東海大橋鄰近海域沉積動力環(huán)境變化

關(guān)鍵詞 東海大橋；懸浮泥沙；GOCI；潮周期變化

0 引言

懸浮泥沙是近海Ⅱ類水體重要的水質(zhì)參數(shù)之一，其輸運沉積過程對海岸防護、水質(zhì)生態(tài)等有重要影響，是海岸帶的關(guān)鍵科學問題[1]。隨著沿海經(jīng)濟的發(fā)展和近岸島嶼的開發(fā)利用，越來越多的跨海大橋如杭州灣跨海大橋、膠州灣跨海大橋等已經(jīng)建成。然而無論是在大橋建設(shè)過程中，還是在建成后，都會對周圍的水文泥沙環(huán)境產(chǎn)生重要影響[2]。因此，開展跨海大橋?qū)腋∧嗌撤植技拜斶\影響的研究，對于指導海洋工程建設(shè)和保護海洋生態(tài)環(huán)境具有重要意義。

近年來，不少學者圍繞跨海大橋?qū)Ω浇虻挠绊戦_展了大量研究。成果表明，橋墩會誘發(fā)馬蹄渦[3]，并導致周圍水體流速、潮通量等發(fā)生變化[4]。Zhao et al.[5]對膠州灣跨海大橋的數(shù)值模擬研究顯示，跨海大橋兩側(cè)水位的高度差會誘生正壓流，使大橋兩側(cè)產(chǎn)生流速差異。橋墩和水流的相互作用還會改變水動力環(huán)境[6]，使大橋?qū)腋∧嗌车妮斶\有比較明顯的阻滯作用，從而造成大橋兩側(cè)懸浮泥沙濃度存在較大差異[7]，表現(xiàn)為大橋下游濃度高，上游濃度相對較低[8?9]。Guo et al.[10]基于陸地衛(wèi)星研究港珠澳大橋?qū)χ榻趹腋◇w的影響，表明港珠澳大橋建設(shè)后珠江口懸浮體濃度的下降幅度和下降速率高于大橋建設(shè)前。

東海大橋建成于2005年，跨越杭州灣北部海域，北起蘆潮港，南至小洋山島，位于長江口和杭州灣水沙交換的重要通道[11]。近年來關(guān)于杭州灣懸沙變化的研究較多，江彬彬等[12]利用GOCI數(shù)據(jù)研究了杭州灣一個潮周期內(nèi)懸浮泥沙的運移特征和季節(jié)變化特征。劉猛等[13]將遙感影像結(jié)合三角形網(wǎng)格的有限體積海洋數(shù)值模型，揭示了潮流變化是杭州灣在漲落潮、大小潮懸沙分布變化的主要影響因素。葉濤焱[14]利用Landsat、GOCI數(shù)據(jù)研究了杭州灣懸沙動力多時空變化特征的形成機制。但是針對杭州灣的強潮特征，關(guān)于東海大橋?qū)Τ敝芷趦?nèi)懸沙濃度分布和輸運影響的研究較少，僅有的一些研究僅對比了東海大橋建設(shè)前后水動力和泥沙輸運變化的宏觀特征[15?17]。孫志國[15]對東海大橋的數(shù)值模擬研究顯示東海大橋建設(shè)后對杭州灣流場的影響大約在25 km范圍內(nèi)；劉瑋祎[16]利用豐富的實測資料表明東海大橋建設(shè)后形成了以大橋沿線為中心的東西高、中間低的流場分布特征和南北高、中間低的泥沙場分布特征；Qiao etal.[17]基于ECOMSED模型和MERIS、TM衛(wèi)星遙感影像的研究表明，漲潮時大橋西側(cè)懸浮泥沙濃度比建橋前小，落潮時大橋東側(cè)懸浮泥沙濃度比建橋前小。根據(jù)前人研究，在喇叭口特殊地形和強潮動力的作用下，杭州灣懸浮泥沙濃度的變化主要受大小潮周期流速變化和水位變化影響[18]。因此，本文基于GOCI影像數(shù)據(jù)，分析潮周期內(nèi)東海大橋?qū)腋∧嗌碀舛鹊挠绊懀M一步分析該潮周期特征的季節(jié)和年際變化，對完善不同時間尺度跨海大橋?qū)Ｑ蟓h(huán)境影響的研究具有重要意義。

1 研究區(qū)概況

杭州灣位于浙江省北部、長江口南部，岸線呈喇叭口狀，平均水深8～10 m，是世界上懸沙濃度最高的海灣之一（圖1a）。東海大橋北起上海南匯蘆潮港，南至浙江嵊泗縣崎嶇列島的小洋山島，全長32.5 km，共有822個橋墩，是我國第一座外海跨海大橋[16]。全橋設(shè)5 000 t級單孔雙向主通航孔一處，最大跨徑約420 m；設(shè)1 000 t級雙孔單向輔通航孔一處，最大跨徑140 m；設(shè)500 t級雙孔單向輔通航孔兩處，最大跨徑分別為120 m和160 m。其中非通航孔海上段橋梁長度23.17 km，分為Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ 3個標段（圖1b），跨徑分別為59 m、60 m和70 m[19]。

東海大橋所在的杭州灣灣口海域（圖1b），潮汐類型屬非正規(guī)半日潮，潮汐日不等現(xiàn)象較明顯[19]。海灣內(nèi)落潮流方向為94°～114°[18]偏東向，大潮期平均流速0.9～1.1 m/s[16]；漲潮流方向為274°～294°[18]偏西向，大潮期平均流速0.7～0.8 m/s[16]。與建橋前相比，漲落潮流平均流速均減小，減幅5%～37%[16]。杭州灣的底質(zhì)類型以泥質(zhì)粉砂和粉砂為主。一般鄰近南北兩岸底質(zhì)較粗，中間較細；從灣口向灣內(nèi)，顆粒粒徑由細到粗，分選則由差到好。杭州灣沉積物的來源以灣口外海域的來沙為主，長江入海泥沙，以及沉積在長江口外水下三角洲的細顆粒沉積物被掀動后，隨漲潮流進入杭州灣，成為杭州灣沉積物的主要來源[20]。

2 材料與方法

2.1 數(shù)據(jù)來源

GOCI（Geostationary Ocean Color Imager）傳感器搭載于韓國發(fā)射的全球第一顆地球同步軌道海洋水色衛(wèi)星COMS（Communication， Ocean and Meteorological Satellite）[21]，其數(shù)據(jù)可以從韓國衛(wèi)星中心KOSC（http：//kosc.kiost.re.kr）免費下載獲得。GOCI影像的中心經(jīng)緯度為130° E，36° N，覆蓋面積為2 500 km×2 500 km，空間分辨率為500 m。GOCI 具有１天８景、每小時１景時間分辨率的監(jiān)控能力，成像時間為世界時00 h～07 h，高時相分辨率的特性使其非常適合用于近海懸浮泥沙濃度分布和輸運的研究[22]。本文收集了2011年4月—2020年12月無云遮蓋的共26天每天包含連續(xù)8景的GOCI影像（表1），潮動力條件涵蓋了大、小潮的漲潮和落潮過程，時間分布覆蓋了春、夏、冬季。

另外，為了獲得更高空間分辨率的大橋附近表層懸沙分布，收集了Landsat-8遙感影像。Landsat-8衛(wèi)星于2013年2月11發(fā)射，衛(wèi)星上攜帶兩個傳感器，分別是OLI陸地成像儀（Operational Land Imager）和TIRS 熱紅外傳感器（Thermal Infrared Sensor）。Landsat-8衛(wèi)星一共有11個波段，衛(wèi)星的重訪周期為13天，每幅遙感影像的覆蓋面積為185 km×185 km，空間分辨率為30 m（https：//earthexplorer.usgs.gov/下載）。本文以2016年5月1日、7月20日遙感影像為例，研究東海大橋與鄰近的海上風電共同作用下表層懸浮泥沙的分布。

為了排除風場變化對不同年份懸沙濃度潮周期內(nèi)變化特征的干擾，筆者篩選了風向、風速較為一致的遙感影像進行對比。風場資料來源于美國NCEP（National Centers for Environmental Prediction）的CFSR（Climate Forecast System Reanalysis）風場，該資料是耦合了大氣—海洋—地表—海冰的全球模擬系統(tǒng)的后報結(jié)果，時間分辨率1 h，空間分辨率約為38 km。分析各影像所處潮時，使用的潮位數(shù)據(jù)基于大戢山站（圖1b）的M2、S2、K1、O1、N2、K2、P1 和Q1 等8個主要分潮的潮汐調(diào)和常數(shù)預報得到。另外收集了該站位2013年7月23日17小時的實測潮位，用于預報水位的驗證。研究還搜集了杭州灣內(nèi)N1和N2站位（圖1a）2013年3月12日8時至16時的垂線懸沙濃度資料，用于遙感反演懸沙濃度的驗證。另外，收集了東海大橋及鄰近海域2007年（65個）、2016年（2個）兩個時段的67個采樣站位的表層沉積物粒度數(shù)據(jù)，由馬爾文2000激光粒度儀測定其粒度參數(shù)，用于分析大橋建成后表層沉積物的分布和運移特征。

2.2 懸浮泥沙濃度反演

首先，使用韓國衛(wèi)星中心提供的GOCI數(shù)據(jù)處理軟件GDPS[23]將GOCI數(shù)據(jù)一級數(shù)據(jù)產(chǎn)品轉(zhuǎn)化成ENVI能識別的img 數(shù)據(jù)，然后在ENVI 環(huán)境下對其進行QUAC大氣校正[12]，得到GOCI數(shù)據(jù)各波段的遙感反射率。由于GOCI自帶的GDPS軟件對高濃度懸浮泥沙濃度的水體反演結(jié)果偏低[12，14，22]，本研究采用He etal.[24]建立的杭州灣懸浮泥沙遙感反演算法計算表層懸浮泥沙數(shù)據(jù)，該方法被廣泛用于杭州灣懸浮泥沙濃度的遙感反演[25?27]，反演算法如下所示：

式中：SSC 表示懸浮泥沙濃度，單位為mg/L，Rrs（490）、Rrs（745）分別表示490 nm、745 nm波段的反射率。經(jīng)杭州灣內(nèi)N1、N2站位（站位位置如圖1a所示）的對比驗證（圖2），平均相對誤差為10.9%。

2.3 Gao?Collins 粒徑趨勢分析

基于表層沉積物粒度數(shù)據(jù)，本文采用Gao-Collins二維模型[28]進行粒徑趨勢分析，探討東海大橋附近海域表層沉積物的輸運格局。該方法把粒徑趨勢矢量的平面分布圖看作一幅同時包含信息和噪聲的圖像，從而用圖像處理技術(shù)來提取平面二維粒徑趨勢矢量圖像中所含的沉積物輸運信息[29]。粒徑趨勢分析主要分三步：（1）確定單位矢量，首先需要定義一個特征距離，為保證結(jié)果有效性，選取最大采樣間距5.5 km為特征距離。對每兩個相鄰的采樣點進行比較，根據(jù)粒度參數(shù)（平均粒徑、分選系數(shù)、偏態(tài)），判斷沉積物凈輸運方向具有較高出現(xiàn)概率的兩種類型的粒徑趨勢，生成指向該采樣站位的單位矢量，進而提取所有的粒徑趨勢矢量；（2）求出每個采樣點的趨勢矢量之和；（3）對合矢量進行平滑處理，消除“噪聲”，處理后的趨勢矢量即代表該站位沉積物凈輸運趨勢[30]。近年來粒徑趨勢分析被廣泛用于河流體系、湖泊、海岸帶、港口、河口等多種環(huán)境[31?32]，可以有效地反映研究區(qū)表層沉積物的運移趨勢。

2.4 數(shù)值模型介紹

本文基于FVCOM數(shù)值模型，對杭州灣大區(qū)域的漲落潮流場和東海大橋附近局部海域的流場進行分析。其中大區(qū)域的流場，主要基于Li et al.[33]建立的杭州灣三維波流—泥沙耦合模型，該模型網(wǎng)格有107 898個單元和57 354個節(jié)點。水邊界的分辨率約為30 km，并被細化至150～800 m，杭州灣南部潮坪分辨率高于100 m，外模的時間步長為0.5 s，內(nèi)模為5 s。該模型的海岸線數(shù)據(jù)來自美國國家海洋和大氣管理局（NOAA）提供的數(shù)據(jù)（https：//ngdc.NOAA.gov）。杭州灣海岸線數(shù)據(jù)使用2019 年度陸地衛(wèi)星地圖（http：//www.gscloud.cn）進行了校正。使用的水深數(shù)據(jù)為ETOP1，由NOAA提供。由于是大區(qū)域模擬，該模型中沒有考慮東海大橋的影響，相關(guān)的模型參數(shù)和驗證詳見Li et al.[33]。

由于東海大橋布局為南北方向，與鄰近海域漲落潮流長軸方向基本垂直，且根據(jù)前人研究大橋的影響范圍有限，加之鄰近水域水深變化較小，因此可以采用簡化的理想?yún)^(qū)域模型對比大橋兩側(cè)漲落潮流的相對變化，以避免大區(qū)域真實模擬中可能存在的計算量巨大、網(wǎng)格復雜、模型不穩(wěn)定等問題。基于FVCOM建立了潮汐潮流理想數(shù)值模型，模型區(qū)域設(shè)置為正方形，在區(qū)域北側(cè)設(shè)計了10個橋墩，每個以長24 m、寬8 m的長方形來模擬真實的一組橋墩，模型中南北兩個橋墩之間及一個通航孔的跨度也參照實際距離分別設(shè)計為60 m和120 m。該理想模型設(shè)置東側(cè)為開邊界，由NAO99潮汐模型提供的M2分潮調(diào)和常數(shù)預報水位驅(qū)動。水深設(shè)置為均一的9 m。模型采用三角網(wǎng)格（圖3），在橋墩附近對網(wǎng)格進行加密，分辨率最小約為8 m，逐漸向外增大，開邊界網(wǎng)格分辨率約為270 m。整個計算海域共包含網(wǎng)格節(jié)點1 255個，三角形網(wǎng)格數(shù)為2 424個。模型計算外模步長為0.5 s，內(nèi)模步長為3 s，垂向σ層設(shè)置3層。模型采用冷啟動，在研究時間前計算約40天，使模型趨于穩(wěn)定。

2.5 潮位驗證及后報

本文將使用大戢山站潮汐調(diào)和常數(shù)，對水位進行后報，以分析不同遙感影像所處的潮時。將后報的水位與大戢山站2013年7月23日0時至16時共17小時的實測潮位數(shù)據(jù)進行對比（圖4）。結(jié)果表明，通過調(diào)和分析后報得到的潮位數(shù)據(jù)可以很好地反映大戢山站附近海域的潮位變化情況，實測潮位數(shù)據(jù)和后報潮位數(shù)據(jù)相關(guān)系數(shù)為0.998，說明后報得到的潮位數(shù)據(jù)精度較高。

3 結(jié)果

3.1 杭州灣潮流場特征

大潮期間，杭州灣漲急、落急流場如圖5所示。漲急時刻（圖5a），海水從外海流進灣內(nèi)，由于狹道效應，灣口流速較大，漲潮流從灣口穿越舟山群島向西在灣內(nèi)匯合，到達杭州灣灣頂；落急時刻（圖5b），灣內(nèi)水流整體向東流向外海，水流流向基本與漲潮流相反，由于長江沖淡水向東南方向擴散，南匯附近落潮流向南偏轉(zhuǎn)，灣頂至灣口流速增大。東海大橋所在的灣口北側(cè)海域，漲落潮流方向基本為向西和向東，與大橋走向垂直，大橋南部海域的漲落潮流速略大于北部。

3.2 表層懸浮泥沙濃度的空間分布

以2013年7月23日（大潮期）的遙感影像為例，分析東海大橋及鄰近海域懸沙濃度的空間分布及其隨潮時的變化特征，關(guān)于其代表性將在3.4節(jié)進行分析。杭州灣懸沙濃度整體較高，明顯高于灣外海域。灣內(nèi)表層懸沙濃度的空間差異也較大，其中最大渾濁帶以及杭州灣南岸附近海域懸沙濃度較高，最大值可超過1 000 mg/L（圖6a），明顯高于灣內(nèi)其他海域。

東海大橋鄰近海域位于杭州灣灣口北部，是長江入海泥沙向杭州灣輸入的重要通道[34]。大橋西側(cè)受最大渾濁帶影響為懸沙濃度高值區(qū)，其中蘆潮港附近的近岸海域，小洋山島海域等懸沙濃度較高，超過700 mg/L，而大橋東側(cè)懸沙濃度相對較低；大橋北部海域的懸沙濃度高于大橋南部（圖6b）。

3.3 表層懸浮泥沙濃度的潮周期內(nèi)變化特征

東海大橋鄰近海域表層懸浮泥沙濃度隨時間的變化和潮位變化相關(guān)性較好。漲潮過程（圖6b1～b4）的懸沙濃度明顯大于落潮過程（圖6b5～b8），濃度差可超過500 mg/L。在漲潮中間時刻和落潮中間時刻，懸沙濃度明顯較大，可能與流速增大引起的再懸浮作用增強有關(guān)。

從空間變化看，懸浮泥沙濃度在東海大橋兩側(cè)存在明顯的水平梯度。漲潮時，由于外海相對低濃度水向杭州灣涌入（圖5a），大橋西側(cè)懸浮泥沙濃度高于大橋東側(cè)；落潮時，大橋附近海域懸沙濃度較低，導致大橋東側(cè)懸浮泥沙濃度高于大橋西側(cè)（圖6b8）。且由于東海大橋的阻滯作用，抑制了高濃度泥沙向杭州灣的平流輸運，將促進其在杭州灣口沉積，待潮時轉(zhuǎn)變?yōu)闈q潮過程時方能向西輸運。

為進一步分析大橋兩側(cè)懸浮泥沙濃度的差異，選取平行東海大橋的兩個斷面（斷面A，圖7a；斷面B，圖7b）和垂直東海大橋的三個斷面（斷面C，圖8a；斷面D，圖8b；斷面E，圖8c），分析東海大橋?qū)︵徑Ｓ驊疑撤植继卣鞯挠绊懀鲾嗝嫖恢萌鐖D1所示。

A斷面位于東海大橋軸線西側(cè)1.0 km處，漲潮時，北部南匯近岸水域懸浮泥沙濃度高于南部小洋山島海域，濃度差介于300～400 mg/L，隨著水位上升，A斷面懸浮泥沙濃度減小，中部和南部水域懸浮泥沙濃度差值逐漸減小（圖7a）。B斷面位于東海大橋軸線東側(cè)1.0 km處，漲潮時，與大橋西側(cè)類似，北部南匯近海水域懸浮泥沙濃度高于南部小洋山島海域，濃度差介于200～300 mg/L，落潮時，B斷面懸浮泥沙濃度升高，北部南匯近岸水域懸浮泥沙濃度較高（圖7b）。A、B斷面均表現(xiàn)出北部懸沙濃度高于南部，可能與近岸水淺，再懸浮能力強有關(guān)。雖然兩個斷面相距僅2.0 km，但由于位于大橋兩側(cè)而使得懸浮泥沙濃度存在顯著的差異，通過兩個斷面懸浮泥沙濃度變化百分比（圖7c）可以看到，漲潮時，大橋西側(cè)濃度高于大橋東側(cè)，變化不超過100%；落潮時，大橋東側(cè)濃度高于大橋西側(cè)，最大變化率可達300%。盡管南部小洋山島海域懸浮泥沙濃度較低，但大橋兩側(cè)懸沙濃度變化幅度與中北部高懸沙濃度區(qū)較為一致，但潮時略有提前，可能與近岸水淺底摩擦大導致潮波滯后有關(guān)。通航孔附近水域懸浮泥沙濃度比周圍非通航孔處懸浮泥沙濃度低，且懸浮泥沙濃度變化也較小，可能與樁墩的跨徑有關(guān)，通航孔處跨徑大，過水斷面較大，對漲落潮流的影響較小。

C、D、E斷面從北到南依次跨越大橋兩側(cè)，分別位于近岸的高濃度懸浮泥沙區(qū)域、東海大橋中段海域和小洋山島海域。由于長江入海的高含沙水體一部分隨漲潮流進入杭州灣（圖5a），一部分在杭州灣口外沉積，發(fā)生再懸浮作用，隨漲落潮作用與杭州灣進行泥沙交換[35]，因此受長江南槽泥沙影響，北部C、D 斷面懸沙濃度高于南部E 斷面的小洋山島海域。

漲潮過程中，大橋西側(cè)懸浮泥沙濃度顯著增加，大橋東側(cè)濃度相對較低，橋兩側(cè)懸浮泥沙濃度差值逐漸增大，濃度差在84～346 mg/L范圍內(nèi)波動。漲憩后，大橋附近懸浮泥沙濃度開始降低，大橋兩側(cè)懸浮泥沙濃度差值也隨之減小。落潮過程中，由于長江南槽泥沙隨落潮流向南擴展，導致大橋東側(cè)的懸浮泥沙濃度遠高于大橋西側(cè)，且受到大橋的阻擋跨越大橋向西擴散的泥沙較少，隨著潮位下降、落潮流速加強，大橋兩側(cè)懸浮泥沙濃度差值逐漸增大，在24～336 mg/L范圍內(nèi)波動。盡管漲潮和落潮中大橋兩側(cè)的濃度差較接近，但是由于落潮時原本濃度值較低，所以相對變化明顯大于漲潮。

總體來看，東海大橋位于杭州灣與外海的交界處，是長江口和杭州灣泥沙交換的主要通道。東海大橋建成前，大橋附近水域的懸浮泥沙濃度分布均勻[35]，而東海大橋建成后，大橋附近懸浮泥沙濃度總體表現(xiàn)為漲、落潮時背流面懸沙濃度高于迎流面。

3.4 不同季節(jié)中懸浮泥沙分布的潮內(nèi)變化特征

為進一步分析東海大橋及鄰近海域表層懸沙濃度在不同季節(jié)隨潮時變化特征，在東海大橋東、西兩側(cè)各1.0 km處選取1個代表站位O1與O2（位置如圖1b所示），基于2011—2020年26天共計208張高質(zhì)量的GOCI遙感影像，分析春、夏、冬季（秋季未找到高質(zhì)量遙感影像）東海大橋?qū)腋∧嗌撤植嫉挠绊懀▓D9）。

春、夏、冬季O1、O2站位的懸沙濃度變化都表現(xiàn)出類似的特征：漲潮時，O1點濃度大于O2點，兩者的差值為正值；隨著潮位的持續(xù)上漲，漲憩時O1點出現(xiàn)高濃度值；落潮過程中，O1點濃度小于O2點，濃度差值為負值。兩個站位漲潮時刻的濃度差異也比落潮時刻濃度差異大，介于0～100 mg/L。與圖6～8反映的結(jié)論一致，也說明前文分析中選擇的2013年7月23日遙感影像具有一定的代表性。

但各個季節(jié)大橋兩側(cè)懸沙濃度差值略有不同。12月至次年1月，杭州灣懸浮泥沙濃度整體較高（圖9a，b），但大橋兩側(cè)O1、O2兩點懸浮泥沙濃度的差值比夏季小（圖9e，f），差值的絕對值小于300 mg/L；夏季，河流輸沙量增大，大橋兩側(cè)O1、O2兩點懸浮泥沙濃度的差值最大（圖9e，f），可達500 mg/L；春季為過渡季節(jié)（圖9c，d），大橋兩側(cè)懸沙濃度差值介于冬季和夏季。

3.5 不同年份懸浮泥沙濃度分布變化

選擇同為夏季大潮期、風況相近的2020年8月19日遙感影像（圖10），與2013年7月23日（圖6b）對比，分析東海大橋建設(shè)15年后鄰近海域懸浮泥沙濃度分布變化。研究海域最高懸沙濃度由2013年的950 mg/L變?yōu)?00 mg/L。雖然懸浮泥沙濃度明顯降低，但研究區(qū)域懸浮泥沙濃度分布及大橋兩側(cè)濃度隨潮位的變化特征變化較小，仍表現(xiàn)為漲潮時大橋西側(cè)濃度高于東側(cè)，落潮時大橋東側(cè)濃度高于西側(cè)，即漲、落潮時背流面懸沙濃度高于迎流面，且大橋兩側(cè)的濃度差值變化較小（圖9e）。

3.6 表層沉積物粒度參數(shù)空間分布及粒徑趨勢分析

通過分析2007年大橋建成兩年后的附近海域表層沉積物中值粒徑、平均粒徑、分選系數(shù)、偏態(tài)和峰態(tài)分布，進一步分析東海大橋?qū)贾轂澈Ｓ虺练e動力環(huán)境的影響（圖11）。

東海大橋及其鄰近海域表層沉積物平均粒徑介于3.2～6.8 Φ，平均值為5.41 Φ（圖11a）；中值粒徑介于3.2～8.0 Φ，平均值為6.41 Φ（圖11b）。由北部南匯海域沿大橋向南表層沉積物粒徑呈先變細后變粗的趨勢，其中北部近岸海域粒徑最粗，平均粒徑介于3.2～5.3 Φ，中值粒徑介于4.04～6.50 Φ，可能與岬角岸線挑流作用下流速增強有關(guān)。東海大橋沿線的偏度系數(shù)主要介于0.06～0.53，由北部南匯海域沿大橋向南偏度系數(shù)呈先減小后增大的趨勢（圖11d），峰態(tài)系數(shù)主要介于0.89～1.03（圖11e），大部分海域為窄峰態(tài)，靠近北部南匯海域的峰態(tài)系數(shù)較高。跨東海大橋方向，大橋西側(cè)平均粒徑介于5.2～6.2 Φ，中值粒徑介于5.8～7.2 Φ；東側(cè)粒徑相對偏細，平均粒徑介于5.63～6.80 Φ，中值粒徑介于6.54～8.00 Φ。考慮到研究區(qū)東側(cè)長江南槽口外海域表層沉積物以黏土質(zhì)粉砂為主，平均粒徑介于7～8 Φ[36]，中值粒徑介于7～9 Φ[37]，因此大橋東側(cè)海域在一定程度上受到長江入海泥沙的影響。跨東海大橋方向，西側(cè)分選系數(shù)主要介于2.0～2.3，東側(cè)分選系數(shù)主要介于1.8～2.3。研究區(qū)分選相對較好的區(qū)域與細顆粒物的分布重合，位于大橋東側(cè)海域，說明研究區(qū)沉積物顆粒越細，分選性也越好。

基于2007 年表層沉積物粒度數(shù)據(jù)，采用Gao-Collins二維“粒徑趨勢分析”方法對研究區(qū)表層沉積物運移趨勢進行分析，結(jié)果如圖12所示。研究海域表層沉積物整體有向杭州灣內(nèi)運移的趨勢，大橋沿線東側(cè)海域表層沉積物有沿橋向南運移的趨勢，大橋西側(cè)海域表層沉積物有向北運移的趨勢。這與懸浮泥沙濃度的分析結(jié)果較為一致，由于受到長江南槽泥沙向南輸運影響，跨海大橋北部C、D斷面的懸沙濃度高于南部E斷面的小洋山島海域，并且由于落潮流加強了長江物質(zhì)的向南輸運，使得大橋東側(cè)濃度異常升高，這也解釋了落潮時兩側(cè)懸沙濃度差值相對變化明顯大于漲潮時。

4 討論

4.1 東海大橋?qū)腋∧嗌撤植嫉挠绊憴C制

隨著潮位的漲落，東海大橋兩側(cè)懸浮泥沙濃度有明顯的梯度變化，表層懸浮泥沙濃度在大橋附近發(fā)生躍變，總體來看表現(xiàn)為背流面懸沙濃度高于迎流面。基于建立的理想?yún)^(qū)域潮汐潮流數(shù)值模型，在東海大橋西、東兩側(cè)各50 m處選取1個代表站位，a1與a2（位置如圖3所示），初步分析東海大橋?qū)腋∧嗌撤植嫉挠绊憴C制。

落潮過程中，a1與a2站水位差為正值（圖13b），漲潮過程則相反，說明了迎流面壅水，而背流面跌水，局部范圍內(nèi)產(chǎn)生水位差（圖13b）。橋墩附近的流場變化則顯示，由于過水面積減小使得兩組相鄰橋墩之間流速增加，橋墩的阻流效應使得橋墩附近的流速減小，且漲落潮過程中背流面流速減小幅度較大（圖13c，d）。劉瑋祎[16]在大橋附近站位的實測海流分析中，也發(fā)現(xiàn)了類似的受大橋影響海流的強弱變化。但流速的這種變化將導致背流面再懸浮作用減弱，不利于懸沙濃度的升高，因此大橋兩側(cè)水平流速大小的差異可能不是產(chǎn)生懸沙梯度的原因。但是背流面的低水位將有利于正的垂直流速的發(fā)育，加上橋墩后方可能發(fā)育的渦旋尾流，將有助于懸沙的垂直混合和表層濃度的升高。唐士芳等[38]的樁群實驗也發(fā)現(xiàn)樁群后方水位降低及較大渦旋的出現(xiàn)。因此，漲落潮過程中大橋背流面懸沙濃度高于迎流面，可能與背流面的跌水及渦旋加強的垂直混合有關(guān)。

4.2 表層沉積物粒徑變化

2016年對東海大橋鄰近海域的表層沉積物進行了重復觀測，分析方法同2007年，其中S1和S3站位與2007年的S2和S4站位鄰近（站位位置見圖1b），因此對兩組站位的表層沉積物粒度參數(shù)分別進行對比（表2）。除S3站位的中值粒徑外，10年后兩組鄰近站位的平均粒徑和中值粒徑均表現(xiàn)出變細的特征。考慮到近年來長江入海泥沙通量減小，且長江口沉積物粒度有粗化趨勢[39]，因此認為該粒度變細可能與大橋阻流效應導致局地水動力變?nèi)跤嘘P(guān)（圖13c，d）。

4.3 海上風電與東海大橋的共同作用

杭州灣灣口的海上風電場于2010、2015年建成，位于東海大橋中部的兩側(cè)水域（圖1b），總面積約為39.992 km2，水深介于8.8～9.1 m。結(jié)合30 m空間分辨率的Landsat-8影像，研究東海大橋附近海上風電對周圍懸浮泥沙濃度的影響。

風電附近海域表層沉積物中值粒徑介于6.3～6.9 Φ，粒徑較細易發(fā)生再懸浮。在漲落潮過程中，風電附近的懸浮泥沙濃度明顯高于周邊海域（圖14），而且明顯與大橋橋墩出現(xiàn)類似特征，即背流面懸沙濃度高于迎流面，在樁墩背流面產(chǎn)生條帶狀的高懸沙濃度區(qū)（圖14a，b）。這也可能與樁墩后方產(chǎn)生的渦旋尾流擾動有關(guān)。

5 結(jié)論

（1） 東海大橋鄰近海域表層懸沙濃度呈現(xiàn)以大橋為界的梯度分布，并隨漲落潮流表現(xiàn)為背流面懸沙濃度高于迎流面，這與背流面由于大橋的阻流作用水位降低促進垂直向上運動、和橋墩后方渦旋尾流擾動兩者共同作用下加強垂直混合有關(guān)。長江南槽泥沙在漲、落潮流作用下北縮和向南輸運，導致了落潮時大橋兩側(cè)懸沙濃度差值相對變化大于漲潮時。

（2） 春、夏、冬季研究海域懸沙濃度差異特征相似，但各個季節(jié)大橋兩側(cè)懸沙濃度的差值有所不同，冬季的懸沙濃度差值比夏季小。

（3） 從多年變化來看，東海大橋兩側(cè)懸沙濃度差值變化較小，表層沉積物粒度呈變細趨勢與鄰近海域水動力減弱有關(guān)。

（4） 東海大橋東側(cè)表層沉積物比西側(cè)偏細，粒徑趨勢分析證明了長江物質(zhì)沿大橋東側(cè)向南輸運。