珠江黄茅海河口洪季侧向余环流与泥沙输移

杨名名，吴加学，张乾江，任杰，刘欢



珠江黄茅海河口洪季侧向余环流与泥沙输移

杨名名1，2，吴加学1*，张乾江1，任杰1，刘欢1

(1. 中山大学 海洋学院 近岸海洋科学与技术研究中心，广东 广州 510275；2. 广东省海洋发展规划研究中心，广东 广州 510220)

摘要：2012年洪季对珠江黄茅海河口湾侧向动力结构与泥沙输移过程进行了系统观测，采用动量平衡和泥沙通量机制分解等方法，分析了河口流、温盐和泥沙侧向分布特征以及泥沙输移过程，探讨了侧向动量平衡与泥沙输移机制。洪季黄茅海河口存在明显的侧向流，西滩和北槽均形成表层向东、底层向西的两层侧向流，拦门沙滩顶呈现表、底层向西、中层向东的三层侧向流，而拦门沙前缘侧向流整体向西。河口湾纵向净泥沙通量表现为北槽向海、西滩向陆，拦门沙滩顶及其前缘均向海；侧向净泥沙通量表现为滩顶及其前缘均向西，西滩向东、北槽向西。这种侧向泥沙辐聚过程是高浓度悬沙聚集于滩槽界面的重要原因，向陆净通量是西滩回淤的重要原因。滩槽间侧向余环流动量平衡主要是侧向斜压梯度力、科氏力和侧向平流作用。欧拉平流输运在侧向泥沙输运中起主要作用，潮泵效应也起重要作用。

关键词：侧向环流；泥沙输移；动量平衡；宽浅河口；珠江；黄茅海河口

1引言

河口过程本质上是三维的，然而为了便于理解或简化处理，通常假定侧向均匀，将重点集中在轴向动力结构与过程的分析。但是许多研究表明河口过程与物质分布均表现出明显的侧向非均匀性，如潮流和余流的侧向变化[1—6]，悬沙浓度的侧向变化[7—11]，以及盐度的侧向变化[12—17]。对于宽浅河口，尤其是发育复式河槽的河口，侧向变化明显，侧向均匀的假设并不成立。忽略侧向物质分布的不均匀性与侧向动力过程将导致对河口系统的认识不够完整，在河口治理与工程实践中可能产生负面效应。在长江口深水航道维护中，Liu等[18]发现南导堤越堤侧向泥沙流可能成为影响航道运行安全与维护成本的关键问题之一。华南河口大规模的边滩围垦使河口湾水域面积缩小，滩地变浅，河口出现明显的萎缩现象，如黄茅海、伶仃洋等均有明显的表现。实际操作中这些边滩围垦是依据所谓河口制导线规划进行的，这就提出了在河口治理实践中的一个重要问题，即制导线规划是否遵循宽浅河口发育的基本规律？当侧向边界改变后，尤其是宽广的边滩大规模围垦后，河口侧向动力条件改变，河口演变定会出现新的格局。这里涉及到一个基本的河口动力学问题，即侧向流与泥沙输移在整个河口动力系统中的作用如何？侧向流是否因其强度较纵向流弱而可以忽略？

近年来河口侧向泥沙输移受到广泛的关注，研究表明其在河口泥沙输移过程中发挥重要作用。由于滩槽地形深度的侧向变化大，河口水动力特征呈现较强的侧向变化，河口深槽比相邻的浅滩发育更强的斜压作用，层化和剪切不对称更明显，并能更有效地捕聚泥沙[19]。浅滩上环流和层化一般较弱，表层向海的径流对近底层平均流影响更大。在美国切萨匹克湾海岸平原河口观测到净泥沙通量呈现浅滩向海、深槽向陆的侧向分布格局[20—21]，同样的输沙分布格局出现在哈德逊河口下游[22]和约克河口[23]。浅滩向海的泥沙通量提供了另外一条泥沙输移的路径，对维持动力地貌平衡具有重要的作用。河口余流的纵向和侧向分布均影响物质的输运[10—11，15—16，24—25]，泥沙的侧向捕聚作用[7，26—29]表现突出。上述余流包括纵向余流和侧向余流，本文主要探讨侧向余流的分布及其作用下侧向泥沙输移过程。以珠江黄茅海河口湾这个典型的宽浅河口为例，采用高分辨率的现场观测、实验室试验和理论分析等方法，分析河口侧向余环流与泥沙输移扩散过程，探讨侧向流对河口环流与泥沙输移的影响，加深认识宽浅河口动力系统基本特征，为河口规划治理与保护提供技术支持。

2研究区域概况

黄茅海河口湾位于珠江三角洲西部，地貌形态为喇叭状的海岸平原河口，是一个典型的宽浅河口湾[30]。河口湾水下地形表现为“三滩、两槽”的格局(图1)。三滩指西滩、东滩和拦门沙浅滩；两槽为主槽(又分北槽和东槽)和大襟岛与荷包岛之间的中口深槽。本文研究区域主要为包含拦门浅滩的河口湾中下游河段，水下地形特征为明显的滩槽地形，东部为落潮冲刷槽，又称北槽(深度5～12.4 m，宽度约1 000 m)，西部分布较宽的浅滩，又称西滩(深度2.4～4 m，宽度约4 900 m)，浅滩与深槽之间存在宽约4 00 m的斜坡地形。该海区属于亚热带季风气候，洪季降水充足，占全年80%左右，年内分配不均。潮汐属不规则半日潮，具有明显的不对称性，涨潮历时和涨潮流速均小于落潮历时与落潮流速，潮流为往复流特征。虎跳门水道和潭江是黄茅海海域悬沙主要来源，由虎跳门和崖门口输入黄茅海的多年平均输沙量分别为499万吨和363万吨[31]，总体以细颗粒泥沙为主，主要以悬移方式搬运[32]。河口湾口门泥沙主要通过波浪掀沙和潮流输送的方式进入河口湾[33]。

3现场观测与数据预处理

3.1现场观测

近年来野外观测技术和方法的进步大大促进了河口侧向流观测研究，最常用的观测方式为横断面走航测量(表1)，可获得分层流速、温盐和泥沙等特征量的侧向分布。黄茅海河口湾水流基本为南北向的往复流，根据深槽的主流向定义侧向流，将实测流速的北、东分量分别定义为纵向流和侧向流分量，据此我们设计了横断面走航观测的路径和测量采样方式与时间。在黄茅海河口湾中下游设计了4个横断面(I，J，K，L)，与定点站位观测同步，两次跨越滩槽定点站位进行横断面走航调查，一次在涨潮期间，另一次在落潮期间。此次走航观测采用船载、下视的River Surveyor(RS，1 000 kHz)，层厚0.3 m，层数90层，连续采样，流速剖面采用5 s平均，走航船速小于4节(约1.6 m/s)，分层流速剖面的侧向间隔约为8 m，横断面走航持续时间约为40 min。与前人观测对比可看出此次走航观测具有更高的时空分辨率(表1)。与走航流速观测同步，用CTD(RBR)和OBS-3A采集了走航站位的温度、盐度和浊度的垂向剖面数据，采样频率均为1 Hz，垂向分辨率近似3 cm，并在局部进行走航站位加密，例如本文关注的西滩、北槽、拦门沙滩顶、拦门沙前缘以及滩槽界面。

底边界层观测采用中山大学近岸海洋科学与技术研究中心自主设计研制的座底三脚架观测系统。该系统稳定性强，能实现底边界层单层湍流、分层流速、温盐及浊度等项目的同步高分辨率测量[34—35]。2012年7月洪季大潮期间现场观测持续49 h，包括两个完整的潮周期。第一航次在北槽横断面J上布置两个定点站位(图1)，一个位于西滩(B1)，另一个位于北槽(A1)。定点站位采用船载声学多普勒流速剖面仪(ADP-Nortek)记录平均流速和流向，流速剖面1 min 平均，垂向分辨率深槽为30 cm、浅滩为20 cm。与定点流速观测同步，用CTD和OBS-3A采集了整点时刻的温度、盐度和浊度的垂向剖面数据，采样频率均为1 Hz，垂向分辨率近似3 cm，同时分6层采集水样进行室内含沙量分析，以供OBS-3A浊度信息的标定。与此同时，在西滩B1和北槽A1站位分别布置一个座底三脚架系统，观测底边界层流(平均流和湍流)、温盐和浊度。座底三脚架上布置两层高频三维点式流速计(ADV-Nortek)，下层距底30 cm，上层距底110 cm，记录局地流速度和方向，采样频率64 Hz。与ADV同层位布置有CTD和OBS-3A观测温度、盐度和浊度，采样间隔分别为1 min和1 s。第二航次集中在拦门沙滩顶B2及其前缘A2站位，仪器配置与采样参数设置分别与第一航次西滩B1和北槽A1站位相同。

图1　黄茅海河口湾水下地貌、现场观测站位及走航断面分布图Fig.1　Subaqueous topography，field mooring sites and moving transects in the Huangmaohai Estuary1代表北槽，2代表西滩，3代表东滩，4代表东槽，5代表拦门沙浅滩，6代表中口深槽;走航断面中仅标出两端剖面位置The figures 1 to 6 in the plot indicate North Channel，West Shoal，East Shoal，East Channel，the mouth bar，and the mouth channel，respectively. Only those terminal profiles were marked for the moving transects

横断面宽度/m侧向观测持续时间/min侧向观测剖面间距/m参考文献300未知49Swift等[36]40009075Valle-Levinson等[1]20003075Cceres等[37]2700496Fugate等[10]400015～3015～200Buijsman等[38]1000～1200303Collignon和Stacey[39]1800～2000408本文

3.2数据预处理

在分析走航观测的平均流速前需要对数据做预处理，通过船载GPS系统对RS底跟踪流速剖面数据进行校正，有必要对平均流速进行低通滤波预处理，即将原始速度在水平方向上100 m和垂向上0.9 m进行滑动平均以消除随机噪声，但不影响结果的分析。同理对定点站位观测平均流速需要进行低通滤波预处理以消除随机噪声。

对于测得的高频湍流流速数据，在使用前必须经过严格的预处理，其处理过程主要包括数据有效性判断、坐标系旋转、毛刺点判断与替代、高通滤波和噪声去除等过程[40]。经过上述预处理过程，湍流数据质量能得到有效保证，同时通过标准差阈值法检测出信噪比(SNR)大于3倍标准差的不可信数据，并通过相邻点位插值代替。

OBS-3A测得为浊度信息，需结合现场采集的水样和室内泥沙浓度分析，建立起浊度与泥沙浓度的经验关系。结果显示，浊度与泥沙浓度具有较好的线性关系，A1、A2、B1和B2站位相关系数分别为0.79、0.74、0.81和0.64，具有较高的相关性[41]。

4理论分析

4.1侧向动量平衡分析

许多学者采用侧向动量平衡方程分析侧向动力作用[10—11，39，42]，其中Fugate等[10]采用走航横断面的数据来估算侧向动量平衡方程中各项作用力。由于走航横断面数据无法直接估算出正压力，于是假设没有测量误差以及侧向流速对侧向动量平衡的贡献可以忽略，则科氏力与斜压梯度力的和等于正压梯度力，其值在垂向上一致，便可将科氏力项和斜压梯度力项之和的深度平均值估算为正压梯度力，再通过动量平衡方程估算出余项，即加速度与摩擦力之和。故我们采用同一横断面上浅滩和北槽定点站位高质量的同步时间序列数据(包括纵向和侧向流速、密度垂向剖面数据和水位数据)来计算侧向动量平衡项和净平衡项。由于本文关注海域曲率半径很大，可忽略离心加速度的影响，故侧向动量平衡方程可写成如下形式：

(1)

(2)

4.2侧向泥沙通量机制分解

由水流速度和悬浮泥沙浓度的乘积可求得瞬时泥沙通量。假设流速和浓度均可分解为平均量和潮振荡量两部分，则潮周期平均纵向泥沙通量可分解为余平流通量和潮振荡通量之和[11，45]:

(3)

式中，u和c分别表示纵向流速和悬浮泥沙浓度，中括号表示潮平均量，波浪线表示潮振荡量。式(3)右边第一项表示由余流引起的平流输运项，简称余对流通量，第二项表示由潮泵作用引起的潮输运项，简称潮振荡通量，一般与潮流时间变化有关，例如潮不对称性，也可能包括扩散通量的效应。将式(3)中的流速换为侧向流速即可求出潮平均的侧向泥沙通量。

国内对河口湾纵向泥沙输移机制的探讨较多[46—48]，然而对侧向泥沙输移机制的探讨较缺乏，而且由于以往观测手段相对较落后，例如采用直读式海流计三点式观测平均流，其分辨率较低，不利于反应垂向环流的变化，可能会产生较大计算误差。本文采用声学多普勒流速剖面仪观测到的高时空分辨率的流速数据分析垂向环流模式和泥沙通量，计算表明在部分流速方向表、底层差异较大的站位，声学测量计算结果比三点式测量计算结果具有明显的优势，能更精确地反应环流垂向变化以及水沙输移量。

(4)

同理，悬沙含量c(z,t)可分解为

(5)

考虑潮振荡的影响，可将水深分解为潮平均量与潮变化量之和，即

(6)

则垂直于河道轴线单宽潮周期平均输水量为

(7)

同理，垂直于河道轴线单宽潮周期平均悬沙输移量为：

(8)

式中，T1为欧拉余流引起的悬沙输移项，T2为斯托克斯漂流输移项，T1+T2为平流输移，即拉格朗日输移项；T3为潮汐与悬沙潮变化相关项；T4为流速与悬沙潮变化相关项，T3+T4为潮泵作用；T5为垂向流速与悬沙变化相关项；T6和T7为时均与潮振荡引起的剪切扩散项；T8为垂向潮振荡切变项。

5结果与讨论

5.1平均流、盐度和泥沙的潮内变化

侧向上，西滩纵向流速小于北槽，落潮纵向流速由表向底逐渐减小，涨潮最大流速出现在次表层(图2)。西滩和北槽均存在较强的侧向流，最大值分别为0.3 m/s和0.29 m/s，西滩落潮初期形成表层向东、底层向西的两层侧向流结构，落潮中后期反向，表层向西、底层向东。北槽落潮期同样存在表层向东、底层向西的两层侧向流结构，涨潮期反向，表层向西、底层向东。西滩盐度整体低于北槽，其盐度层化弱于北槽。西滩和北槽悬浮泥沙浓度均随纵向流速增大而升高，涨潮期西滩底层泥沙再悬浮至整个水层，而北槽底层泥沙再悬浮仅局限于近底层，悬浮泥沙浓度由表向底逐渐增大，但是落潮中后期北槽中层出现局地升高的悬浮泥沙浓度。

纵向上，拦门沙滩顶纵向流速大于其前缘，落潮流速由表向底递减，而涨潮最大流速出现在次表层(图3)。滩顶及其前缘存在较强的侧向流，最大值分别为0.45 m/s和0.48 m/s，一般落潮期侧向流整体向东、涨潮期整体向西，但在高高潮时滩顶形成表、底层向西、中层向东的三层侧向流结构。滩顶盐度整体低于其前缘，其盐度层化相对较弱。滩顶及其前缘悬浮泥沙浓度均随纵向流速增大而升高，低低潮时滩顶底层泥沙再悬浮至整个水层，而其前缘底层泥沙再悬浮仅局限于近底层，涨、落潮悬浮泥沙浓度均是由表向底逐渐增大。

由北向南，横断面I、J、K、L的纵向流、侧向流、盐度和泥沙浓度均存在明显的侧向不均匀性和涨落潮不对称性(图4)。落潮期表层纵向流最大，而涨潮期次表层最大，一般浅滩纵向流速低于深槽。涨潮期侧向流整体向西，落潮期整体向东，但是随地形侧向变化较大，局部出现两层或三层的侧向流结构。一般浅滩盐度低于深槽。值得注意的是，涨潮末期西滩与北槽之间转折处的盐度等值线下降，侧向盐度梯度逆转，对应东向的侧向流(图4a，b)。上述浅滩与深槽间的转折处常出现明显高于两侧水体的悬浮泥沙浓度，而此处发育侧向流的辐聚和侧向交换流结构，因此推测侧向流引起悬沙的侧向对流与滩槽间高浓度悬沙的形成。与北槽定点观测类似，落潮中期横断面J深槽的中层同样出现局地升高的悬浮泥沙浓度(图4e)，对应较强的东向侧向流和盐跃层位置，由底应力计算证明此时西滩底层泥沙以再悬浮作用为主，而北槽以沉降作用为主(图8g，h)，这说明深槽中层局地升高的悬浮泥沙浓度主要是由平流输运引起，而非局地泥沙再悬浮。

图2　西滩站B1和北槽站A1同步纵向流速(a，b)，侧向流速(c，d)，盐度剖面(e，f)和悬浮泥沙浓度剖面(g，h)Fig.2　Time series of longitudinal velocity (a，b)，lateral velocity (c，d)，salinity (e，f) and suspended sediment concentration (g，h) at two concurrent sites B1 and A1黑色线表示实际海面，横轴0表示2012年7月20日11：00，25表示2012年7月21日12：00The black line represent the actual sea level，the zero point on the abscissa axis started on 11：00 July 20th，2012，and the ending point on 12：00 July 21st，2012

图3　拦门沙滩顶B2站及其前缘A2站的同步纵向流速(a，b)，侧向流速(c，d)，盐度剖面(e，f)和悬浮泥沙浓度剖面(g，h)Fig.3　Time series of longitudinal velocity (a，b)，lateral velocity (c，d)，salinity (e，f) and suspended sediment concentration (g，h) at two concurrent sites B2 and A2 黑色线表示实际海面，横轴0表示2012年7月21日16：00，25表示2012年7月22日17：00The black line represent the actual sea level，the zero point on the abscissa axis started on 16：00 July 21st，2012，and the ending point on 17：00 July 22nd，2012

图4　纵向流速(u)、侧向流速(v)、盐度和泥沙浓度的侧向断面分布Fig.4　Transect distributions of longitudinal velocity (u)，lateral velocity (v)，salinity and suspended sediment concentration左侧为涨潮断面，右侧为落潮断面，横断面I、J、K和L均沿东西方向分布，纵向流速(u)大小用圆点直径表示The left column indicates during the flood tide，while the right column during the ebb tide,the transects I,J,K and L extend along the eastern direction, the diameter of dots indicates the magnitude of longitudinal velocity

图5　定点站位侧向欧拉余流(VE)、斯托克斯余流(VS)和拉格朗日余流(VL)垂向结构(正值表示向东，负值向西)Fig.5　Vertical profiles of Eulerian，Stokes and Lagrangian residual currents at the mooring sites B1，A1，B2 and A2 (the positive value represents the eastern component，and the negative indicates the western component)

5.2余流结构

余流的垂向结构显示，侧向拉格朗日余流结构基本与欧拉余流一致(图5)。西滩和北槽均形成表层向东、底层向西的侧向余环流结构，拦门沙滩顶生成表、底层向西、中层向东的三层侧向余环流结构，而其前缘侧向余流整体向西，侧向余流模式与定点和走航断面观测的两层侧向流结构一致。斯托克斯余流在西滩、北槽以及拦门沙前缘均整体向东，然而在拦门沙滩顶表层向西、底层向东，有助于加强滩顶三层侧向余环流。

纵向余流存在明显的侧向差异，北槽纵向余流表层向海、底层向陆，西滩整体向海(图9a，b)。北槽表层向海余流最大可达18 cm/s，是浅滩向海余流的两倍多；底层向陆的余流也较大，最大值约11 cm/s。纵向余流的侧向差异说明较浅的西滩受径流影响更明显，较深的河道受潮流影响更明显。北槽较强的垂向余环流除了受北槽深度的影响外，西滩表层向东的侧向流也会将表层向海的径流搬运至深槽表层，从而加强深槽内表层向海、底层向陆的垂向余环流。同时，纵向余流也存在明显的纵向差异，沿纵断面Z由北向南分布的3个站位北槽站(A1)、拦门沙滩顶站(B2)及其前缘站(A2)纵向余流垂向分布显示(图9b，c，d)，由北向南表层向海的余流先增大后减小，底层向陆的余流逐渐减弱，垂向余环流向外海逐渐变弱。由近底层(距底0.3 m)余流分布也可看出，从北槽到拦门沙前缘，底层向陆的纵向余流逐渐减弱，侧向余流呈现拦门沙滩顶内侧向东、外侧向西的纵向分布格局(表2)。

表2　近底层余流和泥沙净通量

注：表中正号表示向陆和向东。上层距底1.1 m，下层距底0.3 m，余流单位: m/s，泥沙通量单位: kg/(m2·s)。

5.3侧向动量平衡与泥沙输移

5.3.1侧向动量平衡

根据西滩和北槽一个潮周期的速度和密度数据可求出北槽侧向动量平衡项的潮平均值，计算结果如图6所示。潮平均纵向余流的垂向剪切(表层向海，底层向陆)产生比较明显的表层向西、底层向东的平均科氏力项。在近表层潮平均的斜压梯度力很小，潮平均的正压梯度力接近0，远小于科氏力，表层向东的平均侧向对流项与表层向西的平均科氏力近似平衡。由表向底侧向斜压梯度力逐渐增大，近底层明显增强的向西的斜压梯度力主要由北槽与西滩的侧向密度差异引起，其值大于科氏力和侧向对流项的合力，故产生表层向东、底层向西的平均局地加速度项，驱动北槽内表层向东、底层向西的侧向余环流。由实测数据计算得到的平均加速度项表、底层反向，基本与北槽内所观测到的表、底层反向的侧向余环流方向一致。

图6　北槽A1站潮平均的侧向动量平衡项垂向分布Fig.6　Vertical profiles of lateral momentum balance terms averaged over the tidal cycle at the mooring site A1

以往研究认为在层化河口中，潮时间尺度内侧向动量平衡大部分为地转平衡，侧向流由更高阶的非地转项驱动[49]。本文计算结果显示潮平均的侧向余环流主要由非地转项驱动，其侧向动量平衡项主要为侧向斜压梯度力和科氏力，局地加速度项和侧向对流项对侧向动量平衡起重要作用，驱动表层向东、底层向西的侧向余环流。侧向动量平衡项在表层平衡性较差，可能是由于忽略了垂向对流作用项的原因，由上述量级分析可知侧向流的垂向剪切较强，特别是在盐跃层位置，垂向对流作用相应加强，故垂向对流作用对侧向余环流的发育也可能起重要作用，其贡献有待做进一步探讨。以往观测与理论研究表明涨潮期非层化条件下侧向环流的形成机制主要为差异平流引起的侧向密度梯度、科氏力或斜坡地形的扩散底边界层等密度线的倾斜[50]，数值模拟理想条件下部分混合河口侧向环流由边界混合或轴向风应力驱动[27—28]，近期现场观测到的弯曲河口强混合和层化条件下曲率主导的侧向环流[43]以及部分混合的顺直河口中滩槽间斜坡界面处落潮期多次翻转的侧向环流[39]计算结果均证实非线性对流项对侧向环流的形成起主导作用，并引起侧向环流的潮内变化，本文由潮平均时间尺度上的侧向余环流的动力平衡分析证实了侧向对流项的重要作用，层化条件下侧向环流模式的高度复杂性的机制分析仍有待进一步认识，例如文中未考虑的的垂向对流作用、侧向内假潮响应[51]、侧向地形效应以及侧向应变作用等。

5.3.2泥沙输移

为了分析底部泥沙再悬浮动力，利用涡动相关法计算底部剪切应力[52]，如式(9)所示，式中τ0为底应力，u*为摩阻流速，u′，v′，w′分别为纵向流、侧向流和垂向流的脉动速度，ρ为水体密度。

(9)

计算结果显示，垂向积分的侧向泥沙通量潮内变化明显(图7)。北槽侧向泥沙通量约为浅滩的两倍，西滩侧向泥沙通量的整体趋势为落潮向东、涨潮向西，而北槽为落潮向西、涨潮向东(图7e，f)，落潮时侧向泥沙通量倾向于在西侧滩坡处形成侧向泥沙辐聚，涨潮时侧向泥沙通量倾向于在西侧滩坡处辐散。北槽内泥沙除了受沉降和再悬浮作用外，还受对流作用的影响，以底部泥沙起动临界应力(0.2 N/m2)为参考值，落潮期西滩底应力较大，底层泥沙再悬浮作用较强，而北槽涨潮期底层泥沙再悬浮作用较强(图7g，h)。

图7　西滩B1站与北槽A1站垂向平均的纵向流速(a，b)，垂向积分的纵向泥沙通量(c，d)，垂向积分的侧向泥沙通量(e，f)和底应力(g，h)(侧向或纵向正值分别表示向东或向陆)Fig.7　Vertically-averaged longitudinal velocity (a，b)，vertically-integrated longitudinal sediment fluxes (c，d)，vertically-integrated lateral sediment fluxes (e，f)，and bottom stresses (g，h) at two concurrent sites B1 and A1(the positive values of lateral and longitudinal quantities indicate eastern and landward components，respectively)

侧向泥沙通量分解结果显示，影响侧向泥沙输移的主要有欧拉平流输运(T1)、斯托克斯效应输沙(T2)、潮汐与悬沙潮变化相关项(T3)和流速与悬沙潮变化相关项(T4)(图8)，其中欧拉平流输运(T1)起主要作用，潮泵效应(T3+T4)也起重要作用，欧拉平流输移(T1)均产生向西的泥沙输移量，除滩顶外，斯托克斯效应输沙(T2)均产生向东的泥沙输移量，4个站位潮汐与悬沙含量变化相关项引起的输沙(T3)均向东，而潮汐捕聚引起的输沙项(T4)在拦门沙内侧向东、外侧向西。总的侧向净泥沙输移量(TSUM)分布呈现拦门沙滩顶及其前缘向西，而西滩向东、北槽向西，滩槽间反向的泥沙通量形成泥沙辐聚区，是高浓度悬沙聚集于滩槽界面的重要原因。纵向上，侧向净泥沙输移量由北向南递增。

图8　西滩站(B1)、北槽站(A1)、拦门沙滩顶站(B2)及其前缘站(A2)单宽潮周期平均侧向泥沙通量分解项(T1-T8)和净侧向泥沙通量(TSUM)(正值向东)Fig.8　Tidally-averaged lateral fluxes and net fluxes of sediments per unit width at the mooring sites B1，A1，B2，and A2 (the positive values indicate eastern components)

图9　西滩B1站、北槽A1站、拦门沙滩顶B2站及其前缘A2站潮平均的矢量，a-d为潮平均的纵向流，e-h为余对流通量，i-l为潮振荡通量，m-p为总悬浮泥沙通量(正值向海)Fig.9　Tidally-averaged longitudinal current (a-d)，residual advection fluxes (e-h)，tidally oscillatory fluxes (i-l)，total fluxes (m-p) of suspended sediments (the positive values indi-cate seaward components)

图10　西滩B1站、北槽A1站、拦门沙滩顶B2站及其前缘A2站垂向平均余流(a)和净泥沙输移通量(b)(虚线椭圆表示侧向泥沙输移辐聚区)Fig.10　Vertically-averaged residual currents and net fluxes of suspended sediments at the mooring sites B1，A1，B2，and A2 (the dashed ellipse indicates the convergence of lateral sediment transports)

图11　滩槽横断面纵向和侧向欧拉余流(a)、斯托克斯余流(b)以及净泥沙通量(c)分布(虚线椭圆表示侧向泥沙输移通量辐聚区)Fig.11　Diagram of transect distributions of Eurian (a) and Stokes (b) residual currents，and net sediment fluxes (c) (the dashed ellipse indicates a convergence of lateral sediment transports)

纵向泥沙通量存在明显的侧向差异和纵向差异。侧向上，西滩与北槽余对流泥沙通量与余环流结构一致(图9)，而潮通量与余环流结构差异较大。西滩潮通量整体向陆，与向海的余对流通量方向相反，且量级更大，强化了西滩向陆的泥沙输移，纵向净通量表层向海、底层向陆，向陆净通量明显大于向海净通量。北槽潮通量表层向海、底层向陆，但是向海潮通量的最大值出现在中层，大于向陆的潮通量，强化了北槽中层的向海通量，纵向净通量表层向海、底层向陆，且向海净通量大于向陆净通量。垂向平均的纵向净泥沙通量呈现出北槽向海、西滩向陆的侧向分布格局。纵向上，滩顶向海的潮通量显著大于其上、下游，主控滩顶向海的净泥沙通量。滩顶潮通量显著大于余对流通量，且整体向海，总的纵向净通量整体向海，而其前缘潮通量大小与余对流通量相当，均为较弱的向海通量。由北向南，向海的纵向净泥沙通量先增大后减小，在拦门沙滩顶最大。

西滩、北槽以及拦门沙前缘侧向余流均强于纵向余流，拦门沙滩顶纵向余流略强于侧向余流，侧向余流整体向西，纵向余流分布呈现出西滩向陆、北槽向海的侧向分布格局(图10)。拦门沙上游纵向净泥沙通量大于侧向通量，下游纵向净泥沙通量小于侧向通量，整体上纵向净泥沙通量与侧向通量量级相当，河口湾中部悬沙整体向西南输移。侧向泥沙输运弥补了纵向泥沙输运的侧向不平衡，对河口泥沙平衡具有重要作用，例如西滩向陆的纵向净泥沙通量显著大于向东的侧向净通量，北槽向海的纵向净通量显著大于向西的侧向净通量，这种泥沙输移的不平衡也是西滩回淤和滩坡淤积的重要原因。另外，由近底层(距底0.3 m和1.1 m)余泥沙通量分布可看出，侧向余泥沙通量呈现拦门沙滩顶上游向东、下游向西的纵向分布格局(表2)，滩顶上、下游反向的侧向泥沙输移过程趋向于在滩顶底部捕聚泥沙，可能会对拦门沙浅滩地形演变产生重要影响，说明除了前人研究的纵向泥沙过程外，对河口最大浑浊带演变机制的研究也需要考虑侧向泥沙输移过程。

综上所述，在部分混合的宽浅河口滩槽断面处侧向和纵向余环流结构以及净泥沙通量分布可概括为一个概念模型(图11)，西滩和北槽侧向欧拉余流均为表层向东、底层向西，侧向斯托克斯余流均整体向东，西滩向东的侧向净泥沙通量与北槽向西的侧向净泥沙通量在西侧滩坡处辐聚。西滩纵向欧拉余流向海而纵向斯托克斯余流向陆，纵向净泥沙通量向陆，而北槽纵向欧拉余流、斯托克斯余流均是表层向海、底层向陆，纵向净泥沙通量向海。西滩向陆、北槽向海的纵向净泥沙通量分布差异与侧向余环流相关，西滩表层向东、底层向西的欧拉余流倾向将北槽底层向陆的余流对流至西滩，与向陆的斯托克斯余流共同作用，加强西滩向陆的泥沙输移。西滩向东的斯托克斯余流与表层向东、底层向西的欧拉余流相互作用，导致西滩产生向东的净泥沙输移。

6结论

根据2012年洪季对珠江黄茅海河口湾侧向动力过程的系统观测，开展动量平衡与泥沙输移机制分析，分析了河口流、温盐和泥沙侧向分布特征以及泥沙输移过程，探讨了侧向动力与泥沙输移机制，得到以下主要结论：

(1)洪季黄茅海河口存在明显的侧向流，河口湾中部纵向流、侧向流、盐度和泥沙浓度均存在明显的侧向不均匀性。

(2)西滩和北槽均形成表层向东、底层向西的两层侧向余环流，拦门沙滩顶呈现表、底层向西、中层向东的三层余环流，其前缘侧向余流整体向西。

(3)纵向净泥沙通量呈现北槽向海、西滩向陆的侧向分布格局，滩顶及其前缘均向海，而滩顶及其前缘侧向净泥沙通量均向西，西滩向东、北槽向西，滩槽间侧向泥沙辐聚过程是高浓度悬沙聚集于滩槽界面的重要原因，西滩向陆的净泥沙通量是西滩回淤的重要原因。

(4)滩槽间顺时针的侧向余环流主要驱动力为侧向斜压梯度力、科氏力和侧向对流作用。欧拉平流输运在侧向泥沙输运中起主要作用，潮泵效应也起重要作用。

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收稿日期：2015-02-11；

修订日期：2015-04-13。

基金项目：国家重大科学研究计划(2013CB956502)；国家自然科学基金项目(41276079，41176067)。

作者简介：杨名名(1988—)，男，河南省确山县人，主要从事河口海岸动力研究。E-mail:ymm198816@163.com *通信作者：吴加学(1968—)，男，湖北省汉川市人，教授，博导，从事海洋沉积动力过程、湍流混合以及沉积物声学研究。E-mail:wujiaxue@mail.sysu.edu.cn

中图分类号:TV148

文献标志码：A

文章编号：0253-4193(2016)01-0031-15

Lateral residual circulation and sediment transport during the flood season in the Huangmaohai Estuary，Pearl River

Yang Mingming1，2，Wu Jiaxue1，Zhang Qianjiang1，Ren Jie1，Liu Huan1

(1.CenterforCoastalOceanScienceandTechnology，SchoolofMarineSciences，SunYat-senUniversity，Guangzhou510275，China; 2.GuangdongCenterofMarineDevelopmentResearch，Guangzhou510220，China)

Abstract:Systematic observations of lateral flows and sediment transport were conducted in the 2012 flood season in a wide and shallow estuary of Huangmaohai，Pearl River. The lateral distributions of flows，salinity and sediment were identified，and the lateral dynamics and the mechanism of sediment transport were examined. Lateral flows were found to indeed occur in the estuary. A two-layer lateral residual flow developed on the west shoal and in the North Channel，a three-layer lateral residual flow developed on the top of the mouth shoal，and a lateral residual flow was directed westwards downstream of the mouth shoal. Net longitudinal sediment dispersal appeared that seaward transports occur in the deep channel，landward transports on the west shoal，and seaward transports on and downstream of the mouth shoal. Net lateral sediment transport existed that the westward transport appears on and downstream of the mouth shoal，while the westward transport occurs in the North Channel and the eastward transport on the west shoal. The reverse lateral sediment transport between the channel and the shoal resulted in the sediment convergence near the deep channel. The landward sediment fluxes on the west shoal plays an important role in the deposition of the west shoal. The mean lateral momentum balance showed that a clockwise lateral residual circulation (looking landwards) is controlled by the interaction between Coriolis effect and lateral baroclinic forcing. Lateral advection influences greatly the lateral dynamics，which has been regarded to be unimportant. The mechanism decomposition of lateral sediment fluxes over a tidal cycle showed that the lateral sediment transport is driven mainly by the Eulerian advection and tidal pumping．

Key words:lateral residual circulation; sediment transport; momentum balance; wide and shallow estuary; Pearl River；Huangmaohai Estuary

杨名名，吴加学，张乾江，等. 珠江黄茅海河口洪季侧向余环流与泥沙输移[J]. 海洋学报，2016，38(1): 31-45，doi:10.3969/j.issn.0253-4193.2016.01.004

Yang Mingming，Wu Jiaxue，Zhang Qianjiang，et al. Lateral residual circulation and sediment transport during the flood season in the Huangmaohai Estuary，Pearl River[J]. Haiyang Xuebao，2016，38(1): 31-45，doi:10.3969/j.issn.0253-4193.2016.01.004