膠州灣海域潮流動力特征及其與含沙量的關系＊

陳 斌，張 勇，劉 健，孔祥淮

（1.國土資源部 海洋油氣資源與環境地質重點實驗室，山東 青島266071；2.海洋沉積與環境地質國家海洋局重點實驗室，山東 青島266061；3.青島海洋地質研究所，山東 青島266071）

膠州灣海域潮流動力特征及其與含沙量的關系＊

陳 斌1，2，3，張 勇1，3，劉 健1，3，孔祥淮1，3

（1.國土資源部 海洋油氣資源與環境地質重點實驗室，山東 青島266071；2.海洋沉積與環境地質國家海洋局重點實驗室，山東 青島266061；3.青島海洋地質研究所，山東 青島266071）

根據2009年膠州灣海域的懸沙、流速、流向的實測資料，應用短期資料的潮流準調和分析方法，對連續海流資料進行了分析，并結合懸沙資料，對含沙量與潮流之間動力關系進行了探討。研究結果表明：該海域潮流屬于正規半日潮流性質，半日分潮流的東分量大于北分量，潮流以帶有旋轉性質的往復流為主，漲潮流流向偏西，落潮流流向偏東。膠州灣內含沙量分布特征與海底沉積物粒徑特征基本一致。含沙量在漲落潮的交替和流速的更迭作用下出現明顯的周期性變化，含沙量的峰值基本與海域半日潮流特點相對應，幾乎每1個流速峰值對應1個含沙量的峰值，含沙量的峰值一般出現在流速峰值之后。膠州灣口處流速和單寬輸沙量都為最大，漲潮單寬輸沙量大于落潮單寬輸沙量，輸沙方向為偏西向。

膠州灣；潮流；含沙量；單寬輸沙量

膠州灣是黃海伸入山東半島南部的一個半封閉海灣，擁有豐富的海洋生物和旅游資源，對青島的經濟發展有舉足輕重的作用。作為海灣重要陸源物質的泥沙深受流域自然環境變化和人為活動影響，加之潮汐、風浪等作用而呈現出高動態變化，這對河口海岸的水質、地貌、生態環境的研究以及海岸工程、港口建設、河口海岸帶資源可持續利用等都具有重要影響。歷史上對膠州灣的調查和研究較多，內容涉及氣象、水文、地質地貌和沉積研究等諸多方面，如孫英蘭等［1］、閆菊等［2］、張越美等［3］、鮑獻文等［4］利用數值模式對膠州灣海域的潮流、潮致余流以及污染物的擴散等進行了較為詳細的研究；高抒等［5］、鄭全安等［6］、汪亞平等［7］、邊淑華等［8］對膠州灣的海域面積、泥沙來源、沉積速率及沉積動力特征等方面進行了探討。但隨著近年來海港、跨海大橋及海底隧道的規劃與建設，圍海造田工程的實施以及海洋旅游業的開發，海域的動力環境發生了部分改變，需要對該海域的動力條件及泥沙運移規律作進一步的了解。本研究根據2009年實測海流和懸沙資料，分析研究該海域的潮流動力特征，并結合懸沙資料分析含沙量與潮流之間的動力關系，對含沙量分布形態作初步探討，該研究可為眾多的海岸工程開展建設提供科學依據。

1 研究區域概況

膠州灣位于黃海之濱，山東半島南岸，是以團島頭與薛家島腳子石連線為界、與黃海相通的半封閉式海灣。根據1985年海圖，膠州灣面積為397km2，其中0m等深線以下面積256km2，平均水深約為7m［2］。膠州灣沿團島和黃島的黃山咀連線分為內灣和外灣，灣內有滄口灣、陰島灣，灣外有黃島前灣、海西灣等小灣。輸入膠州灣的河流主要有大沽河、洋河、白沙河、李村河、海泊河和南膠萊河等。膠州灣全年頻率最多的風向是SE、N和NNW向，并且有明顯的季節變化。海域的常浪向是SE向，強浪向為E向和NNE向，最大波高3.1m。膠州灣海域屬于正規半日潮性質，最大潮差與平均潮差分別為4.75m和2.80m［9］。灣內及鄰近海區沒有大的河流入海，沿岸以基巖海岸為主，沉積物來源有限［10］，這是膠州灣成為優良天然港灣的重要條件之一。

2 資料獲取與處理

2009－06，在膠州灣海域進行了3個測站25h連續觀測及懸浮體水樣采集（圖1），其中S1站的觀測時間為06－17T14：00—06－18T14：00；S2站的觀測時間為06－24T9：00—06－25T9：00；S3站的觀測時間為06－25T11：00—06－26T11：00，觀測前后期間無明顯風浪，海況良好。采用真空負壓法進行懸浮體抽濾，濾膜直徑47mm，孔徑0.45μm；采用1／（10萬）的Sartorius電子天平進行懸浮體稱重，質量0.01mg，過濾后的樣品恒溫烘干（40℃）、稱重，計算出各站含沙量，懸浮體濃度數據皆經過雙重濾膜進行了校正［11］。每個站點選取表層、中層、底層3個分層的25h的流速流向數據，對獲取的實測資料分析計算，并對潮流特性進行了調和分析計算。

圖1 觀測站點位置Fig.1 The locations of observation station

3 結果與討論

3.1 潮汐潮流動力特征

將實測海流資料進行濾波修正后，繪制了表、中、底3層每小時平均的流速（u）、流向（θ）過程曲線圖，以及垂線平均流速玫瑰圖（圖2）。膠州灣內不同站點流速差別較大，灣口（S2站）處由于地形束窄流速較大，最大可達150cm／s；由灣口向灣外（S3站）水流發散，流速逐漸減小，最大值不超過80cm／s；灣內中部水域（S1站）流速一般不超過50cm／s。3個測站的流速在單周日內基本都出現4次峰值。從各站表、中、底層的流速圖可看出，流速的垂線分布規律明顯，表層流速最大，隨深度增加流速不斷減小，底層流速最小。

圖2 2009－06－17—26S1、S2、S3站位流速、流向及垂線平均流速玫瑰圖Fig.2 The velocity direction and rose of vertical average current at Station S1，S2，and S3，2009－06－17—26

應用短期資料的潮流準調和分析方法［12］，并引入測站海區的差比關系，對獲得的25h連續海流資料進行了分析，計算了3個測站6個主要分潮O1，K1，M2，S2，M4，MS4的潮流調和常數，由表1可以看出，膠州灣海域東、北分量的半日潮流振幅均大于全日潮流的東、北分量，說明這一海域半日潮流占據主要地位，呈現半日潮流的性質。對于半日分潮流（M2，S2），其均體現出東分量大于北分量的特征。綜合比較3個測站的潮流調和常數，發現其以半日潮流為主。對于O1，K1，M2，S24個主要分潮流，除S1站全日分潮流（O1，K1）北分量略大于東分量外，其余各站各調和常數均為東分量大于北分量，雖然有些測站的淺水分潮M4和MS4的北分量大于東分量，但由于淺水分潮在總海流中所占份額有限，所以無法改變海流的東分量大于北分量的結果。對比各站余流的結果，一般表層的余流較大。灣內（S1站）的余流是3個測站中最大的一個，其表層余流達到5.8cm／s，中層5.2cm／s，而底層也有4.3cm／s。表、中、底3層余流的東分量均大于北分量。灣口的S2站余流略小于S1站，表層可達5.3cm／s，中層和底層分別為4.1cm／s和2.7cm／s，該站的各層余流為北分量大于東分量。灣外（S3站）的余流最小，其表層余流為3.6cm／s，中層為2.8cm／s，底層較弱，僅有1.9cm／s，各層余流為北分量大于東分量，與S2站一致。S1站各層余流方向以偏西向為主，而S2和S3站則以偏東向為主。

表1 S1，S2和S3站潮流調和常數Table 1 Harmonic constants of tidal current at Station S1

為進一步分析潮流的一些特征，分別計算出3測站6個主要分潮O1，K1，M2，S2，M4，MS4的潮流橢圓要素，見表2～4。下面對各站潮流橢圓要素的計算結果進行比較和分析。計算3測站的潮流性質F＝（WK1＋WO1）／WM2［13］可得到：S1、S2和S3站分別為0.30，0.23和0.23，說明該海域屬于正規半日潮流區。3測站均以M2潮流占優，尤其是S2站M2潮流最大流速可達68.77cm／s。通過計算最大可能流速umax＝1.29WM2＋1.23WS2＋WK1＋WO1［14］，得出該海域表層最大可能流速范圍在70～170cm／s之間，其中S1站為102 cm／s，S2站為171cm／s，S3站為74cm／s。3測站半日潮流橢圓率計算結果均接近于0，說明其具有往復流的潮流性質，但各站又有所不同，灣內（S1站）表層橢圓率為－0.2（負值），說明該站為帶有順時針旋轉性質的往復流；灣口（S2站）橢圓率為0，基本為往復流性質；灣外（S3站）橢圓率為0.1（正值），說明該站為具有逆時針旋轉性質的往復流。所以，膠州灣海域基本是以往復流為主，灣內略帶順時針性質，而灣外為略帶逆時針性質，灣口處為往復流，這與以往研究相吻合［4］。淺海中一般用G＝（WM4＋WMS4）／WM2［14］的大小作為衡量淺水分潮流在總海流中影響的指標，計算可得表層的G值在S1、S2和S3站分別為0.56，0.45和0.37，說明S1站淺水分潮的份額比其他兩個測站占總海流的份額稍大，這是由于S1站水深較淺的原因所致。

表2 S1站潮流橢圓要素Table 2 Tidal current ellipse elements at Station S1

表3 S2站潮流橢圓要素Table 3 Tidal current ellipse elements at Station S2

表4 S3站潮流橢圓要素Table 4 Tidal current ellipse elements at Station S3

根據各站潮流分析發現，海水由外海東側向灣口聚斂，而后由灣口向灣內發散，形成雙向射流體系。膠州灣在漲潮期間，海水由外海沿偏西向進入外灣口后開始分向，一股由偏SW向進入黃島前灣和海西灣；另一股為主流，繞過團島嘴，以偏NW向進入內灣灣口后發散分成幾股向灣頂深入。落潮期間，海水的流動方向與漲潮期間相反，灣內的幾股水流匯合到內灣口，繞過團島嘴向東南與由黃島前灣和海西灣而來的北偏東流匯合，一同從外灣口流出膠州灣。

因為該海域的半日潮流占優，下面將著重通過分析M2潮流來體現該海域海流的垂向結構特點。M2潮流在3個測站的表層相對較大，底層流速較小。M2分潮流的最大流速均在35～70cm／s之間，其中在S2站表層最大流速要超過70cm／s，底層M2最大流速相對較小。各站各層最大流速方向均以西向偏北為主，圖3給出了3測站表、中、底3層的M2潮流橢圓示意圖。各站的潮流橢圓長軸隨深度的增加而變小，越靠近海底，變化速率越大，這是由于海底摩擦作用對潮流的影響所致［15］。膠州灣內潮流橢圓隨著深度的增加變扁，說明水深越深潮流的往復流性質越強；而膠州灣外潮流橢圓隨深度增加而變圓，與灣內恰恰相反，水深越淺往復流性質越強；灣口處潮流橢圓隨深度變化不大，基本都為往復流性質。

圖3 3個站表、中、底層M2潮流橢圓示意圖Fig.3 M2tidal current ellipses at surface，middle，bottom layers of 3stations

3.2 潮流與含沙量的動力關系

研究海域內的泥沙在一天內（約為2個半日潮周期）可能會有3～4次再懸浮，即含沙量有3～4次峰值。本研究利用膠州灣內、灣口、灣外的S1、S2和S3站的含沙量及流速分析研究潮周期內懸沙的時空變化規律及與流速的關系。

將3個站位的含沙量按采樣的時間序列在水深方向做剖面圖，可以得到以下含沙量的時間序列剖面圖（圖4）。總體來說，膠州灣海水較清，水體含沙量較小，最大不超過60mg／L，灣內中部（S1站）位于大沽河附近，在淡水海水混合作用及徑流的作用下，泥沙的再懸浮現象比較顯著，懸沙在水體中的混合較好，加上該站海底表層沉積物粘土質粉砂，顆粒較小易起動，導致懸沙垂向含量變化較小，而此處平均含沙量較高，因為河流所帶泥沙大部分很快沉積在河口附近，而漲潮流的推進對高含沙量的河水的流動起了頂托作用，此外上溯的鹽水楔也會使底部的泥沙發生絮凝作用，因此使此處的泥沙濃度增大；灣口處（S2站）為平均流速最大的往復流，反而含沙量最低，原因是由于該站位于灣口主要的潮汐通道，在灣口狹管效應的作用下，水流速度較大，水體掀沙和挾沙能力都較強，但是在較強水流長期對底部的沖刷作用下，灣口被強烈侵蝕成溝槽，而海底沉積物中細顆粒組分早已被搬運到他處，因此，通過再懸浮作用進入水體的泥沙較少，灣口處水體中的懸沙主要是灣內灣外的懸沙隨著漲落潮挾帶至此；灣外（S3站）在較強的海洋動力作用下含沙量變化最為復雜。這種灣內、灣外的含沙量較高，灣口較低分布特征與該海域的沉積物從灣口向灣外、灣內均勻變細的分布形態一致［16］，這也說明膠州灣內懸沙的動力條件主要是潮流。各站含沙量在25h內均出現2～4個峰值，由于漲落潮的交替和流速的更迭使得含沙量出現明顯的周期性變化［17］，含沙量的峰值基本與海域半日潮流特點相對應。該海域的含沙量的垂直變化，一般來說，從表層到底層含沙量由小到大。

圖4 各站含沙量時間序列等值線Fig.4 Isograms of suspended sediment concentration at individual stations

含沙量的變化與沉積物的再懸浮有關，這一現象也可以從圖5明顯看到，底床泥沙在底層流速達到臨界起動速度后，由于剪切力易使沉積物發生再懸浮，在底層形成較大的含沙量水體，而在流速低于臨界流速時，底層水體中的泥沙將慢慢落淤，從而使底層含沙量出現較為明顯的周期性變化。各站流速與含沙量關系對應良好，幾乎每一個流速峰值對應一個含沙量的峰值，含沙量的峰值一般出現在流速峰值之后，即在流速達到最大值后含沙量才達到最大值，這是因為泥沙運動總是要落后水流運動，泥沙的起動和再懸浮擴散都需要一個時間過程，滯后的時間由于海域和季節的不同而存在一定的差別［18］。灣內（S1站）落潮含沙量要高于漲潮含沙量；灣口的漲潮流速明顯大于落潮流速，但含沙量的峰值在漲落潮期基本一致，只有在第二個漲潮的漲憩時段達到一個極大值；灣外（S2站）在流速的峰值后馬上出現含沙量的峰值，兩個含沙量的極大值分別出現在落急和漲憩時段。

圖5 各站平均含沙量與垂線平均流速、水位變化關系Fig.5 Vertical average suspended sediment concentration in relation to average velocity and water depth at individual stations

3.3 單寬輸沙量

根據同期實測含沙量和單寬輸沙量統計（表5）發現，灣內水體中的懸沙以粘土質粉砂為主，漲潮三角洲海域（S1站）落潮單寬輸沙量大于漲潮，輸沙方向東偏南，該站距離大沽河口較近，水體中的懸沙粒徑與河口處及海底表層沉積物的粒徑基本一致，這說明該海域水體中的懸沙主要來源于大沽河物源及海底沉積物泥沙再懸浮的貢獻；內灣口處水體中的懸沙略粗，以砂質粉砂和粘土質粉砂為主，漲潮單寬輸沙量較大，同時大于落潮單寬輸沙量，輸沙方向北偏西。總體來說，灣內海域由于漲潮流速大導致細顆粒沉積物在漲潮過程中向灣頂輸送，并在轉流期沉積在潮坪和潮間帶內；落潮流速小，對淺水區沉積物的保存有利，而不利于膠州灣西北部入海泥沙的擴散。而外灣口（S2站）水體較清，漲潮單寬輸沙量為各站中的最大值，同時大于落潮單寬輸沙量，輸沙方向為偏西向；灣外海域水體中（S3站）懸沙以粘土質粉砂和粉砂為主，也有部分砂質粉砂，落潮單寬輸沙量要大于漲潮單寬輸沙量。落潮輸沙方向為東北向。膠州灣內其他水域水流流速低，海底沉積物中細顆粒組分較高，表現了海底沉積物與水流流速長期的平衡過程。滄口水道海域的懸沙粒徑較細，且漲潮含沙量遠大于落潮含沙量，應是細顆粒的懸沙由水流挾由灣外經灣口向灣內輸送的動力條件所致。

表5 實測含沙量和單寬輸沙量統計表Table 5 Statistics of the suspended sediment concentration and sediment discharge

4 結 論

膠州灣海域東、北分量的半日潮流振幅均大于全日潮流的東、北分量，說明該海域半日潮流占據主要地位，呈現半日潮流的性質，漲潮流流向偏西，落潮流流向偏東。大部分海區為略帶旋轉流形式的往復流，灣內為略帶順時針性質的往復流，灣外為略帶逆時針性質的往復流，灣口為往復流。海水由外海東側向灣口聚斂，后由灣口向灣內發散，形成雙向射流體系。其橢圓長軸方向基本為東西向。

膠州灣海域含沙量與流速密切相關，膠州灣水體含沙量較小，最大不超過60mg／L，灣內和灣外含沙量相對較高，灣口潮汐通道處含沙量最低，這與海底沉積物粒徑灣口粗，灣內和灣外細的分布形態基本一致。由于漲落潮的交替和流速的更迭使含沙量出現明顯的周期性變化，含沙量的峰值基本與海域半日潮流特點相對應。流速與懸沙關系對應良好，幾乎每一個流速峰值對應一個含沙量的峰值，含沙量的峰值一般出現在流速峰值之后，這是因為泥沙運動總是要落后水流運動，而泥沙的起動，再懸浮擴散都需要一個時間過程，滯后的時間由于海域和季節的不同而存在一定的差別。

膠州灣內，由于漲潮流速大，在漲潮過程中細顆粒沉積物向灣頂輸送，并在轉流期沉積在潮坪和潮間帶內；落潮流速小，對淺水區沉積物的保存有利，而不利于膠州灣西北部入海泥沙的擴散。灣口水體較清，漲潮單寬輸沙量為各站中的最大值，同時大于落潮單寬輸沙量，輸沙方向為偏西向；膠州灣內其他水域水流流速低，海底沉積物中細顆粒組分較高，表現了海底沉積物與水流流速長期的平衡過程。

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Tidal Current Dynamic Characteristic and Its Relation With Suspended Sediment Concentration in Jiaozhou Bay

CHEN Bin1，2，3，ZHANG Yong1，3，LIU Jian1，3，KONG Xiang－huai1，3
（1.Key Laboratory of Marine Hydrocarbon Resources and Environmental Geology，Ministry of Land and Resources，Qingdao 266071，China；2.Key Laboratory of Marine Sedimentology ＆Environmental Geology，SOA，Qingdao 266061，China；3.Qingdao Institute of Marine Geology，Qingdao 266071，China）

Based on the observation data of suspended sediment concentration（SSC），current velocity and direction in Jaozhou Bay，the tidal current characteristics were analyzed by applying the tidal current quasiharmonic method for short－term data，Combining SSC data，the dynamics relation between SSC and the tidal current was also discussed.The results show that the tidal current in the studied area is classified as regular semidiurnal tidal current.The east component of semidiurnal current is generally stronger than the north one.The tidal current is mainly the rectilinear with Slight rotation of flow.At flood tide，the tidal current is in the direction of west，and at ebb tide，the current is in the direction of east.As the alternation of the flood and ebb tide and the change of velocity，the SSC shows obvious cyclical changes.The peak of SSC corresponds with the characteristics of regular semidiurnal tidal current，and almost every peak of flow corresponds to a peak of SSC.The SSC is related to the tidal current during a tide，and the maximum concentration appears when the current maximum velocity has reached.The velocity and sediment discharge at the entrance of Jiaozhou Bay is largest，and the sediment discharge of the flood tide is larger than that of the ebb tide.The direction of sediment transport is west.

Jiaozhou Bay；tidal current；suspended sediment concentration；sediment discharge

November 19，2010

P731.2

A

1671－6647（2012）01－0024－12

2011－11－19

海洋沉積與環境地質國家海洋局重點實驗室開放基金項目——蘇北近岸海域懸沙的分布特征及其向海輸沙的路徑和范圍（MASEG200809）；國家青年科學基金項目——蘇北—長江口海域懸沙輸運格局及其動力控制因素（41006033）；國土資源部地質大調查項目（GZH200900501）；國土資源部海洋油氣資源與環境地質重點實驗室基金項目——蘇北近岸海域懸沙分布格局及控制因素（MRE200915）

陳 斌（1979－），男，山東濰坊人，助理研究員，博士，主要從事中國近海沉積動力的數值研究.E－mail：chenbin1007＠hotmail.com

（杜素蘭 編輯）