杭州湾南岸庵东边滩弧顶断面二维形态研究

潘冬子，金桂中，陈水龙，杨元平，孙　超，李红燕

(1．浙江省水利河口研究院,浙江　杭州　310020；2．绍兴市上虞区港务管理局，浙江　上虞　312369)



杭州湾南岸庵东边滩弧顶断面二维形态研究

潘冬子1，金桂中2，陈水龙2，杨元平1，孙超1，李红燕1

(1．浙江省水利河口研究院,浙江杭州310020；2．绍兴市上虞区港务管理局，浙江上虞312369)

摘要：针对杭州湾南岸庵东边滩和近岸潮流水动力特性，在现场调研和资料分析的基础上，通过因次分析，确定波浪和潮汐水流共同作用下床面泥沙运动的动床模型比尺关系，在此基础上，研究了杭州湾南岸庵东边滩弧顶断面二维形态演进过程。

关键词：强潮河口；淤泥质潮滩；模型试验；相似理论

淤泥质潮滩主要是指分布在河口海岸潮间带由细颗粒泥沙组成的滩地[1]。浙江省大陆海岸线曲折7，北起平湖金丝娘桥，南至苍南县虎头鼻，全长1 840 km，形成杭州湾、象山港、三门湾、乐清湾等许多海湾。淤泥质海岸是浙江海岸的主要类型，由粉砂、泥质粉砂和粉砂质泥等细粒物质组成，浙江省潮滩主要分布在河口、港湾岸段，逾1 000 km，占浙江岸线的54%。利用丰富的滩涂资源进行围垦造地一直是浙江省缓解人多地少矛盾的主要措施，有利于加速城市化进程、调整农业产业结构、加快农业农村现代化提供腹地，有力地促进了沿海社会经济的发展。自新中国成立以来至2007年，全省沿海围填滩涂20.87万hm2(313万亩)，约0.210万km2。由于浙江省易于复垦整理的土地大多已开发完毕，新增空间十分有限，沿海可适宜围垦造地的0.171万km2滩涂资源，将成为全省新增建设用地的主要空间和重要途径。

浙江省多数海岸又属于强潮岸段，当潮波传人半封闭港湾，具有驻波特性，一般从口门向内潮差逐渐增大。港湾有宽广的蓄潮盆地，蓄纳丰富的潮量，致使落潮流速大于涨潮流速。港湾沉积物为淤泥，以海域来沙为主，受到长江口泥沙扩散和沿岸浅海沉积物输移的影响。港湾内形成水深良好的港道，湾顶发育宽广的潮滩，构成浙江省特殊的海岸类型。然而由于河口的水动力及地质条件非常复杂，目前对潮汐水流作用下淤泥质潮滩剖面形态演进规律还没有充分地认识与理解，使得近岸滩涂的合理开发与利用受到诸多限制。本文针对杭州湾南岸庵东边滩和近岸潮流水动力特性，在现场调研和资料分析的基础上，开展淤泥质潮滩二维剖面形态研究，为滩涂资源的开发和湿地与岸线保护等工程提供合理实用的技术储备。

1现场调研和资料分析

淤泥质潮滩主要成分是具有粘性的泥质泥沙，但往往也含有砂质泥沙，其剖面特征是坡度较平缓，滩面水浅，前滩宽广。庵东边滩位于杭州湾南岸潮滩的突出段，为强潮环境下凸岸边滩式堆积体，东邻湾口潮汐通道，西至钱塘江河口，延伸60余公里[2]。观察断面剖面形态的长历时演变见图1，总体表现成横卧S形，离岸12 000 m范围内滩地平缓，平均坡度为1/3 000；断面末端为水下斜坡，坡度为1/400，它似一道堤坝的边坡，坡面平整，斜置水下，与海底床面构成夹角，形成一条明显的转折带。1993—2013年，观测断面上前后经过2次围垦，第1次海塘封闭在2002年，陆中湾十塘建成；第2次海塘封闭在2009年，陆中湾十一塘建成；海塘推进对于断面剖面形态的塑造影响有限，塘前滩面地形的调整非常迅速；实测资料表明，海塘推出以后，一般1 a内的平均冲淤量能占总平衡冲淤厚度的80%左右，2～3 a内达到冲淤整体平衡。

1993—2013年杭州湾南岸庵东边滩弧顶断面坡度变化见图2，一般在1∶700～1∶4 500；近21 a来坡度变化成累积增长趋势；扣除增长趋势后，具有周期变化的规律；通过频谱分析，发现变化周期大约为4.8 a。

实测资料表明(见图3)，庵东边滩前沿的潮流基本呈往复流，流向大致与岸线走向平行。从一个潮周期流场分布来看，在涨潮初期和落潮末期有明显的向岸漫滩或离岸归槽的趋势，即滩面存在显著地横向流。该横向流的存在对滩面二维剖面的塑造具有重要影响。

研究区域风速波高年频率强度玫瑰图见图4，全年较强的波浪出现在冬季，即11月、12月和次年1月，这几个月的波浪向主要是NE-NW，全年1.0 m以上的波浪主要出现在这3个月，约占全年同类波高的70%，最大波高可达2.4 m。4—8月的波浪向主要是E-SE，波高主要在0.5 m以下。研究表明，风浪掀沙和潮流输沙是区域淤泥质潮滩演变的重要机制。潮流输沙以平行于岸线方向的沿岸往复流为主，风浪掀沙的行波传播方向一般与岸线成一定夹角。

滩面整体的冲淤变化及频谱分析结果见图5，显然滩面整体的淤积与冲刷变化趋势是交替进行的，即使在2次大围垦期间也是如此。这种趋势性变化的出现不是偶然的，而是庵东边滩所在地理位置决定了其动力条件、泥沙供应的结果。影响潮滩发育的因子，如潮流、风浪与泥沙来源等的变化， 是导致潮滩冲淤交替变化的原因。通过频谱分析，发现与平均坡度变化的规律一致，其变化的第一主周期也近似为4.8 a。

2模型试验比尺研究

由于河口的水动力及地质条件非常复杂，目前对波流作用下淤泥质潮滩演变规律还没有充分地认识与理解。相关的理论研究与数值模型的建立需要大量可靠而详尽的实验数据加以验证和优化。相对于现场原位试验而言，模型试验方法具有费用低廉，易于操作、外界干扰因素少等优点。风浪掀沙和潮流输沙是淤泥质潮滩演变的重要机制。现有的波流水槽试验系统潮流方向与波浪传播方向平行，很难合理考察波流斜交作用下淤泥质潮滩的演变。而大型的港池造波系统虽然可以模拟波流斜交的作用机制，但是其造价昂贵，单次试验投入和占有空间大，一般的科研单位引进的较少。本项目采用大型水槽(见图5)，长50.00 m，宽7.00 m，深0.60 m，并自主研发了简易的造波装置，基于相似理论，在水槽中实现了淤泥质潮滩坡面演变的模拟，为后面的研究打下了坚实的基础。

考虑实际流体在无粘性动床上运动形式为单向平移运动和双向轨迹运动的耦合。假设推进波的轨迹运动可以用质点速度U和波浪周期T表征，而潮流引起的平移运动可以用速度V给定。显然，U和V是位置m(x，y，z)和时间t的连续函数，而T只是时间t的函数。如果α是任何量，则：(α)p为α的原型值，(α)m为α的模型值，λα=(α)p/(α)m为α的比尺。通过因次分析建立的比尺关系为：

流速比尺：λU=λV=(λL/λh3/2)-1/2；干容重比尺：λγ=(λL/λh3/2)3/2；

中值粒径比尺：λγ=(λL/λh3/2)-1/2；波浪周期比尺：λT=(λh3/2/λL)1/2；

水流连续时间比尺：λtl=λL/λU；波高比尺：λγ=(λL/λh1/2)1/2；

含沙量比尺：λS=λγ/λ(γ-γ0)。

(1)

式中：λL是平面比尺；λh是铅直比尺。

3模型试验结果分析

试验得到的典型滩面形态见图6。从图6中可以明显地看到潮滩发育有树枝状潮沟。试验结果表明，即使是稳定的潮滩，滩面地貌的变化也是非常复杂的。每一个潮沟系统均由主沟和多条若干级别的支沟组成。若干个潮沟系统及其分水高滩组成淤泥质平原潮滩。在正常的动力循环过程中，潮沟只是在本身所属的系统中正常变化，潮滩面貌没有明显变化，这就是潮滩的均衡态。一旦潮滩动力泥沙条件受外界冲击发生巨变，主潮沟将大大加快移动的速度，脱离原系统的束缚，这就是潮滩的非均衡态。大波浪能促使潮滩均衡状态的变化。

试验得7到的潮滩剖面演变过程见图7，由于潮滩在波浪和潮流耦合作用下具有复杂的水动力特性，剖面分布大致存在A、B、C和D共4个区域。定义A区为近岸堆积区，C区为临槽堆积区，这2个区域床面泥沙以淤积为主；定义B区为破波侵蚀区，D区为滩坡侵蚀区，这2个区域床面泥沙以冲刷为主；由于波浪的强度年际内随季节变化，淤泥质潮滩会发生局部季节性冲淤状态调整，但不改变其整体格局。

根据试验数据拟合，滩面剖面四参数函数可以表示为：

(2)

4结论

(1)杭州湾南岸庵东边滩弧顶断面剖面形态总体表现成横卧S形，近21 a来坡度变化成累积增长趋势；扣除增长趋势后，具有周期变化的规律。通过频谱分析，发现变化周期大约为4.8 a，平均坡度变化规律与其一致。

(2)通过控制方程的因次分析，建立了水槽试验二维潮滩剖面比尺模型关系。基于自制改进的波流水槽试验系统，通过系列组合模型试验，有效获取了淤泥质潮滩剖面形态演进过程。

(3)通过实验数据分析结合现场观测，初步揭示了淤泥质潮滩二维剖面形态演进规律。由于潮滩在波浪和潮流耦合作用下具有复杂的水动力特性，剖面分布大致可分为近岸堆积区、破波侵蚀区、临槽堆积区、滩坡侵蚀区。由于波浪的强度年际内随季节变化，淤泥质潮滩会发生局部季节性冲淤状态调整，但不改变其整体格局。

参考文献：

[1]Shi Z,Chen J Y.Morphodynamics and sediment dynamics on intertidal mudflats in China(1961-1994) [J].Continental Shelf Research,1996,16(15):1909-1926.

[2]王珊珊,韩曾萃.杭州湾庵东边滩现代发育特征分析[J].科技通报,2014,30(5):66-71.

(责任编辑郎忘忧)

Two-dimensional Shape Study on the Arc Section of Andong Beach at South Coast of Hangzhou Bay

PAN Dong-Zi1,JIN Gui-Zhong2,CHEN Shui-Long2, YANG Yuan-Ping1,SUN Chao1,LI Hong-Yan1

(1. Zhejiang Institute of Hydraulics & Estuary, Hangzhou 310020, Zhejiang, China；2.Shaoxing Shangyu District Port Authority, Shangyu 312369, Zhejiang, China)

Key words:strong tidal estuary; muddy tidal flat; model test; similarity theory

Abstract:Aiming at the hydrodynamic characteristics of Andong Beach at South Coast of Hangzhou Bay and coastal tide, based on field research and data analysis,this paper used dimensional analysis to determine the movable bed model scale relationship of bed sediment movement under the wave and tidal stream interaction.Further, the two-dimensional shape evolution process of the arc section of the beach was studied.

收稿日期：2016-01-22

基金项目：水利部公益性行业科研专项(201401010)；浙江省水利科技计划重点项目(RB1517)；浙江省科技计划项目(2014F10036、2014F10007)；浙江省自然科学基金(Y5110076)。

作者简介：潘冬子(1978-)，男，教授级高级工程师，博士，主要从事河口海岸研究。E-mail：23887352@qq.com

中图分类号：TV131.2

文献标识码：A

文章编号：1008-701X(2016)02-0037-04

DOI：10.13641/j.cnki.33-1162/tv.2016.02.011