水利工程論文-杭州灣口懸沙濃度變化與模擬.doc

水利工程論文-杭州灣口懸沙濃度變化與模擬摘要：本文對杭州灣口15個測站的大、中、小潮懸沙濃度的變化規(guī)律進(jìn)行了分析，得出大小潮周期流速變化和水位變化是該海區(qū)各站懸沙濃度變化的主要影響因素。通過分析研究，建立了單點測站懸沙濃度變化與水位和大小潮最大流速的關(guān)系模型，用該模型的計算結(jié)果與實測資料進(jìn)行比較，擬合程度較好，對于整個大小潮周期懸沙濃度的連續(xù)變化可采用該模型進(jìn)行估算。關(guān)鍵詞：懸沙濃度模型杭州灣口1前言在淤泥質(zhì)河口、海岸地區(qū)，粘性細(xì)顆粒懸移質(zhì)泥沙濃度是港口、航道及有關(guān)海岸工程一個普遍關(guān)心的問題。由于海岸地區(qū)物理過程復(fù)雜，懸沙濃度(含沙量)表現(xiàn)為一個隨機性很強的變量，不同的水動力環(huán)境，懸沙濃度出現(xiàn)不同的變化特征。一般來講，近岸海區(qū)懸沙濃度的變化受制于潮周期、大小潮周期和鄰近河口的洪枯季等不同時間尺度的變化，以及潮流、波浪、底部剪切力、泥沙來源、海底地形等諸多因素的影響。因而懸沙濃度的變化規(guī)律應(yīng)根據(jù)不同研究區(qū)域的特點來加以分析。懸沙濃度的變化對于觀測點在某個時間段，如大、中、小潮來講，主要與底部泥沙侵蝕與落淤以及平流作用有關(guān)。Clarke和Elliott(1998)1在平流作用較小的河口灣地區(qū)將懸沙濃度變化與底部泥沙的侵蝕與水體泥沙的落淤之差聯(lián)系起來，建立了一個單點懸沙濃度模型，通過確定侵蝕與沉積的臨界值參數(shù)來模擬泥沙濃度的變化，得到研究的地區(qū)懸沙濃度變化與漲落潮流速有非常好的對應(yīng)關(guān)系。然而，在杭州灣口由于圖1研究區(qū)域位置與水文泥沙觀測站位Mapofresearchareaandobservedstationpositions潮差較大，潮流作用強勁，并且受到長江口杭州灣泥沙擴散的影響，灣口內(nèi)外泥沙濃度存在較明顯的水平梯度，因而泥沙濃度變化除了受到流速變化影響外，漲落潮水位變化引起的平流作用也有明顯的作用。本文主要是根據(jù)杭州灣口崎嶇列島附近海區(qū)(圖1)，1996年10月下旬15個測站大、中、小潮三次周日水文泥沙實測資料，通過懸沙濃度變化規(guī)律的分析，建立各測點懸沙濃度預(yù)測模型，從而可計算大小潮周期懸沙濃度的連續(xù)變化值。2研究區(qū)域本文研究區(qū)域位于杭州灣口北部海域，處于長江口外海濱與杭州灣口交接地帶的強動力環(huán)境。水體中懸浮泥沙粒徑級配以單峰為主，粒徑分布變化較小，峰值多在5.04m左右，平均值在5.4m，屬于粘性細(xì)顆粒泥沙的范疇。由于該處為長江口入海徑流所攜帶泥沙的擴散范圍2，其泥沙來源主要為長江口直接擴散泥沙和潮流攜來的海域泥沙，后者的最初來源亦為長江口。杭州灣口實際上也是長江口外水下前三角洲的延伸部分，底部物質(zhì)組成較細(xì)，以細(xì)顆粒沉積物為主，最常見的沉積物類型為粘土和粉砂。在上述泥沙來源和海底物質(zhì)組成的背景下，該海區(qū)由于受到特殊的水動力條件的作用，水體中懸沙濃度變化具有獨特的規(guī)律。2.1水動力條件杭州灣口的潮汐主要受東海前進(jìn)波系統(tǒng)制約，且以M2分潮起支配作用，潮汐性質(zhì)屬于非正規(guī)半日淺海潮。潮汐強度中等，據(jù)大洋山臨時驗潮站一個月(1996年1011月)的觀測資料，平均潮差2.79m，最大潮差4.28m，最大可能潮差5.30m。落潮歷時(平均6h40min)略大于漲潮歷時(平均5h47min)。研究區(qū)各測點潮流橢圓長軸比WK1+WO1/WM2介于0.250.35之間，平均為0.29,均小于0.5，說明潮流類型為半日潮流性質(zhì)，但淺水分潮較強，因而潮流性質(zhì)也稱為不正規(guī)半日淺海潮流。表征潮流旋轉(zhuǎn)性質(zhì)的橢圓率K值，變化范圍在0.010.25之間，故總體態(tài)勢，本海區(qū)的潮流為往復(fù)流性質(zhì)。漲潮方向為274294，落潮方向為94114。研究區(qū)潮流流速較大，大潮汛時實測最大漲、落潮流速分別可達(dá)2.55m/s和3.09m/s。流速從大潮至小潮逐漸減小，實測最大流速中潮比大潮減小10左右，小潮比大潮減小約40%。圖2研究區(qū)懸沙濃度分布Distributionofsedimentconcentrationfortheresearcharea2.2懸沙濃度變化海水中懸沙濃度的變化是泥沙運動的重要表現(xiàn)形式，懸沙濃度時空上的變化反映了不同的動力作用和水深環(huán)境條件下的結(jié)果。研究區(qū)懸浮于水體中的泥沙為粘性細(xì)顆粒泥沙，在強潮作用的杭州灣口泥沙不易沉降，懸浮于水體中的時間較長，在憩潮流速較緩時，近底層泥沙即使落于海床，但未經(jīng)密實，又為接踵而來的高速水流掀起，懸浮泥沙表現(xiàn)為隨潮往復(fù)搬運，這是該地區(qū)泥沙運動的基本形式。研究區(qū)平均含沙量為1.510kg/m3，屬高懸沙濃度海區(qū)。平均含沙量的平面分布表現(xiàn)為西高東低(圖2)，即由灣口向外海懸沙濃度逐漸降低，并且在崎嶇列島峽道西側(cè)喇叭口形成一個相對較高的高懸沙濃度分布區(qū)，含沙量等值線近南北走向。這主要是由于西側(cè)水深淺，并在峽道強潮流速和NWSE流向的作用下，迫使向南移動的長江口沖淡水朝西北方向偏移，從而出現(xiàn)西部含沙量高，而東部海域較低的特征。圖3懸沙濃度與流速、水位之間的關(guān)系Extractsfromobservedsedimentconcentration,velocityandwaterleveldatafromfivestations圖3為研究區(qū)其中5個測站大、中、小潮的懸沙濃度、流速和水位變化過程曲線。從圖中可以看出，各測站懸沙濃度變化的總體趨勢是大潮懸沙濃度最高、中潮次之，小潮最低；大、中、小潮各潮汛的漲、落潮含沙量相差不多。大潮平均含沙量為2.177kg/m3,中潮為1.672kg/m3,小潮僅0.479kg/m3,這顯然與大潮流速大于中潮和小潮，即大小潮周期流速變化有關(guān)。表1列舉了研究區(qū)(崎嶇列島及其附近海區(qū))各測站大、中、小潮的平均懸沙濃度及其比值與相應(yīng)的平均最大流速及其比值?？傮w上，大、中、小潮懸沙濃度的平均比值為4.53.41，平均最大流速比值為2.31.61，即大潮的最大流速為小潮的2.3倍，而大潮的含沙量為小潮的4.5倍，這表明流速增加1倍含沙量約增加2倍。因此，大小潮周期懸沙濃度的變化與潮流月相的周期變化關(guān)系是非常密切的，而且大致呈上述這樣一種線性關(guān)系。懸沙濃度因潮汛而異，而在同一潮汛又隨時間而呈周期變化。通常懸沙濃度隨水位的增加而降低，在高潮位時含沙量較低，而在低潮位時含沙量較高。這主要是由于漲潮時外海懸沙濃度相對較低的水體進(jìn)入杭州灣口，懸沙濃度逐漸降低；而落潮時懸沙濃度相對較高的水體向外海傳送，懸沙濃度逐漸增大，這就是泥沙的平流作用。各測站潮流流速對懸沙濃度的影響較小，特別是在水深較大的測站，如W3站水深達(dá)33m,流速的影響極小。而在水深較淺的測站流速對懸沙濃度略有影響，但相對是次要的。因此，在杭州灣口及灣外，泥沙的平流作用起著主導(dǎo)作用，就單個測站一個潮周期內(nèi)來講，流速變化引起的垂向泥沙交換相對是次要的。通常在河口和河口灣內(nèi)一個潮周期內(nèi)懸沙濃度變化與流速有較密切的關(guān)系，流速增強時底部泥沙受到?jīng)_刷，懸沙濃度增高；而當(dāng)流速降低到一定程度時，水體中泥沙落淤，懸沙濃度降低。然而，在杭州灣口這種關(guān)系由于受到較大潮差與水位變化引起的漲落潮水體所攜泥沙運移所掩蓋，從而表現(xiàn)為在一個潮周期內(nèi)懸沙濃度變化與流速沒有上述明顯的對應(yīng)關(guān)系。這在其它有關(guān)文獻(xiàn)3中也發(fā)現(xiàn)有這一現(xiàn)象。表1杭州灣口各站垂線平均懸沙濃度與平均最大流速特征AverageverticalsuspendedsedimentconcentrationsandmaximumvelocitiesatthestationsofHangzhouBaymouth測站LI1LI2B1B2B3B4B5大含沙量2.3602.8402.9712.3992.2912.4892.526潮流速2.352.602.512.512.492.482.37中含沙量1.8302.2922.0201.6881.4631.9801.723潮流速1.691.871.811.801.791.781.70小含沙量0.3720.4490.5320.3900.4650.4560.379潮流速1.031.141.101.101.091.091.04含沙量比6.34.916.35.115.63.816.24.314.93.215.54.316.74.51流速比2.31.612.31.612.31.612.31.612.31.612.31.612.31.61測站P1P2P3P4P5W1W2W3大含沙量3.0172.6382.2891.6202.0121.2401.1230.838潮流速2.442.001.541.812.462.412.211.90中含沙量2.6351.8971.4271.1231.5581.0160.8210.437潮流速1.751.441.111.301.771.731.591.36小含沙量0.6340.5860.7140.5600.3560.3630.2600.166潮流速1.070.880.680.791.081.060.970.83含沙量比4.84.114.53.213.22.312.92.015.74.413.42.814.33.215.02.61流速比2.31.612.31.612.31.612.31.612.31.612.31.612.31.612.31.61單位：含沙量kg/m3,流速m/s3懸沙濃度模型通過上述分析，懸沙濃度P的變化主要與水位h變化和大小潮周期流速變化U有密切關(guān)系。據(jù)此，大小潮周期內(nèi)懸沙濃度的變化可用如下函數(shù)形式表示P(t)=P0+K1h(t)+K2U(t)(1)式中P0為大、中、小潮總的平均含沙量；K1、K2為系數(shù)。大小潮周期流速變化，可用最大流速變化來考慮。如果潮流最大流速為Umax，那么半日潮海區(qū)由于大小潮周期引起的最大流速變化可表示為Umax(t)=UM2+US2cos(2/TSN)t-(2)這里太陽和太陽分潮流速振幅用UM2和US2表示，為相對于起始點大小潮周期的位相。式中TSN為大小潮周期，=14.765天。根據(jù)上式，大、中、小潮的最大平均流速(US、U