洋山港海域水体和悬沙输运机制研究

英晓明，丁平兴

（华东师范大学 河口海岸学国家重点实验室，上海 200062）

洋山港海域水体和悬沙输运机制研究

英晓明，丁平兴

（华东师范大学 河口海岸学国家重点实验室，上海 200062）

对洋山港海域水体和悬沙长期输运速度分离，并进行机制分解，分析各种物理过程对水体和悬沙长期输运速度所起的作用。结果表明，水体和悬沙输运存在明显差异，直接描述悬沙净输运更准确合理；欧拉余流在水体长期输运中占主导地位，平流输运和潮泵输运是洋山港海域悬沙输运的主要动力因素，由于潮动力混合较强，垂向输运作用很小。

水沙长期输运速度；机制；洋山港海域

Abstract：The long-term transport velocity of water and suspended sediment are separated, mechanism decomposition is made on them, and effects of all kinds of physical process by observed data is analyzed in Yangshan Harbor waters in this paper.The results show that, the obvious difference exists between water and suspended sediment residual transport, and it is more accurate and reasonable to calculate residual sediment transport directly.Euler transport plays predominant role in water long-term transport, and horizontal advection and tidal pumping take primary role in suspended sediment transport in the study area, while the contribution of vertical transport is small due to strong mixed tide.

Keywords：Long-term transport velocity of water and suspended sediment; mechanism; Yangshan Harbor Waters

1 引 言

在河口海岸地区，海流作用下的悬沙输运引起地形冲淤变化，进而影响岸滩演变、航道疏浚及水下岸坡的稳定性，悬沙的长期输运成为河口海岸研究的核心问题之一[1,2]。潮流及其余流对河口海岸地区悬沙的输运起着非常重要的作用,由于潮流涨落潮不对称输沙，因而余流在某种程度上可以指示悬沙的净输运。然而，余流并不能完全代表悬沙净输运。实际上，河口存在潮周期平均物质输运与潮周期平均水体输运方向不同的现象[3]。在悬沙空间分布较均匀的地方，悬沙和水体的长期（一个或若干个潮周期）输运特征基本一致；在悬沙空间分布差异大的区域，悬沙和水体长期输运存在明显差异[4]。通量分析是研究物质长期输运较好的方法[5,6]。悬沙长期输运速度比水体长期输运速度描述悬沙输运更准确合理[4]。朱首贤等[3]从理论上分析了河口地区存在物质和水体长期输运分离的自然条件。通过ADCP走航观测研究，洋山港地区断面存在周期内净潮通量与净悬沙通量相反的现象[7]，说明存在水体和悬沙输运分离现象。

李玉中等[8]通过1996年实测资料，证实了洋山港海域下层水体存在余流分离和汇聚现象。然而，关于洋山港海域悬沙长期输运的研究尚未见报道。洋山港海域悬沙长期输运有何特征？水体长期输运（余流）能否代表悬沙长期输运？本文将运用通量分析方法揭示洋山港海域水体和悬沙长期输运的特征，并对机理进行研究。

2 研究区域概况

洋山港海域位于杭州湾崎岖列岛内，具有多岛屿和多汊道输水输沙的特征。峡道由以大、小洋山为主的南北岛链组成，呈现为向西扩展的喇叭形状（图1）。港区最大水深约87 m（黄海高程）；开阔处浅滩的水深为10 ～ 14m，具有建造深水港的优良条件。自2002年以来，洋山深水港区相继实施了堵汊工程、陆域填充工程和港池疏浚等一系列重大工程。港区一期码头和二期码头分别于2005年和2006年年底开始运营。目前，小洋山北岛链仅剩颗珠山-蒋公柱汊道。洋山港海域属于非正规半日潮，以M2分潮为主，该水域在东海潮波传播、长江口冲淡水扩散和岛链峡道地形的综合制约下, 具有波浪弱、潮流强和悬沙浓度高的特点。该海区平均潮差2.79 m，年平均波高为0.4 m，冬夏半年平均波高相差不大[9]。落潮平均流速为0.90 ～ 1.20m/s，涨潮均流速为0.80 ～1.20 m/s，最大可能潮流流速在3.00 m/s以上，潮流为往复流[10]。洋山港海域泥沙主要为长江直接扩散泥沙和潮流携带的海域泥沙，年平均悬沙浓度约为1.3 kg/m3，冬高夏低。

图1 洋山港工程及测量站位Fig.1 Sketch of Yangshan Harbor projects and survey stations

3 资料与研究方法

本文资料主要来源于交通部天津水运工程科学研究所2006年5月的定点水文泥沙观测资料。测量位置见图1。观测资料包括大、中和小潮各25 h的数据，垂向为六点法，对应水深为表层、0.2 H、0.4H、0.6 H、0.8 H和底层，时间间隔为一小时。为综合考虑悬沙和水体的长期输运效应，对大、中和小潮的资料进行全潮分析，计算悬沙和水体长期输运速度及其相关项。

为使水体长期输运和悬沙长期输运能够进行比较，本文采用朱首贤[3,6]定义的水体和悬沙长期输运速度方法来分析洋山港海域二、三维水体和悬沙长期输运特征及进行机理分析。

瞬时流速、含沙量和水深由式(1)—(4)[11,12]表达:

4 结果和讨论

4.1 水体和悬沙输运速度特征及比较

截止2006年5月，港区3个堵汊工程均已经竣工，测量站位分布较广，具有一定的代表性，因此选择此次资料进行分析。二维悬沙和水体长期输运速度如图2(a) 所示，垂向给出表层、中层和底层悬沙和水体长期输运速度，分别如图2(b-d) 所示。

港区北侧 N1测站二维悬沙和水体长期输运方向基本一致，前者是后者量值的2.1倍；中层和底层悬沙和水体长期输运速度方向基本一致，但表层悬沙和水体长期输运速度方向相差39°，且表层量值上前者是后者的3.5倍，表层和底层悬沙输运方向相差114°，表层和底层水体输运方向相差134°。N2测站二维悬沙和水体长期输运方向相差69°，底层悬沙和水体长期输运速度方向基本一致，主要是表层和中层两者速度方向差异显著，表层和底层悬沙长期输运速度方向相差 119°，表层和底层水体输运速度方向相差95°。N3测站二维悬沙和水体输运速度方向相差146°，量值上后者是前者的1.7倍，垂向上悬沙和水体长期输运速度方向均差异显著，但垂向上悬沙输运速度方向相差不大，量值上表层是底层的5.7倍。

港区西侧W1测站二维悬沙和水体长期输运速度大小和方向相差不大，垂向上亦如此，表层悬沙输运速度方向和底层相差63°。W2测站二维悬沙和水体长期输运方向基本一致，前者是后者量值的2.2倍；垂向上悬沙和水体长期输运方向相差不大，表层和底层悬沙输运速度方向相差96°，量值上前者是后者的5.4倍，表层和底层水体输运速度方向相差138°。W3测站二维悬沙和水体长期输运速度相差不大，垂向上底层悬沙和水体长期输运速度方向相差101°，表层悬沙输运速度方向和底层相差69°，量值上前者是后者的 3倍，表层和底层水体输运速度方向相差135°。

港区南侧S1测站二维悬沙和水体长期输运速度差异不大，垂向上亦如此，垂向上表层和底层悬沙输运方向相差不大，量值上前者是后者的1.8倍。

港区东侧P4测站二维悬沙和水体长期输运方向相差很小，量值上前者是后者的2.5倍，垂向上表层和中层悬沙和水体长期输运方向相差很小，但底层悬沙和水体长期输运方向相差 159°，量值上后者是前者的1.5倍，表层悬沙输运速度量值是底层的7.3倍，表层水体和中下层水体输运方向相反。E1测站二维悬沙和水体长期输运速度相差不大，垂向上亦如此，表层悬沙输运速度量值是底层的 1.9倍。E2测站二维悬沙和水体长期输运速度相差不大，表层和底层悬沙输运方向相差73°，表层和底层水体输运方向相差39°。

港区颗珠山汊道 K1测站二维悬沙和水体输运方向相差55°，量值上后者是前者的1.6倍，垂向上底层悬沙和水体输运速度基本一致，但表层和中层悬沙和水体输运速度方向差异显著，方向差异与两者垂向平均差异相差不大，底层悬沙输运速度量值是表层的1.9倍。K2测站二维悬沙和水体输运方向相差不大，垂向上亦如此，表层和底层悬沙输运速度方向相差64°，量值上相差不大。

港区双连山汊道SC1测站二维悬沙和水体输运方向基本一致，垂向上亦如此，底层悬沙输运速度量值是水体的2.6倍。SC2测站二维悬沙和水体输运速度相差很小，垂向上亦如此，表层悬沙输运速度量值是底层的3.6倍。港区大山塘汊道SC3测站二维悬沙和水体输运方向相差54°，量值相近，垂向上两者方向差异与垂向平均差异值相差不大。

港区内部 K4测站二维悬沙和水体输运方向相差59°，量值上前者是后者的1.8倍，垂向上两者差异变化不大。P1测站二维悬沙和水体输运速度相差不大，垂向上两者差异变化不大，仅表层两者方向相差稍大为 40°。P2测站二维悬沙和水体输运速度量值相近，方向相差25°，垂向上两者差异由表至底减小，表层两者方向相差为39°，底层两者方向基本一致。

以上分析说明，悬沙和水体长期输运速度大小和方向存在明显差异，在描述洋山港海域悬沙长期输运时，悬沙长期输运速度比水体长期输运速度更准确合理。

在洋山港北侧N1和N2测站、西侧W2和W3测站和东侧P4测站，表层和底层水体输运方向相反或差异较大。而悬沙输运不仅在N1、N2、W2、W3测站，而且在W1、K1、K2、P2和E2测站，表层和底层输运方向相反或差异较大，但P4测站表层和底层悬沙输运方向确相差很小。在东侧E1和E2测站水体输运方向相反。

在中、南部P1、P2和W1测站形成悬沙输运方向辐聚区，此区域位于2006年4月到2007年4月形成的港区淤积带（图3），港区南侧落潮流和落潮沙占优，而中轴涨潮流和涨潮沙占优，两股流向切变区流速必然减少，加之悬沙汇聚是造成港区淤积的原因之一。

图2 悬沙和水体长期输运速度Fig.2 Water and suspended sediment long-term transport velocity

图3 2006年-2007年地形冲淤分布（据三航院资料绘制）Fig.3 Deposition/erosion distribution from 2006 to 2007

表1 二维水体长期输运速度及其分解项（量值：cm/s 方向：°）Tab.1 2-D long-term transport velocity of water and its components (magnitude: cm/s direction: °)

表2 二维悬沙长期输运速度及其分解项（量值：cm/s 方向：°）Tab.2 2-D long-term suspended sediment transport velocity and its components (magnitude: cm/s direction: °)

4.2 二维悬沙和水体长期输运速度机制分析

二维水体长期输运速度分量列在表1中。由表1可以分析各物理过程对水体输运速度的贡献。在大部分测站（W1、K4、K1、K2、P2、E1、E2、P4、N1、N3、SC1、SC2和 S1），欧拉余流在水体长期输运中占主导地位；在 W3测站欧拉余流量值是斯托克斯漂移速度1.3倍，两者方向相反；在W2和SC3测站斯托克斯漂移速度大于欧拉余流，两者方向相反；在P1测站欧拉余流和斯托克斯漂移速度量值相近，方向相差92°。洋山港海域相当多测站余流超过0.1 m/s，该区域属于余流较强区域。由于岛屿附近地形集聚效应，因此W1、E1和E2等测站余流值较大。

二维悬沙长期输运速度分量列在表2中。从表2中可以看出，T1、T2、T5占主要地位，T4和T6仅在部分测站作用相对重要，T3的作用很小，T7和T8几乎不起作用。在大部分测站（与水体输运一样），T1量值最大，说明洋山海域欧拉输运是主导因素。在W3测站欧拉输运和斯托克斯漂移输运方向相反，量值前者是后者的1.3倍。在W2测站欧拉输运和斯托克斯漂移输运方向相反，量值后者是前者的1.4倍。在P1测站欧拉输运和斯托克斯漂移输运方向相差92°，两者量值相差不大。在SC3测站欧拉输运和斯托克斯漂移输运方向相反，两者量值相差不大。

T5在有些测站（W1、K4、K2、SC2）与T2量值相近，在很多测站（K1、P1、P2、E1、E2、P4、N3、N2、N1、SC1和S1）T5比T2量值都要大的多，说明洋山海域潮泵输运作用地位仅次于欧拉输运。T4仅在W3、W1、K4、P1和SC3测站相对重要，T6在K4测站相对重要。

为直观了解悬沙在不同区域的输运机制，将平流输运项（T1+T2）、潮泵输运项（T3+T4+T5）和垂向输运项（T6+T7+T8）与悬沙长期输运速度（Uc）绘制在一起，如图4所示。平流输运项是洋山港海域泥沙输运的主导因素，潮泵输运所起作用居于第二位，垂向剪切扩散和切变作用不大。由于洋山港海域是强潮混合区，垂向混合作用大，因此垂向作用不大。

5 结 语

本文对洋山港海域悬沙和水体长期输运分离计算，并对悬沙和物质输运速度进行机制分解。研究结果表明，在洋山港海域悬沙输运速度比水体输运速度描述悬沙输运更准确合理。

图4 悬沙长期输运速度及三个合成分量Fig.4 Long-term transport velocity of suspended sediment and its components

机制分解结果表明，欧拉余流在水体长期输运中占主导地位，平流输运和潮泵作用是洋山海域悬沙输运的主要动力因素，由于潮动力混合较强，垂向输运作用很小。悬沙和水体的分层输运分析表明，洋山海域悬沙和水体输运垂向存在差异，例如，在N2测站表层水沙和底层水沙输运方向均相反，在P4测站表层水体和底层水体输运方向相反，而悬沙输运方向相同。港区中南部悬沙净输运指向大山塘北侧，可能是该地区淤积的原因之一。由于测站偏少，利用实测资料得到的悬沙长期输运尚不能明确说明港区内部地形冲淤演变机理，通过补充观测或者利用泥沙数值模拟研究港区悬沙长期输运变化，将会更好的分析地形冲淤演变机理。

[1]Rose P C, Thorne P D.Measurements of suspended sediment transport parameters in a tidal estuary [J].Cont Shelf Resh, 2001, (21): 1 551-1 575.

[2]陈建勇, 戴志军, 陈吉余, 等.杭州湾北岸弧形岸段悬沙净输移分析—以龙泉—南竹港岸段为例 [J].泥沙研究, 2009, 2: 53-59.

[3]朱首贤, 丁平兴, 沙文钰, 等.河口物质和水体长期输运分离的理论分析和观测验证Ⅰ物质和水体长期输运分离的理论分析 [J].海洋学报, 2008, 30(6): 24-29.

[4]张文静, 朱首贤, 沙文钰.二维悬沙长期输运速度的定义和机理分析 [J].海洋工程, 2003, 21(3): 56-61.

[5]Dyer K R.Coastal and Estuarine Sediment Dynamics [M].A Wiley Interscience Publication John Wiley and Sons, 1985:253-254.

[6]朱首贤.流、浪模式和物质长期输运分离研究 [D].华东师范大学博士学位论文, 2005.

[7]虞志英, 张志林.上海市国际航运中心洋山深水港区西港区海床冲淤趋势和增深研究 [R].华东师范大学河口海岸学国家重点实验室,长江水利委员会长江口水文水资源勘测局, 2009, 3.

[8]李玉中，陈沈良.洋山港海域余流分离和会聚现象研究 [J].水利学报, 2003, 5: 24-34.

[9]俞航, 陈沈良, 谷国传.崎岖列岛海区水沙特征及近期冲淤演变[J].海岸工程, 2008, 27(1): 10-20.

[10]刘蔡胤.上海洋山港港区海域潮流泥沙数值模拟及水下地形变化特征分析 [D].大连理工大学硕士学位论文, 2008.

[11]Uncles R J, Elliott R C A, Weston S A.Observed fluxes of water, salt and suspended sediment in a partly mixed estuary [J].Estuar Coast Shelf Sci, 1985, 20(2): 147-167.

[12]沈健, 沈焕庭, 潘定安, 等.长江河口最大浑浊带水沙输运机制分析 [J].地理学报, 1995, 50(5): 411-420.

Research on transport mechanism of water and suspended sediment in the Yangshan Harbor waters

YING Xiao-ming, DING Ping-xing

(State Key Laboratory of Estuarine and Coastal Research, East China Normal University, Shanghai 200062, China)

P731.2

A

1001-6932(2011)02-0135-07

2010-02-23；收修改稿日期：2010-10-18

国家海洋局公益性项目 ( 200905001-9 )。

英晓明 ( 1979－ )，男，博士，主要从事河口海岸动力学研究。电子邮箱：xmying2005@yahoo.com.cn。