黃茅海懸沙時空變化分析

黃茅海懸沙時空變化分析

黃毛海位于珠江口西南。它是一個帶有屋檐和老虎入口的喇叭形河口。灣頂通過懸崖門和老虎門，與銀州湖和虎門的水道相連。銀州湖為黃茅海河口灣的感潮河道部分,自崖門向北延伸約25km后與潭江相接,其東側(cè)接納來自虎坑、江門水道的來水來沙。黃茅海通過島嶼(圖1)間的峽口與南海相通。大襟島以西水道為西口,大襟島與荷包島之間為中口,荷包島與高欄島之間為東口。黃茅海內(nèi)的典型地貌單元有:落潮主水道,主要由崖門的落潮射流所維持,位于虎山以北至崖門之間;西灘,為海灣西部的邊灘,水深在2m以淺,占海灣面積的32%左右;東灘,為海灣東部的邊灘,占海灣面積的12.1%;攔門沙淺灘,位于海灣中間,上接落潮主水道,下接灣口,水深在2~5m之間;東槽,位于崖門落潮主水道下游,水深在7m左右,在虎山附近折向東南,經(jīng)過攔門沙至大杧島與三角山之間峽口,再經(jīng)過荷包島與高欄島之間的通道而與南海連通,是目前崖門出海航道所在,可供5000t級船舶通行。西槽,為西部淺灘上的水道,水深2~4m,目前已趨于消亡。對黃茅海的水動力、表層沉積物分布、泥沙輸運、地貌演變等都有大量的研究［1－7］。但迄今為止,對黃茅海泥沙輸運的時空變化及其動力機(jī)理的研究還較為零散,有必要進(jìn)行更為深入的系統(tǒng)性研究。河口地區(qū)的泥沙運動深受河口動力的控制。河口地區(qū)潮內(nèi)的漲落潮過程中由于潮汐應(yīng)變(tidalstraining)［8］效應(yīng),漲潮時水體混合強(qiáng),海底湍混合強(qiáng);落潮時水體分層強(qiáng),抑制了海底湍動能的生成,從而出現(xiàn)漲潮時底切應(yīng)力大于落潮時的現(xiàn)象,這極大地影響著海底泥沙的再懸浮過程。另一方面,現(xiàn)有的研究［9］表明,河口地區(qū)的泥沙再懸浮主要發(fā)生于潮流的加速期,沉降則主要發(fā)生于減速期。而海底泥沙的再懸浮與其固結(jié)程度有關(guān),自海底向下隨著固結(jié)程度不斷增大,再懸浮通量不斷減小。河口地區(qū)泥沙輸運的上述復(fù)雜過程在國內(nèi)外已有大量研究,而在黃茅海河口灣的研究則相對較少,更凸顯本文研究的必要性與緊迫性。本文以實測資料為基礎(chǔ),通過資料分析,結(jié)合數(shù)值模型,全面分析黃茅海海區(qū)的泥沙輸運特征,探討黃茅海泥沙輸運的過程與機(jī)理,以更為全面深入地了解黃茅海沉積動力學(xué)特征。本文主要集中于枯季時的黃茅海泥沙輸運,關(guān)于洪季的泥沙輸運過程我們將另文分析。1水文泥沙觀測站位我們收集了2010年3月珠江水利委員會水文局在黃茅海海域進(jìn)行的較大規(guī)模的水文泥沙觀測資料。2010年3月珠江流域的降水偏少,西江馬口站的平均流量為1000m3/s左右,低于多年平均值(3420m3/s)。該次同步水文測驗在黃茅海水域布設(shè)20個定點水文泥沙觀測站。我們只選取其中有代表性的站位12個,具體觀測站位如圖1中以字母M開頭的站位。觀測分大、小潮期進(jìn)行,每一潮次觀測約30小時。由于大潮期(3月17-18日)的流速、鹽度與懸沙資料較為全面,我們選取大潮期的資料進(jìn)行分析。流速觀測采用直讀式海流計進(jìn)行,每小時觀測一次,垂向采用六點法進(jìn)行施測。鹽度與懸沙數(shù)據(jù)通過采取水樣,在室內(nèi)分析獲得。觀測期的潮汐為半日潮,潮差為1.65m。風(fēng)為偏東風(fēng),風(fēng)速在4m/s以下,風(fēng)浪作用小。2不對稱形態(tài)特征觀測點的流速基本呈現(xiàn)為往復(fù)流,這里只對主流向的流速進(jìn)行分析。圖2~圖13中,以2010年3月17日12:00為0時,單位采用h。下文中表層為水面下0.5m,底層為距海底0.5m。M1站位于銀州湖內(nèi)的黃沖附近,水深在8.0m左右,位于深槽內(nèi)。從M1站的水位、流速、鹽度與懸沙過程來看,漲急發(fā)生于漲潮中間時,落急發(fā)生于低潮時,表現(xiàn)出介于前進(jìn)波與駐波之間的潮波特征,以駐波為主。從鹽度的變化過程來看,高鹽水沿底部入侵,最大鹽度出現(xiàn)于漲憩時,而最小鹽度出現(xiàn)于落憩時。漲潮時由于底部鹽水楔的入侵,水體分層較強(qiáng),而落潮時水體充分混合。水體分層這種變化為典型鹽水楔型的河口特征［10］。懸沙含量在0.04~0.25kg/m3之間變動。懸沙含量與流速變化高度相關(guān),漲急和落急時,懸沙含量增大明顯,而漲憩和落憩時懸沙含量迅速降低,表明一方面再懸浮過程占主導(dǎo),另一方面泥沙的沉降速度較大?？傮w來看,漲潮期的懸沙含量小于落潮期。漲潮歷時為10h,而落潮歷時為15h,垂線平均的漲潮最大流速為0.85m/s,落潮最大流速為0.78m/s,顯示為漲潮優(yōu)勢的流速不對稱。從25h平均的余流來看,表層向海,量值達(dá)0.19m/s,底層向陸,量值為0.003m/s,為典型的河口密度環(huán)流的格局。從25h平均的輸沙率來看,底層向陸,量值為0.233kg/(m2·s),表層向海,表層的量值達(dá)0.441kg/(m2·s),垂線積分為向海輸運。M2站的水深在6.0m左右,位于深槽邊坡上。其水位、流速與鹽度、懸沙的變化過程與M1站類似,但其落潮期的鹽度分層要強(qiáng)于漲潮期。表明淺灘站的鹽度分層中,潮汐應(yīng)變的作用占主導(dǎo)［8］。漲急時的懸沙含量高于落急時,這與M1站的情況相反,卻與其潮內(nèi)的水體分層變化相對應(yīng)。漲潮時水體混合強(qiáng),底切應(yīng)力大,落潮時水體分層強(qiáng),底切應(yīng)力小,泥沙再懸浮作用弱。漲落潮歷時與M1站相同,但最大落潮流速與最大漲潮流速相近。從25h平均的軸向余流來看,各層皆為向海方向,表層為0.21m/s,底層為0.04m/s。而側(cè)向余流各層皆指向深槽方向,表層側(cè)向余流速度為0.05m/a。從25h的輸沙率來看,各層皆為向海方向,表層的量值為0.239kg/(m2·s),垂線積分為向海輸運。由此可見,在銀州湖內(nèi)的泥沙輸運格局為:深槽內(nèi)上層向海,底層向陸,垂向積分仍為向海,淺灘內(nèi)表底層皆為向海方向。M3站位于虎跳門內(nèi)的西炮臺,受徑流影響大。鹽度在漲憩時最大,且鹽度分層明顯。落潮歷時長于漲潮歷時,且落潮流速大于漲潮流速。25h平均的余流為單向的向海流,表層余流為0.25m/s,底層為0.05m/s。懸沙輸運各層皆為向海方向,表層為0.336kg/(m2·s)。懸沙含量的峰值出現(xiàn)于漲急時,可能為水體分層的潮內(nèi)變化所致:漲急時水體混合強(qiáng),落急時水體分層強(qiáng),導(dǎo)致底切應(yīng)力在漲急時大,落急時小。M4站位于落潮主水道的邊灘上,水深為4m左右。其水位、流速、鹽度過程都與M1站類似,最大漲潮流出現(xiàn)于漲潮中間時,最大落潮流出現(xiàn)于落潮中間時。含沙量的變化為高值出現(xiàn)于漲(落)急時。但懸沙含量的垂向分布較為不規(guī)則。M4站的落潮歷時長于漲潮歷時,落潮流速大于漲潮流速,為落潮優(yōu)勢型的流速不對稱,表明受到徑流的影響。其25h平均的余流為單向的向海流,表層流達(dá)0.19m/s,底層為0.08m/s。25h的懸沙輸運呈現(xiàn)出向海輸運的特征,表層的向海輸運最大,為0.445kg/(m2·s)。M5站位于東槽的邊灘上,水深為4.2m左右。其水位、流速過程與M4站類似。高鹽度值出現(xiàn)于漲憩至落初時段,表明平流作用的影響。值得注意的是,在漲憩后轉(zhuǎn)為落潮流時,鹽度仍維持在較高的值。這是由于上一次漲潮帶來的高鹽水向岸平流輸運,落潮時這一高鹽水向海退縮所致。含沙量的變化基本為高值出現(xiàn)于漲(落)急時,但最大值出現(xiàn)于第二次漲憩時,其原因尚待進(jìn)一步探討。M5站的落潮歷時長于漲潮歷時,且落潮最大流速大于漲潮流速。其25h平均的余流為單向的向海流,表層流達(dá)0.29m/s,底層為0.05m/s。25h平均的懸沙輸運也為向海輸運,表層的向海輸運最大,為0.243kg/(m2·s)。M6站位于東槽內(nèi),水深為5.0m左右。其水位、流速過程表現(xiàn)出更強(qiáng)的駐波特征,最大落潮流出現(xiàn)于落潮中間時。高鹽度值出現(xiàn)于漲憩至落初時段。水體的鹽度分層在漲憩時最小,在落憩時最大。含沙量的高值主要出現(xiàn)于漲急附近,而在落潮期的懸沙含量顯著減小,表明受潮汐應(yīng)變的影響。M6站的落潮歷時略長于漲潮歷時,但漲潮最大流速大于落潮流速,表明為漲潮優(yōu)勢的不對稱。其25h平均的余流表現(xiàn)出重力環(huán)流的特征,表層向海,流速為0.02m/s,底層向陸,為0.03m/s。25h垂向積分的懸沙輸運為向陸輸運,底層的向陸輸運最大,為0.142kg/(m2·s),表層為向海輸運,量值為0.081kg/(m2·s)。由此推論,在觀測期,泥沙輸運的滯留點出現(xiàn)于M5與M6之間。M7站水深為6.5m,位于大杧島與三角山之間的汊道上。流速與水位的關(guān)系顯示為駐波特征。鹽度變化在漲潮時增大,漲憩時極大,但在隨后的落潮期鹽度仍處于高值。懸沙含量的變化為在漲急時含量高,但數(shù)據(jù)較為散亂。其落潮歷時長于漲潮歷時,漲潮流速略大于落潮流速。25h平均的余流變?yōu)橄蚝５膯蜗蛄?表層為0.11m/s,底層為0.02m/s。這一余流的形成可能為受局地環(huán)流的影響所致。作者注意到,在大杧島的東側(cè)發(fā)育有局部的繞島環(huán)流,這一特征將在下面的模型研究中進(jìn)一步加以說明。25h平均的泥沙輸運為向海方向,量值較小,表層為0.01kg/(m2·s),底層為0.0003kg/(m2·s)。M8站位于東槽大杧島與荷包島之間的東邊灘上,水深為5.2m。流速相對較小,最大流速為0.45m/s。鹽度變化在多數(shù)時刻皆為較高的鹽度值,且混合充分,但在落憩附近鹽度變小。懸沙含量的變化為在漲急與落急時含量高,但落急時的含量小于漲急時。落潮歷時長于漲潮歷時,且落潮流速大于漲潮流速。這一特征與作者對黃茅海整體流場的認(rèn)識有一定出入。作者認(rèn)為,枯季時在黃茅海內(nèi),灣口為漲潮優(yōu)勢,向灣頂逐漸變?yōu)槁涑眱?yōu)勢。M8站呈現(xiàn)出落潮優(yōu)勢,可能與島嶼周圍的局部流場有關(guān)。25h平均的余流為向海的單向流,表層為0.07m/s,底層為0.05m/s。25h平均的泥沙輸運為表層向海,量值小,0.037kg/(m2·s),底層向陸,為0.02kg/(m2·s),垂線積分為向海方向。M9站位于荷包島與高欄島之間的東槽上,水深為9.7m。其一個潮周期內(nèi)鹽度基本變化不大,主要為外海的高鹽水所控制。其懸沙含量以漲潮時為大,落潮時相對較小。漲急時最大,且主要分布于底層。漲落潮歷時基本相等,但落潮流速略大于漲潮流速。25h平均的余流為向海方向,表層為0.08ms,底層為0.01m/s。25h平均的泥沙輸運,表層向海,0.02kg/(m2·s),底層向陸,0.08kg/(m2·s),垂向積分為向陸。M10站位于荷包島西側(cè)的中口,水深在8m左右。鹽度分層弱。漲潮歷時小于落潮歷時,漲潮流速大于落潮流速,表現(xiàn)出漲潮優(yōu)勢的不對稱。懸沙含量在漲潮時高,漲急時最高。25h平均的余流基本為向陸流,25h平均的輸沙量為向陸方向,底層最大,為0.156kg/(m2·s),表層較小,為0.06kg/(m2·s)。M11站也位于中口,但靠近大襟島東側(cè),水深在7.2m左右。鹽度在漲潮時增大,落潮時減小。漲潮歷時小于落潮歷時,漲潮流速大于落潮流速,表現(xiàn)出漲潮優(yōu)勢的不對稱。懸沙含量總體較小,在漲急和落急時較高。25h平均的余流基本為單向的向海流,表層為0.16m/s,底層為0.01m/s。25h積分的輸沙量為向海方向,表層最大,為0.099kg/(m2·s),底層較小,為0.027kg/(m2·s)。這一余流與泥沙輸運的格局和局部的繞島環(huán)流有關(guān)。M12站位于大襟島西側(cè)的西口,水深在4.5m左右。鹽度的分層在落潮期較大,落憩附近最大。漲潮歷時長于落潮歷時,且漲潮流速大于落潮流速,表現(xiàn)出漲潮優(yōu)勢的不對稱。懸沙含量在漲潮時較大,漲急時最大。在落潮期的懸沙含量較低。25h平均的余流為典型的重力環(huán)流,表層向海,底層向陸,表層余流為0.079m/s,底層為0.065m/s。25h平均的輸沙量為:表層向海,為0.013kg/(m2·s),底層向陸,為0.381kg/(m2·s),垂向積分為向陸輸運。將12個站位的凈輸沙結(jié)果繪于圖14?？梢钥闯?沿著現(xiàn)有的航道,出現(xiàn)兩個泥沙的輻聚帶,一個位于M5與M6站之間,另一個位于大杧島與荷包島之間。此外,沿著大襟島發(fā)育東側(cè)向海、西側(cè)向陸的順時針輸沙環(huán)流。西口與東口都為泥沙向陸輸運的通道,而在中口則出現(xiàn)雙向的泥沙流。3懸沙輸運路徑與通量由于觀測數(shù)據(jù)時間與空間覆蓋上的局限性,采用EFDC模型計算了黃茅?？菁镜乃畡恿?、泥沙輸運。EFDC模型是弗吉利亞海洋研究所的Hamrick開發(fā)的環(huán)境水動力模型,平面上采用曲線正交網(wǎng)格,垂向上采用σ坐標(biāo),湍模式采用Mellor-Yamada2.5階模塊。模型在時間與空間上具有二階精度,并且將水動力與泥沙輸運、水質(zhì)等模塊完全耦合,已廣泛應(yīng)用于河口海岸的水動力、泥沙輸運與水質(zhì)模擬研究中。采用2010年3月的實測資料對模型進(jìn)行了細(xì)致的驗證工作,模型結(jié)果中的水位、流速、鹽度與實測值吻合良好,模擬的水位值與觀測值的吻合度達(dá)0.95,流速與鹽度的模擬值除局部站位略小外,大部分站位與實測值的相關(guān)性分別在0.9與0.8之間。懸沙含量的模擬值與實測值在相位和幅度上都具有較好的相關(guān)性,但比實測值波動幅度要小,且在靠近口門附近站位的模擬值要小于實測值。詳細(xì)的模型介紹、邊界條件與參數(shù)設(shè)置及模型的校驗可參考文獻(xiàn)[5,7,11]。這里只著重對模型結(jié)果進(jìn)行分析。模型模擬時段為2010年2-3月,取最后一個月的數(shù)據(jù),分析平均的懸沙輸運路徑與通量。模型計算中未考慮波浪的影響。計算結(jié)果見圖15。從圖中可以看出,懸沙輸運在西口以大襟島西角與岸線之間的斷面為界,以南的輸運方向為向海,以北則以向陸輸運為主。我們推測,如果加入波浪的影響,斷面以南的區(qū)域也將以向陸輸運為主。這一推測得到Delft3D模型模擬結(jié)果的證實［11］。在大襟島與荷包島之間的中口,泥沙輸運以向海為主,因此,中口成為枯季河流來沙與灣內(nèi)侵蝕泥沙向海輸運的主要通道。同時,在大襟島周圍發(fā)育一個順時針的泥沙輸運渦流。在荷包島東側(cè)的東口與高欄島岬角之間,發(fā)育一個順時針的泥沙輸運渦旋,高欄島一側(cè)向海輸運,荷包島一側(cè)向陸輸運。而沿著荷包島,可發(fā)現(xiàn)有一大的逆時針泥沙輸運的渦旋。在大杧島的西北側(cè)與岸線之間,形成一個大的順時針的泥沙輸運渦旋,而在大杧島與三角山之間的狹口,泥沙輸運是向海的,在大杧島與荷包島之間的東槽上,存在著一個泥沙輻聚帶,這與觀測資料是吻合的(圖14)。在大杧島以北,東灘與西灘上的泥沙均為向陸輸運。東槽內(nèi)的泥沙輸運在東槽拐彎點以下以向陸為主,這與水深較大、重力環(huán)流發(fā)育好而引起的近底向陸輸運強(qiáng)有關(guān)。在東槽拐彎點至崖門射流拐彎點(圖15中B點),東槽內(nèi)泥沙為向海輸運。進(jìn)入崖門附近后至銀州湖,出現(xiàn)淺灘向海、深槽向陸輸運的格局。虎跳門內(nèi)的泥沙為向海輸運。值得說明的是,黃茅海內(nèi)的泥沙輸運呈現(xiàn)出高度的時空變化,它與外動力條件(徑流、潮汐、風(fēng))的變化密切相關(guān)。這里給出的只是月平均值。一旦外動力條件發(fā)生變化,上述輸運格局將發(fā)生相應(yīng)的變化。在圖16中給出了黃茅海西口、中口、東口的懸沙通量的變化過程?？梢钥闯?西口基本以向陸輸