椒江河口水沙特征分析和悬沙分布推算

戴玮琦，陶建峰，张 琴，张长宽，徐 凡

（1.河海大学水文水资源与水利工程科学国家重点实验室，南京210098；2.河海大学港口海岸与近海工程学院，南京210098）

椒江河口水沙特征分析和悬沙分布推算

戴玮琦1，2，陶建峰1，2，张 琴2，张长宽2，徐 凡2

（1.河海大学水文水资源与水利工程科学国家重点实验室，南京210098；2.河海大学港口海岸与近海工程学院，南京210098）

基于椒江河口2009～2014年洪、枯季共5次全潮水文泥沙测验数据，分析了河口区的水沙特征，建立了河口区洪、枯季大潮期半潮平均涨落潮水沙关系，利用二维潮流泥沙数学模型结果对水沙关系推算的含沙量分布进行了验证。结果表明：椒江河口的水流从外海至口门逐渐增大，高浓度悬沙从口外向口门积聚，白沙至琅矶山一线以西海域的悬沙浓度较高；河口区含沙量分布与流场及水下地形呈良好的相关关系；结合潮流场数值模拟结果，拟合的水沙关系可较好地推算出河口区的悬沙浓度分布。

水沙特征；水沙关系；悬沙分布；椒江河口

潮汐河口是流域和海洋的枢纽，既是流域物质的归宿，又是海洋的开始，是陆海相互作用的集中地带［1］。潮汐河口广泛存在含沙浓度明显高于其上下游的最大浑浊区［2］，受洪、枯季径流和潮汐周期变化的作用。河口区特定河段内悬沙与床沙的交换频繁、通航水域淤浅严重、河床冲淤多变等均与最大浑浊区的存在密切相关［2-3］。我国东南沿海分布着数条源短流急的山溪性河流，具有径流洪枯比大、潮差大、潮流作用强、水体含沙量高的特点［2，4］。径流和潮流是塑造这类河口的两大动力因素［4］，而决定河床演变的最活跃因素是水流与泥沙条件［5］。因此，研究该类河口水沙特征对于分析河口泥沙冲淤等问题具有一些重要的意义［2-4，6］。

椒江位于浙江中部沿海，是浙江省沿海第三大水系［5］，自牛头颈流入台州湾海域，椒江河口是典型的喇叭状强潮河口（图1），径流量与输沙量洪枯悬殊。根据孙英等［4］分析，汛期4～6月为主要输水期，输水量占总输水量的76％，汛期7～9月为主要输沙期，输沙量占总输沙量的94.4％。椒江河口至台州湾水域的潮流具有顺时针旋转性质，旋转性自东向西渐小［7］。波浪对椒江口悬沙浓度分布产生的作用较少［7］。泥沙运动主要表现为悬沙运动，涨潮水流经口门时迅速收缩，落潮水流出口门后突然扩散，从而导致在潮流流速较大的河口段，其含沙量高于口外海域和口门上游河段［8］。

椒江河口的水动力和泥沙研究，历来是众多学者的研究热点。符宁平等［9］根据大量实测资料，对椒江悬沙的沉降机理、含沙量分布进行了分析和讨论，认为河口区以絮团方式沉降的悬沙是河床冲淤变化的主要物质，其含量对河口含沙量的影响极大。赵龙保［10］引入前期含沙量的概念，获得适用于强潮河口的潮流挟沙力经验公式。李伯根等［11］讨论了椒江河口悬沙粒径分布的区域变化和潮汐周期变化，认为河口区泥沙主要来源于口外海域、底部沉积物再悬浮物质和絮凝沉降。郭琳等［12］以椒江口-台州湾为研究区，建立了悬沙浓度遥感处理模型，分析了不同季节、不同潮汐情况下悬沙的分布特征。可见，近30 a来，众多学者们对椒江河口的水动力特征、悬沙浓度分布规律、悬沙输移机制以及悬沙絮凝沉降等方面进行了较多研究，但是很少对椒江河口的水动力和泥沙的直接关系进行分析。

本文基于椒江河口2009～2014年洪、枯季共5次现场水沙观测资料，分析河口区的水沙特征，进而借鉴刘家驹的挟沙力含沙量统一公式，建立河口区洪、枯季大潮期涨落潮水沙关系，并利用二维潮流泥沙数学模型结果对含沙量与水流要素的相关关系进行了验证。

1 资料与方法

1.1资料

2009、2012和2014年洪季以及2011、2013年枯季，于椒江河口、台州湾海域进行了5次大潮全潮的流速、流向、悬移质含沙量等进行了现场观测，共布设了21条固定垂线，其中夏季12条、冬季9条，具体垂线位置如图1所示。垂线测验采用6点法，垂线平均按加权平均获得。

图1 椒江河口区域测站分布Fig.1Distribution of stations in Jiaojiang Estuary area

1.2刘家驹挟沙力含沙量统一公式

刘家驹［13］将《海港水文规范》［14］推荐的淤泥质海岸航道回淤计算方法拓展到粉砂质海岸和沙质海岸的应用上，建立了挟沙力含沙量统一公式［15］，其具体形式为

式中：S为平均含沙量，m3/s；γ=1 000 kg/m3为水的密度；γs=2 650 kg/m3为泥沙颗粒密度；V1为潮流垂线平均流速，m/s；V2为平均波动流速，m/s，对于水深大于3～5 m、波高0.5 m以下的海域，其波浪影响可以略去［16］；g为重力加速度，m/s2；d为水深，m；α和n为系数。

当悬沙粒径小于等于0.03 mm时，泥沙因子可取为1。

1.3二维水动力模型和悬沙输运模型

为了验证水沙关系的合理性，采用Mike21软件［17］模拟了椒江口-台州湾海域的二维流场和悬沙场。模型计算域包含椒江以及台州湾近海海域，北至扩塘山，南至温州市，南北范围为28.3°N～29.0°N，东至122°E（见图1左下小图）。模型采用三角形网格离散，最小空间步长为50 m，近岸区域网格尺寸为200～600 m，外海区域网格尺寸为3 000 m。时间步长取30 s。椒江上游给定流量作为边界输入，外海开边界给定潮位边界，由东中国海潮波数学模型提供［18］。悬沙输运模型的开边界条件分流入计算域和流出计算域两种情况：对于流入计算域，采用已知悬沙含沙量边界值，对于流出计算域的，边界条件处理为闭边界取含沙量的法向梯度为零。

2 结果与讨论

2.1水沙特征

台州湾海域旋转流明显，椒江河口以往复流为主，河口区含沙浓度明显高于海门以上河段及其口外海域［19］。表1给出了洪、枯两季大潮期各测站涨、落潮平均的流速和含沙量特征值。由表1可见，口门处垂线平均流速为0.8～1.0 m/s，自口门向外海方向递减，白沙-琅矶山一线流速降至0.4～0.5 m/s，外海区域流速为0.3～0.4 m/s。口门处洪季大潮垂线平均流速略大于枯季，说明上游径流对河口区潮流影响不大。

自海门港以下的河口水域，悬沙含量分布具有明显的时空变化特征。枯季含沙量大于洪季，主要是冬季浙江沿岸流挟带长江入海泥沙南下造成的［20］。海门附近洪、枯季大潮落潮期含沙量高达7.0 kg/m3以上（C1、D1垂线），涨潮期含沙量小于落潮期含沙量。河口区含沙量自口门向海方向递减，在海门港附近悬沙浓度达到最大值，垂线平均含沙量大于5 kg/m3，老鼠山-岩头一线附近为2～3 kg/m3，白沙-琅矶山一线附近为0.5～1.2 kg/m3，外海区域含沙量小于0.3 kg/m3。台州湾浅滩南部含沙量小于北部，外海区域南北差异不明显。在一个潮周期中，悬沙含量与流速变化相对应，其峰值一般滞后涨、落急1～2 h。

表1 大潮水沙特征值统计Tab.1Statistics of hydrodynamic⁃sediment characteristics in spring tide

2.2水沙关系拟合及验证

含沙量的分布是分析河口区河床演变的关键因素之一。河口区水流流速随涨落潮过程变化，而水体含沙量随水流速度变化有滞后效应［21］，因此难以建立逐时的水沙相关关系。但水体含沙量的潮平均值接近其平均挟沙能力，因此，将涨、落潮的水流、泥沙等因素分别取平均，探求椒江河口的水沙关系。

将椒江河口区2009～2014年共5次水沙数据按照洪季涨潮、洪季落潮、枯季涨潮、枯季落潮分成4组，利用式（2）拟合水深、流速和含沙量的相关关系，式（3）～式（6）给出了相关关系式和相关系数。其中，泥沙因子为实测资料的悬沙粒径的加权平均，经计算椒江河口区的泥沙因子平均为0.96。

洪季涨、落潮含沙量S1、S2与水深、流速之间的关系式为

枯季涨、落潮含沙量S3、S4与水深、流速之间的关系式为

图2和图3分别为洪、枯季涨、落潮水沙实测数据和水沙关系拟合曲线，其中横坐标Fr为弗劳德数

由相关关系和图可见，所拟合的公式总体上能反映出含沙量与弗劳德数的关系，即含沙量与流速和水位的关系。

图2 拟合与实测含沙量的比较（洪季）Fig.2Contrast of fitting and measured sediment concentration（flood season）

图3 拟合与实测含沙量的比较（枯季）Fig.3Contrast of fitting and measured sediment concentration（dry season）

图4 潮位验证结果Fig.4Verification results of tidal level

图5 大潮垂线平均流速流向验证结果Fig.5Verification results of vertical average current velocity and direction in spring tide

图6 大潮含沙量验证结果Fig.6Verification results of sediment concentration in spring tide

2.3数值模型验证

为了能给出合理的悬沙场分布，首先对1.3中的水动力和悬沙模型进行了模型验证。模型计算了2014年6月13日～28日的大、中、小潮连续潮流场和悬沙场，并采用同步实测资料的海门站、琅矶山站为潮位验证点，C1、C2、C3为潮流和含沙量验证点（点位见图1）。限于篇幅，本文只列出大潮期的验证结果，潮位验证过程见图4，潮流验证过程见图5，泥沙验证过程见图6。由图可见，模型基本能够反演台州湾的流场和悬沙场。根据数值模拟的结果，统计了一个涨落潮期间椒江河口附近半潮平均含沙量分布（图7）。从图7可以看出，椒江口门悬沙浓度高，其分布自河口向外海方向减少。海门港附近的含沙量为5.0～10.0 kg/m3；在河口区域附近，含沙量急剧降低，在1.0 kg/m3以下。并且落潮含沙量略高于涨潮含沙量。

图7 数值模拟洪季大潮半潮平均含沙量分布图Fig.7Numerical simulation results of mean sediment concentration distribution at half⁃tide during spring tide in flood season

2.4悬沙场分析

运用洪季涨潮平均含沙量公式（式3）和落潮平均含沙量公式（式4），将数值模拟计算所得的2014年洪季水深、流速条件代入上述关系式，得到涨、落潮期间平均含沙量场（图8）

图8 数值模拟枯季大潮半潮平均含沙量分布图Fig.8Numerical simulation results of mean sediment concentration distribution at half⁃tide during spring tide in dry season

图9 公式拟合洪季大潮半潮平均含沙量分布图Fig.9Formula calculation results of mean sediment concentration distribution at half⁃tide during spring tide in flood season

图10 公式拟合枯季大潮半潮平均含沙量分布图Fig.10Formula calculation results of mean sediment concentration distribution at half⁃tide during spring tide in dry season

从水沙关系公式推算得到的悬沙场（图9～图10）可见，含沙量总体分布趋势接近于数值模拟得到的悬沙场，均为椒江口门悬沙浓度高，从口门向口外浓度逐渐降低。老鼠山与岩头一线以西洪季流速大于枯季，老鼠山与岩头一线以东枯季流速大于洪季，河口的高浓度悬沙区随着季节的变换在上下游发生移动；此外，冬季浙江沿岸流挟带长江入海泥沙南下。因此，枯季含沙量略高于洪季含沙量。涨潮期，高浓度悬沙在椒江口外积聚，白沙与琅矶山一线以西海域的悬沙浓度较高，均大于0.5 kg/m3，椒江口门浓度接近4.5 kg/m3。落潮期，随着水位降低，落潮流和上游径流搬运高浓度悬沙往台州湾海域，0.5 kg/m3浓度线可到达头门岛南部海域。因此，落潮含沙量略高于涨潮含沙量。

椒江河口湾内台州浅滩和南洋滩涂之间的椒江口外航道内悬沙浓度低于航道外悬沙浓度。这是因为两侧围垦工程对椒江口外航道起到了一定的疏水作用，使得航道水深逐渐加深，从而影响到航道内悬沙浓度低于航道外悬沙浓度。

3 结论

通过分析椒江河口附近海域2009～2014年的水文泥沙资料并进行水沙关系拟合和悬沙分布推算，得到以下主要结论：

椒江河口垂线平均流速自口门向外海方向递减，洪季大潮垂线平均流速略大于枯季。

自海门港以下的河口水域，悬沙含量分布具有明显的时空变化特征。枯季含沙量大于洪季，落潮期含沙量大于涨潮期。河口区含沙量自口门向海方向递减，在海门港附近悬沙浓度达到最大值。

基于刘家驹的挟沙力含沙量统一公式拟合得到的椒江河口区洪、枯季大潮涨落潮水沙关系能够用于在不运用数值模型计算悬沙场的情况下，结合流场推算出合理的悬沙场分布。

［1］陈吉余，陈沈良.中国河口海岸面临的挑战［J］.海洋地质动态，2002，18（1）：1-5. CHEN J Y，CHEN S L.Estuarine and coastal challenges in China［J］.Marine Geology Letters，2002，18（1）：1-5.

［2］孙志林.中国强混合河口最大浑浊区成因研究［J］.海洋学报，1993，15（3）：63-72.

［3］季荣耀，陆永军.强潮河口水沙动力过程研究进展［J］.水利水运工程学报，2008（3）：64-74. JI R Y，LU Y J.Advances in hydrodynamic and sedimentary processes of macro tidal estuary［J］.Hydro⁃Science and Engineering，2008（3）：64-74.

［4］孙英，蔡体录，柴加龙，等.闽浙山溪性河口的径流特性及其对河口的冲淤影响［J］.东海海洋，1983（2）：29-35.

［5］毕敖洪，孙志林.椒江河口过程初步研究［J］.泥沙研究，1984（3）：12-26. BI A H，SUN Z L.A preliminary study on estuarine process of the Jiaojiang River［J］.Journal of Sediment Research，1984（3）：12-26.

［6］麦苗，闫勇，吴以喜.台州湾海域水文泥沙环境及海床冲淤演变分析［J］.水道港口，2009，30（4）：246-252. MAI M，YAN Y，WU Y X.Analysis on hydrographical environment and seabed morphological processes characteristics in Taizhou Bay［J］.Journal of Waterway and Harbor，2009，30（4）：246-252.

［7］王高阳.台州湾悬沙运动的二维数学模型［D］.杭州：浙江大学，2007.

［8］Guan W B，Wolanski E，Dong L X.Cohesive Sediment Transport in the Jiaojiang River Estuary，China［J］.Estuarine，Coastal and Shelf Science，1998，46（6）：861-871.

［9］符宁平，毕敖洪.椒江悬沙运动若干问题的探讨［J］.泥沙研究，1989（3）：51-57.

［10］赵龙保，祝永康.椒江河口挟沙力经验关系初步分析［J］.泥沙研究，1991（4）：69-75.

［11］李伯根，谢钦春，夏小明，等.椒江河口最大浑浊带悬沙粒径分布及其对潮动力的响应［J］.泥沙研究，1999（1）：18-26. LI B G，XIE Q C，XIA X M，et al.Size distribution of suspended sediment in maximum turbidity zone and its response to tidal dy⁃namics in Jiaojiang River Estuary［J］.Journal of Sediment Research，1999（1）：18-26.

［12］郭琳，陈植华.椒江口-台州湾悬浮泥沙分布特征遥感研究［J］.武汉理工大学学报，2007，29（5）：49-52. GUO L，CHEN Z H.Remote sensing research on the distributed characteristics of suspended matter in Jiaojiang Estuary and Tai⁃zhou Gulf［J］.Journal of Wuhan University of Technology，2007，29（5）：49-52.

［13］刘家驹.淤泥质、粉沙质及沙质海岸航道回淤统一计算方法［J］.海洋工程，2012（1）：1-7. LIU J J.A unified computation method of siltation for dredged approach channel in different sediment beaches［J］.The Ocean En⁃gineering，2012（1）：1-7.

［14］JTJ-213-98，海港水文规范［S］.

［15］刘家驹.在风浪和潮流作用下淤泥质浅滩含沙量的确定［J］.水利水运科学研究，1988（2）：69-73. LIU J J.Determination of the silt concentration on shoal under the action of wind waves and tidal currents［J］.Journal of NanjingHydraulic Research Institute，1988（2）：69-73.

［16］刘家驹.海岸泥沙运动研究及应用［M］.北京：海军出版社，2009：84-88.

［17］DHI.MIKE 21&MIKE 3 FLOW MODEL FM Hydrodynamic and Transport Module Scientific Documentation［R］.Copenhagen：DHI，2011.

［18］张东生，张君伦.黄海海底辐射沙洲区的M2潮波［J］.河海大学学报，1996（5）：37-42. ZHANG D S，ZHANG J L.M2 tidal wave in the Yellow Sea radiate shoal region［J］.Journal of Hohai University，1996（5）：37-42.

［19］陈甫源，胡金春，白咸勇，等.江道采砂对椒江河口的影响分析［J］.泥沙研究，2008（4）：46-53. CHEN F Y，HU J C，BAI X Y，et al.Effect of evacuating sand on Jiaojiang River estuary［J］.Journal of Sediment Research，2008（4）：46-53.

［20］郭志刚.长江口泥质区的季节性沉积效应［J］.地理学报，2003，58（4）：591-597. GUO Z G.Seasonal sedimentary effect on the Changjiang Estuary mud area［J］.Acta Geographica Sinica，2003，58（4）：591-597.

［21］Postma H.Transport and accumulation of suspended matter in the Dutch Wadden Sea［J］.Netherlands Journal of Sea Research，1961，1：148-180，181-190.

Analysis on characteristics of hydrodynamic⁃sediment and calculation on distribution of suspended sediment concentration in Jiaojiang Estuary

DAI Wei⁃qi1,2,TAO Jian⁃feng1,2,ZHANG Qin2,ZHANG Chang⁃kuan2,XU Fan2
（1.State Key Laboratory of Hydrology⁃Water Resources and Hydraulic Engineering,Hohai University,Nanjing 210098,China;2.College of Harbor,Coastal and Offshore Engineering,Hohai University,Nanjing 210098,China）

Based on 5 group data of water and sediment of flood and dry season in Jiaojiang Estuary from 2009 to 2014,the characteristics of hydrodynamic⁃sediment were analyzed.Four formulas between tidal current and sedi⁃ment concentration were obtained by means of empirical formula,and they were validated using results of numerical simulation.The results show that the flow field and sediment concentration of Jiaojiang Estuary are gradually in⁃creasing from the sea area to estuary,and the high concentration of suspended sediment is accumulated from the sea area to Jiaojiang entrance.It shows a good relationship between suspended sediment concentration and flow.Based on these relationships and simulated flow field,the distribution of suspended sediment concentration agrees well with the numerical simulation results.

hydrodynamic⁃sediment characteristics;hydrodynamic⁃sediment relationship;distribution of sus⁃pended sediment concentration;Jiaojiang Estuary

TV 142；O 242.1

A

1005-8443（2016）02-0128-07

2015-07-22；

2015-11-03

国家自然科学基金（51109074，51179067）；江苏省高校“青蓝工程”项目

戴玮琦(1991-)，女，河南省开封人，硕士研究生，主要从事河口海岸水动力与物质输运研究。

Biography：DAI Wei⁃qi（1991-），female，master student.