西沙门悬沙输移机制分析和讨论

王义刚，孙继斌，黄惠明，陈橙，陈斌

（河海大学海岸灾害及防护教育部重点实验室，南京210098）

西沙门悬沙输移机制分析和讨论

王义刚，孙继斌，黄惠明，陈橙，陈斌

（河海大学海岸灾害及防护教育部重点实验室，南京210098）

以西沙门水沙实测资料为依据，运用悬沙通量机制分解法将悬沙净输移通量表示为多个动力影响项，讨论区域内悬沙输移的时空特征，分析认为平流输沙在研究区域内为主要输沙项，“潮泵效应”输沙项为次要项。从涨落潮、流速和含沙量的变化过程讨论其动力机制，结果表明：西沙门悬沙浓度在潮流作用下具有明显的潮周期变化，悬沙沿岸输移；平流输沙中欧拉输沙项主要取决于潮动力大小，斯托克斯输沙项受潮波非线性效应影响；“潮泵效应”输沙与泥沙悬浮“滞后效应”、涨落潮流流速的非对称性和当地悬沙浓度相关。

机制分解；平流输沙；潮泵效应；西沙门

西沙门海域位于浙江省台州市玉环县，北临隘顽湾，南为漩门湾（图1）。随着沿海地区经济发展水平的不断提高，西沙门海域逐渐被开发利用。由于以往对该海域研究较少，分析讨论其悬沙输移特征，对海域合理开发利用具有重要意义。

近岸海域悬沙输移特征一直是学者们研究关注的重点问题之一［1-2］。潮流、悬沙输移和岸滩地形变化关系紧密，岸滩地形影响潮流分布，进而形成局部区域内复杂水动力环境，从而对悬沙输移产生影响。在近岸海域，悬沙输移对岸滩淤积、冲刷起重要作用。刘高峰等［3］采用通量机制分解方法，结合实测资料研究长江河口涨落潮槽的水沙输运机制，探讨了不同河槽的各种动力因子对水沙输移的影响。陈建勇等［4］利用余流分析和通量机制分解方法对杭州湾北岸弧形岸段悬沙输运变化特征进行分析，并采用实际地形冲淤加以验证。杨晓东等［5］采用通量机制分解方法对浙江省乐清湾悬沙输移特征进行了讨论。黄惠明等［6］利用潮流及泥沙输运数学模型揭示了苏北辐射沙洲水域泥沙分布及输运的特征。英晓明等［7］通过通量分析方法对洋山港南北汊道水沙输运年际变化进行分析，论述了保留颗珠山汊道的必要性。林伟波等［8］建立了瓯江口三维潮流和泥沙数学模型并运用通量机制分解方法分析瓯江口的悬沙输运特性，表明瓯江口内主要受控于潮汐作用，泥沙向陆输运。堵盘军等［9］利用统计和物质长期输运机制分解方法初步分析研究了温州瓯飞浅滩海域悬沙时空分布和水体、悬沙三维输运特征。学者们利用通量机制分解［10-13］取得了很好的研究效果，通量机制分解优点是能直接确定影响通量变化的各种因素、相互作用及其贡献大小，是目前通量计算研究中较为成熟和可靠的方法。本研究根据西沙门海域实测资料，分析西沙门区域的悬沙特点，利用通量机制分解方法分析该区域悬沙输移特征，针对平流输沙和“潮泵效应”输沙进行探讨，有助于加深对近岸海域悬沙输移变化规律的认识。

图1 西沙门区位及测站示意图Fig.1Locations of Xishamen&sampling stations

1 研究区域背景

西沙门海域地理位置为121°21′～121°24′E，28°10′～28°19′N，位于浙江省东南海岸中段。海域东南侧相对较为开阔，区域西北高东南低，向东南向微倾，涂面高程0.50～4.10 m（1985国家高程基准）。西沙门海域悬移质主要成分为粘土质粉砂，海域海底表面沉积物主要成分为含粘土粉砂和粘土质粉砂。

2 资料收集与研究方法

2.1 资料收集

为了全面分析该海域的悬沙输移特征，在该海域进行了同步水位泥沙观测，包括1个临时潮位站和9个水文（潮流、泥沙）站点（图1），收集了2个潮周期内（2012年4月15～16日，2012年4月21～22日）数据，测站水深不足6 m处采用三点法观测［14］。

2.2 研究方法

对单宽悬沙通量进行分析，将流向进行矢量分解，分解为横向（规定由西向东为正）和纵向（规定由南向北为正）。采用相对水深对瞬时物质通量进行分解［3］，设x为横向坐标，y为纵向坐标，t为时间，h为水深，z为相对水深（0≤z≤1），u为瞬时流速，c为瞬时含沙量，其中对于瞬时流速u可以分解为垂向平均的潮平均量垂向平均的潮变化项垂向偏差项的潮平均量和垂向偏差项的潮变化项之和；水深h可分解为潮平均水深h0和潮偏差值ht，即h=h0+ht；同理瞬时含沙量

对单宽输移量进行分析，则潮周期单宽平均悬沙输移量为

式中：T为潮周期，符号＜＞记为潮周期取平均。T1为欧拉余流输移项。T2为斯托克斯余流输移项。T1+T2为平流输移项，反映了水体净输移的输沙效应。T3为潮汐与悬沙含量潮变化相关项。T4为悬沙与潮流场变化相关项，被称为“潮汐捕集作用”。T5为垂向流速变化和悬沙变化的相关。T3+T4+T5为“潮泵效应”项。T6和T7为时均量与潮振动切变引起的剪切扩散项。T8为垂向潮震荡切变作用。

3 结果与分析

3.1 潮流及悬沙特征

根据浙江沿海的潮汐特征，从大范围来看，由东向来的外海潮波至近岸后，多沿岸线推进，结合西沙门海域的地形分布，涨潮时外海潮波传入后，由西南偏西向逐渐转为西南向流经西沙门海域后，流入漩门湾海域，而落潮则为从漩门湾处而来的东北向落潮流，逐渐转为东北偏东向流经西沙门海域。

临时潮位站观测结果分析表明西沙门海域潮流属于非正规浅海半日潮流类型，其中大潮（4月21～22日）平均涨潮历时为6 h15 min，平均落潮历时6 h5 min，相邻高潮位（或低潮位）相差0.30 m左右，小潮（4月21～22日）平均涨潮历时为6 h30 min，平均落潮历时为6 h，相邻高潮位（或低潮位）相差0.40 m左右。西沙门海域各站位在大潮落急流速普遍略大于涨急流速，小潮涨急流速普遍略大于落急流速。西沙门海域潮流的平面分布呈现吊船湾口门海域的流速最小，中间海域次之，离岸海域最大的特征，即流速由近岸向离岸逐渐增大。海域平均涨潮和落潮悬沙浓度分别为0.16 kg/m3和0.13 kg/m3，落、涨潮悬沙浓度的对比总体表现为涨潮悬沙浓度高于落潮潮悬沙浓度。悬沙浓度潮周期变化具有明显的大潮大于小潮的变化特征，大、小潮悬沙浓度平均比值约为1.2:1.0。海域悬沙浓度的平面分布特征为近岸海域的含沙量高于离岸海域，北侧海域的含沙量要高于南侧海域。

分别选取吊船湾口门海域、中间海域、离岸海域的2#、4#、7#测站分析其大、小潮逐时水深、垂线平均流速值和悬沙浓度过程（图2）。

2#测站位于吊船湾口门海域，大潮平均水深为2.97 m，其中涨急流速为0.35 m/s，落急流速为0.36 m/s，悬沙浓度变化过程和流速变化过程相比较，存在“滞后效应”，滞后时间30～60 min，大潮垂线平均悬沙浓度范围为0.06～0.46 kg/m3。小潮平均水深为2.97 m，由于受口门流速影响，其中涨急流速为0.27 m/s，落急流速为0.30 m/s，垂线平均悬沙浓度范围为0.04～0.39 kg/m3。位于口门海域的1#测站具有类似的水沙动力特征。

4#测站位于中间海域，大潮平均水深为3.67 m，其中涨急流速为0.28 m/s，落急流速为0.32 m/s，垂线平均悬沙浓度范围为0.07～0.60 kg/m3。小潮平均水深为3.67 m，涨急流速为0.44 m/s，落急流速为0.25 m/s，垂线平均悬沙浓度范围为0.07～0.41 kg/m3。位于中间海域的3#、5#测站也具有类似的水沙动力特征。

7#测站位于离岸海域，由于离岸较远，其流速变化具有更明显的规律性，大潮平均水深为4.97 m，其中涨急流速为0.41 m/s，落急流速为0.51 m/s，垂线平均悬沙浓度范围为0.29～0.60 kg/m3。小潮平均水深为4.97 m，垂线平均流速在涨急和落急时出现对应峰值，其中涨急流速为0.37 m/s，落急流速为0.25 m/s，垂线平均悬沙浓度范围为0.05～0.21 kg/m3。位于离岸海域的6#、8#和9#测站也具有类似的水沙动力特征。

图22 #、4#和7#测站水深、悬沙浓度和垂线平均流速Fig.2Water levels,suspended sediment concentrations and depth⁃averaged current velocities at stations

3.2 悬沙通量分解

利用公式（1）对潮周期单宽平均悬沙输移量（T）及各悬沙输移分项进行计算，计算结果表明影响潮周期悬沙输移量的主要动力项为欧拉输移项T1，斯托克斯输移项T2和“潮泵效应”输沙项T3+T4+T5。图3～图6分别列出大小潮净输移项T、平流输移项T1+T2、欧拉输移项T1、斯托克斯输移项T2和“潮泵效应”输移项T3+T4+T5的大小及方向。

从时间角度分析，大潮各测站潮周期单宽平均悬沙输移量基本小于小潮输移量（8#站除外）。从空间角度分析，大潮8#测站T值最大，方向为涨潮方向，1#测站T值最小，向吊船湾外输移；小潮6#测站T值最大，方向为涨潮方向，2#测站T值最小，向吊船湾内输移；小潮口门海域1#测站向吊船湾外输移，2#测站向吊船湾内输移，其他各测站输移方向基本和涨潮方向一致，大潮悬沙通量输移方向具有类似规律（图3），分析认为由于涨潮历时长于落潮历时及涨潮悬沙浓度大于落潮悬沙浓度，导致净输沙方向以涨潮向为主。

图3 单宽总悬沙通量输移情况Fig.3Analysis of total suspended sediment transport

3.2.1 平流输沙项

平流输沙［15］可以理解为欧拉余流和斯托克斯余流共同作用（即拉格朗日余流）引起的输沙效应，T1、T2和T1+T2的方向分别和欧拉余流、斯托克斯余流和拉格朗日余流方向一致，决定平流输沙项大小的因素有潮周期余流值、当地潮周期内平均悬沙浓度和水深。

由图4可知1#测站小潮平流输移项方向指向吊船湾外，沿落潮方向。其余各测站小潮平流输沙沿涨潮方向，平流输沙以涨潮方向为主；而大潮却无明显规律性。从时间角度来看，小潮平流输移项量值高于大潮平流输移项量值，分析后认为造成上述现象的原因有以下3点：（1）大潮涨落潮历时大致相等（仅相差10 min），涨落潮流速变化较为对称，小潮涨潮流历时长于落潮流历时30 min，涨落潮流不对称性明显；（2）小潮涨潮流速普遍大于落潮流速，相差0.10～0.20 m/s，而大潮涨潮流速和落潮流速仅相差0.05 m/s左右；（3）大潮天气概况为东南风5～6级，海况2级，而小潮天气概况为东北风5～6级，与涨潮方向一致。从空间分布来看，由于从近岸到远岸，水深愈大，大、小潮平流输移项呈现近岸海域输移量小于离岸输移量的规律，且平流输移项占悬沙总输移量的比重约为80%。

图4 单宽平流悬沙通量输移情况Fig.4Analysis of advection suspended sediment transport

图5 单宽欧拉（左）和斯托克斯（右）悬沙通量输移情况Fig.5Analysis of Euler（Left）&Stokes（Right）suspended sediment transport

欧拉输移项输移规律与平流输沙项规律基本相同，由图4和图5对比可知欧拉输移项在平流输沙项中占主导地位，其中欧拉输移量占悬沙总输移量的比重约为50%。斯托克斯输移项T2方向大、小潮涨潮方向为主要输移方向，由于浅海潮波的非线性效应明显，斯托克斯输移量占悬沙总输移量比重约为30%。

3.2.2 “潮泵效应”项

“潮泵效应”［16］可以概括为：泥沙起动悬浮沉降过程中，由于滞后效应，使得悬沙浓度变化过程滞后于流速变化过程，在涨落潮周期内表现为不对称变化，同时在对称或不对称涨落潮流作用下，潮周期内产生净悬沙输移。除受潮流和悬沙浓度潮周期不对称变化影响外，与当地悬沙浓度存在重要联系。

从时间分布角度分析，大潮各测站“潮泵效应”输移值均大于小潮各测站输移值。从空间分布来看，近岸“潮泵效应”输移量大于远岸输移量。“潮泵效应”输移量占悬沙总输移量比重约为15%，为次要输沙项。

为了更好反映其输沙机理，选取大、小潮“潮泵效应”项较大的2#站流速和悬沙浓度的关系（图7）进行分析。

2#测站在大、小潮表、中、底三层流速过程基本一致，但悬沙浓度具有很大的差异，这和悬浮泥沙的来源密切相关，由于潮流作用，泥沙起动、悬浮、落淤，使得底层悬沙浓度明显高于表层、中层浓度。其他测站也存在类似现象。“潮泵效应”主要反映在潮汐涨落过程中泥沙颗粒在水体和海底之间的周期性上扬下沉的现象，分析底层悬沙浓度变化过程更具有代表性。

图6 单宽“潮泵效应”悬沙通量输移情况Fig.6Analysis of‘Tide Pumping’suspended sediment transport

图7 悬沙浓度与流速过程线Fig.7Relationship of velocity&suspended sediment concentration

2#测站大潮悬沙浓度与流速过程相位相似，在涨急和落急时刻1～2 h后悬沙浓度出现峰值，并且涨潮峰值略大于落潮峰值，出现该现象是因为底层涨潮过程平均流速略大于落潮过程平均流速，泥沙更容易起动。2#测站大潮底层涨潮平均悬沙浓度0.52 kg/m3，落潮平均悬沙浓度0.21 kg/m3，这是由于涨潮过程流速较大造成的，从而使得“潮泵效应”净输沙沿涨潮方向向吊船湾内输移。小潮第二个涨落潮周期内悬沙浓度与流速过程存在明显相位差，且在落憩时刻底层悬沙浓度达到峰值0.66 kg/m3，这可能是由于落潮随着落潮流速逐渐降低，水体挟沙能力下降，悬浮泥沙发生沉降，并逐渐向近底层聚集，使得底层悬沙浓度明显增大。2#测站小潮底层涨潮平均悬沙浓度0.36 kg/m3，落潮潮平均悬沙浓度0.28 kg/m3，从而产生向吊船湾内的“潮泵效应”悬沙输移。

3.2.3 其他作用项

其他作用项由时均量与潮振动切变引起的剪切扩散项T6、T7和垂向潮震荡切变作用T8共同组成，其他作用项值很小，所占比重约为5%。大、小潮其他作用项输移无明显规律性，但由于大潮悬沙浓度大于小潮悬沙浓度，各测站大潮输移值均大于小潮各测站输移值。

图8 单宽其他作用项悬沙通量输移情况Fig.8Analysis of other suspended sediment transport

4 结论

运用通量机制分解法，计算分析了西沙门悬沙输移特征并讨论了相应动力因素的输沙特点，研究表明西沙门海域悬沙输移表现为沿岸输沙，主要输沙方向为涨潮方向，小潮悬沙输移量普遍大于大潮悬沙输移量。

（1）西沙门海域平流输沙项起主要作用，占悬沙总输移的80%左右，其中欧拉输移项比重为50%，斯托克斯输移项比重为30%。平流输沙主要输沙方向为涨潮方向，其中斯托克斯输移方向与风向也保持一定的一致性。平流输沙在近岸海域输沙量小于离岸输沙量。小潮平流输沙量普遍大于大潮平流输沙量。

（2）研究区域“潮泵效应”输沙为次要作用，占悬沙总输移的15%左右。近岸“潮泵效应”输移量大于远岸输移量。大潮“潮泵效应”输移值均大于小潮各测站输移值。其他作用项值很小，所占比重约为5%，大潮输移值均大于小潮输移值。

（3）西沙门海域悬沙在非对称性潮流作用下产生净输沙量。平流输沙项中，欧拉输移项与当地平均水深、潮周期平均含沙量和欧拉余流呈正相关性，浅海风生流也是影响欧拉输移项的因素之一，斯托克斯输移项主要受潮波非线性效应影响，浅滩区域受影响更加显著；“潮泵效应”输移项主要取决于悬沙“滞后效应”、涨落潮流流速的非对称性和当地悬沙浓度情况。

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Mechanism of suspended sediment transport in Xishamen

WANG Yi⁃gang,SUN Ji⁃bin,HUANG Hui⁃ming,CHEN Cheng,CHEN Bin
（Key Laboratory of Coastal Disaster and Defense of Ministry of Education,Hohai University,Nanjing 210098,China）

Based on the dynamics measurement of water levels,current velocities and suspended sediment con⁃centrations in Xishamen,the transport flux of suspended sediment was calculated by the flux decomposition meth⁃od,and the space⁃time distributional characteristics were analyzed.The results show that the advection plays a sig⁃nificant role in the regions and the second factor is the tidal pumping effect.The dynamic mechanism of main items was discussed in term of tiding,velocity and suspended sediment concentration process.The conclusion shows the Euler residual current effect is determined by tidal power.The Stokes current is influenced by the nonlinear effect of tide and wave.The tidal pumping effect is induced by the bottom sediment suspended,tidal dissymmetry and con⁃centration diffecence.

mechanism decomposition；advection；tidal pumping；Xishamen

TV 142+3；TV 131.61

A

1005-8443（2014）06-0595-07

2014-04-25；

2014-05-12

国家“十二五”科技支撑计划资助项目(2012BAB03B01)

王义刚（1955-），男，浙江省定海人，教授，博士生导师，主要从事海岸、河口动力环境和泥沙研究。

Biography：WANG Yi⁃gang（1955-），male，professor.