潮滩减少对杭州湾悬沙特征的影响

叶涛焱，李 莉, ，王咏雪，袁金雄，贺治国, ，夏乐章,

(1.浙江大学海洋学院，舟山316021；2.卫星海洋环境动力学国家重点实验室(国家海洋局第二海洋研究所)，杭州 310058；3.浙江大学工业技术转化研究院，杭州 310058；4.台州市海洋与渔业局，台州 318000)

沿海区域是人类活动最为活跃和集中的地区，为缓解经济发展过程中土地不足的矛盾，大量潮滩被围垦开发．然而潮滩的减少将不同程度地影响河口海岸水动力泥沙特性及地形演变．澳大利亚 Darwin港[1]、中国象山港[2]、瓯江河口[3]、胶州湾[4]等河口海湾随着潮滩的减少，潮流动力条件减弱，水体悬沙浓度降低，淤积加重．研究潮滩减少对水动力泥沙动力特征的影响可为海岸工程的建设提供理论依据[5]．

杭州湾(Hangzhou Bay，HZB)位于浙江省北部、长江口南部，轮廓呈喇叭口状，是世界范围内悬沙浓度最高的河口之一，湾顶表层实测悬沙浓度(suspended sediment concentration，SSC)曾高达 10.6 kg/m3[6].国内外诸多学者对杭州湾悬沙动力过程进行了相关研究．陈沈良等[7]、刘猛等[8]、Du等[9]通过实测数据分析、遥感反演、悬沙数值模拟指出，潮流及水位变化是杭州湾涨落潮、大小潮悬沙浓度变化的主要影响因素．宋泽坤等[10]通过对杭州湾口门处实测水沙数据的计算指出杭州湾与外海泥沙交换的主要方式是大进大出、反复搬运．Xie等[11]基于Delft3D中的二维悬沙输移模块，模拟了杭州湾的悬沙输移过程，指出杭州湾悬沙输移特性主要受潮汐不对称影响．

由于芦潮港、嘉兴港等多个港口的修建，近海水产养殖和围垦工程的进行[12]，20世纪70年代至今杭州湾水域累积减少滩涂面积超 850km2[13]，两岸岸线缩窄显著．潮滩的减少势必会影响杭州湾水域生态环境、水动力环境，特别是悬沙输移特性，进一步影响杭州湾的地形演变．现有研究表明，杭州湾南岸潮滩围垦使得该区域近岸流速降低[14]，潮滩减少导致杭州湾潮差增大[15]，实测资料[16]显示 20世纪以来杭州湾地形也发生了明显改变．

然而以往的研究多集中在潮滩减少对杭州湾水动力特征的影响，分析潮滩减少对杭州湾悬沙输运特性影响的研究鲜见．本文通过建立杭州湾三维细颗粒泥沙数值模型，研究潮滩减少造成的岸线变化在短期内对杭州湾悬浮泥沙浓度、净通量及底床冲淤的影响及其机理，为潮滩的规划利用提供参考依据，具有一定的科学及工程意义．

1 河口三维细颗粒泥沙数值模型

1.1 模型控制方程

在非结构网格有限体积法海洋数值模型FVCOM[17]的基础上，考虑悬沙浓度对水体密度、底边界层的影响，并引入絮凝沉降公式，建立河口三维细颗粒泥沙数值模型，并应用于杭州湾海域．

FVCOM 水平方向采用非结构三角形网格，垂直方向采用σ坐标系，能够较好地拟合杭州湾海域曲折的海岸线和复杂地形变化，同时基于干湿判别方法来处理潮滩移动边界[17]．

模型中悬浮泥沙浓度扩散方程为

式中：x、y、z分别为坐标轴东向、北向和垂向的分量；u、v、w分别为x、y、z方向上的速度；C为悬浮泥沙浓度；ws为悬沙沉降速度，向下为正；Kh为垂向泥沙扩散系数；AH是水平泥沙扩散系数．

模型表层、底层悬沙通量边界条件分别为

式中：E为泥沙再悬浮通量，采用 van Prooijen等[18]提出的再悬浮通量公式计算；D为最底层的悬沙沉积通量，其值为最底层悬沙浓度与沉降速度之积．

采用 Winterwerp[19]提出的公式计算水体密度，考虑悬沙浓度对水体密度的影响．

式中：ρw为不含泥沙的海水密度；ρs为泥沙密度；ρ为考虑泥沙的海水密度．考虑到杭州湾海域强混合，高悬沙浓度的特性，悬沙浓度对密度的垂向分布影响巨大，将悬沙浓度对水体密度的影响耦合进模型后，能够体现悬沙浓度对水体层化的影响．在底摩阻系数计算公式中引入湍流封闭方程中的通量理查森数[20]，考虑悬沙浓度对底边界层的影响．

式中：Cd为底摩阻系数；Rf为通量理查森数，其值与密度的垂向分布有关；k为卡门常数，取为 0.4；D为水深；z0为海底糙率高度；A为经验系数，取为5.5．

杭州湾海域悬浮泥沙颗粒属细颗粒黏土质粉砂[21-22]，在高悬沙浓度环境下，细颗粒黏性泥沙极易发生絮凝现象[23]，悬沙的沉降也往往以絮团的状态进行．絮凝过程改变了悬沙的粒径、密度、沉速等物理性质，然而从数值模型的实用性考虑，大量学者[24-25]至今仍使用简化的沉速公式去体现絮凝过程．本文采用曹祖德等[26]提出的悬沙絮凝沉降速度公式计算沉速．

式中：ws0为单颗粒泥沙沉降速度，使用斯托克斯沉速公式计算；u为各层流速；c1、c2、m1、m2、ks为经验参数．

1.2 模型设置

模型网格分辨率由开边界处的 30000m，逐步细化到杭州湾研究区域的 100m(图 1)．内、外模时间步长分别为 5.0s、0.5s．为更好地模拟悬沙浓度的垂向分布，特别是近表层和近底层，模型垂向上采用不均匀分层，表层底层较密，中间较稀疏，分层数量为11 层(σ＝0，-0.02，-0.08，-0.18，-0.32，-0.50，-0.68，-0.82，-0.92，-0.98，-1.00)．模型计算过程中底摩阻系数的范围在 0.0008～0.008之间．模型开启干湿网格功能，最小水深设置为0.05m．

模型采用冷启动，起始流速、潮位、悬沙浓度均为 0．开边界处使用 TPXO7.2全球潮汐模型生成的时间序列潮位，每小时的潮位由 M2、S2、N2、K2、K1、O1、P1、Q1、Mf、Mm、M4、MS4、MN4 分潮构成.模型中长江和钱塘江的径流量及输沙量数据分别来自《长江泥沙公报》和《太湖流域片水情年报》．

图1 模型网格及水深Fig.1 Mesh and topography of model

模型中仅考虑黏性泥沙，实测资料[21-22]显示杭州湾湾内至外海悬沙中值粒径范围在 0.006～0.012mm之间，故本模型中悬沙中值粒径取为0.008mm．结合室内实验和模型调试结果[27]，泥沙起动的底部临界剪切应力采用全场统一的 0.1N/m2，泥沙侵蚀速率取为 0.0006kg/(m2·s)．

沉降速度的取值对三维悬沙数值模拟的准确性影响较大[24]．唐建华[23]根据絮团现场观测法计算得到杭州湾北岸悬沙絮凝沉降速度在0.3～1.2mm/s之间．Wang等[28]将GOCI卫星反演得到的表层悬沙浓度与悬沙数值模型进行数据同化，计算得到杭州湾表层悬沙沉速在 0.07～0.11mm/s范围内．经过多次调试修正确定沉降公式(式 6)中的经验参数，其中c1、c2、m1的值经调试取为 0.06、4.60、0.75，与曹祖德等[26]的结果一致．m2、ks的值经调试，取为 0.90、1.30．计算得到的沉速在 0.06～2.0mm/s之间，与实际观测及遥感反演得到的沉速相近．

1.3 数值实验工况设计

为研究潮滩减少对杭州湾悬沙动力特性的影响，本文收集了杭州湾海域 1974、2003、2013、2020年份岸线数据(图 2)．1974、2003、2013年份岸线数据来自 Landsat卫星影像．对于人工海岸及基岩海岸采用目视解译的方法扣取海岸线[29]．对于未建海堤的潮滩区域，由于耐盐碱植物一般分布在高潮位以上[30]，故在扣取的水边线的基础上，参考耐盐碱植物生长情况，进行海岸线的提取[31]．2020年份岸线来自浙江省海洋功能区划的用海方案[14]．

图2 杭州湾岸线变化及测点位置分布Fig.2 Coastline changes of Hangzhou Bay and field stations in the bay

数值实验工况设计如表1所示，工况Exp3为控制实验，用于模型验证，模拟时间为 2013年 2月 20日到2013年4月1日，其中10d用于模型预热，后30d模拟结果用于分析计算．基于 Exp3，分别采用1974(Exp1)、2003(Exp2)和 2020(Exp4)年份岸线，控制水深等其他所有变量不变，比较分析 1974—2020年间潮滩减少对悬沙动力特征的影响．

在杭州湾内选取澉浦、金山、芦潮港 3个断面(图 2中虚线)进行断面净通量分析．澉浦、芦潮港断面用于研究杭州湾与钱塘江、外海的悬沙交换特性．杭州湾南岸潮滩主要分布在金山断面以西，故选取金山断面进行研究．

表1 实验工况设置Tab.1 Descriptions of numerical experiments

1.4 模型验证

潮位采用2013年3月1日至3月15日芦潮港、乍浦、盐官3个验潮站(图2中绿色点)的实测潮位进行验证．流速、悬沙浓度采用2013年3月6日12时至次日16时小潮期间、2013年3月12日8时至次日 9时大潮期间乍浦水域布设的 2个测站(图 2中N1、N2)测量的垂线水沙资料进行验证．

采用相关系数(CC)、模型评价系数[32](the skill score，SS)来评价模型的准确性．

式中：mi、Oi分别为模型计算值和实际观测值；`、分别为计算值、观测值的平均值；Sm、So分别为计算值、观测值的标准差．相关系数越接近 1，计算值与实测值之间的相关性越大．模型评价系数大于0.2，模型就具有一定的可信度，当大于 0.5时，模型就具有较高的可信度[33]．

潮位验证结果较好(图 3)，芦潮港、乍浦的 CC大于0.98，SS大于0.91．盐官测站由于位于钱塘江河口上游，受涌潮影响，CC、SS分别为 0.84、0.66．N1、N2测站各层流速、流向验证结果较好(见图 4和图5，大潮期未绘出)，对应的两测站平均误差见表2．大、小潮期间各层流速的相关系数均大于 0.92，SS大于0.82，各层流向的相关系数均大于0.85，SS大于0.70.因此，水动力模型具有较高的可信度和准确性.

图3 潮位过程线验证Fig.3 Verification of tidal levels

图4 小潮期流速验证Fig.4 Verification of current speeds in neap tide

图5 小潮期流向验证Fig.4 Verification of current directions in neap tide

表2 流速和流向误差分析Tab.2 Error analysis of current speeds and current directions

N1、N2测站分层悬沙浓度验证结果能较为准确反映悬沙浓度随时间的变化趋势(图 6、图 7)，也较好地体现了悬沙浓度的垂向变化规律．其中小潮期N1测站中层、底层悬沙浓度的 CC分别为 0.52、0.80，对应的 SS分别为 0.24、0.59，其表层验证结果误差稍大．大潮期 N2测站表层、中层、底层悬沙浓度的 CC 分别为 0.63、0.77、0.68，对应的 SS分别为0.34、0.51、0.27．故三维悬沙模型具有较高可信度．

由于杭州湾海域辽阔，为更好地验证悬沙模型的准确性，本文选用与上述模型验证时间相同的 2013年3月6日连续8辐GOCI卫星影像，在卫星影像上选取 9个测点(G1～G9，图 2中蓝色点)，与模型计算的表层悬沙浓度进行对比验证．GOCI卫星悬沙浓度反演算法采用 He等[34]提出的反演算法，该反演算法平均误差10.9%，具有较高的可信度．

图6 小潮期悬沙浓度验证Fig.6 Verification of suspended sediment concentration in neap tide

模型计算所得的表层悬沙浓度与 GOCI卫星影像上选取的悬沙浓度测点对比结果(见图 8)显示，各点悬沙浓度变化趋势及量级均与遥感反演值一致，故在杭州湾大面积海域，本悬沙模型均具有较高的准确性．

图7 大潮期悬沙浓度验证Fig.7 Verification of suspended sediment concentration in spring tide

图8 表层悬沙浓度验证Fig.8 Comparison between GOCI-derived and modeled suspended sediment concentration at the surface level

2 悬沙通量机制分解

悬浮泥沙通量是指单位时间内流过某一给定面积的悬沙量．悬沙通量机制分解是将悬沙通量分解成多个动力项，对每个动力项进行计算分析，以此来探究不同动力因子对悬沙输移的影响程度[21]．本文采用 Dyer[35]提出的悬沙通量机制分解方法．忽略湍流项，则瞬时流速U及悬沙浓度C可分解为

式中：为垂线平均的流速及悬沙浓度；Uv、Cv为各层流速、悬沙浓度相对于垂线平均值的偏差项．又可分解为

式中：为时间平均的为各时刻垂线平均流速、悬沙浓度相对于的偏差项．类似地，瞬时水深h可分解为

式中：h0为时间平均的水深；ht为各时刻水深相对于h0的偏差项．则潮周期T平均单宽悬沙通量可分解为

式中：三角括号框﹤·﹥表示潮周期平均；上划线表示垂向平均；T1表示欧拉余流引起的悬沙输移项；T2表示斯托克斯漂移输移项；T3～T5项表示潮泵效应(tidal pumping)引起的悬沙输移；T6和T7项都是由于潮周期过程中流速和悬沙浓度垂向分布的差异造成的，T6项称为垂向净环流作用，T7项称为垂向潮振荡项[36]．

3 结果与讨论

3.1 潮滩减少对悬沙浓度的影响

1974—2020 年间月平均底层悬沙浓度变化如图9所示，白色为潮滩区域．为方便不同工况之间的比较，仅显示非潮滩区域悬沙浓度变化．1974—2003年间(图 9(a))，杭州湾沿岸累计减少潮滩面积787km2，澉浦以西水域月均悬沙浓度降低约 15%，澉浦以东水域悬沙浓度增加约 10%．2003—2013年间(图 9(b))，杭州湾沿岸减少潮滩面积约 293km2，悬沙浓度降低区域从澉浦延伸到金山断面，金山以东水域悬沙浓度略有上升．2013—2020年间(图9(c))，杭州湾沿岸减少潮滩面积约 210km2，悬沙浓度变化较小，最大变幅小于 4%．表层悬沙浓度变化过程与底层相同，且变化幅度接近．

1974—2020 年间(图 9(d))，杭州湾沿岸潮滩面积累计减少达 1290km2，随着潮滩的逐渐减少，杭州湾乍浦以西水域月均底层悬沙浓度降低，最大减幅可达 30%，乍浦以东水域月均底层悬沙浓度增加，增幅约为 15%．悬沙浓度变化过程与底部切应力变化过程较为同步(图10)．1974—2020年间，潮滩减少后，杭州湾浅化效应加剧，潮差增大且越往湾顶增幅越大，杭州湾纳潮量减少约2.9%，乍浦以东水域流速增大，乍浦以西水域由于岸线缩窄后壅水作用加强，导致流速降低[15]，流速的变化直接导致了底部切应力的变化，进而改变了泥沙的起悬量和悬沙浓度．

图9 杭州湾月平均底层悬沙浓度变化Fig.9 Differences of monthly-averaged SSC at the bottom level in HZB

图10 杭州湾月平均底部切应力变化(Exp4与Exp1之差)Fig.10 Differences of monthly-averaged bed stress between Exp4 and Exp1 in HZB

3.2 潮滩减少对悬沙通量的影响

各实验工况中澉浦、金山、芦潮港断面月均悬沙净通量如表 3所示，正值为陆向输运．模型结果显示，各工况 3个断面悬沙净通量均为陆地方向，这与杭州湾涨潮占优的趋势相符[15]．1974—2003年间，澉浦断面陆向泥沙净通量大幅增加(增加约 36倍)，金山、芦潮港断面陆向泥沙净通量减小(分别减小约 17%、33%)．2003—2020年间，澉浦断面悬沙净通量呈现减小趋势(总计减小约 43%)，金山、芦潮港断面悬沙净通量呈现增加趋势(分别增加约42%、18%)．

表3 月均悬沙净通量Tab.3 Monthly-averaged net sediment fluxes

将各断面月均悬沙通量进行机制分解(图 11)，结果表明：随着潮滩的减少，3个断面的欧拉输运(T1)、斯托克斯输移(T2)、潮泵输运(T3＋T4＋T5)的悬沙通量量级较大，垂向净环流作用(T6)和垂向潮振荡项(T7)一直较小．

欧拉余流为流速的数值平均，反映了流速大小在潮周期内的不均匀分布，具有将悬沙向湾外输运的效果．欧拉余流输沙项在各断面处的变化与流速的变化关系密切．1974—2003年间，澉浦至金山断面水域余流流速减小显著[15]，使得欧拉余流输沙量在澉浦、金山断面降低，其中澉浦断面降幅高达 37.8%．芦潮港断面余流流速略有增大，导致欧拉余流输沙量增大．2003—2013年间，各断面欧拉余流输沙量均略有减小．2013—2020年间，澉浦断面欧拉余流输沙量略有增加，其他断面略有减小．

斯托克斯余流反映了潮周期内输水量的不均匀特性[37]，杭州湾涨潮时水深、流速均大于落潮，故斯托克斯余流指向涨潮方向，从而导致在各断面上斯托克斯输移项均有将悬沙向湾顶输运的效果．斯托克斯余流输沙项在各断面间的变化趋势及量级与欧拉余流输沙项相近，但输沙方向相反．

各断面欧拉输运项与斯托克斯余流输运项的大小接近且方向相反，平流输沙项(欧拉输运与斯托克斯输移之和)相较于潮泵效应输沙项量级较小(小于潮泵效应项的 10%)，潮泵输运项与悬沙净通量的数值接近且变化趋势相同(图 11)，表明在潮滩的减少过程中，潮泵输运对杭州湾悬沙输运过程影响最大．潮泵输运具有将悬沙向湾顶输运的效果．1974—2003年间，杭州湾潮滩减小主要集中在庵东以西，湾顶岸线最大缩窄幅度达60%(图2)，岸线急剧缩窄后澉浦断面处潮泵效应加剧，澉浦断面在此阶段朝陆向输运的悬沙量大幅增加，而金山、芦潮港断面在此阶段朝陆向输运的悬沙净通量下降．2003—2020年间，杭州湾潮滩减小约 503km2，主要发生在南岸庵东至镇海段，乍浦至金山水域潮泵效应加剧，对应的金山、芦潮港断面潮泵作用输沙量有增加的趋势，澉浦断面潮泵作用输沙量下降．澉浦断面潮泵作用经历了先增大后减小的过程，金山、芦潮港断面则相反．

图11 断面悬沙通量机制分解Fig.11 Sediment transport components at cross-sections

3.3 潮滩减少对河口冲淤的影响

由于河口地区泥沙粒径较细，泥沙运动以悬移质为主，河口地区底床的冲淤变化主要由悬沙造成[38]，故悬沙净通量的变化直接影响着杭州湾的地形冲淤．杭州湾各断面间的水域月冲淤厚度如表 4所示，正值为淤积，负值为冲刷．杭州湾实测地形资料[16]显示 2010—2014年间澉浦-金山段淤积，金山-芦潮港段冲刷，澉浦-芦潮港段月均淤积厚度为 0.25cm，这与验证工况 Exp3(2013年)结果(澉浦-芦潮港段月均淤积厚度为 0.21cm)相近，表明模型能较好地反映杭州湾冲淤分布及量级．

模型结果显示，杭州湾内湾(澉浦至金山段)除去2003年略有冲刷外，其余年份均为淤积，且 1974—2020年间，淤积厚度有先减小后增大的趋势．杭州湾外湾(金山至芦潮港段)在 2003年后由淤积转为冲刷，且冲刷厚度逐渐增大．随着潮滩的减少，杭州湾整体(澉浦至芦潮港段)经历了由淤转冲、又由冲转淤的过程．

表4 杭州湾月均冲淤厚度Tab.4 Monthly-averaged erosion/deposition in HZB

4 结 论

(1) 基于 FVCOM 水动力数值模型，耦合水沙密度，引入通量理查森数量化高浓度悬沙对底边界层的影响，考虑絮凝过程，建立河口三维细颗粒泥沙数值模型，提高了杭州湾三维悬沙数值模拟的准确性．

(2) 潮滩减少改变了湾内流速，进而影响悬沙浓度和净通量．1974—2020年潮滩的减少，可导致月均悬沙浓度在乍浦以西水域最大减小 30%，在乍浦以东水域增加 15%．澉浦断面陆向泥沙净通量在1974—2003年间增大，2003—2020年间减小．金山、芦潮港断面变化过程相反．在潮滩减少过程中，平流输沙效应对杭州湾悬沙输运特征影响较小，潮泵效应的变化对其影响最大．

(3) 潮滩减少通过影响潮泵效应，进而影响净输沙过程和地形冲淤．随着潮滩的减少，杭州湾内湾淤积量先减小后增大，外湾由淤积转为冲刷，这势必会对杭州湾的航运交通产生一定影响，故潮滩规划使用时有必要考虑其对悬沙输移特性的影响．

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