辐射沙洲海域悬沙特征及悬沙浓度垂向运动规律研究

2014-10-16黄惠明王义刚张薇娜袁春光

浙江水利科技 2014年5期

黄惠明，王义刚，张薇娜，袁春光

（河海大学海岸灾害及防护教育部重点实验室，江苏南京 210098）

1 问题的提出

近年来，沿海城市发展与后备土地资源匮乏的矛盾越来越为凸显，地少人多的态势越来越制约沿海地区经济社会的持续发展。这极大地高涨了沿海地区向海要资源、要土地的积极性。近10a来，沿海地区滩涂匡围的规模持续增加和扩大，沿海围涂的前沿亦不断向高滩、低滩、潮下带等延伸。

江苏省作为东部沿海大省，地少人多的矛盾始终是制约沿海地区尤其是苏北地区发展的重要因素。多年来，江苏省沿海市县对于土地资源的需求也随着沿海社会经济的持续发展而不断上升，这一进步凸显了沿海城市人均土地面积不足带来的弊端。因而，近年来江苏省东部沿海的辐射沙洲滩涂及航道资源的开发利用已成为促进江苏省东部及南部沿海城市建设与发展的重要途径。

随着2009年6月国务院常务会议原则性通过《江苏沿海地区发展规划》，江苏省沿海海岸带资源正式进入大规模开发的通道。辐射沙洲作为江苏省东南部沿海的主要沙脊群所在，具有丰富的滩涂和航道资源，其进一步的合理开发利用，对于加大江苏省沿海岸线的有效利用、稳定固有深水潮汐通道资源、紧密联系长三角地区和江苏省北部区域等方面具有重要的战略意义图1为江苏省东部沿海辐射沙洲区位及地貌特征图。目前，江苏省已就苏北辐射沙洲的短期、中期及长期的发展进行了相关的规划论证，辐射沙洲滩涂资源的大规模围垦开发利用的思路已逐渐清晰起来。

因此，现阶段就辐射沙洲海域的海域环境等进行相应的研究和分析，对于江苏省沿海开发具有重要意义。为此，本文基于辐射沙洲海域大范围实测资料，针对海域悬沙特征、悬沙垂向运动规律开展研究，以期初步揭示辐射沙洲海域悬沙运动的内在规律，为江苏省沿海开发提供必要的参考和借鉴。

2 研究区域概况

辐射沙洲位于江苏省东部沿海水域，以弶港为中心分别向北、东北、东及东南向延伸，沙洲总体呈辐射状分布，槽脊相间，潮沟众多，水下地形复杂多变，形成了独特的大型沙脊群沉积地貌（见图1）。研究表明［1－3］，长期以来辐射沙洲的核心沙脊群始终处于演变状态，潮沟摆动频繁，滩槽系统多变，这为辐射沙脊群的深入研究和开发带来了极大的困难。辐射沙洲地区存在特殊的潮汐环境，其为东海前进潮波和南黄海旋转潮波系统所控制。海区为强潮区，潮波幅聚点位于弶港附近，平均潮差可达3.90m，实测最大潮差达9.28m［4］。海区潮动力作用强劲，是辐射沙洲的主要动力因素，潮能率和潮流速分布决定了沙洲南北沙脊及深槽的空间分布和形态，而次生横向环流则影响了沙洲的演变和发育［5－6］。

图1 江苏东部沿海辐射沙洲区位及地貌特征图

3 悬沙特征及运动规律

3.1 悬沙粒径特征

2007年冬季期间，利用横式取样器和锥式采样器，于江苏省沿海准同步采集了全潮水文测验期间的悬沙样本，样本采集区域涵盖了江苏省东部沿海的新洋港、大丰港、辐射沙脊群、洋口港、吕四港重要水域。

图2 2007年冬季悬沙中值粒径分布图单位：mm

图2给出了依据悬沙采样结果绘制的辐射沙洲海区2007年冬季悬沙中值粒径的平面分布特征图。由图2可知，江苏省东部沿海辐射沙洲海区悬沙粒径基本在0.007～0.014mm，属于黏性细颗粒泥沙的范畴。

江苏省东部沿海悬沙粒径分布呈现相对明显的沿岸和离岸变化。其中，辐射沙洲北部西洋水道海域，悬沙粒径相对比较细，粒径基本在0.007～0.010mm，并由北向南，悬沙粒径逐渐变粗，在弶港前沿附近达到最大，约0.010 mm，之后又逐渐降低至0.008mm左右，沿海方向悬沙粒径总体近似呈 “Λ”状分布。同时，离岸方向悬沙粒径呈现由细到粗的变化规律。其中，近岸区域泥沙粒径约为0.007～0.010mm，随着距离岸线越远，悬沙粒径逐渐增大至0.014mm左右。综合而言，江苏省沿海中部海区，悬沙中值粒径变化并不大，不同水域悬沙粒径的最大变幅基本在0.007mm以下。这从侧面表明，各海区间悬沙组成也比较相似，海域悬沙输运及交换频繁，可能也是造成辐射沙洲海域水下地形频繁调整的原因之一。

3.2 悬沙垂向运动特征

辐射沙洲海域悬沙垂向分布呈现比较明显的区域分布特征，且随涨落潮动力的变化而显著演变。弶港以北海域，涨潮期间悬沙垂向浓度相对较大值往往出现在0.2～0.4相对水深附近，落潮期间，悬沙最大浓度则往往出现在近底层附近。弶港以南海域，涨潮期间，悬沙浓度最大值往往出现在0.2～0.6相对水深附近，落潮期间，悬沙最大浓度则往往出现在0.0～0.4相对水深。悬沙浓度垂向分布一定程度上偏离了经典Rouse公式所描述的恒定流背景下的悬沙垂向分布规律，且与内河及河口悬沙浓度垂向分布特征存在显著的差异。实际上，正是由于悬沙浓度垂向分布的显著差异性一定程度上造成了辐射沙洲海区悬沙垂向运动规律的复杂性和多变性。

恒定均匀流背景下，当悬沙运动处于平衡状态时，悬沙浓度垂向分布可以经典Rouse公式来描述：

式中：h为水深，m；y为距离底床面高度，m；a为参考距离，m；S为距床面高度为y处的悬沙浓度，kg／m3；sa为参考高度处的悬沙浓度，kg／m3；k＝0.4为卡门常数；U＊为摩阻流速，m／s；ω为悬沙沉速，m／s。

对式（1）两边取对数，并合并同类项，可得：

图3 辐射沙洲海域实测lnS～ln［（h－y）／y］关系图

在此基础上，结合辐射沙洲海域的实测悬沙浓度垂向分布资料，利用式（2）绘制悬沙浓度垂向分布规律图（见图3）。由于海域存在涨落潮交替过程，在涨潮或落潮加速或减速阶段，水动力与恒定均匀流条件相差甚远，仅涨落急阶段近似，因而，图3中主要给出涨急和落急阶段辐射沙洲海区的悬沙浓度垂向分布特征。

由图3及式（2）可知，辐射沙洲海域不同区位，实测悬沙浓度的lnS与ln［（h－y）／y］的关系近似呈线性关系，这与式（2）的变化趋势比较吻合，表明辐射沙洲海区的悬沙浓度垂向分布与Rouse公式基本吻合，悬沙浓度垂向分布具有典型的指数分布特征。不过，由图3还可以看出，实测点据与线性趋势之间存在一定偏差，这表明辐射沙洲海域悬沙浓度垂向分布虽然总体与Rouse公式接近，但还难以简单的用Rouse公式来描述。分析原因，主要受2个方面的影响：①Rouse公式是基于恒定、饱和挟沙条件得到的公式，然而，辐射沙洲海域受潮动力影响，水动力条件始终处于演化状态，同时，由于悬沙输运与潮动力演化之间存在一定的滞后效应，水流挟沙始终处于非饱和状态，因而，海域实测悬沙浓度的动力环境及泥沙环境并不完全满足Rouse公式条件的界定；②辐射沙洲海域水下地形频繁演化，近底层悬沙与底沙通量交换频繁，同时，受涨落潮动力输运作用，海域悬沙与周边海域悬沙始终处于交换状态，因而，辐射沙洲海域实际悬沙运动环境及规律已经超出了Rouse公式所单纯描述的悬沙紊动扩散与沉降相互作用平衡的范畴。因此，现阶段，能否借鉴河口区域利用Rouse公式反演悬沙沉降速度的方法来反演辐射沙洲海域悬沙有效沉速的做法还值得进一步商榷和探讨。