乐清湾悬沙输移机制分析

杨晓东，姚炎明，蒋国俊,2，李佳

（1.浙江大学 港口、海岸及近海工程研究所，杭州 310058；2.浙江师范大学旅游与资源学院，金华 321004）

乐清湾悬沙输移机制分析

杨晓东1，姚炎明1，蒋国俊1,2，李佳1

（1.浙江大学 港口、海岸及近海工程研究所，杭州 310058；2.浙江师范大学旅游与资源学院，金华 321004）

以乐清湾海区特征测站实测资料为据，运用机制分解法将悬沙净输移通量分解成多个动力项并讨论不同区域悬沙输移的时空分布特征，认为潮泵输沙在湾内贡献均较大，在浅滩附近占明显优势,垂向净环流输沙在小潮期中、内湾作用显著，平流输沙在开阔水域及中湾深槽起主要作用。从余流分布、流速与含沙量的相位关系、垂向余流结构与悬沙浓度垂向梯度变化等方面探讨了主要输沙项的动力机制，结果表明：（1）欧拉余流输沙与潮动力强弱呈正相关；（2）潮汐捕集输沙与悬沙再悬浮、潮流不对称性及涨、落潮背景含沙量密切相关；（3）垂向净环流输沙与垂向拉格朗日余环流发育及悬沙浓度垂向梯度相关。

乐清湾；净输移；机制分解；潮泵效应；垂向环流

Abstract: According to the measured field data in Yueqing Bay , the transport flux of suspended sediment in observed stations is divided into several dynamic items using the mechanism decomposition method, and the space-time distributional characteristics of suspended sediment transport is examined.It is indicated that the tidal pumping effect plays an important role in the bay and especially has a clear superiority in shallow regions.The vertical circulation causes prominent sediment transport in middle and inner bay during neap season, and the advection is the primary factor for sediment transport in deeper channels and open regions.Meanwhile, the dynamic mechanism of main items is discussed in terms of residual current distribution, the phase relationship between velocity and sediment concentration, the vertical residual current structure and the vertical gradient of sediment concentration.The conclusions could be made as following：(1) The Euler residual current effect is correlated positively with tidal power.(2) The tidal trapping effect has close linked with tidal dissymmetry, bottom sediment resuspended and the background concentration difference between spring and ebb tide.(3) The development of Lagrange vertical residual current and the vertical gradient of suspend sediment concentration are responsible for the net vertical circulation transport.

Keywords: Yueqing Bay; net transport; mechanism decomposition; tidal pumping; vertical circulation

悬沙输移是海岸带研究的核心问题之一，近岸海洋环境中潮汐、径流、环流、波浪、风场、水团流系、泥沙来源和地形等诸多因子都对悬沙输移机制起着非常重要的作用。对于悬沙输移一般常用数学模型计算和通量机制分解法两种方法进行研究。数学模型偏重于从过程上研究动力因子与悬沙输移的响应关系[1-3]。通量机制分解法[4-6]则将悬沙输移通量定量的分解成多个动力项，每个动力项由一种或多种动力因子联合作用，既可探究每个动力项的相对贡献大小，也可探讨各个动力项所对应的主要动力因子的内在输移机理。迄今为止，通量机制分解法在国内外河口、弱潮河口湾[7-11]广泛应用，但主要集中于最大浑浊带[12-13]附近输移规律的研究。

乐清湾地形复杂，不同区域（深槽、浅滩、开阔水域、近岸等）作用动力复杂多变，其输沙机制呈现各自的变化规律。本文根据乐清湾不同海区的实测水沙资料，运用通量机制分解法分析了悬沙输移特征，并对平流输沙、潮汐捕集输沙、垂向净环流输沙的机制进行了探讨，这有助于进一步了解乐清湾不同区域的悬沙输移特点，为湾内地形演变的研究、港口航道的维护、海岸自然资源的合理开发提供科学依据。

1 区域概况

乐清湾位于浙江南部沿海，是与东海相通的半封闭强潮海湾（图1），湾内有大荆溪、清江、江夏等山溪性河流注入，径流总量较小，径流影响所及范围有限；海区潮动力强，波浪主要为局地风作用下的风浪，外海浪较弱[14]，在波流联合作用下近岸以粘土质粉砂和粉砂质粘土为主要组分的底部沉积物冲淤搬运作用十分显著。湾内泥沙在各种水动力交互作用下呈现复杂的输移规律。

图1 乐清湾地形与采样点示意图Fig.1 Topography of Yueqing Bay and locations of sampling stations

乐清湾以连屿与华秋洞连线为界，以内为中、内湾，以外为外湾。此线以北，多岛屿、潮汐汊道、浅滩，自南而北水深逐渐减少；此线以南地形单调，相对开阔，东部发育潮流冲刷槽，西部为大片水下浅滩[14]。乐清湾泥沙主要来源于东中国海沿岸流输沙、内陆架供沙以及瓯江北口下泄泥沙，并由涨潮流自湾外带入湾内。

2 数据资料及测站分布

本文采用2007年4月3—11日大、小潮（1#—4#测站）及2006年10月7—8日大潮（5#测站）共3次实测水文泥沙资料开展分析研究。测验中流速流向采用中国海洋大学研制的SLC9-2型直读式海流计施测，测船采用手持GPS进行平面定位。使用5 000 mL的横式采水器采取水样，水样处理采用过滤洗盐、烘干称重法测定水体含沙量。海流观测根据水深 (h) 不同分层观测和取样，h＞8 m时为6点法，3 m≤h≤8 m时用3点法，h＜3 m时用2点法,每小时测量一次，连续观测25 h。观测期间海况在二级及其以下，湾口测站风浪稍大，浪花呈玻璃色。

测站基本沿乐清湾轴线分布，分别位于内湾（1#）、中湾（2#）、外湾（3#、4#、5#），见图1。从地形特征来看，测站基本位于四类海区：一是浅滩附近（1#、4#）；二是深槽区，分布在中湾（2#）及大岩头、大麦屿近岸；三是开阔水域（3#）；四是近岸深水区，分布在湾口东侧大岩头——连屿一线近岸（5#）。各测站水深见表1。

表1 测站水深状况Tab.1 Water depth in observed stations

实测资料表明，大潮期含沙量及流速均明显大于小潮期，大潮涨落潮最大流速均出现在5#站表层涨落急时刻，分别达1.62 m/s，1.48 m/s；含沙量最大值出现在4#站底层，达到1.52 kg/m3。根据沙玉清公式估算湾内各个测站的起动流速，基本上介于0.18～0.40 m/s之间，底部泥沙较易起动。经各测站垂线平均潮流流矢分析可知，大潮期潮流基本为往复流，小潮憩流时刻流向可能会有一定偏转。

3 悬沙净输移通量机制分解

本文对单宽悬沙通量进行分析，主要考虑各测站的悬沙沿主流向的输运。主流向是指涨落潮急流时的垂线平均流向，一般以沿涨潮流主流向为正，规定大潮期各站主流向为：1#站为25°，2#站为8°，3#站为294°，4#站为70°，5#站为344°，小潮期与大潮期主流方向可能有5°以内的摆动。

瞬时流速u可以分解成垂向平均值及其偏差项之和，即：

水体净输移对悬沙输移有重要的影响。拉格朗日余流是指1个或者多个潮周期时段内对流体微团的随体速度的平均，冯士笮[16]认为，一阶的拉格朗日余流就是水体质量净输移速度，它等于欧拉余流与斯托克斯余流之和。其表达式为：

悬沙潮周期平均单宽净输移率的表达式为：

式中：Y1为欧拉余流输移项，Y2为斯托克斯余流输移项，Y1+Y2组成平流输移项，其方向与ul一致，它表达了水体净输移的输沙效应。Y5为潮汐捕集输沙项，Y3、Y4、Y5都含有Ct因子，均与水体与底部的泥沙双向交换有关，Y3+Y4+Y5共同组成“潮泵效应”输移项。Y6+Y7组成垂向净环流输移项，反映了垂向净环流对输沙的贡献。

4 悬沙输移计算结果分析

运用公式（7）对潮周期平均单宽净输沙率（Y）及各输沙分量进行了计算，结果显示影响悬沙净输移的主要项有Y1、Y2、Y5、Y6，其它项所占比重较少，表1列出了Y及主要项的计算结果。时间上看，大潮期各测站潮周期平均单宽净输沙率及其分量均远远大于小潮期。空间上看，2#站大、小潮期间|Y|均最大，大潮时沿涨潮方向向湾内输移，小潮时沿落潮方向向外湾输移；湾顶1#站大、小潮期间|Y|都最小，均为沿落潮方向输移；湾口的 3#、4#站大、小潮期间|Y|介于上述两者之间，大潮期 3#站向湾外输移、4#站向湾内输移；小潮期 3#、4#站均沿落潮方向向湾外输移；5#大潮期|Y|与 2#接近，往湾外输移。

从表1还可以看到，平流输沙在2#、3#测站占总输沙率的75%以上，而在其他站其贡献均值少于25%；潮泵输沙在各测站均贡献明显，在1#、4#、5#站占总输沙率的比重均超过70%，在2#小潮期其比重达到了120.9%，3#站潮泵输沙相对最弱；垂向净环流输沙在小潮期 1#、2#及 4#总输沙率的比重较大，大潮期只在5#贡献较大，其他站均小于10%。

4.1 平流输沙

平流输沙为考虑欧拉余流与斯托克斯余流的综合输沙效应。Y1、Y2、Y1+Y2的方向分别由欧拉余流、斯托克斯余流与拉格朗日余流的输移方向决定，大小不仅与余流值有关，而且与当地潮周期平均含沙量及水深呈线性关系。

Y1的方向与欧拉余流的方向一致，由涨、落潮水流强度对比决定，表征优势流的方向。由表2可知，1#站大潮期欧拉输沙沿落潮方向，表明下泄径流对1#水沙输运有重要影响；湾口潮动力占优，不管大潮还是小潮，3#与4#欧拉余流输沙方向均相反，其中 3#向湾外输运、4#向湾内输运，表明 3#偏落潮优势流，4#偏涨潮优势流，涨落潮历时与流速差异是产生这种现象的主要原因：受浅水分潮增长的影响，潮波变形造成湾内涨潮历时略长于落潮历时，同时在潮滩众多的乐清湾，束水归槽的落潮流速明显大于漫滩扩散的涨潮流速；此外，4#落潮流还受瓯江北口下泄流的阻挡导致涨落潮流速差异减弱。Y1占总输沙的比重与欧拉余流的大小相对应，从空间分布来看，欧拉余流及输沙从湾口至湾顶均呈逐渐减弱的规律，如大潮期外湾的 D3、 D4、D5 3个测站欧拉余流都在4.00 cm/s左右，中湾D2站稍小，内湾D1站最小但也达到了2.70cm/s，小潮期这种递减趋势更加明显，X 1站的余流与湾口测站相比差一个量级，这表明欧拉余流及输沙与港湾潮动力越靠近湾顶越弱的特点有重要关系，陈波[17]在廉州湾的研究也证明了这一变化规律；另外，由于2#水深最大，其欧拉输沙的总量也最大。

表2 潮周期平均单宽净输沙率与各分量的百分比（净输沙率/kg·m-1·s-1、百分比/%）Tab.2 Net sediment transport and the proportion of main dynamic mechanism items

表3 各测站余流计算结果（余流/cm·s-1）Tab.3 Lagrange,Euler,Stokes residual flows in observed stations

Y2方向与斯托克斯余流的方向一致，大潮期3#、4#、5#向湾外输移，1#、2#向湾内输移，小潮期斯托克斯方向无明显规律。Y2大小与斯托克斯余流大小分布规律相关，总体来看呈现如下特点：（1）深水区的 3#、4#、5#站其占总输沙的比重较欧拉输沙小的多；（2）浅水区斯托克斯输沙相当显著，尤其在湾口4#站大、小潮期Y2分别占净输沙的125.6%与250.7%，1#站小潮期Y2所占比重也达到70.2%。这与波浪在乐清湾的分布特征相吻合，据研究[19]乐清外湾局部风场与外海浪均较强（尤其在西侧浅水区），内湾外海浪与局部风场相比基本可以忽略，而一般来说波浪从深水区向浅水区的前进过程中非线性作用会不断增强，因此，Stokes余流输沙和波浪非线性效应有重要的联系。2#、5#站斯托克斯输沙达到20%以上，主要是当地水深较大的缘故。

4.2 潮泵效应输沙

潮泵输沙机理可以概括为：底部泥沙交换（泥沙再悬浮与沉降）及滞后效应致使悬沙浓度涨落潮不对称变化并与流速时间过程线存在一定的相位差，在对称或不对称涨落潮流的作用下，潮周期内涨、落潮悬沙输移不能相互抵消，产生净输沙。潮泵输沙以Y5为主，它不仅取决于潮流与含沙量的潮周期不对称变化，同时也与背景含沙量有重要的联系。一般来说，中、下层水体含沙量易受水流动力的响应而发生变化，因此本文主要通过大潮期潮泵输沙较大的1#、2#、4#、5# 4个测站底层流速与含沙量的对应关系（见图2）的分析来揭示输沙机理。

图2 含沙量与流速过程线图（流速正号表示落潮，负号表示涨潮）Fig.2 Phase relationship between velocity and sediment concentration

D1站流速与含沙量的过程线相位相似，在第一个潮周期出现了两次再悬浮，落潮期含沙量极大值出现在落急时刻，而涨潮期含沙量极大值发生在涨急稍后时刻。这主要是因为：落潮初期刚历经涨憩泥沙普遍沉降过程悬沙浓度处于低点，且下泄而至的落潮流含沙量也较低，因此落潮含沙量峰值的产生主要取决于本地再悬浮；涨潮悬沙峰值的出现不仅和本地再悬浮有关，而且与表、中层泥沙沉降及下游输运而至的高含沙涨潮流都有直接联系。D1底层落潮期含沙量均值大于0.50 kg/m3，而涨潮期底层含沙量均值只有0.40 kg/m3左右，这是由于落潮期冲刷水流强度更大，再悬浮作用也更强烈；此外，落潮期平均流速较涨潮期稍大，这种涨落潮流速不对称促使D1底层在潮周期尺度内沿落潮方向产生潮泵净输沙。

D2站流速与含沙量的过程线有0.5～1 h的相位差，受过水断面束窄的影响，该区域涨落潮急流时刻前后水流强度大、紊动强，底部沉积物易被掀起发生再悬浮。涨潮期水体背景含沙量明显大于落潮期，那是由于涨潮流从湾外带入了大量海相及沿途泥沙，进入内湾后挟沙水流受地形放宽及水深递减双重影响下在浅水区的大量沉降，而落潮时仅有部分已沉降泥沙被重新掀起；同时，涨潮期底部高含沙量维持时间也较长，除了以上原因，还与表中层悬沙大量落淤有一定关系。另外，由于中、内湾滩涂面积大的地形特点，D2站涨潮历时明显大于落潮历时。再悬浮效应、涨、落潮背景含沙量差异及涨、落潮流历时不等、悬沙沉降是D2站沿涨潮方向产生潮泵净输沙的主要原因。

D4站悬沙含沙量最大浓度可达 1.4 kg/m3以上，出现在落急后 1～2h，有以下几方面原因：首先，下泄的低含沙量落潮流一定程度上延缓了由再悬浮作用引起的含沙量增加；其次，瓯江北口下泄的高含沙水流易扩散进入湾口西侧，对D4背景含沙量有一定影响；最后，近岸浅水区波浪掀沙作用不可忽视。D4涨潮期流速较小，水流强度不足以对底沙产生冲刷，因此水体含沙量始终维持在较低的状态。

D5站在地形束窄作用的影响下，能量集中，潮差增大，水流最大流速远远大于其它测站，外海稳定持续来沙使背景含沙量稳定在 0.50 kg/m3以上，一般落潮流速达到0.70 m/s左右，底部泥沙再悬浮与上游来沙相叠加，使得悬沙浓度显著增大，D5涨潮期流速与含沙量存在一定的相关性，再悬浮出现在涨急前一个小时。

小潮期潮泵输沙机理与大潮期类似，涨落潮背景含沙量差异、流速不对称、历时不等及悬沙沉降是流速与含沙量过程线差异的主要控制因素，但由于小潮期水流强度明显弱于大潮期，再悬浮效应并不是很强，限于篇幅不再一一赘述。当然，泥沙问题相当复杂，除了上述因素外，底质组成、波浪状况等对底层输沙也有重要的作用，有待于今后继续研究。

4.3 垂向净环流输沙

垂向净环流的输沙是受湾内垂向各层余流方向和强度不一致以及含沙量垂向分布不均匀影响形成的，潮周期内各层输沙量在垂向上积分后不能相互抵消，产生净输移。垂向净环流输沙的强度与垂向余环流的强弱及悬沙浓度的垂向变化强度呈正比。本文将从各测站垂向余流结构图特征与悬沙浓度的垂向变化特点两方面来探讨垂向净环流的输沙机制。

图3为各测站大、小潮垂向余流结构图，采用相对水深。由图3可知，欧拉余流垂向上的变化程度与各层潮动力和其他动力的优势对比有直接的关系。大潮期，周期性的潮动力为主要作用力，其它动力相对较弱，反映在垂向结构图上，欧拉余流从表层至底层逐渐减小，表底层余流方向基本一致。小潮期，外湾潮动力依旧较强，3#、4#欧拉余流依然遵从大潮期一样的规律；而湾顶的1#测站处潮动力明显减弱，径流、风海流等动力因子与潮动力形成错位均势，表层径流等动力占优势，余流沿落潮方向，而底层则潮流占优势，余流沿涨潮方向，因此1#存在明显的欧拉余环流；2#站除受径流影响外，地形转折及狭管效应使得表底层流流速大小与方向均出现了较大差异，以致2#站也呈现明显的表层向湾外、底层向内湾的垂向欧拉余环流。斯托克斯余流在垂向各层变化不大，方向也基本一致。时间上看，大潮期斯托克斯余流大于小潮期；小潮期各测站（除4#站）各层斯托克斯余流均较小，4#站受水波非线性变形以致大、小潮期间垂向各层斯托克斯余流均非常可观。

图3 各测站垂向余流结构图（余流/cm·s-1）Fig.3 Vertical residual current structure in observed stations

拉格朗日余流更直观的体现了水体的净输运的趋势；大潮期余环流较弱，D1，D2，D3，D4站垂向各层余流分布方向基本一致，D5站由于各层欧拉余流与斯托克斯余流方向不一致，迭加后表层余流向湾内、而底层则向湾外。小潮期 1#, 2#, 4#垂向余环流均较明显。

表3为各测站各层含沙量均值，并计算了底、表层含沙量均值的绝对差值与比值，此二量能很好地反应含沙量在垂向上的梯度差异。由表可知，大、小潮期底、表层含沙量绝对差值分别为0.09 ～ 0.38 kg/m3与0.06 ～ 0.24 kg/m3，说明底层含沙量普遍比表层含沙量大一些，大潮期绝对差值大于小潮期，这种现象在野外十分普遍。此外，由表3还可知大潮期底、表层含沙量比值在 1.2 ～ 2.5之间，其中在浅水区（1#、4#）该值只有1.2 ～ 1.5，表明大潮期水动力较强，垂线湍混强烈，悬沙垂向混合均匀；而在深水区（2#，3#，5#），该值达到了2.2 ～ 2.5，悬沙垂向分层现象严重。在小潮期，浅水区底、表层含沙量比值为3.2 ～ 3.4，深水区平均比值甚至达到了10以上，这主要是因为小潮期水动力比较弱，水动力的垂线湍混作用较弱，表层和中层泥沙容易沉降至底层，导致底层含沙量明显增大，垂向梯度增大，与此同时，这还可能与底质泥沙再悬浮有关，再悬浮作用会导致底层浓度增加，使底表含沙量比值增大。

综上所述，由于D5、X1、X2、X4 4个站存在明显的垂向拉格朗日余环流，其中D5、X4呈现与传统河口区盐淡水混合形成的垂向余环流反向的“逆垂向余环流”，其形成机理与地形影响下的潮波变形有一定关系[18]，加上这些站含沙量在垂向梯度明显，因此垂向净环流输沙贡献较大，表1的计算结果也印证了这一点。

5 结 论

运用通量机制分解法，计算分析了乐清湾悬沙输移特征以及相应动力因子的输沙机理，对乐清湾不同区域的悬沙输移机制有了进一步的认识。

1）潮泵输沙在乐清湾贡献较大，在浅滩附近占明显优势；平流输沙在开阔水域及中湾深槽中起主要作用；垂向净环流输沙在小潮期中、内湾及湾外浅滩输沙比重较大。

表4 垂向各层含沙量均值（浓度/kg·m-3）Tab.4 Vertical distribution of tidal-averaged suspended sediment concentration

2）欧拉余流输沙贡献大小在外湾与潮动力强弱呈正相关，湾顶径流对潮流制衡，平均流输沙相对较弱。斯托克斯输沙贡献较小，但在浅水区作用明显，浅水区波浪非线性效应增强是重要原因。

3）乐清湾潮泵输沙普遍较强。再悬浮效应及地形影响下的涨落潮背景含沙量差异是涨落潮含沙量过程线呈不对称性的主要原因，悬沙在湾内不同程度的不对称性潮流作用下产生净潮泵输沙。

4）垂向净环流输沙贡献与垂向拉格朗日余环流的强弱及悬沙浓度的垂向梯度大小密切相关。小潮期潮动力弱，中、内湾表底层动力不均匀分布使得表层余流向海、底层余流向湾内形成余环流，湾口部分测站呈现与传统河口区盐淡水混合形成的垂向余环流反向的“逆垂向余环流”，且小潮期表层泥沙沉降使得表底层含沙量垂向差异增大，两者结合以致小潮期垂向净环流输沙影响显著。

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Study on the transport mechanism of suspended sediment in Yueqing Bay

YANG Xiaodong1, YAO Yanming1, JIANG Guojun1,2, LI Jia1

(1.Institute of Harbor, Coast Near-shore Engineering, Zhejiang University, Hangzhou , 310058, China 2.the College of Tourism & Resources of Zhejiang Normal University, Jinhua 321004, China）

P736.22+1

A

1001-6932(2011)01-0053-07

2010-01-29；收修改稿日期：2010-4-21

杨晓东 ( 1984－ )，男，硕士研究生，港口航道及近海工程专业，河口海岸泥沙研究。电子邮箱：yangxd.2007@163.com。