大风条件下江苏沿海近岸悬沙响应特征分析

2022-07-04周邢杰陶建峰

水道港口 2022年2期

周邢杰，陶建峰

(河海大学港口海岸与近海工程学院，南京 210024)

海岸泥沙运动作为海岸动力与海床相互作用的纽带，是陆海相互作用的重要研究内容。在周期性潮流动力作用下，悬沙浓度的时空分布呈一定规律性，但在台风、寒潮等大风过程中，强风浪将明显改变海底剪切应力，引起海床沉积物的再悬浮，导致水体悬沙浓度及其垂向分布剧烈变化[1]。潮流和波浪联合切应力是波流共同作用最具代表性的表现形式[2]。Grant等[3]认为潮流、波浪及其联合作用产生的切应力是海床沉积物得以悬浮和垂向扩散的原因；苗立敏等[4]发现风暴期间的波高、波流联合切应力、悬沙浓度和输沙率均比平静天气高数倍；此外，水体底部形成的高浓度悬沙层还有可能产生减阻效应，使得床面切应力减小[5]。波流耦合强切应力的作用使得海岸泥沙运动更为复杂，且随动力条件变化而发生海床沉积物级配、海床结构等变化，提高了大风条件下泥沙运动研究的难度，因此研究大风条件下的海岸泥沙运动对海岸工程[6]、海岸地貌演变等有重要意义。

江苏海岸位于我国沿海中部，包括海州湾、废黄河口、辐射沙脊群和长江口北支口外海域,海岸以粉砂淤泥质为主，泥沙易起动、易悬浮，受大风天气干扰大[7]，泥沙运动及其分布规律一直是该海域的研究热点。邢飞等[8]对江苏沿海悬沙空间分布做了细致分析，认为强潮流动力造成的泥沙再悬浮是近岸海域悬沙浓度终年偏高的主要因素。陈斌等[9]和徐粲等[10]分别探讨了南黄海辐射沙脊群整体和潮汐水道的悬沙输运特征，认为悬沙输运从陆向海逐渐减小、区域内以向岸输运居多、潮汐水道内则由往复性强潮流控制；Bian等[11]通过分析黄海和东海悬沙浓度时空变化，得出风引起的垂向掺混作用导致了表层悬沙浓度的区域分布差异、而潮流控制着底层的悬沙浓度变化。如上所述，以往研究大多基于正常天气展开，由于大风期间时间尺度短、动力条件强、实测资料收集难度大，关于大风条件下江苏沿海悬沙运动研究相对较少。然而，江苏海域受季风和台风影响严重，根据资料统计，1949年—2020年间对江苏沿海产生影响的热带气旋共有213次[12-13]，寒潮平均每年发生5.1次[14]。本文基于江苏沿海多个测站不同大风天气期间的实测资料，对比了不同公式计算波流联合切应力与近底悬沙浓度过程的相关性，在此基础上分析了江苏沿海悬沙运动对动力条件的响应规律，以期提升对大风条件下悬沙运动规律的认知，为海岸防护和工程建设等提供技术支撑。

1 研究资料及方法

1.1 研究资料

收集到江苏沿海大风期间7个测站的气象、水文和泥沙实测资料(站位见图1)，其中：连云港(LYG)测站位于淤泥质海岸的海州湾海域，大丰港(DF1、DF2、DF3)、洋口港(YK1、YK2，为两次大风天测站位置，基本接近)和吕四港(LS)测站分别位于粉砂淤泥质海岸的西洋、烂沙洋和小庙洪。LYG测站以2个RBR浊度仪和1个CTD测沙仪观测含沙量，以 AWAC和波潮仪分别测量水流和波浪过程；DF1、DF2和DF3在床面以上1.8 m、1.4 m处布置AWAC和“阔龙”分别测量上、下部水体的流速剖面及波浪过程，采用 OBS浊度仪观测含沙量过程；YK1和YK2处使用AWAC测量水流以及波浪过程，通过RBR浊度仪得到水体含沙量；LS测站处分别以ADCP声学剖面流速仪、AWAC和OBS浊度仪进行流速、波浪、含沙量观测。

图1 大风天测站位置示意图Fig.1 Location of stations for observing storm wind events

具体大风天气及动力、泥沙、含沙量测量位置等相关参数见表1。由表1可见， LYG测站底沙中值粒径、垂线平均流速明显小于其他测站。DF1、DF2、DF3测站风后底沙粒径较风前明显粗化，LS测站大风期间底沙粒径大于风后。由于缺少底沙资料，表中烂沙洋海域YK1、YK2测站用悬沙中值粒径替代，大风期间悬沙粒径有所增大。

表1 江苏沿海各测站的大风天气、沉积物特征及动力特征Tab.1 Storm events, sediment characteristics and dynamic characteristics of each station in Jiangsu coast

1.2 研究方法

在波流共同作用中，流致切应力提供稳定分量，浪致切应力提供振荡分量，两者在边界层内以非线性方式叠加。在一个波周期内，波流联合切应力主要有三种形式：一是平均切应力τm，决定控制水流的摩阻程度和沉积物向外层水体的扩散；二是最大切应力τmax，决定泥沙的起动和近底扩散；三是均方根应力τrms，是衡量切应力大小的重要形式，在随机波中应用广泛[15]。具体来说，最大底床切应力控制能进入悬浮状态的泥沙粒径大小，随波浪变化的均方根切应力和最大底床切应力同时控制悬沙浓度剖面的形状[16]。以往研究指出，波浪和水流的夹角会影响水动力的作用[17]，波浪对悬沙分布的影响在近底处更显著[18]。因此，本文通过分析近底悬沙浓度和最大波流联合切应力的响应关系，探究江苏沿海不同区域在不同大风天气下的悬沙运动规律。

1.2.1 波流联合切应力计算

以往研究中[4,19]一般只选用一种或一类公式用以分析切应力对底床沉积物再悬浮的影响，这可能使计算结果产生较大误差。本文选用两种类型的公式进行对比分析，选择适用于各测站的公式。

(1)Whitehouse公式[15]。

该公式基于对现场数据的拟合，具体计算公式为

τcw1=[(τm1+τw1cosφ)2+(τw1sinφ)2]0.5

(1)

(2)

式中：τcw1为最大波流联合切应力；φ为波浪和水流的夹角；τm1为平均波流联合切应力，τc1、τw1分别为流致切应力和浪致切应力，由下式计算

(3)

(4)

式中：ρ为海水密度；u*为摩阻流速；fw为波浪底摩阻系数；Uw为底部波浪水质点速度。

(2)Soulsby-Clarke公式[20]。

该公式基于物理模型的推导，考虑了水流条件的影响，具体计算公式为

(5)

(6)

(7)

紊流条件下

(8)

(9)

1.2.2 适用性分析

鉴于本文探究的是大风条件下近底悬沙浓度和波流联合切应力两个离散时间序列的响应规律，通过比较τcw1、τcw2和近底悬沙浓度之间的相关性大小来选取适合不同测站的公式。以τcw1为例，取τcw1和近底悬沙浓度在大风期间的逐时序列为τcw1(n)、S(n)，根据离散时间序列的相关性定义，将τcw1(n)翻转为τcw1′(n)并与S(n)求卷积后进行平移，得到相关程度序列

(10)

表2 各测站近底悬沙浓度与波流联合切应力的最大相关系数及对应的延迟量Tab.2 The maximum correlation coefficient between suspended sediment concentration near the bottom and wave-current coupled shear stress at each station and the corresponding lag time

将两种公式得到的最大相关系数r1max、r2max及其对应的延迟量lag1、lag2具体列于表2，除个别测站外，不同公式计算的切应力与近底悬沙浓度的最大相关系数均超过0.8。由表2可见，LYG测站的r1max为0.82、lag1为0，表示大风过程中公式(1)的计算结果和近底悬沙浓度过程响应良好，后文图2也能反映这一关系，而lag2为6，且r2仍有增大的趋势，说明S(n)滞后τcw2(n)可能超过6 h。DF1、DF2、 DF3测站r1max与r2max相差不大， DF3处lag1、lag2都为1，说明大风期间DF3处的近底悬沙浓度略滞后波流联合切应力约1 h。 YK1测站r2max大于r1max，延迟量lag2为-2，即YK1处近底悬沙浓度变化过程提前于波流联合切应力约2 h；YK2测站r1max大于r2max，延迟量都为0。LS测站r1max小于r2max，对应延迟量分别为2和0。

根据上述各测站近底悬沙浓度和联合切应力相关性分析结果，选取公式(1)计算LYG、DF1、DF2、DF3、YK2测站最大波流联合切应力，YK1、LS测站则采用公式(5)计算。

2 动力条件和悬沙分布特征

2.1 动力条件

图2～图5给出了各测站的垂线平均流速、有效波高、各层的悬沙浓度、风速和切应力过程，当风速大于8 m/s时波高增大较明显，为了后续分析中描述更加方便，将风速在8 m/s以上(缺少风速数据的LS测站以0.6 m波高以上)的持续时间段称为大风过程。由图2～图5可见，各测站的风、浪过程较为一致，风浪特征明显。海州湾海域，受“韦帕”台风影响，潮流叠加风生流，LYG处流速量值明显增加，最大风速为20.4 m/s，最大有效波高为3.07 m。强潮海域中，西洋海域在2010年寒潮期间，三个测站的流速受风影响并不明显，由于测量时间段处于中潮向小潮过渡的阶段，流速幅值反而有减小的趋势；波高从大风前的0.5 m增加到大风期间超过2 m，尤其是DF3测站，最大有效波高为2.89 m，明显强于DF2和DF1。烂沙洋海域，2016年测量期间风速较大、持续时间长，YK1测站流速幅值明显增大，风浪在第一段大风过程中处于发育状态，有效波高最大值出现在第二段大风过程中，为2.1 m；而对于YK2测站，2017年大风过程正值小潮期间，流速相对较小，风的速度和持续时间都小于YK1，最大有效波高为1.8 m。小庙洪海域，LS处有效波高相对较小，且处于向小潮过渡的阶段，流速逐渐减小。

图2 海州湾测站流速、波高、风速、含沙量及切应力过程图Fig.2 Process of velocity, effective wave height, wind speed, suspended sediment concentration and shear stress at station of Haizhou Bay

3-a DF13-b DF2

4-a YK14-b YK2图4 烂沙洋测站流速、波高、风速、含沙量及切应力过程图Fig.4 Process of velocity, effective wave height, wind speed, suspended sediment concentration and shear stress at stations of Lanshayang Trough

图5 小庙洪测站流速、波高、风速、含沙量及切应力过程图Fig.5 Process of velocity, effective wave height, wind speed,suspended sediment concentration and shear stress at station of Xiaomiaohong Channel

2.2 悬沙浓度垂向分布特征

海州湾海域， LYG测站表层以下0.5 m到底部以上1.5 m间水体受垂向掺混作用较强，悬沙浓度较为接近，最大值约为1.3 kg/m3；近底悬沙浓度变化明显，最大悬沙浓度接近6 kg/m3。

西洋海域， DF1、DF2处底层以上1 m和0.5 m处含沙量值较为接近，表层较小；DF3处，各层悬沙浓度都很接近。DF1测站表层悬沙浓度在大风过程中变化不大，近底最大悬沙浓度接近2.3 kg/m3，约为相同时刻表层悬沙浓度的3倍。DF2处各层悬沙浓度在大风开始时有所增大，近底层最大悬沙浓度约为2.6 kg/m3，在大风过程中，表层悬沙浓度增大、底层悬沙浓度反而减小。DF3测站缺失部分数据，但从变化趋势来看，各层悬沙浓度在大风期间增加明显，近底最大悬沙浓度最大值约为1.5 kg/m3。

烂沙洋海域，正常天气下悬沙浓度相对较小，表层不足0.1 kg/m3，近底层除个别时刻外，均不足0.5 kg/m3。第一次大风期间，YK1测站表层悬沙浓度没有明显变化，但底层悬沙浓度显著增大，最大悬沙浓度约为1.3 kg/m3，为同一时刻表层悬沙浓度的27倍。第二次大风期间，YK2测站表层以下1 m处悬沙浓度在大风过程中基于0.3 kg/m3左右做小幅波动，底层悬沙浓度减小，并在风后增加至最大值1.4 kg/m3，随着流速减小与表层悬沙浓度接近。

3 大风条件下悬沙浓度与动力过程响应

3.1 波浪、水流对波流联合切应力的贡献

各测站X与Z的关系如图6所示。X=1表示水流单独作用，从X=0.75左右开始，当X减小时，Z与X之间的差值逐渐增大，在X=0.25附近达到最大，此时的波流间非线性作用最强。LYG由于流速较小，X始终小于0.5，波浪占主导地位，波流间非线性作用较强；LS除了个别波高较大时刻，X主要分布在0.7～1.0，由水流主导，波流间非线性作用较弱； DF3在大风期间，X主要分布在0.6～0.8，仍是水流占优。

6-a LYG6-b DF36-c YK16-d LS图6 各海域Z与X关系Fig.6 Relationship between Z and X at each sea area

3.2 近底悬沙浓度变化过程及其对动力条件的响应

3.2.1 往复流海域

(1)在大风作用前X普遍大于0.75时，联合切应力由水流主导，Z与X之间差值较小，波流间非线性作用较弱，近底悬沙浓度与波流联合切应力都呈与水流相关的周期性。

西洋海域，DF1、DF2处近底悬沙浓度的变化周期约为联合切应力变化周期的两倍，与潮流方向的变化对应，即DF1与DF2处，尽管潮流动力较强，但在风浪较弱时悬沙浓度的增大主要依靠外部高含沙量水体的流入。如图1所示， DF1和DF2北面为开阔海域，涨潮流由北向南能够带来苏北淤泥质海岸的丰富泥沙。由于DF3位于浅滩内的一处槽沟，悬沙浓度大小由再悬浮和沉降作用主导，当风浪较弱时，近底悬沙浓度与联合切应力呈相似周期性，且变化幅度远小于DF1与DF2。

烂沙洋海域，YK1和YK2在大风作用前最大有效波高就能达到1 m和0.8 m，尽管水流主导的再悬浮和沉降作用控制着整体的悬沙浓度，个别时刻较强波浪的作用使得近底悬沙浓度变化过程和水流之间的相关性明显不如西洋海域。YK1测站处，在一个潮周期内，当流速由最大开始降低时，此时波流联合切应力仍高于临界切应力，悬沙浓度继续升高，且泥沙运动存在惯性[22]，水体悬沙浓度过程滞后于切应力过程约2 h。

小庙洪海域，尽管底质较细，最大波流联合切应力达到1.5 N/m2以上，LS处近底悬沙浓度仍小于0.3 kg/m3，潮周期内流速变大、联合切应力增加时，床面泥沙由于密实而难以起动，底部泥沙向上扩散，近底悬沙浓度降低；流速减小时，上层水体泥沙沉降，近底悬沙浓度增大。悬沙浓度大小主要由沉降作用主导。

(2)大风过程中，往复流强潮海域浪致切应力占比增加Z与X之间的差值增大，波流间非线性作用变强，并且波浪具不规则性，使得悬沙浓度过程的周期性变差。

DF1、DF2测站处平流输送作用不再占主导作用，DF1处近底悬沙浓度最大值出现在切应力最大值之后约11 h(该时刻的切应力相对前后时刻更小)，此时流速幅值较小、表层悬沙沉降、浓度降低，而底部受波浪的强紊动作用，泥沙在近底一定距离内悬浮，导致近底悬沙浓度升高。DF2测站处其表层悬沙浓度维持在一相对较高水平，说明水体垂向紊动较为强烈，近底悬沙向上扩散，同时由于悬沙浓度背景值较高，受挟沙能力限制，床面泥沙难以起动，导致近底悬沙浓度降低。本由局部再悬浮和沉降作用主导的DF3测站处，由于水深在3个测站中最小，受风浪作用最显著，悬沙浓度峰值显著增大，从1月22日0时左右涨急时刻开始，波流联合切应力减小，而近底悬沙浓度反而增大，在涨憩时刻出现峰值，在落潮过程中减小，并在落憩时刻附近出现谷值，平流输送贡献增加，附近浅滩上的泥沙被波浪掀起，随涨潮流到达DF3处。

YK1处由于大风过程历时较长，联合切应力作用经过了完整的初始阶段和强化阶段[23]，近底悬沙浓度从10月26日22时起明显增大，悬沙浓度的峰值先于联合切应力峰值约2 h出现，说明仍有其他因素影响着悬沙分布，可能与地形、床面因素变化等有关[19,24]。YK2测站近底悬沙浓度相较风前反而有所降低，且各层悬沙浓度接近，说明此时紊动扩散作用将底部泥沙带到上层，而底部沉积物受挟沙能力或可侵蚀层厚度[25]影响无法起动，导致近底悬沙浓度降低。

LS测站处在较大波高作用之后，床面的密实性被破坏，床面泥沙更易起动，尽管联合切应力幅值不断减小，近底悬沙浓度增加。

(3)当风速逐渐减小时，强风浪过程带来的影响不会马上消失。

DF1、DF2测站风后的悬沙浓度变化幅值相对风前明显减小，由表1沉积物中值粒径变化可知，强波浪作用使得较细的沉积物从床面起动并悬扬，细颗粒泥沙对动力条件响应更加敏感，近底悬沙浓度在一段时间内维持在1 kg/m3左右做小幅振荡，再悬浮和沉降过程延续了大风期间的主导作用。 DF3处在涨急、落急、涨憩时刻都出现了悬沙浓度峰值，体现了平流输送和再悬浮、沉降的共同作用。

LS测站在有效波高和流速都逐渐减小的情况下，由于床面密实性被破坏，悬沙浓度幅值反而有所增大。

3.2.2 旋转流海域

海州湾海域流速幅值相对其他海域较小，潮流呈旋转流特性，在正常、大风天气下，悬沙浓度过程都不具周期性。当风速、有效波高较小时，波流联合切应力不足以起动泥沙，当风浪较强时，细颗粒泥沙易于起动，近底悬沙浓度变化过程与波流联合切应力变化过程基本吻合，峰值明显、历时较短，最大浓度接近6 kg/m3，是同一时刻表层悬沙浓度的8倍左右，近底悬沙浓度受波浪主导的再悬浮和沉降作用控制。在联合切应力达到最大值之前，9月20日0点附近，有一次强度相近的切应力过程，但后一次过程中6 h内的近底悬沙平均浓度达到了3.94 kg/m3，前一次过程只有0.85 kg/m，分析其原因主要是LYG测站底质较细，细颗粒粘性泥沙在第一次强动力条件下先悬扬，剩下的较粗颗粒泥沙在持续强动力作用下更容易起动[17]。9月20日12点附近，当波流联合切应力减小时，泥沙开始沉降，此时的底层悬沙浓度远大于水体的挟沙力[26]，且近底的悬移质粒度相对较粗、沉降速度更快，因而出现近底悬沙浓度小于中部和上部的现象。