摘要：本文对杭州湾口15个测站的大、中、小潮悬沙浓度的变化规律进行了分析，得出大－小潮周期流速变化和水位变化是该海区各站悬沙浓度变化的主要影响因素。通过分析研究，建立了单点测站悬沙浓度变化与水位和大－小潮最大流速的关系模型，用该模型的计算结果与实测资料进行比较，拟合程度较好，对于整个大－小潮周期悬沙浓度的连续变化可采用该模型进行估算。
关键词：悬沙浓度 模型 杭州湾口
1 前言
在淤泥质河口、海岸地区，粘性细颗粒悬移质泥沙浓度是港口、航道及有关海岸工程一个普遍关心的问题。由于海岸地区物理过程复杂，悬沙浓度(含沙量)表现为一个随机性很强的变量，不同的水动力环境，悬沙浓度出现不同的变化特征。一般来讲，近岸海区悬沙浓度的变化受制于潮周期、大－小潮周期和邻近河口的洪枯季等不同时间尺度的变化，以及潮流、波浪、底部剪切力、泥沙来源、海底地形等诸多因素的影响。因而悬沙浓度的变化规律应根据不同研究区域的特点来加以分析。
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悬沙浓度的变化对于观测点在某个时间段，如大、中、小潮来讲，主要与底部泥沙侵蚀与落淤以及平流作用有关。Clarke 和Elliott (1998)[1]在平流作用较小的河口湾地区将悬沙浓度变化与底部泥沙的侵蚀与水体泥沙的落淤之差联系起来，建立了一个单点悬沙浓度模型，通过确定侵蚀与沉积的临界值参数来模拟泥沙浓度的变化，得到研究的地区悬沙浓度变化与涨落潮流速有非常好的对应关系。 然而，在杭州湾口由于潮差较大，潮流作用强劲，并且受到长江口－杭州湾泥沙扩散的影响，湾口内外泥沙浓度存在较明显的水平梯度，因而泥沙浓度变化除了受到流速变化影响外，涨落潮水位变化引起的平流作用也有明显的作用。 |
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本文主要是根据杭州湾口崎岖列岛附近海区(图1)，1996年10月下旬15个测站大、中、小潮三次周日水文泥沙实测资料，通过悬沙浓度变化规律的分析，建立各测点悬沙浓度预测模型，从而可计算大－小潮周期悬沙浓度的连续变化值。
2 研究区域
本文研究区域位于杭州湾口北部海域，处于长江口外海滨与杭州湾口交接地带的强动力环境。水体中悬浮泥沙粒径级配以单峰为主，粒径分布变化较小，峰值多在5.04μm左右，平均值在5.4μm，属于粘性细颗粒泥沙的范畴。由于该处为长江口入海径流所携带泥沙的扩散范围[2]，其泥沙来源主要为长江口直接扩散泥沙和潮流携来的海域泥沙，后者的最初来源亦为长江口。杭州湾口实际上也是长江口外水下前三角洲的延伸部分，底部物质组成较细，以细颗粒沉积物为主，最常见的沉积物类型为粘土和粉砂。在上述泥沙来源和海底物质组成的背景下，该海区由于受到特殊的水动力条件的作用，水体中悬沙浓度变化具有独特的规律。
2.1 水动力条件
杭州湾口的潮汐主要受东海前进波系统制约，且以M2分潮起支配作用，潮汐性质属于非正规半日浅海潮。潮汐强度中等，据大洋山临时验潮站一个月(1996年10～11月)的观测资料，平均潮差2.79m，最大潮差4.28m，最大可能潮差5.30m。落潮历时(平均6h40min)略大于涨潮历时(平均5h47min)。
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研究区各测点潮流椭圆长轴比WK1+WO1/WM2介于0.25～0.35之间，平均为0.29，均小于0.5，说明潮流类型为半日潮流性质，但浅水分潮较强，因而潮流性质也称为不正规半日浅海潮流。表征潮流旋转性质的椭圆率K值，变化范围在0.01～0.25之间，故总体态势，本海区的潮流为往复流性质。涨潮方向为274°～294°，落潮方向为94°～114°。 研究区潮流流速较大，大潮汛时实测最大涨、落潮流速分别可达2.55m/s和3.09m/s。流速从大潮至小潮逐渐减小，实测最大流速中潮比大潮减小10％左右，小潮比大潮减小约40%。 |
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2.2 悬沙浓度变化
海水中悬沙浓度的变化是泥沙运动的重要表现形式，悬沙浓度时空上的变化反映了不同的动力作用和水深环境条件下的结果。研究区悬浮于水体中的泥沙为粘性细颗粒泥沙，在强潮作用的杭州湾口泥沙不易沉降，悬浮于水体中的时间较长，在憩潮流速较缓时，近底层泥沙即使落于海床，但未经密实，又为接踵而来的高速水流掀起，悬浮泥沙表现为随潮往复搬运，这是该地区泥沙运动的基本形式。
研究区平均含沙量为1.510kg/m3，属高悬沙浓度海区。平均含沙量的平面分布表现为西高东低(图2)，即由湾口向外海悬沙浓度逐渐降低，并且在崎岖列岛峡道西侧喇叭口形成一个相对较高的高悬沙浓度分布区，含沙量等值线近南北走向。这主要是由于西侧水深浅，并在峡道强潮流速和NW－SE流向的作用下，迫使向南移动的长江口冲淡水朝西北方向偏移，从而出现西部含沙量高，而东部海域较低的特征。
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图3 悬沙浓度与流速、水位之间的关系 |
图3为研究区其中5个测站大、中、小潮的悬沙浓度、流速和水位变化过程曲线。从图中可以看出，各测站悬沙浓度变化的总体趋势是大潮悬沙浓度最高、中潮次之，小潮最低；大、中、小潮各潮汛的涨、落潮含沙量相差不多。大潮平均含沙量为2.177kg/m3，中潮为1.672kg/m3，小潮仅0.479kg/m3，这显然与大潮流速大于中潮和小潮，即大－小潮周期流速变化有关。表1列举了研究区(崎岖列岛及其附近海区)各测站大、中、小潮的平均悬沙浓度及其比值与相应的平均最大流速及其比值。总体上，大、中、小潮悬沙浓度的平均比值为4.5∶3.4∶1，平均最大流速比值为2.3∶1.6∶1，即大潮的最大流速为小潮的2.3倍，而大潮的含沙量为小潮的4.5倍，这表明流速增加1倍含沙量约增加2倍。因此，大－小潮周期悬沙浓度的变化与潮流月相的周期变化关系是非常密切的，而且大致呈上述这样一种线性关系。
悬沙浓度因潮汛而异，而在同一潮汛又随时间而呈周期变化。通常悬沙浓度随水位的增加而降低，在高潮位时含沙量较低，而在低潮位时含沙量较高。这主要是由于涨潮时外海悬沙浓度相对较低的水体进入杭州湾口，悬沙浓度逐渐降低；而落潮时悬沙浓度相对较高的水体向外海传送，悬沙浓度逐渐增大，这就是泥沙的平流作用。各测站潮流流速对悬沙浓度的影响较小，特别是在水深较大的测站，如W3站水深达33m，流速的影响极小。而在水深较浅的测站流速对悬沙浓度略有影响，但相对是次要的。因此，在杭州湾口及湾外，泥沙的平流作用起着主导作用，就单个测站一个潮周期内来讲，流速变化引起的垂向泥沙交换相对是次要的。
通常在河口和河口湾内一个潮周期内悬沙浓度变化与流速有较密切的关系，流速增强时底部泥沙受到冲刷，悬沙浓度增高；而当流速降低到一定程度时，水体中泥沙落淤，悬沙浓度降低。然而，在杭州湾口这种关系由于受到较大潮差与水位变化引起的涨落潮水体所携泥沙运移所掩盖，从而表现为在一个潮周期内悬沙浓度变化与流速没有上述明显的对应关系。这在其它有关文献[3]中也发现有这一现象。
表1 杭州湾口各站垂线平均悬沙浓度与平均最大流速特征
Average vertical suspended sediment concentrations and maximum
velocities at the stations of Hangzhou Bay mouth
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测 站 |
LI1 |
LI2 |
B1 |
B2 |
B3 |
B4 |
B5 | ||
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大 |
含沙量 |
2.360 |
2.840 |
2.971 |
2.399 |
2.291 |
2.489 |
2.526 | |
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潮 |
流速 |
2.35 |
2.60 |
2.51 |
2.51 |
2.49 |
2.48 |
2.37 | |
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中 |
含沙量 |
1.830 |
2.292 |
2.020 |
1.688 |
1.463 |
1.980 |
1.723 | |
|
潮 |
流速 |
1.69 |
1.87 |
1.81 |
1.80 |
1.79 |
1.78 |
1.70 | |
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小 |
含沙量 |
0.372 |
0.449 |
0.532 |
0.390 |
0.465 |
0.456 |
0.379 | |
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潮 |
流速 |
1.03 |
1.14 |
1.10 |
1.10 |
1.09 |
1.09 |
1.04 | |
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含沙量比 |
6.3∶4.9∶1 |
6.3∶5.1∶1 |
5.6∶3.8∶1 |
6.2∶4.3∶1 |
4.9∶3.2∶1 |
5.5∶4.3∶1 |
6.7∶4.5∶1 | ||
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流速比 |
2.3∶1.6∶1 |
2.3∶1.6∶1 |
2.3∶1.6∶1 |
2.3∶1.6∶1 |
2.3∶1.6∶1 |
2.3∶1.6∶1 |
2.3∶1.6∶1 | ||
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测站 |
P1 |
P2 |
P3 |
P4 |
P5 |
W1 |
W2 |
W3 | |
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大 |
含沙量 |
3.017 |
2.638 |
2.289 |
1.620 |
2.012 |
1.240 |
1.123 |
0.838 |
|
潮 |
流速 |
2.44 |
2.00 |
1.54 |
1.81 |
2.46 |
2.41 |
2.21 |
1.90 |
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中 |
含沙量 |
2.635 |
1.897 |
1.427 |
1.123 |
1.558 |
1.016 |
0.821 |
0.437 |
|
潮 |
流速 |
1.75 |
1.44 |
1.11 |
1.30 |
1.77 |
1.73 |
1.59 |
1.36 |
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小 |
含沙量 |
0.634 |
0.586 |
0.714 |
0.560 |
0.356 |
0.363 |
0.260 |
0.166 |
|
潮 |
流速 |
1.07 |
0.88 |
0.68 |
0.79 |
1.08 |
1.06 |
0.97 |
0.83 |
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含沙量比 |
4.8∶4.1∶1 |
4.5∶3.2∶1 |
3.2∶2.3∶1 |
2.9∶2.0∶1 |
5.7∶4.4∶1 |
3.4∶2.8∶1 |
4.3∶3.2∶1 |
5.0∶2.6∶1 | |
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流速比 |
2.3∶1.6∶1 |
2.3∶1.6∶1 |
2.3∶1.6∶1 |
2.3∶1.6∶1 |
2.3∶1.6∶1 |
2.3∶1.6∶1 |
2.3∶1.6∶1 |
2.3∶1.6∶1 | |
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单位：含沙量 kg/m3， 流速m/s | |||||||||
3 悬沙浓度模型
通过上述分析，悬沙浓度P的变化主要与水位h变化和大－小潮周期流速变化U有密切关系。据此，大－小潮周期内悬沙浓度的变化可用如下函数形式表示
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P(t)=P0+K1h(t)+K2U(t) |
(1) |
式中P0为大、中、小潮总的平均含沙量；K1、K2为系数。
大－小潮周期流速变化，可用最大流速变化来考虑。如果潮流最大流速为Umax，那么半日潮海区由于大－小潮周期引起的最大流速变化可表示为
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Umax(t)=UM2+US2cos[(2π/TSN)t-θ] |
(2) |
这里太阳和太阳分潮流速振幅用UM2和US2表示，θ为相对于起始点大－小潮周期的位相。式中TSN为大－小潮周期，=14.765天。
根据上式，大、中、小潮的最大平均流速(US、UM、UN)分别为
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(3) |
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公式(1)的关键是如何确定系数K1、K2。根据式(1)得到大、小潮的悬沙浓度S、N分别为 |
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S=K1S+K2(UM2+US2)+P0 |
(4a) |
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N=K1N+K2(UM2+US2)+P0 |
(4b) |
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由于大、小潮平均水位近似相等，即S≈N，因而大-小潮周期悬沙浓度的变化主要受大－小潮流速差异的控制，而在同一潮汛则主要受水位变化影响。 |
由式(4a、b)可确定系数K1、K2
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K1=UM2+US2/UM2-US2(N-P0)-(S-P0)]/[UM2+US2/UM2-US2N-S] |
(5a) |
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K2=(S/N(N-P0)-(S-P0))/[ S/hN(UM2-US2)-(UM2+US2)] |
(5b) |
根据典型的大、小潮水文泥沙测验资料，确定上述系数值后，从而可计算整个大－小潮周期内泥沙浓度的连续变化值(包括中潮)。
4 计算结果与讨论
本文所用的水文泥沙资料是根据1996年10月下旬大、中、小潮三个不同潮型期间观测得到的。由于观测期间海况良好，风浪对海区悬沙浓度的影响较小，可以忽略。潮汐潮流成为影响悬沙浓度变化的主要因素。实际上，悬沙分布形式与潮型之间存在非常明显的对应关系：高、中、低悬沙浓度对应大、中、小潮。这种悬沙浓度与潮型之间的关系在其他许多大、中潮河口及河口湾都有观测到。
叠加在大－小潮周期之上的是潮周期的变化，在半日潮海区的杭州湾口即为半日周期。在潮差较大的大、中潮汛期间，一个潮周期内的悬沙浓度变化幅度与大－小潮周期的悬沙浓度变化幅度具有基本相同的量级。而且，通常悬沙浓度较高时对应的潮位较低，而悬沙浓度较低的对应的潮位较高。可见，杭州湾口由于潮差较大，水位变化过程显著影响到潮周期内悬沙浓度的波动变化，而大－小潮周期流速的变化控制了悬沙浓度总体趋势变化。二者叠加可较好地反映杭州湾口地区悬沙浓度的变化过程。
应用上述单点测站悬沙浓度模型方法，对杭州湾口各站点的悬沙浓度变化进行了模拟，其中6个站的模拟结果如图4所示。通过计算值与实测值之间误差分析，各站大、中、小潮平均误差分别为15.2～27.5％、20.6～38.4％、5.3～14.9％。其中，小潮和大潮误差较小，而中潮误差偏大，这主要是因为系数K1、K2的确定是根据大潮和小潮悬沙浓度的平均值。由于悬沙浓度是一个随机性较强的变量，上述误差还是属于允许范围内。说明根据水位变化和大－小潮周期的最大流速变化可较好地模拟悬沙浓度大－小潮周期的连续变化规律。
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图4 悬沙浓度模型计算值与实测值比较 |
在平流影响较小情形下，涨潮或落潮水流流速增加到一定程度时，底部泥沙侵蚀悬浮，水体泥沙浓度增加；反之，当流速降低到某个临界值时泥沙沉积到海底，水体悬沙浓度降低。在杭州湾口悬沙浓度在一个潮周期内悬沙浓度变化与涨落潮流速没有上述明显的对应关系，说明该海区平流作用占主导地位。
该海区大－小潮周期悬沙浓度具有大的变化幅度，说明动力作用仍然起着重要作用，大潮时潮差较大，潮流动力作用较强，悬沙浓度显著增高；而小潮时潮差较小，动力作用减弱，相应悬沙浓度也明显降低。
从悬沙浓度的平面分布可以看出，整个研究区悬沙浓度变化较大，P0、K1、K2的值在各测点是不同的，因而上述系数确定是基于各站大、小潮实测资料。该模型主要适合单点测站的某个季节大－小潮周期内的悬沙浓度变化预测。由于悬沙浓度存在季节性变化，更长序列的浓度变化描述需要季节性变化的实测资料。
5 结论
杭州湾口海区悬移质泥沙随潮往复运移是该地区泥沙运动的基本形式。悬沙浓度平面分布表现为西高东低，大－小潮周期变化显著，大、中、小潮的悬沙浓度平均比值为4.5∶3.4∶1。潮周期内悬沙浓度也随时间而呈明显的周期变化。
杭州湾口由于潮差较大，涨落潮流作用强。相关分析表明，单个测站泥沙的垂向交换相对是次要的，而涨落潮水体运动的平流作用起主要作用。水位变化过程显著影响到潮周期内悬沙浓度的波动变化；而大－小潮周期流速的变化控制了悬沙浓度总体趋势变化。这两者叠加可较好地反映该海区悬沙浓度的变化过程。因此，根据水位变化和大－小潮周期的最大平均流速变化可较好地模拟悬沙浓度的大－小潮周期内的变化过程。
参 考 文 献
[1] Clarke，S. and A.J. Elliott， Modelling suspended sediment concentrations in the Firth of Forth. Estuarine， Coastal and Shelf Science， 1998 (47):235-250.
[2] 恽才兴。利用卫星象片分析长江入海泥沙扩散问题。海洋与湖沼，1981，(5):390－403.
[3] 张金善。杭州湾泥沙数学模型计算与应用。第八届全国海岸工程学术讨论会暨1997年海峡两岸港口及海岸开发研讨会集，海洋出版社，1997：432－438.