辐射沙脊小庙洪水道口门形态演变及其水动力机制研究*

陈可锋，陆培东，喻国华

(1．河海大学水文水资源与水利工程科学国家重点实验室，江苏 南京 210098；2.南京水利科学研究院河流海岸研究所，江苏 南京 210024)

南黄海辐射沙洲位于江苏海岸以东,呈辐射状分布。其面积宽广，脊槽相间，形态特殊，地形复杂，是南黄海独特的地貌类型[1-3](图1)。自南黄海辐射状沙洲被发现后，这一特殊地貌便一直被海洋地质学家和物理海洋学家所关注，20世纪80年代以来，随着海岸带资源调查、沿海及陆架地区钻探等工作的开展，以及东中国海潮波系统数值模拟的逐步深入，专家学者对辐射沙洲现状格局、发育过程、形成机制、水动力模拟等进行了深入研究，对于江苏岸外潮流沙脊群形成过程与动力机制有了比较深刻的认识[4-10]。

近年来，由于经济和社会发展的需要，人们把更多的目光投向于辐射沙洲海域近岸水深条件较好的潮汐通道和宽阔的潮间带滩涂，其演变趋势及其稳定性逐渐成为辐射沙洲研究的热点问题之一[11-13]。小庙洪水道位于辐射沙脊最南翼，水道平面形态变化反映近40年来小庙洪水道整体存在北淤南冲的演变趋势，口门段北水道深槽不断萎缩直至消失，南水道则充分发展[14]。这种趋势性过程的原因和驱动力成为辐射沙洲区海岸冲淤动态研究和海港开发过程中亟待解决的问题。从动力地貌学的观点来看，口门水道形态特征和演化研究涉及多种关键的海岸动力过程，其地形的变化与该地区的潮流特征有着密不可分的关联[15-16]。本文通过对实测水文资料分析和所建立的潮流数学模型，研究了口门水道潮流，各水道断面潮流输沙量特征并分析小庙洪口门冲淤演变水动力机制。

1 小庙洪水道口门演变动态与发展趋势

小庙洪水道是江苏岸外辐射沙洲区最南面，也是距岸最近的一条潮汐水道(图1)。该水道走向基本与吕四海堤走向一致，呈现WNW-ESE向，深槽距海堤零米线3.5～6.0 km不等，水道长约38 km，口门宽15 km。水道中段(吕四海洋站附近)宽4.5 km，尾部在如东浅滩消失。口门处两个零米线以上的沙洲，将口门分为北水道、中水道和南水道。水道内有两条-10 m 以深的深槽，一条在口门南水道，另一条在水道中段，两深槽之间为宽约1.0 km的浅段，平均深度约-8 m。

根据1963、1979、1989、2000和2009年地形资料，从水道-5、-10 m等深线的对比分析中可得到小庙洪水道口门段各水道平面形态变化的认识(图2)。

-5 m等深线的变化： 1963年北水道-5 m深槽至1979年萎缩了1 km，宽度也逐渐变窄，到2000年这条原通向外海的深槽由于不断淤积已变成一条封闭的水道，所包围的面积还在继续缩小。同时，口门段环绕横沙的-5 m线在60-70年代还是一条封闭的线，与口门外-5 m线有一浅槽相隔，从大湾洪进入的潮量有一部分由此经北水道和中水道进入小庙洪。

图1 小庙洪水道位置示意图

图2 小庙洪水道不同年代-5m、-10m 等深线变化

但到1989年时，横沙与乌龙沙-5 m线相连，使由大湾洪进入北水道和中水道的潮量有所减少，这部分水体转由南水道进出小庙洪，导致横沙东南侧-5 m线冲刷后退， 1963-1989年期间，平均每年北移136 m。2000年，虽然横沙与乌龙沙相连的-5 m线又被冲刷出一条宽500 m、深6 m的浅槽，但过水断面增加并不大，此时横沙东南侧-5 m线与1989年相差不大。由2000-2009年的变化看：小庙洪南侧尤其口门段-5m线基本稳定，横沙及南水道南、北汊头部-5 m以浅的部分有东移趋势，横沙与乌龙沙之间仍处于动荡之中，北水道-5 m以深的深槽已完全消失(图2)。

-10 m等深线变化：从图2看出，60年代-10 m深槽在南、北水道内均有出现，且北水道深槽长达10 km,而南水道-10 m线只在中段呈条状分布，口门附近只是不连续的深槽，反映60年代时，有很大一部分水体是从北水道进出小庙洪的。至1979年，北水道-10 m以深的深槽已严重淤积，长度只有4 km，深槽位置南移600 m。同时，南水道中段-10 m深槽范围扩大，口门处-10 m线基本上连成一片。至1989年，北水道-10 m深槽全部消失，南水道-10 m深槽贯通，并在头部分为南、北两汊。至1993年南水道-10 m深槽进一步稳定发展，北汊的头部冲淤动荡，南汊则持续发展。

近40年来的地形对比显示小庙洪水道整体存在北淤南冲的演变趋势，口门段北水道-10、-5 m深槽不断萎缩直至消失，目前仅存水深不足5 m的浅槽，南水道则充分发展；自80年代南水道头部分成南北两汊以来，南汊始终处于发展的过程。

2 小庙洪水道平面二维潮流数学模型建立与验证

2.1 基本方程

方程建立在正交曲线坐标系上(ξ,η)。在垂直方向上采用如下坐标：

(1)

(1)式中，z是在垂直方向的坐标，在模型参照平面上取为0；d是相对于模型参照平面的水深；ζ为相对于模型参照平面的水位；H是全水深。沿水深积分的连续方程：

ξ,η方向的动量方程:

Gξξ和Gηη为曲线坐标转化为直角坐标的转换系数；Pξ和Pη是压强梯度；Fξ和Fη是雷诺应力项。

2.2 模型范围与参数

模型东西长73 km，南北宽50 km，包括了整个小庙洪水道与三沙洪水道(图3)，模型采用变步长矩形网格，在水道内进行局部加密，网格大小50～200 m，网格数133×314。潮流数学模型计算时糙率计算式为：n=n0+nk(h)，其中n0=0.012 ～0.016，nk(h)是受水深调节部分；时间步长取为 30 s；紊动扩散系数取为1～25。

2.3 模型验证

本海域水流受特殊地形的影响，其运动特征较为复杂。模型开边界采用潮位控制，由东中国海潮流数学模型提供[13]，并通过验证资料反复调试。

采用2009年3月现场实测9条垂线和2个水位站的同步资料对模型进行验证(图3)。图4给出了深槽内部WL1、WL2潮位和V6号流速流向的计算值与实测值的比较，两者在相位和数值上吻合较好，可反映工程区的潮流运动特征。

3 小庙洪水道演变的动力机制分析

3.1 小庙洪水道潮流特征

小庙洪海域的潮流属规则半日潮流。潮流的最大流速出现在中潮位附近，具有一定驻波性质。潮流运动受水道和沙洲地形的影响较大，水道深槽内的潮流椭圆扁平，涨落潮流方向与水道深槽一致，往复流特征明显，且流速较大；边滩处的水流高潮时以东西向为主，落潮后期及涨潮初期以漫滩流为主，且流速较小。

图3 研究区数学模型范围及验证点位置

起涨时，涨潮流自东向西通过网仓洪和大湾洪由外海进入小庙洪水道。其中网仓洪的大部分潮流沿东西向流入网仓洪深槽，小部分经小庙洪口门北水道和中水道进入小庙洪深槽；而大湾洪的涨潮流分两股，一股经口门南水道进入小庙洪深槽，另一股通过乌龙沙与横沙之间的夹槽及横沙内凹槽由中水道进入小庙洪。小庙洪深槽的涨潮流受深槽走向制约，但随水位增高，深槽中涨潮流逐渐向两侧滩地漫滩。涨急时，深槽内涨潮流仍沿深槽走向运动，但随浅滩区水深加大，滩面上涨潮流流向发生明显变化，由漫滩转为自东向西运动(图5)。

起落时，槽内落潮流沿深槽走向转落，滩面水均由西向东落潮。落急时深槽中落潮流流向不变，但浅滩区因水位降低，坡度成为控制水流流向的要因素，使水流顺坡向低凹的潮沟流去，滩面水开始归槽(图5)。滩面归槽水通过潮沟系统进小庙洪主槽。小庙洪深槽除接受上游的落潮流外，还要容纳两侧滩面的归水，使深槽中的落潮流显著增强。此时，腰沙沙脊便成为腰沙上滩面归槽的分水滩脊，南侧归槽水汇入小庙洪深槽，北侧汇入网仓洪深槽。

小庙洪水道流速分布表现为深槽流速大，浅滩流速小。其中-5 m以深深槽涨、落潮平均流速为0.6～0.8 m/s，局部深槽区域平均流速可达1.0～1.2 m/s，0～-5 m平均流速为0.4～0.6 m/s，0 m以上浅滩水流平均流速为0.2～0.4 m/s。

图4 大潮潮位、流速及流向过程验证曲线

图5 小庙洪水道涨急与落急流场图

3.2 口门段潮流时间-流速不对称性分析

为了探究小庙洪水道南、中、北汊道演变的原因，在北水道、中水道和南水道的口门附近分别取了点进行流速特征统计，结果如下表1所示。

表1 小庙洪水道口门段内流速特征

从表1可以看出，北水道涨潮历时比落潮历时长1h53min，涨潮平均流速比落潮平均流速大3 cm/s(Tf>Te、Uf>Ue)，属于涨潮优势型。南水道与中水道相似，涨潮历时比落潮历时短1h14min，涨潮平均流速比落潮平均流速小6 cm/s。中水道和南水道则呈现Tf

3.3 小庙洪口门段水道水沙通量

实测各断面流量过及及输沙量数据统计显示(图6、表2)，口门段南水道和中水道断面落潮断面流量大于涨潮，表现为落潮水道性质；而北水道涨潮流量大于落潮流量，变现为涨潮水道性质。口门南、中水道断面为净泄，一个潮过程净泄的泥沙量分别约为：2 200 和400 t；北水道断面为净进，一个潮过程净进的泥沙量为3 200 t，可见该海域悬沙泥沙存在“北进南出”趋势，这样悬沙运移的趋势与近几十年来小庙水道北水道淤积、萎缩；南水道冲刷、发展的态势相符合。

表2 2009年12月实测断面流量及输沙量统计表

4 结 论

本文通过对现场水文资料分析和所建立的平面二维潮流数学模型，分析小庙洪口门段水道水流动力特征，得出如下结论：

1)小庙洪海域的潮流属规则半日潮流。潮流的最大流速出现在中潮位附近，具有一定的驻波性质。潮流运动受水道和沙洲地形的影响较大，水道深槽内的潮流椭圆扁平，涨落潮流方向与水道深槽一致，往复流特征明显，且流速较大；边滩处的水流高潮时以东西向为主，落潮后期及涨潮初期以漫滩流为主，且流速较小。

2)近40年来的地形对比显示小庙洪水道整体存在北淤南冲的演变趋势，口门段北水道-10 m、-5 m深槽不断萎缩直至消失，目前仅存水深不足5 m的浅槽，南水道则充分发展；自20世纪80年代南水道头部分成南北两汊以来，南汊始终处于发展的过程。

图6 小庙洪水道实测断面布置图

3)小庙洪口门段、北、南水道的涨落潮历时和涨落潮流速明显不同。其中，北水道涨潮历时大于落潮，涨潮流速大于落潮；中水道、南水道则落潮历时和落潮流速略大于涨潮。总体上看，北水道呈涨潮水道性质，中、南水道表现出落潮水道性质。口门南、中水道断面输沙量为净泄，北水道断面为净进，水道口门段悬沙存在“北进南出”趋势，这样悬沙运移的趋势与近几十年来小庙水道北水道淤积、萎缩；南水道冲刷、发展的态势相符合。

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