海洋泥沙浓度及输移的研究方法综述

王文柳 孙蓓蓓 丁圆圆 焦娇

【摘要】本文在综述了海洋泥沙浓度及输移的研究方法的基础上，分析了各种研究方法的优劣，并详细介绍了MIKE-21数值计算与分析软件，以期为相关科研工作者提供帮助。

【关键字】泥沙浓度；研究方法；MIKE-21

海洋泥沙浓度及输运过程的变化，直接影响着岸滩地貌的演变过程，尤其是近岸工程的实施，或改变水动力环境，进而影响泥沙输运过程。李建超等[1]研究发现，1855年黄河北徙人渤海后，黄海泥沙补给骤减，改变了水沙之间原有的平衡状态，使苏北海岸冲淤分布格局发生改变。对于海洋泥沙浓度及输运研究，应用较多的是建立模型来反演输运与沉积关系[2]。而建立泥沙模型的方法有很多。其中比较常见的有VB程序模式和遥感。但是，这些方法都有些不足之处。VB程序过于简单，无法应对海洋环境比较恶劣的海域沉积研究，而遥感主要是偏向于宏观观测，对于具体的海洋沉积情况不能做出更加准确的判断。本文介绍了各种泥沙浓度及输运的研究方法，重点叙述MIKE-21泥沙输移模型的应用。

1. GIS与遥感

GIS与遥感作为20世纪快速盛行的地理系软件，应用十分广泛。遥感技术具有实时、连续、准确地获取大范围地表信息的能力，而GIS 因为其有力的分析能力被广泛应用。特别在海岸带地区，海水和陆地具有明显的光谱特性差异，因而在遥感图像上可以非常清楚地反映出来[3]；而区域性地表测量资料往往由于水陆性质不同及其他限制因素取得较为困难，因此综合GIS与遥感，使二者相互补充、相互利用，所取得的结果具有较高时间与空间分辨率，并具有直观、准确、易于应用的特点[4]。遥感技术凭借着独特的宏观优势和实时精确的特点，在近岸泥沙输运中运用广泛。余佳 [5]应用MODIS L1B数据完成了对于黄海泥沙悬浮体的数值反演，建立了单波段悬浮体反演模型。通过建立这种悬浮体的反演模型，可以清晰地发现遥感波段与实测数据的各种相关性，进一步地建立悬浮体泥沙浓度反演模型，定量地对悬浮体泥沙与其他因素的变化关系进行研究。

2. 现场激光粒度仪

近年来，随着观测技术的不断进步，现场激光粒度分析仪（LISST）被广泛应用，用来实时地完成对泥沙颗粒级配与浓度的测量，其具有测验效率高、垂向分辨率高、实现分粒级测量泥沙悬浮体浓度的能力强等优点[1]。LISST在测定水体悬浮体体积分数时会将所有颗粒都计入最终结果中，如含有较多矿物聚合体或生物碎屑时会有较大的LISST数值，在测量粒径的上界，产生“上升尾”现象。因此，先对数据进行处理，将明显异常值（如具有较高抽滤数据，但较低LISST数据点）剔除掉。为了使结果更直观且能利用于传统的基于质量浓度的悬浮体分析，且削弱大顆粒、低密度悬浮体对LISST观测结果的影响，将LISST数据与抽滤数据对比，将体积浓度转化为质量浓度。

3. MIKE-21

3.1 泥沙输移模块简介

泥沙输移模块隶属于MIKE-21水动力模型里面的ST 模块。MIKE -21的ST模块根据水流作用或波流的共同作用来计算输沙率。在波流共同作用时，模型利用DHI模型STP的波周期公式计算输沙率。如果只有水流作用，用户可选择多种常用的输沙计算公式。初始的淤积/冲刷利用泥沙的质量守衡确定。

3.2 泥沙模块步骤

在运用泥沙模块前，要明确要解决的问题；选用适当的模型；选择维度（一维、二维或三维）；选用适当的模块、水动力、泥沙或波浪；模拟区域范围、区域大小、空间步长；坐标投影（模型转角）。

3.2.1 数据收集与前处理

地形数据（C-map，XYZ，GIS，CAD，纸制海图等）；边界实测数据和验证数据；风场等参数数据。数据验证利用MIKE.21软件验证其合理性与一致性。

1. 搭建模型

输入模型参数有地形文件、边界文件、糙率值、涡粘系数时间步长、风 场、干湿水深、初始水位等。

2. 运行模型

3.3.2 泥沙模型实例分析

MIKE.21软件对于泥沙的分析，学者们在辽宁黄海在花园口工程海域实测水文测验资料和地形资料的基础上，从平面二维水沙模型的基本方程和基本理论出发，用MIKE21建立大尺度黄渤海潮流模型，采用嵌套的方法建立了计算区域内的小区域潮流耦合波浪的泥沙数学模型，三角单元有限体积法并对潮流运动和波浪潮流作用下泥沙的输移进行了数值模拟。

在运用软件时要注意对模型中关键参数（如剪切应力，水流挟沙能力等）进行重点研究，使地区模型能更好地适应实地情况，并根据计算的实测资料验证计算模式和资料处理的合理性。为工程设计、日后规划发展提供必要的参考依据。对实地地区进行了流场分析，解明其海域涨、落潮流特性。在此基础上建立了波浪和潮流作用下的泥沙数学模型，对悬沙浓度和地形演变两方面进行验证，若悬沙浓度计算值和实测值吻合较为良好，则该泥沙计算模型冲淤是合理的。除此之外，还要关注地形演变反映出的海域的海床原始等深线是否处于动态平衡，这也是影响计算模型合理性的重要因素之一。完成后就可以在此基础上得出年淤积厚度，海岸线短期内向近岸移动不是很大。通过分析海床长期冲淤处于动态平衡状态，在处于动态平衡的海岸上修建建筑物不会引起大范围的地形演变，只需注意建筑物造成的局部冲刷和淤积问题。这样在只需要相关的实测资料就可以通过建立数字计算模型，快速有效地了解测定海域的泥沙输运与沉积状况，从而制定更加有效的措施。

4. 总结

泥沙沉积作为一种在近海地区起巨大作用的沉积分类，对自然环境与人类生活和建设都有着非凡的影响。我国沿海泥沙沉积问题一直是人们关注的话题，也有众多学者采取各种方法进行研究。随着快捷、高效的MIKE.21软件技术的发展，可以通过运用泥沙模型分析方法对泥沙进行分析与模拟，对中长期的变化趋势进行预测，从而拟定解决措施。同时，在泥沙沉积研究方面GIS、遥感与激光粒度仪测泥沙粒径法也有着不俗的作用。

参考文献：

[1]李建超，乔璐璐，李广雪，等. 基于LISST数据的冬季南黄海悬浮体分布[J]. 海洋地质与第四纪地质，2013，05：13-25.

[2]王嵘，张永战，夏非，等. 南黄海辐射沙脊群海域底质粒度特征及其输运趋势[J]. 海洋地质与第四纪地质，2012，06：1-8.

[3]樊辉，黄海军. 黄、东海二类水体春季表观光谱特性与表层悬浮体浓度反演模式[J]. 海洋与湖沼，2010，02：161-166.

[4]李海宇，王颖. GIS与遥感支持下的南黄海辐射沙脊群现代演变趋势分析[J]. 海洋科学，2002，09：61-65

[5]余佳，王厚杰，毕乃双，等. MODIS L1B数据的黄海悬浮体季节性分布的反演[J]. 海洋地质与第四纪地质，2014，01：1-9.

基金项目：江苏省高等学校大学生实践创新创业训练计划项目（201410324023Y）