南黃海輻射沙脊群懸沙總體輸運特征分析

陳斌，王義剛，黃惠明，孫繼斌

（河海大學 海岸災害及防護教育部重點實驗室，江蘇 南京 210098）

江蘇海域位于南黃海西部，岸外淺海區分布著世界上特有的海底輻射沙脊群，整個海域受黃海逆時針旋轉潮波的影響（王穎，2002）。江蘇近海海域是南黃海的一部分，具有獨特又相對穩定的潮汐動力環境，其潮汐與潮流反映出外圍南黃海帶來的一種響應潮波系統和響應潮流場特征，該響應潮波系統為由東海前進潮波和黃海旋轉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境，同時也對輻射沙脊群的水沙輸運產生了重大影響。在20 世紀80年代初，江蘇曾進行了海岸帶與海涂資源綜合調查（任美鍔等，1986），對輻射沙洲歷史成因及演變規律等方面做了卓有成效的研究和分析。其后不斷有學者對輻射沙脊群不同區域進行各方面研究（陳君等，2006）。在水沙輸運方面，有對江蘇沿海區域做了詳細的懸沙平面分布以及垂直分布分析（邢飛等，2010），以及利用實測資料結合數值模擬對一些重要潮汐水道進行了水沙輸運特征分析（黃惠明等2011）。但在這些研究中，缺乏對輻射沙脊群區域懸沙輸運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查與評價”專項，收集了流速、流向、懸移質含沙量、懸移質顆分、床沙顆分、風向、風速、水溫、水色、透明度、鹽度等資料。本文利用其中懸移質含沙量，流速流向數據，采用水深對瞬時物質輸移量分解的方法，計算潮周期單寬懸沙輸移通量及其各個分量的值，重點對江蘇輻射沙脊群懸沙輸運機制以及特征進行了分析和探討。

1 理論基礎與數據介紹

1.1 通量機制分解法

通量機制分解法是最早在20 世紀60年代由Uncles 等（1986） 與Dyer 等（1988） 提出，后經過不斷完善，在國內許多區域水沙輸運研究中得到應用（楊曉東等，2011；吳德安等，2006；英曉明等，2011）。

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

u 和u 又可以分解為潮平均量和潮變化量，即

則瞬時流速可以分解為

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為潮汐與潮流相關項，即Stokes 漂流輸移項；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項；T4為懸沙與潮流場變化相關項，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項，在河口存在垂向環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生凈向陸的水沙輸移，故為垂向凈環流的貢獻；T6和T7為時均量與潮振動切變引起的剪切擴散；T8為垂向潮振蕩切變作用。

1.2 數據來源介紹

文中所采用數據為“我國近海海洋綜合調查與評價（即908 專項）”下江蘇省近海地區調查所得流速與含沙量數據。數據為2006年夏季所測得。

數據一共包含輻射沙脊群區域12 個站位，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域。其中7 個站位進行一次大潮準同步一次和小潮準同步全潮測驗（A2，A4，A5，A6，A7，A9，A12 號站位）；其它5 個站位進行一次大潮準同步全潮測驗。近岸站位為定點連續測站，離岸的一些站位則為近海大面測站（圖1）。本文將重點對這些站位進行計算分析，探討該地區懸沙輸移的一些現象與特征。

1.3 數據處理

輻射沙脊群區域為正規半日潮區域，原始數據采用整點測量，因此從原始數據中篩選出具有連續25 小時的流速流向以及含沙量的完整潮周期數據。將獲得的25 小時連續的流速流向資料進行正交分解，再結合含沙量資料按進行上述方法對兩個方向分別進行計算，最后進行復合計算，得到各測量站點潮周期單寬懸沙輸移通量（后簡稱懸沙輸運量）大小方向以及各個分量的大小和方向。

圖1 測量站位分布圖

2 輻射沙脊群懸沙輸運特征分析

2.1 懸沙總體輸運特征

從數據分析結果中發現，在輻射沙脊群地區，懸沙輸運量在各個點差異很大，沿岸地區站點A2，A3，A5 等懸沙輸運量很大，而離岸地區則相對小很多，由于數量級相差過大，數值過小的數據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。

輻射沙脊群區域懸沙輸運量如下圖所示（圖2）。

圖2 輻射沙脊群區域潮周期單寬懸沙輸移通量

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

在近岸的站點中，A2，A5 兩個站點同時表現為強烈的東南向懸沙輸運，方向較為特殊，這主要與輻射沙脊群地形有關。根據輻射沙脊群地區地形（夏娟等，2014） 可以看到這兩個站點處在西洋水道內，受西洋水道本身形態的和南黃海潮波的影響，水道內漲落潮流強勁且有較大的漲潮優勢，造成較大的南向懸沙輸運，這與20 世紀80年代江蘇海岸帶調查以先前研究（徐凡等，2013；黃惠明等，2011） 結果都想吻合。而相鄰的A3 點輸運方向較為特殊，該點處于西洋水道邊緣，西洋水道本身有內部沖刷向岸堆積的特點（劉運令 等，2011），并且逐漸向東推移，A3 點的懸沙輸運特點也印證了這一點。A7 與A8 兩點位于爛沙洋水道，懸沙輸運量較大，方向也與水道走向相符。在離岸較遠的站點，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地形復雜，處在潮流通道內的點懸沙輸運主要受到潮流方向的影響（倪文斐等，2013）。

由于輻射沙脊群區域懸沙輸移的復雜性，整體的分析并不能充分了解懸沙輸運特點，故對該地區懸沙輸移按前面所提方法進行各個分量的分析，進行進一步的研究和探討。分量計算方法如前面所介紹。在各個站位中，大潮數據較為全面，因此分量分析中，只采用所有站點的大潮數據。

2.2 平流輸沙項

平流輸沙項是各個分量中對整體貢獻最大的一項，也叫Lagrange 余流輸移量。從圖3 與圖2 的對比中可以看到，平流輸沙項的大小和方向基本和整體懸沙輸運一致（圖3）。具體的平流項以及其分項的大小與整體懸沙輸運量的對比如下（表1）。其中對比平流項（T1+T2） 和整體項T 可以發現，除12 號站位以外，平流項與整體輸沙大小基本相等，并且多數情況下平流項數值上比整體項略大，這是由于其他項的輸沙方向與平流項存在一些差異，使得最終整體的懸沙輸運量反而略低于平流項輸運量。而對比平流項的具體分量T1（平均流項）和T2（Stokes 漂流輸移項） 可以看到，其中T1項占了很大比例，多數站點中，T1的值基本等于平流項，也大致與整體輸運量相等。因此在輻射沙脊群區域，多數情況下平流項決定了整體懸沙輸運的大小和方向；而其中的平均流引起的輸運量則是平流項中其主導作用的項，所以也可以用平均流項近似代表整體的懸沙輸運大小。所有站位中A7 與A12 點情況較為特別。兩個站位的T2項較大，數值大約為T1項的一半。并且A12 點情況更為特殊，A12 點T1與T2兩項方向相反，使得T1+T2反而明顯低于T1。

圖3 平流項（T1+T2）

表1 所有站點大潮平流項分量對比（kg/ms）

2.3 潮汐捕獲項

構成T4的各項中，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，ct為垂線平均含沙量的潮周期脈動項，三項雖然各自在一個潮周期平均值未為0，但是三個關聯之后也會產生懸沙輸移，因此把T1也稱作潮汐捕獲項（劉高峰等，2005）。潮汐捕獲項量級較小，整體上呈現越近岸越大的趨勢。

圖4 潮汐捕獲項（T4）

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

2.4 垂向凈環流項

垂向凈環流主要由表層和底層含沙量差異導致。在各個分量中，垂向凈環流項是除平流輸沙項外量級最大的一項，但數量級上還是與平流項差距較大。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正好相反，呈輻散狀態（圖5）。

圖5 垂向凈環流項（T5）

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

2.5 其他項

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

3 結論

輻射沙脊群區域懸沙濃度高，地形復雜，區域內懸沙輸運方向、大小差異大，整體情況十分復雜。總體上輻射沙脊群區域懸沙輸運呈現從沿岸向外海逐漸減小，近岸最大處可達2.91 kg/ms，最小處僅10-2量級。區域內懸沙輸運方向向岸居多，但在一些特殊潮汐通道，例如西洋水道內的站位，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、潮汐捕獲項和垂向凈環流是量值較大的三項，其余分量遠小于這三項。在這三項中，平流輸沙項又是其中貢獻比例最大的一項，多數站位中其量值基本與整體懸沙輸運量值相近。而平流輸沙項的組成部分T1（平均流項） 和T2（Stokes 漂流輸移項） 兩者大小差異較大，T1量值比T2大很多，T1在多數情況下與平流輸沙項大小相近，所以在輻射沙脊群區域T1的大小一般可以近似代表整體懸沙輸運值。

潮汐捕獲項與垂向凈環流項相比于平流項較小，但在所有分量中相對較大。潮汐捕獲項和垂向凈環流項基本在平流輸沙項量值的10%以下。兩者都表現出比較好的規律性，大小上也是類似于平流項，呈現從近岸向外海減小。在方向上，潮汐捕獲項總體上呈現向輻射沙脊群輻聚的特點，而垂向凈環流項則相反，為輻散的特點。兩種特征都是由輻射沙脊群區域的潮汐潮流特點所導致。

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