水动力对越南巴达棱湾表层沉积物和岸滩的影响

杨阳，李锐祥，乔光全，刘愉强，肖志建，朱鹏利

(1.国家海洋局 南海工程勘察中心，广东 广州 510300)

水动力对越南巴达棱湾表层沉积物和岸滩的影响

杨阳1，李锐祥1，乔光全1，刘愉强1，肖志建1，朱鹏利1

(1.国家海洋局 南海工程勘察中心，广东 广州 510300)

基于越南巴达棱湾2007年4月采集的42个表层沉积物样品及实测水文资料，分析越南巴达棱湾表层沉积物特征，并结合GSTA模型分析表层沉积物的运移趋势。结果表明：越南巴达棱湾表层沉积物以粗颗粒为主，在潮流和波浪的作用下呈中西部粗、东部细的分布特征；其西侧表层沉积物沿岸线自西南向湾内运移，中西近岸区沉积物垂直于岸线做离岸输移，在湾的东侧存在自东北向西南的运移趋势，并与从湾西运移过来的底沙相遇，形成运移辐聚区，并在余流的作用下，向西运移；“波浪掀沙，潮流输沙”是该地区表层沉积物输运的主要作用机制；在波浪的作用下，研究海域的海岸线处于侵蚀状态，有后退的趋势。

越南巴达棱湾；表层沉积物；粒度特征；运移趋势

1 引言

受热带气旋、风暴潮、波浪、海面上升、沿岸流和人类活动等影响，越南海岸侵蚀情况较为严重，其中越南中部沿岸的海岸侵蚀速率为15～30 m/a，最大速率超过100 m/a[1]。由于越南海岸的侵蚀是一个复杂而长期的问题，受到了学者们的高度关注。很多学者利用对海岸侵蚀的长期监测[2]、现场水文观测[3]、海图与地形遥感资料的比较[4]和数值模型[5]等研究手段，得到了一系列的研究成果，并通过构筑防波堤[2]、种植红树林[6]等措施有效地保护了海岸线。

越南巴达棱湾(Cu Aao Cau Bay)(见图1)位于越南平顺省(Binh Thuan)东北部的绥丰县(Tuy Phong)。该湾潮汐属不正规全日潮，潮流以不正规半日潮为主，潮流椭圆长轴基本与岸边等深线平行，其方向集中在SW-NE之间[7]。余流存在明显季节变化，雨季受西南季风的影响，余流方向从西南指向东北，旱季在东北季风驱使下，余流方向指向西南海区。该地区波浪以风浪为主，东北季风(西南季风)期间，谱峰周期对应的波向为E(SSW)。常浪向为E，频率为34.3%；其次是SSW向，频率为24.5%。强浪向为E和SSW，有效波高Hs≥50 cm 的出现频率分别为20.4%和14.7%，有效波高Hs最大值为136 cm，出现在SSW向。研究海域的水体含沙量存在旱季低、雨季高的季节变化和大潮高、小潮低的潮期变化，在平面上出现东西两侧高、中间低，近岸高、远海低的特征。调查海域旱季大、小潮期间的平均含沙量分别为0.002 8 kg/m3和0.002 0 kg/m3；雨季大、小潮期间的平均含沙量分别为0.003 8 kg/m3和0.003 4 kg/m3[8]。

本文利用越南中部巴达棱湾2007年4月采集的42个站沉积物，2007年5月至2008年4月的波浪观测资料，2007年4月的全潮海流、悬沙资料，并结合Gao-Collins粒径趋势分析方法[9]探讨该湾表层沉积物特征、运移趋势及对水动力的响应。

图1 潮位、海流和悬沙、底质采样站位示意图(等值线表示水深(m))Fig.1 Distribution of observatory stations for tide，current，suspended sediment and surface sediment (values in the con-tour lines represent the water depth(m))

2 资料及方法

国家海洋局南海工程勘察中心于2007年4月使用0.05 m2曙光(HNM1-2型)采泥器在越南中部巴达棱湾对42个底质站实施采样，调查站位见图1，每站取样1个，每站取样质量不少于1 kg。粒度分析采用Mastersizer 2000粒度分析仪与筛析法相结合的方式测试，并获得0.25φ间隔的粒度分布。沉积物粒级采用尤登·温德华氏等比制φ值粒级标准，沉积物粒度参数(平均粒径φ、分选系数QD和偏态系数Sk)利用矩法计算[10]，沉积物的分类和命名采用谢帕德沉积物命名法(砾石含量大于20%时，砾石参与命名)。周年波浪观测时间从2007年5月至2008年4月，波浪观测站的水深约15 m，观测仪器采用荷兰Datawell Inc公司生产的MARKⅡ型波浪骑士。全潮水文观测于2007年4月19-28日进行，测流时采用10条船进行定点同步的26 h连续观测，海流测量仪器为AANDERAA RCM-9自容式海流计。

3 结果与分析

3.1 底质类型和粒度参数

研究区域内沉积类型比较复杂，物质由粗至细共包括5种物质成份，即砂、砾砂、粉砂质砂、砂质粉砂和砾砂，其中所占比例最多的是砂(占50.0%)，其次是砾砂(占23.8%)，粉砂质砂(占16.7%)，砂质粉砂和砾砂各有两个站位出现，呈现出以粗颗粒砂为主的沉积特性。砂在巴达棱湾分布最广，砂砾仅在巴达棱湾的西侧远岸处出现，而粉砂质砂和砂质粉砂两种类型沉积物主要集中在大于10 m的深水区。其中，粉砂质砂出现于巴达棱湾中部浅水滩北侧(见图2a)，及中部深水区零星区域，对应的平均粒径为高值区(见图2b)，而湾内中部浅滩沉积物类型较为复杂，存在砂、砾砂和砾砂3种物质，对应的沉积物中粒级分布范围较广，沉积物分选较差(见图2c)，体现了该区物源多样性，反映出湾内水动力条件较为复杂。该区域对应的偏态系数最大(见图2d)，最大值超过0.5，属于极正偏，表明沉积物总体偏粗，此外，另一个极正偏区域位于深槽南部及其南侧海域，沉积物粒度集中于粗粒部分，以砂和砾砂为主。总体而言，巴达棱湾沉积物粒度呈现出中西部粗、东部细的分布格局。

3.2 沉积物输移及来源

基于表层沉积物的粒级参数(平均粒级、分选系数和偏态)在搬运过程中的规律性变化，Mclanren和Bowels[11]提出了一维沉积物粒径趋势模型，用来判别沉积物的净搬运方向，在此基础上，Gao和Collins[9]建立了二维的“粒径趋势分析”(GSTA模型)，并用以反映沉积物输移格局。该方法在不同海域得到了应用[12—16]。图3为通过GSTA模型计算获取的越南巴达棱湾粒径运移趋势图。图中矢量箭头表示沉积物净搬运方向，矢量长度仅表示粒径趋势的显著性，并不代表搬运速率的大小。由图可知，越南巴达棱湾表层沉积物运移趋势较显著，其西侧表层沉积物沿岸线自西南向湾内运移，指示该区域物源主要来自湾外部。受潮致余流及波生离岸流的作用，研究海区中西部近岸区表层沉积物主要垂直于岸线做离岸输移，预示着该段海岸线被冲刷，岸线被侵蚀，从岸向外海其运移强度逐渐减弱。巴达棱湾东侧沿岸表层沉积物亦是离岸向海运移，表明东侧海岸线同样存在被冲刷、被侵蚀的可能性，其在15°18′N，118°53′E区域与从巴达棱湾西侧运移过来的底沙及外海从湾东侧进入湾内的底沙相遇，形成泥沙运移汇聚区(见图3)，并在底层余流的作用下可能发生向西南向运移(见图4)。

3.3 水动力对泥沙输移的作用

3.3.1 潮流掀沙

潮流对表层沉积物的掀沙作用强度主要与潮流流速、水深及表层沉积物粒径大小有关，本文根据窦国仁[17]公式计算了泥沙的起动流速，对于某一水深处，表层沉积物的相应起动流速小于或等于潮流最大垂线平均流速时，潮流对其具有掀沙作用，公式如下：

图2 表层沉积物(a)、平均粒径(b)、分选系数(c)和偏态系数(d)分布图(图中线等值线表示水深(m))Fig.2 Distribution of surface sediments (a)，mean grain size (b)，sorting coefficient (c)，and skewness coefficient (d)(sash-dotted contours represent the water depth(m))

图3 沉积物净输运趋势图(虚线等值线表示水深(m))Fig. 3 The trends for net sediment transportation(dash-dotted contour represents the water depth(m))

图4 研究海区底层悬沙浓度(mg/L)及余流(cm/s)(虚线等值线表示水深(m))Fig.4 Concentrations of suspended sediments and residual currents in the study area (dash-dotted contours represent the water depth(m))

(1)

式中，ha为水柱高度表示的大气压；δ为水分子厚度，取3×10-8cm；g为重力加速度；D为中值粒径；h为水深；γ为水的容重，取1；γs为泥沙容重，取2.65。

对实测潮流资料进行调和分析，并通过相应的调和常数计算，得到区域内各测点的潮流可能最大流速。当某点沉积物的起动流速小于潮流最大流速时，即认为该点潮流流速足以使泥沙颗粒起动，存在潮流掀沙作用。图5为计算所得研究区域内泥沙起动速度空间分布情况，可以看出，研究海区的泥沙起动流速在0.36～0.90 m/s之间，受水深及泥沙粒径的共同影响，研究海域中部浅滩区泥沙起动速度最小，东北和西南侧泥沙起动速度相对较大。根据现场观测资料获取的本海域近底层理论最大潮流流速(表1)最大为0.42 m/s，各点的最大理论潮流流速均小于该处的泥沙起动速度，显然潮流作用不足以起动该海域底沙。

图5 泥沙起动速度(单位：m/s)分布图(虚线等值线表示水深(m))Fig.5 The speeds for sediment initial motion(dash-dotted contours represent the water depth(m))

表1 泥沙起动速度及最大理论潮流统计表

Tab.1 Speeds of sediment initial motion and theoretical maximum tidal currents

站位起动速度/m·s-1最大理论潮流/m·s-1流速差/m·s-110 360 07-0 2920 570 25-0 3230 530 28-0 2540 680 38-0 3050 920 36-0 5660 640 27-0 3770 840 19-0 65

续表1

注：流速差是指理论最大理论潮流与起动速度的差值，正值表示理论最大理论潮流大于起动速度，底砂可以起动，负值则不能起动底砂。

3.3.2 波浪掀沙

本海域直接经受外海传入的波浪作用，加以区域内的床面表层沉积物粒径总体较粗，起动流速较大，因而波浪对本海域的掀沙冲刷作用不容忽视，为了解本海域波浪掀沙作用，本文通过公式(2)来计算泥沙颗粒的起动水深h*[18]:

(2)

式中，M是受泥沙因素及沙层渗流影响的系数，可以假定为沙粒粒径D和波长L的函数，

(3)

波长L分为浅水波长和深水波长，

(4)

式中，H为波高，ρs为泥沙密度，ρ为水体密度；D为泥沙颗粒粒径；β为常系数0.039；εK取值为2.56 cm3/s2。若取样点泥沙颗粒的起动水深大于实际水深，则认为存在波浪掀沙作用。据此，若以实际水深作为临界起动水深可以求得研究区域内各点的泥沙起动临界波高，其空间分布见图6。

图6 研究区域波浪掀沙空间分布(虚线等值线表示水深)Fig.6 The effect of wave-lifting-sediment (dash-dotted contours represent the water depth)

对于波浪动力，其掀沙作用范围除受沉积物空间分布格局控制外，还取决于其波能的大小和实际水深。由图6可以发现：(1)常见浪1.0 m波级情况下，仅可起动近岸水域的约5 m以浅表层沉积物；(2)波高位于1.0～1.5 m的波浪掀沙作用外边界在中部浅滩及近岸稍远海滩大致与5 m等深线相当；(3)波高1.5～2.0 m的波浪掀沙作用区域主要集中于10 m水深海域；(4)对于2.5 m波级波浪，至约15 m水深以深，水下地形及表层沉积物颗粒大小沿等深线方向差异较大(水浅处，颗粒较粗)，该波级掀沙作用范围存在明显的空间分布差异；(5)当波浪波级增大到2.5 m以上时，研究区域均为其掀沙作用范围，但对于20 m水深以深区域，有效掀沙波浪发生频率较低，表层沉积物所受波浪掀沙动力相对其他区域最为微弱，加之该区域接受近岸细颗粒泥沙输入的原因，该范围内相对于其余海域的沉积物颗粒度明显偏细。

3.3.3 潮流输沙

落潮流由西南进入巴达棱湾后，受地形和科氏力影响，向偏东方向运动，在中部浅滩区域的细颗粒沉积物由于波浪掀沙作用发生再悬浮，并随潮流运移，使得该区域的表层沉积物主要是较粗物质，中值粒径大多小于1φ，而较细物质悬浮随潮流继续向偏东运移，随着水深的增加，波浪和潮流等水动力作用逐渐减弱，细颗粒泥沙开始沉降落淤。涨潮流由该湾的东南侧进入湾内，涨潮流带入的湾外部泥沙，在深水槽处与湾西运移过来的较细物质及东北近岸海域向西南方向运移的泥沙相遇，形成一个泥沙汇聚区，该现象在表层沉积物的粒径分布(见图2a)和输运趋势(见图3)中得到了进一步验证。因此，潮流作用很可能是该海域泥沙输移的主要动力因素。

3.4 波浪对海岸的塑造

波浪对海岸地貌的形成和发展有着重要意义。海滩的变形和泥沙运动主要受波能流强度所控制，所以波能流分布是十分重要的。按微幅波理论，单位波峰线上一个波长的平均波能流[19]为:

W=nρgH2L/8T，

(5)

式中，n波能传递系数，对深水波n=1/2；ρ为海水密度，取1 030 kg/m3；H波高；L波长；T周期。据此得各向的平均波能流见表2。表中Db为波浪的破碎水深。按各向出现频率对波能流强度进行统计，得北向波能流En=-30.60%，东向波能流Ee=49.65%，波能流平均方向为α=122°，平均波能流为2.23×103W/m。越南巴达棱湾的海岸弧形开口向南，其东侧和西侧岬角所处纬度变化不大，属“偏S型”海岸，各个方向常浪、强浪，对弧形海湾的泥沙运动和岸滩调整过程均可以产生影响[20]。岸线的法向与强浪向夹角的大小是决定海岸地貌形态的主要因素。巴达棱湾的岸线可以分成两段进行讨论，其中东段岸线走向135°，西段岸线走向224°，根据实测波浪统计的波能方向122°，与两岸线的夹角分别为13°和102°。其中西段岸线在波浪作用下，整个岸段呈现弧形海岸的平面形态，近似与波能向垂直，该段岸线的近岸海域表层沉积物净输运方向垂直于岸线做离岸输移，且本海域泥沙供给能力远小于波浪的可侵蚀能力，海岸正处于侵蚀状态，有向岸后退的趋势。由于东段岸线与波能向夹角仅13°，东段岸线在波浪作用下被侵蚀的程度逊于西段岸线。

表2 各向波能流分布

续表2

注：Db为波浪破碎水深。

此外，中部浅滩区受波浪破碎的影响，底质泥沙被波浪重新悬浮，细粒物质被潮流带往它处，导致浅滩的沉积物逐渐粗化，经强浪淘选的粗粒物质在浅滩区形成大片砂粗细砂分布区，且分选较差。由表2中计算的破碎水深，以N-E浪的破碎水深最大(0.61 m)，SSW-SW(0.56 m)居次，结合中值粒径等深线的分布特征进行分析(见图2a)，表明破波带以内表层沉积物粗化区可能以东北和偏东走向为主。

4 小结

(1)越南巴达棱湾表层沉积物以砂为主要类型，普遍较粗，分选较差，属正偏态，粒径空间分布呈中西部粗、东部细的格局。

(2)在水动力作用下越南巴达棱湾西侧表层沉积物沿岸线自西南向湾内运移。受潮致余流的作用，研究海区中西部近岸区表层沉积物主要垂直于岸线做离岸输移。巴达棱湾东侧沿岸表层沉积物亦是离岸向海运移，并与湾西侧运移过来的底沙及从湾东侧进入湾内的外海底沙相遇，所形成的泥沙运移汇聚区在余流作用下西移。

(3)该海域潮流不足以掀沙，波浪是掀沙的主要水动力因素，其对表层沉积物冲刷作用主要以常见浪1.0 m波级情况下对浅水区域掀沙作用最为显著，可起动中部浅滩及近岸水域的约5 m以浅表层沉积物。当波浪波级增大到2.5 m以上时，掀沙作用范围覆盖整个研究区域。

(4)潮流作用是该海域泥沙输移的主要动力因素。

(5)波浪是其海岸线侵蚀的主要因子，在其作用下，东段岸线被侵蚀的程度低于西段岸线。

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The influence of Hydrodynamics on surface sediment and beach in the Cu Lao Cau Bay，Vietnam

Yang Yang1，Li Ruixiang1，Qiao Guangquan1，Liu Yuqiang1，Xiao Zhijian1，Zhu Pengli1

(1.SouthChinaSeaMarineEngineeringSurveyCenter，StateOceanicAdministration，Guangzhou510300，China)

This study analyzed 42 surface sediment samples and hydrological data observed in Aprial，2007 in the Cu Lao Cau Bay. The obtained data，combined with the Gao-Collins Grain Size Trend Analysis Model (GSTA model)，were used to infer the characteristics and transportation trend of sarface sediment in the Cu Lao Cau Bay，Vietnam. The results suggested that the surface sediments were mainly composed of coarse particles. Under the influences of the tidal currents and waves，the particles were coarse in the central and western part of the bay，and fine in the eastern part. In the western part of the bay，the sediments were transported from southwest into the bay along the coast. In the central part of the bay，the sediments were transported from nearshore to offshore. In the eastern part of the bay，the sediments were transported from northeast to the southwest. A convergent area of sediments was formed by the sediment from the western and eastern part of the bay，and then they moved westward under the influence of residual currents. The surface sediment movement was mainly induced by the superimposed effect of wave and tidal current，of which the sediment was left by wave and transported by the tidal current. The coastline of the Cu Lao Cau Bay is being eroded under the influence of wave (a main factor)，and it generally takes on a tendency of moving backward．

Cu Lao Cau Bay; surface sediment; grain size character; trend of sediment transport

10.3969/j.issn.0253-4193.2015.05.007

2014-06-20；

2014-12-22。

国家自然科学基金(41376026)。

杨阳(1976—)，男，湖南省祁阳县人，高级工程师，主要从事海洋环境调查工作。E-mail：yangyang@smes.gz.cn

P736.21

A

0253-4193(2015)05-0068-08

杨阳，李锐祥，乔光全，等. 水动力对越南巴达棱湾表层沉积物和岸滩的影响[J]. 海洋学报，2015，37(5)：68-75，

Yang Yang，Li Ruixiang，Qiao Guangquan，et al. The influence of hydrodynamics on surface sediment and beach in the Cu Lao Cau Bay，Vietnam[J]. Haiyang Xuebao，2015，37(5)：68-75，doi：10.3969/j.issn.0253-4193.2015.05.007