三沙灣夏季底邊界層動力過程及懸沙輸運特征

齊昱愷， 涂俊彪， 于俊杰， 范代讀

(1. 同濟大學(xué)海洋地質(zhì)國家重點實驗室， 上海 200092； 2. 中國地質(zhì)調(diào)查局南京地質(zhì)調(diào)查中心， 江蘇 南京 210016)

海灣區(qū)域是海陸相互作用的關(guān)鍵帶， 有著復(fù)雜的地理形態(tài)、多重的動力作用、豐富的海洋資源和頻繁的人類活動， 使其成為海岸海洋環(huán)境研究的重點對象。三沙灣位于福建省東北沿海(圖1)， 是福建省面積最大的海灣。三沙灣屬半封閉海灣， 僅以東南方向的一個狹口(東沖口)與東海相通， 口門寬度不過3 km； 灣內(nèi)海域由三都澳、東吾洋、官井洋等眾多次一級海灣匯集而成， 是個灣中有灣、港中有港的復(fù)雜海灣[1]。

圖1 三沙灣區(qū)位和水文觀測站位圖(審圖號： GS(2019)3266號)Fig. 1 Location of Sansha Bay and observation sites

三沙灣是我國重要的天然良港和水產(chǎn)養(yǎng)殖基地，但其總體的研究程度仍較低。林航[2]統(tǒng)計分析了灣內(nèi)霞浦東沖站、寧德城澳站及福安白馬站2012年5月至2013年4月實測的逐時潮位資料， 發(fā)現(xiàn)灣內(nèi)均以落潮流為主的潮汐特征。嚴(yán)肅莊等[3]的研究表明三沙灣海域沉積物粗顆粒物質(zhì)主要是由徑流輸入的， 細(xì)顆粒物質(zhì)主要由潮流從灣外海域輸入。林建偉等[4]基于ROMS模型， 同時考慮溫度、鹽度和流場以及海表的凈熱通量、水氣通量、動量通量和地表徑流， 建立三沙灣精細(xì)化水動力數(shù)值模型。三沙灣人類活動頻繁，主要以網(wǎng)箱養(yǎng)殖為主。Lin等[5]在三沙灣開展了關(guān)于網(wǎng)箱養(yǎng)殖對水體交換的影響的研究， 結(jié)果表明網(wǎng)箱的存在會減慢海水的運動， 從而改變海灣的水動力格局，減緩灣內(nèi)外水體交換， 進而影響海灣的泥沙輸運。

三沙灣水清沙少， 沉積物再懸浮及輸運的過程主要集中在底邊界層。底邊界層作為海床與海水能量及物質(zhì)交換的重要場所， 對其動力過程的研究就顯得尤為重要。底質(zhì)沉積物在水流的作用下懸浮進入底邊界層， 然后又受到底邊界層復(fù)雜的水動力條件的影響向上擴散， 當(dāng)表層懸浮泥沙沉降后經(jīng)過底邊界層又堆積在底床， 這一系列過程能夠在底邊界動力過程中得到很好地響應(yīng)[6-7]。因此， 深入研究底邊界層動力過程是認(rèn)識三沙灣沉積動力及懸沙輸運的關(guān)鍵。其中， 底切應(yīng)力是描述底邊界層水體混合和泥沙輸運的重要參數(shù)。本文也將基于現(xiàn)場觀測數(shù)據(jù)對底切應(yīng)力等關(guān)鍵混合參數(shù)進行計算， 探究三沙灣底邊界動力過程。

懸浮泥沙是海洋沉積動力研究的一個重要因子，對研究海岸帶物質(zhì)交換和地形地貌變化有著重要意義。本文采用通量機制分解法， 探究三沙灣的懸沙輸運機制。利用傳統(tǒng)的水文學(xué)方法分析處理實測數(shù)據(jù)， 研究單點測站或斷面的懸沙濃度變化是前人研究懸沙輸運機制所普遍采用的研究手段[8-10]。Dyer[11]提出了懸沙通量計算公式， 對流速和含沙量進行了平均值和脈動值的分解， 再結(jié)合橫截面面積，用這三者乘積來表示一個潮周期通過某橫斷面的懸沙通量。

目前對于三沙灣的水文環(huán)境研究更多集中于采用模型探討其水動力過程， 也有部分集中于水產(chǎn)養(yǎng)殖方面， 但鮮少開展針對灣內(nèi)泥沙輸運格局和機制的研究。本文的工作為進一步研究三沙灣底質(zhì)再懸浮， 底邊界能量物質(zhì)交換、海岸帶工程建設(shè)及生態(tài)環(huán)境保護等有著重要的參考意義。基于2018年夏季在三沙灣海域獲得的水文泥沙數(shù)據(jù)， 結(jié)合觀測期間水文泥沙時空變化特征， 分析比較了三沙灣底邊界動力過程以及懸浮泥沙通量， 探討沉積物在底邊界層動力中的再懸浮情況。

1 方法

1.1 野外觀測

2018年8月1—8日先后在寧德三沙灣ND-2站位(中潮， 2日8： 00—3日9： 00)和ND-8站位(小潮，7日16： 00—8日17： 00)進行了現(xiàn)場水文定點潮周期觀測， 主要包括流速、鹽度、溫度、濁度等水文參數(shù)的采集。航次調(diào)查期間， 天氣狀況良好， 風(fēng)浪較小。觀測期間， 使用雙頻測深儀記錄水深， 將光學(xué)后向散射濁度計Campbell OBS-3A固定在不銹鋼架子上，在OBS-3A探頭同一高度固定水管口， 并下置鉛魚，通過絞車在各站位每小時拉剖面一次對整個水柱的水文參數(shù)進行觀測。在表層、中層、底層各停留3～5 min， 并對相應(yīng)層位抽取一定量的水樣， 現(xiàn)場用規(guī)格為直徑47 mm、孔徑0.45 μm的醋酸纖維濾膜進行抽濾， 記錄水樣體積， 將濾后的濾膜包裝好帶回實驗室進行烘干稱重， 計算各水樣的懸沙濃度(suspended sediment concentration，CSS)。此外， 流場觀測的儀器主要有： ND-2站位， ADCP 600 kHz(坐底三腳架探頭朝上， bin size： 0.5 m)、ADCP 300 kHz(海表面浮船探頭朝下， bin size： 1.0 m)、ADP(坐底三腳架探頭朝下，距底約1.05 m， bin size： 0.04 m， 4 Hz)和ADV(坐底三腳架， 距底0.75 m， 8 Hz)； ND-8站位， 除ADV(坐底三腳架， 距底0.50 m， 32 Hz)的設(shè)置不同， 其余儀器設(shè)置不變。

1.2 數(shù)據(jù)分析

1.2.1 底邊界層摩阻流速的計算

摩阻流速*u是描述底邊界層混合和沉積物再懸浮的重要參數(shù)。然而摩阻流速難以直接測量， 通常通過對流速的現(xiàn)場觀測計算得到：

其中，0τ為底切應(yīng)力，0ρ是海水的平均密度。

本文將用前文所述的3種方法估算ND-2、ND-8站位的底邊界摩阻流速， 討論比較各個方法的差異。

1) 直接協(xié)方差測量法(COV法)

直接協(xié)方差測量法是一種根據(jù)摩擦速度*u的定義來直接估算雷諾應(yīng)力的方法。每個測得的瞬時流速(u、v、w)在無明顯波浪影響下都可以進一步分解為2個部分， 平均流速和脈動項(u′、v′、w′)。COV法取決于雷諾應(yīng)力的直接估算， 與脈動流速的時均量直接相關(guān)[12]

在常應(yīng)力層內(nèi)， 底應(yīng)力0τ可以假定近似等于雷諾應(yīng)力， 結(jié)合公式(1)則有：

2) 對數(shù)剖面法(LP法)

對數(shù)剖面法是利用在常應(yīng)力層內(nèi)流速成對數(shù)分布的特點來估算摩阻流速*u， 又根據(jù)底邊界層剪切理論和經(jīng)驗觀察， 有：

其中，U為平均流速(m/s)，z為距海底高度(m)，κ≈0.4為卡門常數(shù)。

在底床附近的區(qū)域， 因流速成對數(shù)分布， 所以被稱之為對數(shù)層， 將上式積分得到對數(shù)形式， 即：

其中，z0被稱為粗糙長度。通過觀測距底不同層位z的流速剖面U， 可以擬合得到摩阻流速*u和粗糙長度z0。

3) 慣性耗散法(ID法)

慣性耗散法利用了慣性子區(qū)內(nèi)湍動能(P)的剪切生成和耗散率(ε)相互平衡的理論關(guān)系。本文對ADV采集的流速在各個方向上進行了功率譜分析(圖5)，結(jié)果表明垂直方向的流速受到噪聲影響較小， 且在對數(shù)空間內(nèi)基本吻合–5/3的斜率， 故選取垂直方向的湍流流速功率譜計算湍動能耗散率：

α為Kolmogorov常數(shù)取1.56，kw為波數(shù)等于根據(jù)Taylor凍結(jié)假設(shè)[13](Taylor's frozen turbulence hypothesis)， 波數(shù)譜和頻譜存在這樣的換算關(guān)系：為水平流速的時間平均， 進而計算得到湍動能耗散率ε。

海底邊界層內(nèi)海水的運動被認(rèn)為是穩(wěn)定的一維單向湍流運動， 遠(yuǎn)離湍動能的生成區(qū)和耗散區(qū)， 即處于慣性子區(qū)內(nèi)， 湍動能的生成和耗散處于平衡狀態(tài)[14-17]， 得到如下關(guān)系：

P與ε兩者在理想情況下是相等的， 通過這兩者的實際關(guān)系可以用來驗證數(shù)據(jù)。

結(jié)合公式(3)(COV法)和公式(4)(LP法)， 可得：

1.2.2 拖曳系數(shù)的計算

本文還對拖曳系數(shù)(drag coefficient，CD)進行了計算。底部切應(yīng)力與拖曳系數(shù)、對應(yīng)層的平均流速還有水體密度相關(guān)

結(jié)合公式(1)， 可得

1.2.3 懸沙輸運

1) 懸沙濃度反演

本文研究區(qū)水清沙少， 在ND-2站位和ND-8站位利用OBS-3A實測時得到的濁度值很小， 某些時刻的測量值甚至小于OBS-3A的測量精度， 得到的數(shù)據(jù)結(jié)果會存在較大誤差。Rügner等[18]， Lin等[19]，Grayson等[20]等均認(rèn)為在低濁度水域， 擬合曲線應(yīng)是過原點的正比例曲線， 即CSS=mNTU， NTU是濁度單位。研究區(qū)表層與底層的懸沙濃度數(shù)據(jù)在室內(nèi)分析時存在較大誤差與對應(yīng)層的濁度擬合結(jié)果不理想，為了能夠更精確地反演懸沙濃度， 本文用中層濁度數(shù)據(jù)與對應(yīng)層的懸沙濃度進行擬合，如圖2所示。

圖2 中藍(lán)色虛線是擬合曲線y=3.132x， 紅色和橙色虛線分別是擬合系數(shù)95%的置信區(qū)間y=2.901x、y=3.362x。

圖2 濁度數(shù)據(jù)擬合曲線Fig. 2 Calibration for the OBS outputs (NTU)

2) 懸沙通量機制分析

懸沙通量是指單位時間內(nèi)垂直通過某一給定面積的懸沙總量。懸沙通量的機制分解是以研究懸沙通量輸運機理為目的， 將懸沙通量分解為若干個動力項， 研究這些動力項對總通量的貢獻(xiàn)以及各個動力項所代表的內(nèi)在機理， 前人對機制分解法已有較多研究， 是一個較成熟的研究分析方法。Dyer[21]將瞬時流速u(x，z，t) 分解為垂向平均量及其偏差項uv之和， 而垂向平均值又可以分解為潮平均項和潮變化項所以瞬時流速u(x，z，t)表達(dá)式為：

同理， 瞬時含沙量c(x，z，t)表達(dá)式為：

因本文研究站位水深隨潮周期變化較大， 將水深h(x，t)也分解為潮平均項h0和潮變化項ht：

則根據(jù)懸沙通量的定義， 得到懸沙潮周期Tt平均瞬時單寬懸沙輸運通量為：

式中：T為潮周期，——表示垂向平均， 〈〉表示潮周期平均。T1、T2又稱為平流輸移， 即拉格朗日輸移， 反映了單寬潮周期平均水體對單寬潮周期平均懸沙輸運的影響；T3、T4、T5反映了漲落潮時水體夾帶懸沙的交換現(xiàn)象， 三者共同組成潮泵輸移項， 它表示了懸沙的沉降、沖刷與流速間的相位差所引起的輸移；T6、T7組成垂向凈環(huán)流輸移項， 與剪切擴散相關(guān)[22-23]。

2 結(jié)果與討論

2.1 溫度、鹽度、懸沙濃度以及流速的時空分布特征

根據(jù)儀器觀測結(jié)果， 在航次觀測期間， ND-2站位于三沙灣航道分叉處， 平均水深10.6 m， 潮差5.5 m， 漲潮平均流速0.37 m/s， 最大漲潮流速0.81 m/s， 流向346°；落潮平均流速0.33 m/s， 最大落潮流速0.66 m/s， 流向170°。ND-8站位于三沙灣灣外較開闊海域， 平均水深31.2 m， 潮差4.5 m， 漲潮平均流速0.34 m/s， 最大漲潮流速0.63 m/s， 流向274°， 落潮平均流速0.39 m/s， 最大落潮流速0.81 m/s， 主流向93°。兩個站位漲落潮時長基本一致約6小時， 但呈現(xiàn)出漲落潮流速的不對稱： ND-2站位漲潮流速大于落潮流速而ND-8站位則相反(圖3a、3b)。

兩個站位鹽度呈現(xiàn)明顯的垂直分層現(xiàn)象(圖3c、3d)。ND-2站位于交溪河口處， 由交溪帶來的淡水與灣外輸入的海水相互作用， 使得鹽度隨漲落潮呈周期性變化。鹽度最低值出現(xiàn)在落平潮表層， 最高值出現(xiàn)在漲平潮底部， 整體鹽度范圍27～32。ND-8站位受到灣內(nèi)淡水影響較小， 總體鹽度相較ND-2站位大，鹽度變化范圍小， 基本為33～34。

兩個站位的溫度在垂向剖面上與鹽度分布相似(圖3e、3f)， 灣內(nèi)ND-2站位漲潮時低溫海水從底部進入灣內(nèi)， 至漲潮后期水體混合良好， 落潮時層化較為顯著。ND-8站位水體溫度呈現(xiàn)良好分層， 且未見漲落潮顯著差異。

此次研究區(qū)域懸沙濃度較低， 通過擬合反演得到整個剖面的懸沙濃度(圖3g、3h)。ND-2站位在漲急時， 雖然底層水體流速較小， 但漲潮流先從底層進入帶起部分底部沉積物， 導(dǎo)致懸沙濃度升高， 最大值為212.3 mg/L，可影響至距底5 m左右的位置， 5 m以上水體懸沙濃度變化范圍在28.5～86.4 mg/L； 但在落急時， 表、中層水體向灣外方向退去， 對水體底部的沉積物作用較弱， 沉積物再懸浮引起的水體懸沙濃度并沒有漲急時來的高。而ND-8站位水體的懸沙濃度更低， 最大值109.3 mg/L，底層懸沙濃度高于中層和表層， 在距底5 m以下， 懸沙濃度變化范圍較大約在24.7～109.3 mg/L， 由于水深較深，漲落潮時引起的懸沙濃度升高僅能影響距底10 m左右的位置。綜上， 三沙灣區(qū)域沉積物搬運、再懸浮的過程主要集中在水體近底部， 因此， 本文將對ND-2、ND-8站位的底邊界層的相關(guān)物理過程進行更深入的研究。

圖3 ND-2站位、ND-8站位流速(a、b)、鹽度(c、d)、溫度(e、f)和懸沙濃度(g、h)的潮周期變化Fig. 3 Temporal variations of vertical structure in current velocity (a， b)， salinity (c， d)， temperature (e， f)， and suspended sediment concentration (g， h) over the tidal cycles at sites ND-2 and ND-8

2.2 底邊界層物理過程分析

2.2.1 沉積物再懸浮

將ND-2、ND-8底邊界分別為距底0.75 m、0.50 m層的流速與單個潮周期懸沙濃度變化結(jié)合(圖3g、3h)，在漲落潮流急時底部的水體懸沙濃度明顯升高， 沉積物被湍流攜帶而起， 存在明顯的再懸浮， 且2個站位懸沙濃度在單個潮周期內(nèi)的變化相對于流速的變化存在一定滯后。在高潮位和低潮位時， 底邊界層水體流速小不足以搬運沉積物， 此時水體底部懸沙濃度較低。對比ND-2與ND-8站位， ND-2站位的底層流速大于ND-8站位(圖3g、3h、4a、4b)， 能夠卷起更多的泥沙， 水體也更渾濁。

2.2.2 摩阻流速特征

底應(yīng)力可以控制沉積物在底床上的再懸浮、搬運及沉積。而底應(yīng)力的強弱又可以從摩阻流速等物理參數(shù)來體現(xiàn)。本文在數(shù)據(jù)采集時， 在ND-2、ND-8站位坐底三腳架上布放了ADV與ADP， 用于對底邊界層物理過程的深入觀測。

ND-2站位、ND-8站位ADV采集的流速數(shù)據(jù)分別為距底0.75 m、0.50 m， 繪制底部流速矢量圖可以發(fā)現(xiàn)ND-2站位距底0.75 m的潮流為往復(fù)流， ND-8站位距底0.5 m的潮流為旋轉(zhuǎn)流(圖4c、4d)。另外， 在對兩個站位的底邊界層流速做功率譜分析時， 發(fā)現(xiàn)在三個速度分量譜中在對數(shù)坐標(biāo)下存在–5/3斜率。其中， 垂直方向的流速功率譜斜率最接近–5/3理論斜率， 其受到環(huán)境噪聲影響較小， 同時這也標(biāo)志著慣性子區(qū)間的存在(圖5)。

圖4 ND-2站位(a、c、e、g、i)、ND-8站位(b、d、f、h、j)底邊界水平流速流速、流速矢量、雷諾應(yīng)力和摩阻流速潮周期變化Fig. 4 Temporal variations in the horizontal velocity， current vector， Reynolds stress， and friction velocity over the tide cycles at (a， c， e， g， and i) ND-2 and (b， d， f， h， and j) ND-8

圖5 ND-2站位(a)、ND-8站位(b)底邊界層速度分量功率譜Fig. 5 Power spectrum of the 3D velocity components at (a) ND-2 and (b) ND-8

1) COV法

用COV方法可以直接估算ND-2、ND-8站位底邊界的雷諾應(yīng)力(圖4e、4f)。結(jié)果顯示， ND-2站位與ND-8站位的雷諾應(yīng)力與該點位的平均流速存在較好的正相關(guān)性， 流速大時雷諾應(yīng)力也相對較大； 從整體來看， ND-2站位的雷諾應(yīng)力大于ND-8站位， 又根據(jù)得到兩個站位的摩阻流速， ND-2平均值為0.016 m/s， 最大值為0.030 m/s； ND-8平均值為0.012 m/s， 最大值為0.027 m/s。

2) LP法

經(jīng)過對ADP的流速數(shù)據(jù)(距底1.05 m)處理后發(fā)現(xiàn)， ND-2、ND-8站位底邊界層的流速符合對數(shù)分布(圖6)， 故可利用LP方法求得兩站位的摩阻流速。在對數(shù)擬合過程中， 為了能夠得到更精確的摩阻流速， 計算時挑選了擬合相關(guān)系數(shù)R2＞0.98的時刻數(shù)據(jù)。對比ND-2與ND-8站位， 灣內(nèi)的ND-2站位摩阻流速曲線的起伏波動較灣外ND-8的小。用LP方法求得ND-2站位底邊界層摩阻流速平均值為0.021 m/s， 最大值0.053 m/s； ND-8站位底邊界層摩阻流速平均值為0.024 m/s， 最大值0.062 m/s(圖4g、4h)。

圖6 ND-2站位(a)、ND-8站位(b)底邊界流速對數(shù)層擬合結(jié)果Fig. 6 Logarithmic layer fitting curve for the measured velocity at (a) ND-2 and (b) ND-8

3) ID法

ND-2、ND-8站位底邊界湍動能的產(chǎn)生和耗散存在如圖7的關(guān)系， 其中P是通過雷諾應(yīng)力計算得到(式7)，ε是根據(jù)功率譜中的斜率計算得到(式6)， 兩個站位的P與ε處于相對平衡的狀態(tài)。根據(jù)式8可以得到ND-2與ND-8站位的摩阻流速(圖4g、4h)。結(jié)果顯示， 在潮周期內(nèi)圖像連續(xù)且隨著漲落潮流速變化， 摩阻流速也發(fā)生相應(yīng)的變化， 在ND-2站位， 底邊界層摩阻流速的平均值為0.015 m/s， 最大值0.028 m/s； ND-8站位， 底邊界層摩阻流速的平均值為0.014 m/s， 最大值0.027 m/s。

圖7 ND-2站位(a)、ND-8站位(b)能量產(chǎn)生與耗散Fig. 7 Scatter plots of the turbulent kinetic energy production (P) and dissipation (ε) at (a) ND-2 and (b) ND-8

對比兩個站位用3種方法估算的摩阻流速， 結(jié)果為LP法估算的摩阻流速最大， COV法與ID法的估算結(jié)果相近， 這與Sherwood等[24]得到的結(jié)論類似。LP法通常應(yīng)用于穩(wěn)定且發(fā)育良好的底邊界層中， 流速通常符合對數(shù)分布規(guī)律[14]， 對數(shù)據(jù)的擬合相關(guān)性要求較高， 較低的擬合相關(guān)性會對計算結(jié)果有巨大影響，這種方法容易受水體層化或底床變化的影響[25]。本文選取R2＞0.98的數(shù)據(jù)， 故可以忽略數(shù)據(jù)上對計算結(jié)果造成的誤差； 另外， Kim等[26]認(rèn)為沉積物分層也會影響LP法的估算結(jié)果； 另一誤差來源是， 分析計算時，通常假設(shè)底床位置不變， 在動力較強區(qū)， 底床會在潮周期內(nèi)發(fā)生變化， 在此情況下若仍使用z=0的固定位置， 勢必會造成誤差。根據(jù)上述誤差來源分析ND-2，ND-8站位可能存在的情況， 在灣內(nèi)的ND-2站位主要受到潮汐作用的影響， 波浪的對底床形態(tài)的影響可忽略不計， 而該站位懸沙濃度較高， 影響結(jié)果誤差的主要因素很可能是沉積物分層； 處于灣外的ND-8站位懸沙濃度較低， 受到潮汐和波浪的共同作用， 底床形態(tài)的變化可能是計算結(jié)果誤差的主要原因。COV法的估算結(jié)果在靠近底床時更加準(zhǔn)確， 更適用于恒應(yīng)力層摩阻流速的計算[26]， Voulgaris等[27]和Trowbridge等[28]用COV方法計算大陸架海域摩阻流速取得了較為精確的估計值。與LP法不同， COV法并不依賴測量點距底的高度， 誤差主要來源于觀測時儀器是否發(fā)生傾斜或是否收到次生流的影響， 本文中ND-2站位與ND-8站位摩阻流速的結(jié)果與流速成正相關(guān)關(guān)系， 推測觀測時底部水體混合均勻處于恒應(yīng)力狀態(tài)。ID法基于慣性子區(qū)內(nèi)湍動能的產(chǎn)生和耗散之間平衡的理論關(guān)系， 來估算底邊界層摩阻流速， 該方法已廣泛應(yīng)用于海洋底邊界層的研究[28-29]。因此， 湍動能的產(chǎn)生區(qū)和耗散區(qū)是否充分分離以及底部沉積物分層是否會擾亂湍動能產(chǎn)生和耗散的局部平衡是ID法估算結(jié)果的主要誤差來源。Kim等[26]認(rèn)為因懸浮泥沙分層導(dǎo)致的產(chǎn)生與耗散的擾亂， 可能會使最后的估計值偏小10%， 結(jié)果顯示ID法的估算結(jié)果較準(zhǔn)確。本次研究中，利用COV法和ID法求得兩個站位的摩阻流速接近，且誤差較小， LP法的估算結(jié)果存在較大誤差， 為了讓誤差最小化， 盡可能避免3種計算方法適用條件造成的局限， 故舍去LP法的估算結(jié)果， ND-2站位與ND-8站位取COV法與ID法計算結(jié)果的平均值作為該站位的摩阻流速(圖4i、4j)。ND-2站位摩阻流速平均值為0.016 m/s， ND-8站位摩阻流速平均值為0.013 m/s。

拖曳系數(shù)也是一個能夠反映底邊界層泥沙輸運情況的重要物理參數(shù)。根據(jù)公式(10)， 可以得到兩個站位的拖曳系數(shù)。但在計算時， 由于在流速小于0.1 m/s的情況下， 儀器在收集數(shù)據(jù)時會受到噪聲干擾， 以至于得到數(shù)據(jù)無法檢驗湍流行為[30]， 進一步計算會導(dǎo)致計算結(jié)果誤差較大。本文ND-2站位中所有時刻的流速頻譜符合–5/3斜率， 但ND-8站位存在50個時刻的流速慣性子區(qū)間被噪聲干擾受到限制[31-32]， 圖像斜率并不符合–5/3斜率， 所以舍去后對剩余100個數(shù)據(jù)進行結(jié)果擬合。從最后的擬合結(jié)果(圖8)中可以發(fā)現(xiàn)，ND-2站位距底0.75 m的拖曳系數(shù)約為2.03×10–3，ND-8站位距底0.50 m的拖曳系數(shù)約為2.03×10–3， 兩個站位的0.75 m層與0.50 m層的拖曳系數(shù)幾乎相等， 可以推斷出ND-2站位的底邊界切應(yīng)力大于ND-8站位。

圖8 ND-2站位(a)、ND-8站位(b)拖曳系數(shù)Fig. 8 Drag coefficient of (a) ND-2 and (b) ND-8

2.3 懸沙輸運機制分析

運用公式(14)對ND-2、ND-8站位的潮周期平均單寬懸沙輸運量進行計算， 結(jié)果如圖9和表1。其中，T1—T7分別表示不同動力因素相關(guān)的通量項，Tsum為凈輸運通量， 正值表示沿主流速方向向內(nèi)(向灣內(nèi))， 負(fù)值表示沿主流速方向向外(向灣外)。從圖中可以看到， 三沙灣懸沙整體從灣外向灣內(nèi)方向輸運， ND-2站位潮周期平均單寬懸沙輸運強度為74.88 g/(m·s)， 遠(yuǎn)大于ND-8站位10.57 g/(m·s)， 兩個站位的輸沙強度受到不同動力因素的影響， 在ND-2站位平流輸沙項(T1、T2)占主導(dǎo)作用， 潮泵輸沙項(T3、T4、T5)次之， 垂向凈環(huán)流輸沙項略有影響； ND-8站位平流輸沙和垂向凈環(huán)流輸沙是主要影響因素，潮泵輸沙幾乎無貢獻(xiàn)。

圖9 ND-2站位(a)、ND-8站位(b)潮周期平均單寬懸沙通量Fig. 9 Tidally averaged fluxes per unit width at the observation sites： (a) ND-2 (a) and (b) ND-8

表1 單寬輸沙量絕對值的貢獻(xiàn)率(%), 沿流速主方向向灣內(nèi)為正Tab. 1 Contributions of different sediment transport parameters to the magnitude of absolute sediment transport (%),positive toward the bay along the main direction of the velocity

歐拉余流輸沙項(T1)和斯托克斯漂移輸沙項(T2)構(gòu)成平流輸沙項， 又稱為拉格朗日余流輸沙項。其大小與余流和潮周期平均懸沙濃度密切相關(guān)。ND-2與ND-8站位在觀測期間，T1均大于T2， 這使得平流輸沙項的方向主要由T1決定。在ND-2站位，T1與T2方向相同， 均向灣內(nèi)方向， 兩者加強了懸沙向灣內(nèi)輸運；在ND-8站位，T2抑制懸沙向灣內(nèi)輸運， 其方向與T1相反， 平流輸沙方向向灣內(nèi)。ND-2站位平流輸沙強度為62.83 g/(m·s)， ND-8站位為20.58 g/(m·s)。

潮汐與懸沙濃度潮變化項(T3)、潮汐、潮流與懸沙濃度潮變化項(T4)、潮流與懸沙濃度潮變化項(T5)共同組成潮泵輸沙， 由于漲落潮挾沙量不同， 導(dǎo)致底部沉積物在潮周期內(nèi)不對稱輸移， 并且其產(chǎn)生的滯后效應(yīng)使得懸沙濃度與流速存在一定的相位差，從而在潮周期內(nèi)懸沙發(fā)生凈輸移。ND-2站位T3和T4作用較小，T5的貢獻(xiàn)占主要， 且懸沙向灣內(nèi)方向輸運，輸沙強度為49.25 g/(m·s)。而在ND-8站位， 潮泵輸沙項幾乎為0， 輸沙強度為0.78 g/(m·s)。張釗等[33]認(rèn)為在漲潮懸沙濃度明顯大于落潮的潮周期里，T5向陸輸沙， 在漲落潮懸沙濃度相差無幾的潮周期里，T5輸沙強度較弱。

重力環(huán)流貢獻(xiàn)項(T6)與流速與含沙量潮變化垂向剪切相關(guān)項(T7)組成垂向凈環(huán)流輸沙項。由于在垂向上， 各層余流的不一致和懸沙濃度分布不均勻， 導(dǎo)致在潮周期內(nèi)各層輸沙量疊加后不能相互抵消， 從而產(chǎn)生懸沙的凈輸移， 不難得出， 垂向環(huán)流輸沙項的強度與垂向余環(huán)流和懸沙垂向分布情況緊密相關(guān)。在觀測期間兩個站位的垂向凈環(huán)流輸沙項并不高都向灣外輸沙， 其中的T6項均為主要貢獻(xiàn)項， ND-2站位垂向凈環(huán)流輸沙項強度為–31.24 g/(m·s)， 在ND-8站位垂向凈環(huán)流輸沙項強度為–10.79 g/(m·s)。

三沙灣地區(qū)主要受到潮汐的影響。平流輸沙方向主要受余流的控制， 根據(jù)資料三沙灣夏季余流方向北， 導(dǎo)致ND-2及ND-8站位的平流輸沙向灣內(nèi)。Yu等[34]認(rèn)為潮泵作用引起的懸沙輸運主要是海流不對稱及泥沙滯后效應(yīng)引起的。在ND-2站位潮差較大，漲落潮流呈現(xiàn)明顯的不對稱性， 從而導(dǎo)致了潮泵輸沙整體向灣內(nèi)。ND-8站位流速呈旋轉(zhuǎn)流特征， 而機制分解法潮泵輸沙項對往復(fù)流的響應(yīng)明顯， 在ND-8站位潮泵輸沙貢獻(xiàn)率低可能是旋轉(zhuǎn)流導(dǎo)致了懸沙橫向輸移。

3 結(jié)論

1) 三沙灣潮汐類型為正規(guī)半日潮。灣內(nèi)ND-2站位溫鹽特征明顯受漲落潮影響， 表現(xiàn)為漲潮時水體呈低溫高鹽， 落潮相反； 位于灣外的ND-8站位水體層化明顯且基本不受漲落潮的影響。三沙灣水域懸沙濃度總體較低， 并呈現(xiàn)出底層聚集和隨流速變化的特征， 表明再懸浮作用起主導(dǎo)作用。

2) 位于灣內(nèi)的ND-2站位近底層懸沙濃度灣外ND-8站位高。通過計算發(fā)現(xiàn)ND-2站位底切應(yīng)力較ND-8更大， 因此判斷為潮致切應(yīng)力主導(dǎo)下的底部再懸浮導(dǎo)致ND-2懸沙濃度更高。

3) 懸沙通量機制分解表明， 三沙灣夏季中潮與小潮期間的潮周期單寬懸沙從灣外向灣內(nèi)方向凈輸運， 在ND-2站位平流輸沙項占主導(dǎo)作用， 潮泵輸沙項次之， 垂向凈環(huán)流輸沙項略有影響； ND-8站位平流輸沙和垂向凈環(huán)流輸沙是主要影響因素， 潮泵輸沙幾乎無貢獻(xiàn)。

致謝： 參與外業(yè)調(diào)查的還有阮得衛(wèi)， 江彬彬， 任發(fā)慧， 李健成， 孫飛翔，一并表示感謝。