大風條件下江蘇沿海近岸懸沙響應特征分析

2022-07-04 09:27:20周邢杰陶建峰

水道港口 2022年2期

周邢杰，陶建峰

(河海大學港口海岸與近海工程學院，南京 210024)

海岸泥沙運動作為海岸動力與海床相互作用的紐帶，是陸海相互作用的重要研究內容。在周期性潮流動力作用下，懸沙濃度的時空分布呈一定規律性，但在臺風、寒潮等大風過程中，強風浪將明顯改變海底剪切應力，引起海床沉積物的再懸浮，導致水體懸沙濃度及其垂向分布劇烈變化[1]。潮流和波浪聯合切應力是波流共同作用最具代表性的表現形式[2]。Grant等[3]認為潮流、波浪及其聯合作用產生的切應力是海床沉積物得以懸浮和垂向擴散的原因；苗立敏等[4]發現風暴期間的波高、波流聯合切應力、懸沙濃度和輸沙率均比平靜天氣高數倍；此外，水體底部形成的高濃度懸沙層還有可能產生減阻效應，使得床面切應力減小[5]。波流耦合強切應力的作用使得海岸泥沙運動更為復雜，且隨動力條件變化而發生海床沉積物級配、海床結構等變化，提高了大風條件下泥沙運動研究的難度，因此研究大風條件下的海岸泥沙運動對海岸工程[6]、海岸地貌演變等有重要意義。

江蘇海岸位于我國沿海中部，包括海州灣、廢黃河口、輻射沙脊群和長江口北支口外海域,海岸以粉砂淤泥質為主，泥沙易起動、易懸浮，受大風天氣干擾大[7]，泥沙運動及其分布規律一直是該海域的研究熱點。邢飛等[8]對江蘇沿海懸沙空間分布做了細致分析，認為強潮流動力造成的泥沙再懸浮是近岸海域懸沙濃度終年偏高的主要因素。陳斌等[9]和徐粲等[10]分別探討了南黃海輻射沙脊群整體和潮汐水道的懸沙輸運特征，認為懸沙輸運從陸向海逐漸減小、區域內以向岸輸運居多、潮汐水道內則由往復性強潮流控制；Bian等[11]通過分析黃海和東海懸沙濃度時空變化，得出風引起的垂向摻混作用導致了表層懸沙濃度的區域分布差異、而潮流控制著底層的懸沙濃度變化。如上所述，以往研究大多基于正常天氣展開，由于大風期間時間尺度短、動力條件強、實測資料收集難度大，關于大風條件下江蘇沿海懸沙運動研究相對較少。然而，江蘇海域受季風和臺風影響嚴重，根據資料統計，1949年—2020年間對江蘇沿海產生影響的熱帶氣旋共有213次[12-13]，寒潮平均每年發生5.1次[14]。本文基于江蘇沿海多個測站不同大風天氣期間的實測資料，對比了不同公式計算波流聯合切應力與近底懸沙濃度過程的相關性，在此基礎上分析了江蘇沿海懸沙運動對動力條件的響應規律，以期提升對大風條件下懸沙運動規律的認知，為海岸防護和工程建設等提供技術支撐。

1 研究資料及方法

1.1 研究資料

收集到江蘇沿海大風期間7個測站的氣象、水文和泥沙實測資料(站位見圖1)，其中：連云港(LYG)測站位于淤泥質海岸的海州灣海域，大豐港(DF1、DF2、DF3)、洋口港(YK1、YK2，為兩次大風天測站位置，基本接近)和呂四港(LS)測站分別位于粉砂淤泥質海岸的西洋、爛沙洋和小廟洪。LYG測站以2個RBR濁度儀和1個CTD測沙儀觀測含沙量，以 AWAC和波潮儀分別測量水流和波浪過程；DF1、DF2和DF3在床面以上1.8 m、1.4 m處布置AWAC和“闊龍”分別測量上、下部水體的流速剖面及波浪過程，采用 OBS濁度儀觀測含沙量過程；YK1和YK2處使用AWAC測量水流以及波浪過程，通過RBR濁度儀得到水體含沙量；LS測站處分別以ADCP聲學剖面流速儀、AWAC和OBS濁度儀進行流速、波浪、含沙量觀測。

圖1 大風天測站位置示意圖Fig.1 Location of stations for observing storm wind events

具體大風天氣及動力、泥沙、含沙量測量位置等相關參數見表1。由表1可見， LYG測站底沙中值粒徑、垂線平均流速明顯小于其他測站。DF1、DF2、DF3測站風后底沙粒徑較風前明顯粗化，LS測站大風期間底沙粒徑大于風后。由于缺少底沙資料，表中爛沙洋海域YK1、YK2測站用懸沙中值粒徑替代，大風期間懸沙粒徑有所增大。

表1 江蘇沿海各測站的大風天氣、沉積物特征及動力特征Tab.1 Storm events, sediment characteristics and dynamic characteristics of each station in Jiangsu coast

1.2 研究方法

在波流共同作用中，流致切應力提供穩定分量，浪致切應力提供振蕩分量，兩者在邊界層內以非線性方式疊加。在一個波周期內，波流聯合切應力主要有三種形式：一是平均切應力τm，決定控制水流的摩阻程度和沉積物向外層水體的擴散；二是最大切應力τmax，決定泥沙的起動和近底擴散；三是均方根應力τrms，是衡量切應力大小的重要形式，在隨機波中應用廣泛[15]。具體來說，最大底床切應力控制能進入懸浮狀態的泥沙粒徑大小，隨波浪變化的均方根切應力和最大底床切應力同時控制懸沙濃度剖面的形狀[16]。以往研究指出，波浪和水流的夾角會影響水動力的作用[17]，波浪對懸沙分布的影響在近底處更顯著[18]。因此，本文通過分析近底懸沙濃度和最大波流聯合切應力的響應關系，探究江蘇沿海不同區域在不同大風天氣下的懸沙運動規律。

1.2.1 波流聯合切應力計算

以往研究中[4,19]一般只選用一種或一類公式用以分析切應力對底床沉積物再懸浮的影響，這可能使計算結果產生較大誤差。本文選用兩種類型的公式進行對比分析，選擇適用于各測站的公式。

(1)Whitehouse公式[15]。

該公式基于對現場數據的擬合，具體計算公式為

τcw1=[(τm1+τw1cosφ)2+(τw1sinφ)2]0.5

(1)

(2)

式中：τcw1為最大波流聯合切應力；φ為波浪和水流的夾角；τm1為平均波流聯合切應力，τc1、τw1分別為流致切應力和浪致切應力，由下式計算

(3)

(4)

式中：ρ為海水密度；u*為摩阻流速；fw為波浪底摩阻系數；Uw為底部波浪水質點速度。

(2)Soulsby-Clarke公式[20]。

該公式基于物理模型的推導，考慮了水流條件的影響，具體計算公式為

(5)

(6)

(7)

紊流條件下

(8)

(9)

1.2.2 適用性分析

鑒于本文探究的是大風條件下近底懸沙濃度和波流聯合切應力兩個離散時間序列的響應規律，通過比較τcw1、τcw2和近底懸沙濃度之間的相關性大小來選取適合不同測站的公式。以τcw1為例，取τcw1和近底懸沙濃度在大風期間的逐時序列為τcw1(n)、S(n)，根據離散時間序列的相關性定義，將τcw1(n)翻轉為τcw1′(n)并與S(n)求卷積后進行平移，得到相關程度序列

(10)

表2 各測站近底懸沙濃度與波流聯合切應力的最大相關系數及對應的延遲量Tab.2 The maximum correlation coefficient between suspended sediment concentration near the bottom and wave-current coupled shear stress at each station and the corresponding lag time

將兩種公式得到的最大相關系數r1max、r2max及其對應的延遲量lag1、lag2具體列于表2，除個別測站外，不同公式計算的切應力與近底懸沙濃度的最大相關系數均超過0.8。由表2可見，LYG測站的r1max為0.82、lag1為0，表示大風過程中公式(1)的計算結果和近底懸沙濃度過程響應良好，后文圖2也能反映這一關系，而lag2為6，且r2仍有增大的趨勢，說明S(n)滯后τcw2(n)可能超過6 h。DF1、DF2、 DF3測站r1max與r2max相差不大， DF3處lag1、lag2都為1，說明大風期間DF3處的近底懸沙濃度略滯后波流聯合切應力約1 h。 YK1測站r2max大于r1max，延遲量lag2為-2，即YK1處近底懸沙濃度變化過程提前于波流聯合切應力約2 h；YK2測站r1max大于r2max，延遲量都為0。LS測站r1max小于r2max，對應延遲量分別為2和0。

根據上述各測站近底懸沙濃度和聯合切應力相關性分析結果，選取公式(1)計算LYG、DF1、DF2、DF3、YK2測站最大波流聯合切應力，YK1、LS測站則采用公式(5)計算。

2 動力條件和懸沙分布特征

2.1 動力條件

圖2～圖5給出了各測站的垂線平均流速、有效波高、各層的懸沙濃度、風速和切應力過程，當風速大于8 m/s時波高增大較明顯，為了后續分析中描述更加方便，將風速在8 m/s以上(缺少風速數據的LS測站以0.6 m波高以上)的持續時間段稱為大風過程。由圖2～圖5可見，各測站的風、浪過程較為一致，風浪特征明顯。海州灣海域，受“韋帕”臺風影響，潮流疊加風生流，LYG處流速量值明顯增加，最大風速為20.4 m/s，最大有效波高為3.07 m。強潮海域中，西洋海域在2010年寒潮期間，三個測站的流速受風影響并不明顯，由于測量時間段處于中潮向小潮過渡的階段，流速幅值反而有減小的趨勢；波高從大風前的0.5 m增加到大風期間超過2 m，尤其是DF3測站，最大有效波高為2.89 m，明顯強于DF2和DF1。爛沙洋海域，2016年測量期間風速較大、持續時間長，YK1測站流速幅值明顯增大，風浪在第一段大風過程中處于發育狀態，有效波高最大值出現在第二段大風過程中，為2.1 m；而對于YK2測站，2017年大風過程正值小潮期間，流速相對較小，風的速度和持續時間都小于YK1，最大有效波高為1.8 m。小廟洪海域，LS處有效波高相對較小，且處于向小潮過渡的階段，流速逐漸減小。

圖2 海州灣測站流速、波高、風速、含沙量及切應力過程圖Fig.2 Process of velocity, effective wave height, wind speed, suspended sediment concentration and shear stress at station of Haizhou Bay

3-a DF13-b DF2

4-a YK14-b YK2圖4 爛沙洋測站流速、波高、風速、含沙量及切應力過程圖Fig.4 Process of velocity, effective wave height, wind speed, suspended sediment concentration and shear stress at stations of Lanshayang Trough

圖5 小廟洪測站流速、波高、風速、含沙量及切應力過程圖Fig.5 Process of velocity, effective wave height, wind speed,suspended sediment concentration and shear stress at station of Xiaomiaohong Channel

2.2 懸沙濃度垂向分布特征

海州灣海域， LYG測站表層以下0.5 m到底部以上1.5 m間水體受垂向摻混作用較強，懸沙濃度較為接近，最大值約為1.3 kg/m3；近底懸沙濃度變化明顯，最大懸沙濃度接近6 kg/m3。

西洋海域， DF1、DF2處底層以上1 m和0.5 m處含沙量值較為接近，表層較小；DF3處，各層懸沙濃度都很接近。DF1測站表層懸沙濃度在大風過程中變化不大，近底最大懸沙濃度接近2.3 kg/m3，約為相同時刻表層懸沙濃度的3倍。DF2處各層懸沙濃度在大風開始時有所增大，近底層最大懸沙濃度約為2.6 kg/m3，在大風過程中，表層懸沙濃度增大、底層懸沙濃度反而減小。DF3測站缺失部分數據，但從變化趨勢來看，各層懸沙濃度在大風期間增加明顯，近底最大懸沙濃度最大值約為1.5 kg/m3。

爛沙洋海域，正常天氣下懸沙濃度相對較小，表層不足0.1 kg/m3，近底層除個別時刻外，均不足0.5 kg/m3。第一次大風期間，YK1測站表層懸沙濃度沒有明顯變化，但底層懸沙濃度顯著增大，最大懸沙濃度約為1.3 kg/m3，為同一時刻表層懸沙濃度的27倍。第二次大風期間，YK2測站表層以下1 m處懸沙濃度在大風過程中基于0.3 kg/m3左右做小幅波動，底層懸沙濃度減小，并在風后增加至最大值1.4 kg/m3，隨著流速減小與表層懸沙濃度接近。

3 大風條件下懸沙濃度與動力過程響應

3.1 波浪、水流對波流聯合切應力的貢獻

各測站X與Z的關系如圖6所示。X=1表示水流單獨作用，從X=0.75左右開始，當X減小時，Z與X之間的差值逐漸增大，在X=0.25附近達到最大，此時的波流間非線性作用最強。LYG由于流速較小，X始終小于0.5，波浪占主導地位，波流間非線性作用較強；LS除了個別波高較大時刻，X主要分布在0.7～1.0，由水流主導，波流間非線性作用較弱； DF3在大風期間，X主要分布在0.6～0.8，仍是水流占優。

6-a LYG6-b DF36-c YK16-d LS圖6 各海域Z與X關系Fig.6 Relationship between Z and X at each sea area

3.2 近底懸沙濃度變化過程及其對動力條件的響應

3.2.1 往復流海域

(1)在大風作用前X普遍大于0.75時，聯合切應力由水流主導，Z與X之間差值較小，波流間非線性作用較弱，近底懸沙濃度與波流聯合切應力都呈與水流相關的周期性。

西洋海域，DF1、DF2處近底懸沙濃度的變化周期約為聯合切應力變化周期的兩倍，與潮流方向的變化對應，即DF1與DF2處，盡管潮流動力較強，但在風浪較弱時懸沙濃度的增大主要依靠外部高含沙量水體的流入。如圖1所示， DF1和DF2北面為開闊海域，漲潮流由北向南能夠帶來蘇北淤泥質海岸的豐富泥沙。由于DF3位于淺灘內的一處槽溝，懸沙濃度大小由再懸浮和沉降作用主導，當風浪較弱時，近底懸沙濃度與聯合切應力呈相似周期性，且變化幅度遠小于DF1與DF2。

爛沙洋海域，YK1和YK2在大風作用前最大有效波高就能達到1 m和0.8 m，盡管水流主導的再懸浮和沉降作用控制著整體的懸沙濃度，個別時刻較強波浪的作用使得近底懸沙濃度變化過程和水流之間的相關性明顯不如西洋海域。YK1測站處，在一個潮周期內，當流速由最大開始降低時，此時波流聯合切應力仍高于臨界切應力，懸沙濃度繼續升高，且泥沙運動存在慣性[22]，水體懸沙濃度過程滯后于切應力過程約2 h。

小廟洪海域，盡管底質較細，最大波流聯合切應力達到1.5 N/m2以上，LS處近底懸沙濃度仍小于0.3 kg/m3，潮周期內流速變大、聯合切應力增加時，床面泥沙由于密實而難以起動，底部泥沙向上擴散，近底懸沙濃度降低；流速減小時，上層水體泥沙沉降，近底懸沙濃度增大。懸沙濃度大小主要由沉降作用主導。

(2)大風過程中，往復流強潮海域浪致切應力占比增加Z與X之間的差值增大，波流間非線性作用變強，并且波浪具不規則性，使得懸沙濃度過程的周期性變差。

DF1、DF2測站處平流輸送作用不再占主導作用，DF1處近底懸沙濃度最大值出現在切應力最大值之后約11 h(該時刻的切應力相對前后時刻更小)，此時流速幅值較小、表層懸沙沉降、濃度降低，而底部受波浪的強紊動作用，泥沙在近底一定距離內懸浮，導致近底懸沙濃度升高。DF2測站處其表層懸沙濃度維持在一相對較高水平，說明水體垂向紊動較為強烈，近底懸沙向上擴散，同時由于懸沙濃度背景值較高，受挾沙能力限制，床面泥沙難以起動，導致近底懸沙濃度降低。本由局部再懸浮和沉降作用主導的DF3測站處，由于水深在3個測站中最小，受風浪作用最顯著，懸沙濃度峰值顯著增大，從1月22日0時左右漲急時刻開始，波流聯合切應力減小，而近底懸沙濃度反而增大，在漲憩時刻出現峰值，在落潮過程中減小，并在落憩時刻附近出現谷值，平流輸送貢獻增加，附近淺灘上的泥沙被波浪掀起，隨漲潮流到達DF3處。

YK1處由于大風過程歷時較長，聯合切應力作用經過了完整的初始階段和強化階段[23]，近底懸沙濃度從10月26日22時起明顯增大，懸沙濃度的峰值先于聯合切應力峰值約2 h出現，說明仍有其他因素影響著懸沙分布，可能與地形、床面因素變化等有關[19,24]。YK2測站近底懸沙濃度相較風前反而有所降低，且各層懸沙濃度接近，說明此時紊動擴散作用將底部泥沙帶到上層，而底部沉積物受挾沙能力或可侵蝕層厚度[25]影響無法起動，導致近底懸沙濃度降低。

LS測站處在較大波高作用之后，床面的密實性被破壞，床面泥沙更易起動，盡管聯合切應力幅值不斷減小，近底懸沙濃度增加。

(3)當風速逐漸減小時，強風浪過程帶來的影響不會馬上消失。

DF1、DF2測站風后的懸沙濃度變化幅值相對風前明顯減小，由表1沉積物中值粒徑變化可知，強波浪作用使得較細的沉積物從床面起動并懸揚，細顆粒泥沙對動力條件響應更加敏感，近底懸沙濃度在一段時間內維持在1 kg/m3左右做小幅振蕩，再懸浮和沉降過程延續了大風期間的主導作用。 DF3處在漲急、落急、漲憩時刻都出現了懸沙濃度峰值，體現了平流輸送和再懸浮、沉降的共同作用。

LS測站在有效波高和流速都逐漸減小的情況下，由于床面密實性被破壞，懸沙濃度幅值反而有所增大。

3.2.2 旋轉流海域

海州灣海域流速幅值相對其他海域較小，潮流呈旋轉流特性，在正常、大風天氣下，懸沙濃度過程都不具周期性。當風速、有效波高較小時，波流聯合切應力不足以起動泥沙，當風浪較強時，細顆粒泥沙易于起動，近底懸沙濃度變化過程與波流聯合切應力變化過程基本吻合，峰值明顯、歷時較短，最大濃度接近6 kg/m3，是同一時刻表層懸沙濃度的8倍左右，近底懸沙濃度受波浪主導的再懸浮和沉降作用控制。在聯合切應力達到最大值之前，9月20日0點附近，有一次強度相近的切應力過程，但后一次過程中6 h內的近底懸沙平均濃度達到了3.94 kg/m3，前一次過程只有0.85 kg/m，分析其原因主要是LYG測站底質較細，細顆粒粘性泥沙在第一次強動力條件下先懸揚，剩下的較粗顆粒泥沙在持續強動力作用下更容易起動[17]。9月20日12點附近，當波流聯合切應力減小時，泥沙開始沉降，此時的底層懸沙濃度遠大于水體的挾沙力[26]，且近底的懸移質粒度相對較粗、沉降速度更快，因而出現近底懸沙濃度小于中部和上部的現象。