最小，各層之間的懸沙濃度差值在0.2～9.1 mg/L之間。各站位的最大含沙量均出現(xiàn)在底層，最大含沙量值出現(xiàn)在2#站位底層，為91.6 mg/L。研究區(qū)懸浮泥沙濃度的垂向分布整體表現(xiàn)為由底層向表層遞減。

表3 各層位平均懸浮泥沙濃度Table 3 Average suspended sediment concentration in each layer mg/L

圖9 各站位漲、落潮垂向平均懸浮泥沙濃度圖Fig.9 Vertical average suspended sediment concentration of rising and falling tides at each station

3.2.2 強風(fēng)天氣下懸浮泥沙濃度的時空變化特征

本文選取了正常天氣與強風(fēng)速天氣的GOCI遙感影像進行對比，來揭示強風(fēng)天氣對研究區(qū)海域表層懸浮泥沙濃度的影響。因研究區(qū)域相對較小，受衛(wèi)星工作時間的限制以及云層遮擋的影響，灣內(nèi)影像缺失嚴(yán)重，故重點討論灣口和灣外海域表層懸浮泥沙濃度變化。根據(jù)潮位變化以及GOCI衛(wèi)星工作時段，分別選取了漲潮中間時刻和落潮中間時刻的影像，結(jié)合福寧灣灣口開向以及地形因素挑選A（紅色）、B（藍(lán)色）兩個區(qū)域代表灣口和灣外海域（圖10、圖11），利用兩個區(qū)域典型時刻懸浮泥沙濃度進行對比（表4）。

表4 正常天氣與強風(fēng)天氣懸浮泥沙濃度Table 4 Suspended sediment concentration in normal and strong wind weather mg/L

2016年8月19日大潮期研究區(qū)海域平均風(fēng)速為10.92 m/s，風(fēng)向為西南向（表1）。通過對比可以看出（圖10、圖11），漲潮中間時刻，強風(fēng)天氣下研究區(qū)灣口海域表層懸浮泥沙濃度約為正常天氣下的1.3倍，灣外海域表層懸浮泥沙在強風(fēng)作用以及潮流作用的疊加作用下，其懸浮泥沙濃度是正常天氣下的1.6倍，尤其以灣外南側(cè)海域明顯。落潮中間時刻研究區(qū)海域表層懸浮泥沙濃度變化與漲潮中間時刻規(guī)律相似，灣口和灣外海域懸浮泥沙濃度大風(fēng)天氣下約為正常天氣下的1.3倍，灣外海域表層懸浮泥沙濃度在強風(fēng)天氣下顯著增大。整體來看，強風(fēng)天氣對灣口和灣外海域水體表層懸浮泥沙濃度影響較大，與正常天氣相比，強風(fēng)作用以及潮流作用相疊加，導(dǎo)致水體表層中懸浮泥沙濃度增大。

圖10 正常天氣大潮遙感反演影像Fig.10 Remote sensing inversion of spring tides in normal weather

圖11 西南強風(fēng)天氣大潮遙感反演影像Fig.11 Remote sensing inversion image of spring tide in southwest strong wind weather

3.3 懸浮泥沙輸運通量

通過通量機制分解法計算得到研究區(qū)內(nèi)各個站位的懸浮泥沙輸運項輸沙率（表5）。研究區(qū)海域最大輸沙率出現(xiàn)在灣外的8#站位，凈輸沙率（T總）為47.93 g·s?1·m?1，輸沙方向為197°；最低的是2#站位，凈輸沙率（T總）為4.75 g·s?1·m?1，輸沙方向為279°。灣外的8#站位歐拉余流輸沙項（T1）最大，為44.82 g·s?1·m?1，方向為196°；斯托克斯漂流輸運項（T2）最大為12.67 g·s?1·m?1，對應(yīng)方向為201°，出現(xiàn)在灣口處的7#站位。灣內(nèi)的2#站位垂向凈環(huán)流輸沙項（T5）最大，為4.15 g·s?1·m?1，對應(yīng)輸沙方向為33°。潮泵輸沙項（T3+T4）整體較低，只有7#站位超過了1 g·s?1·m?1；所有站位T6+T7+T8項輸沙均低于1 g·s?1·m?1。

表5 各站位輸沙率Table 5 Sediment transport rate of each station g·s?1·m?1

研究區(qū)海域從灣內(nèi)到灣口再到灣外，所有站位的歐拉余流輸沙項（T1）和斯托克斯漂流輸運項（T2）的輸運方向與凈輸沙（T總）的輸沙方向較為一致。潮泵輸沙項（T3+T4）除1#和5#外，其余站位的輸沙方向與凈輸沙（T總）方向也有較好的契合。垂向凈環(huán)流輸沙項（T5）在灣內(nèi)的1#和2#站位占比較大，在其他站位影響較小。T6+T7+T8輸沙項總體的輸沙量較小，對凈輸沙（T總）影響不大，甚至可以忽略。研究區(qū)凈輸沙量整體上呈現(xiàn)近岸小、離岸高的格局。

4 討論

4.1 懸浮泥沙輸運規(guī)律

根據(jù)單寬輸沙率計算各個輸沙項占比（表6），通過對比發(fā)現(xiàn)各個站位的輸沙分項由于存在方向差異，輸沙占比差異較大，表明其對輸沙率的貢獻相差也較大，導(dǎo)致灣內(nèi)、灣口和灣外有著不同的懸浮泥沙輸運機制。

表6 各站位輸沙項占比Table 6 Proportion of sediment transport items at each station %

灣內(nèi)的1#和2#站位，以歐拉余流輸運項（T1）為主，其次是斯托克斯漂流輸運項（T2）和垂向凈環(huán)流輸運項（T5），其余輸沙項占比較低。灣內(nèi)歐拉余流輸運項（T1）分別占到了121.5%和140. 9%，在懸沙輸運中起主導(dǎo)作用；斯托克斯漂流輸運項（T2）和垂向凈環(huán)流輸運項（T5）對懸沙的輸運貢獻相差不大。由于灣內(nèi)水體混合較弱，垂向上懸沙濃度差異相對較大，并且垂向上余流流向差異較大。受水深地形的影響，余流在垂向上各向差異以及懸浮濃度垂向分布不均會產(chǎn)生垂向凈環(huán)流輸沙[33-34]。因此，垂向凈環(huán)流輸運項（T5）對灣內(nèi)懸浮泥沙的輸運有較大影響。雖然灣內(nèi)懸浮泥沙濃度相對較高，但垂向余流的方向差異較大，故灣內(nèi)懸浮泥沙凈輸沙率較小，輸運方向指向近岸方向。

灣口處的3#、4#和5#站位的懸沙輸運受歐拉余流輸運項（T1）和斯托克斯漂流輸運項（T2）的影響較大，垂向凈環(huán)流輸沙（T5）及其他輸運項影響較小。潮周期內(nèi)潮汐變化量（T1）與潮流變化量（T2）正相關(guān)較強，斯托克斯漂流輸運項（T2）輸沙貢獻有所增加；水體混合狀態(tài)相對于灣內(nèi)較好，垂向懸浮泥沙濃度梯度較小，垂向凈環(huán)流輸運項（T5）作用較??；其他懸沙輸運貢獻較低。整體以平流輸沙項（T1+T2）為主，且余流較小，凈輸沙率較低，輸運方向為相對靠近灣內(nèi)的SW向。6#和7#站位歐拉余流輸沙項（T1）占主導(dǎo)地位，斯托克斯漂流輸運項（T2）次之，其他懸沙輸運項影響甚微。由于余流流速相對較大，歐拉余流輸沙項（T1）占比最大；水體混合程度較高，垂向懸浮泥沙濃度差異較小，垂向凈環(huán)流輸運項（T5）占比較低。6#和7#站位以平流輸沙項（T1+T2）為主，余流速度相對較大，且方向較為一致，故凈輸沙率較高，輸運方向為相對靠近灣外的SW向。

灣外3個站位懸浮泥沙輸運項以歐拉余流輸運項（T1）為主，其次是斯托克斯輸運項（T2），其余輸沙項貢獻甚微。灣外歐拉余流輸運項（T1）占到了主要地位，為88.7 %～93.5%；潮汐變化量（T2）與潮流變化量（T3）正相關(guān)較弱，且灣外水體懸浮泥沙濃度相對較低，懸沙輸運受斯托克斯輸運項（T2）影響明顯低于灣內(nèi)和灣口；水體混合比較均勻，垂向上的懸沙交換比較充分，垂向凈環(huán)流項（T5）對輸沙貢獻較小，只有3.8%～6.4 %?？傮w來說，灣外各層余流流向趨于一致，且流速較大，整體的輸沙率較大，平流輸沙項（T1+T2）起主導(dǎo)作用，凈輸沙率達(dá)到了28.76～47.93 g·s?1·m?1，輸運方向為SW向。

研究區(qū)海域懸浮泥沙輸運項整體以平流輸沙（T1+T2）為主；垂向凈環(huán)流（T5）是僅次于平流輸沙（T1+T2）的貢獻項，從灣內(nèi)到灣口再到灣外，其對泥沙輸運影響逐漸減?。黄溆噍斏稠棇δ嗌齿斶\的影響可以忽略不計。

4.2 懸浮泥沙輸運控制因素

大量研究結(jié)果表明，近海懸浮泥沙的分布及輸運受多種因素的制約，例如潮流、沿岸流、強風(fēng)和季節(jié)變化等均會對水體中懸浮泥沙的分布及輸運產(chǎn)生較大的影響[35-36]。綜合分析討論各種因素對懸浮泥沙輸運的影響，有利于了解海洋沉積動力的過程，也才能對海域整體的沉積動力環(huán)境有更清楚的認(rèn)識。

4.2.1 海流對懸浮泥沙輸運的影響

根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果（圖12），研究區(qū)海域灣內(nèi)潮流為典型的往復(fù)流，漲潮時潮流整體由東向西流，落潮流整體由西向東流，因此，懸浮泥沙隨漲落潮做往復(fù)運動，懸浮泥沙凈輸運方向與潮流的主流向基本一致，凈輸運方向指向灣內(nèi)。灣口處海域受島嶼、海灣地形的影響，潮流場相對較為復(fù)雜，潮流的旋轉(zhuǎn)性質(zhì)顯著增強，潮流的多變導(dǎo)致懸浮泥沙的凈輸運方向與潮流的主流向存在一定差異，而與余流方向一致，主要向西南方向輸運。灣外海域相對開闊，雖然潮流的往復(fù)流運動形式增強，但仍以旋轉(zhuǎn)流為主，因此，懸浮泥沙的凈輸運方向與潮流的主流向并不一致，而與余流方向基本一致，主要向西南方向輸運。

圖12 研究區(qū)大潮期流場圖A：漲潮中間時刻，B：落潮中間時刻。Fig.12 Flow field of spring tide in the study areaA: The middle of the high tide,B: The middle of the ebb tide.

研究區(qū)懸浮泥沙隨著漲潮流整體由灣外向灣內(nèi)輸運，隨著落潮流由灣內(nèi)向灣外輸運，但泥沙凈輸運方向與潮流的主流向并不一致，而與余流方向基本一致。因此，余流方向基本可以指示研究區(qū)懸浮泥沙的凈輸運趨勢。根據(jù)研究區(qū)余流場特征（圖7），夏季正常天氣下，研究區(qū)海域由灣內(nèi)向灣外余流流速逐漸增大。灣內(nèi)懸浮泥沙濃度較大，但余流流速相對較小，水體表層到底層流向差異較大，故灣內(nèi)的懸浮泥沙輸運通量較?。粸晨谔帒腋∧嗌碀舛认鄬p小，但余流流速增大，且余流垂向上流向相近，懸浮泥沙輸運通量與灣內(nèi)相比較大；灣外雖然懸浮泥沙濃度最小，但余流流速較大，而且各層位余流流向相近，整體的懸浮泥沙輸運量較大。受余流控制，研究區(qū)夏季正常天氣下懸浮泥沙輸運整體上表現(xiàn)為灣內(nèi)向近岸方向輸運，而灣口和灣外海域懸浮泥沙向西南方向輸運。

4.2.2 強風(fēng)天氣對懸浮泥沙輸運的影響

強風(fēng)天氣不僅會增大水體流速，使水體中的懸浮泥沙濃度顯著提高[37]，甚至還會改變海域的潮流特征，對泥沙輸運方向以及海底沖淤產(chǎn)生較大影響[38]。

為了進一步探討強風(fēng)對懸浮泥沙輸運的影響，本文模擬了西南強風(fēng)天氣下（風(fēng)速為10 m/s）大潮期的余流場（圖13）與正常天氣下大潮余流場（圖7）比較，強風(fēng)天氣對研究區(qū)海域余流影響顯著。灣內(nèi)余流流速略有增大，為3～15 cm/s，流向變化相對較小，均指向近岸方向。由于灣內(nèi)岸線曲折，受海灣和島嶼的遮蔽，灣內(nèi)水動力條件變化相對較小，因此，強風(fēng)對其總體影響相對較小。灣口處和灣外海域，地形相對開闊，余流受風(fēng)的影響顯著，其方向由正常天氣下的西南流向變?yōu)闁|北流向。懸沙通量計算結(jié)果表明，研究區(qū)海域泥沙凈輸運方向與余流基本一致，而余流方向可以指示懸浮泥沙的凈輸運趨勢[39]。結(jié)合強風(fēng)天氣下的余流場（圖13），強風(fēng)改變了研究區(qū)的余流方向，進而改變了懸浮泥沙的輸運方向，使其由正常天氣下的西南向變?yōu)闁|北向，對泥沙輸運趨勢影響顯著。

圖13 夏季西南強風(fēng)天氣下余流分布圖Fig.13 Residual current distribution under strong southwest wind weather in summer

研究區(qū)懸浮泥沙輸運以平流輸運為主，因此，懸沙凈輸運主要受懸沙濃度和余流流速控制。一方面，研究區(qū)強風(fēng)天氣下灣口和灣外余流流速相對較大，主要為5～40 cm/s，明顯大于正常天氣的余流流速，而較大的余流會產(chǎn)生更大的泥沙輸運通量；另一方面，遙感影像對比結(jié)果表明，強風(fēng)天氣會導(dǎo)致水體懸浮泥沙濃度普遍增大（表4），而這會進一步增加海域的泥沙輸運通量[40]。因此，強風(fēng)導(dǎo)致研究區(qū)余流流速增大和懸浮泥沙濃度升高，從而使其泥沙輸運通量較正常天氣明顯增大。綜上可以看出，西南強風(fēng)天氣下，研究區(qū)懸浮泥沙輸運方向主要受風(fēng)控制，其輸運通量亦普遍增大，強風(fēng)對研究區(qū)泥沙輸運影響顯著。

4.2.3 閩浙沿岸流對懸浮泥沙輸運的影響

閩浙沿岸流和臺灣暖流是研究區(qū)附近海域的主要流系，而臺灣暖流對海域沉積環(huán)境的影響在水深50 m處的外海海域才開始體現(xiàn)出來[24]，與研究區(qū)相距較遠(yuǎn)，不會對研究區(qū)海域懸浮泥沙輸運產(chǎn)生影響。閩浙沿岸流受季風(fēng)氣候的影響，冬季活動強度較大而夏季相對較小，其影響范圍始終處于一個變化的過程之中[41-42]。夏季閩浙沿岸流流向與冬季相反，沿海岸線向東北方向流動，最大平均流速小于0.2 m/s（圖1）[43]。

懸浮泥沙輸運通量計算結(jié)果表明，夏季正常天氣下研究區(qū)海域懸浮泥沙輸運以平流輸運為主，其凈輸運方向與余流方向基本一致，整體向西南方向輸運（圖4）；而夏季閩浙沿岸流則向東北方向流動，與研究區(qū)整體的懸浮泥沙輸運方向相反。閩浙沿岸流具有明顯的季節(jié)變化特征，夏季閩浙沿岸流影響范圍最小，主要分布于浙江省北部沿岸海域，對福建典型海域（羅源灣、廈門灣和東山灣）沒有影響[44]。本研究區(qū)緊鄰羅源灣，亦表明閩浙沿岸流（夏季）對研究區(qū)懸沙輸運基本沒有影響。同時，夏季臺灣暖流強度相對較大，受臺灣暖流的擠壓，閩浙沿岸流流速相對較小，活動強度較弱[45]，其在閩北近海海域懸沙輸運通量與冬季相比顯著減少，對懸浮泥沙的輸運作用較小[24]。此外，福寧灣區(qū)域水深較淺，岸線蜿蜒曲折，岬角相間，島嶼眾多，受地形遮蔽作用影響較大，其水動力條件主要受潮流和風(fēng)浪影響。綜上，閩浙沿岸流的活動對研究區(qū)海域的懸浮泥沙輸運基本不會產(chǎn)生影響。

5 結(jié)論

（1）夏季福寧灣海域周期平均懸浮泥沙濃度的變化幅度從灣內(nèi)向灣外逐漸變小；在平面分布上，灣內(nèi)懸浮泥沙濃度較高，灣口次之，灣外最低；垂向上，懸沙濃度表現(xiàn)為由表層至底層逐漸增大。

（2）研究區(qū)懸浮泥沙單寬輸沙量為4.75～47.93 g·s?1·m?1，整體輸沙率呈現(xiàn)近岸小、離岸高的格局。平流輸沙項在懸浮泥沙輸運中占主導(dǎo)地位，其次為垂向凈環(huán)流項，其余輸沙項貢獻甚微。

（3）正常天氣下，研究區(qū)的懸沙凈輸運方向與余流方向基本一致，輸運方向指向西南；西南強風(fēng)天氣下，研究區(qū)懸浮泥沙的濃度增大，其輸運方向受風(fēng)控制，指向東北；閩浙沿岸流（夏季）對研究區(qū)懸浮泥沙的輸運基本沒有影響。