輻射沙洲海域懸沙特征及懸沙濃度垂向運(yùn)動(dòng)規(guī)律研究

黃惠明，王義剛，張薇娜，袁春光

（河海大學(xué)海岸災(zāi)害及防護(hù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 南京 210098）

1 問題的提出

近年來，沿海城市發(fā)展與后備土地資源匱乏的矛盾越來越為凸顯，地少人多的態(tài)勢(shì)越來越制約沿海地區(qū)經(jīng)濟(jì)社會(huì)的持續(xù)發(fā)展。這極大地高漲了沿海地區(qū)向海要資源、要土地的積極性。近10a來，沿海地區(qū)灘涂匡圍的規(guī)模持續(xù)增加和擴(kuò)大，沿海圍涂的前沿亦不斷向高灘、低灘、潮下帶等延伸。

江蘇省作為東部沿海大省，地少人多的矛盾始終是制約沿海地區(qū)尤其是蘇北地區(qū)發(fā)展的重要因素。多年來，江蘇省沿海市縣對(duì)于土地資源的需求也隨著沿海社會(huì)經(jīng)濟(jì)的持續(xù)發(fā)展而不斷上升，這一進(jìn)步凸顯了沿海城市人均土地面積不足帶來的弊端。因而，近年來江蘇省東部沿海的輻射沙洲灘涂及航道資源的開發(fā)利用已成為促進(jìn)江蘇省東部及南部沿海城市建設(shè)與發(fā)展的重要途徑。

隨著2009年6月國(guó)務(wù)院常務(wù)會(huì)議原則性通過 《江蘇沿海地區(qū)發(fā)展規(guī)劃》，江蘇省沿海海岸帶資源正式進(jìn)入大規(guī)模開發(fā)的通道。輻射沙洲作為江蘇省東南部沿海的主要沙脊群所在，具有豐富的灘涂和航道資源，其進(jìn)一步的合理開發(fā)利用，對(duì)于加大江蘇省沿海岸線的有效利用、穩(wěn)定固有深水潮汐通道資源、緊密聯(lián)系長(zhǎng)三角地區(qū)和江蘇省北部區(qū)域等方面具有重要的戰(zhàn)略意義圖1為江蘇省東部沿海輻射沙洲區(qū)位及地貌特征圖。目前，江蘇省已就蘇北輻射沙洲的短期、中期及長(zhǎng)期的發(fā)展進(jìn)行了相關(guān)的規(guī)劃論證，輻射沙洲灘涂資源的大規(guī)模圍墾開發(fā)利用的思路已逐漸清晰起來。

因此，現(xiàn)階段就輻射沙洲海域的海域環(huán)境等進(jìn)行相應(yīng)的研究和分析，對(duì)于江蘇省沿海開發(fā)具有重要意義。為此，本文基于輻射沙洲海域大范圍實(shí)測(cè)資料，針對(duì)海域懸沙特征、懸沙垂向運(yùn)動(dòng)規(guī)律開展研究，以期初步揭示輻射沙洲海域懸沙運(yùn)動(dòng)的內(nèi)在規(guī)律，為江蘇省沿海開發(fā)提供必要的參考和借鑒。

2 研究區(qū)域概況

輻射沙洲位于江蘇省東部沿海水域，以弶港為中心分別向北、東北、東及東南向延伸，沙洲總體呈輻射狀分布，槽脊相間，潮溝眾多，水下地形復(fù)雜多變，形成了獨(dú)特的大型沙脊群沉積地貌 （見圖1）。研究表明［1－3］，長(zhǎng)期以來輻射沙洲的核心沙脊群始終處于演變狀態(tài)，潮溝擺動(dòng)頻繁，灘槽系統(tǒng)多變，這為輻射沙脊群的深入研究和開發(fā)帶來了極大的困難。輻射沙洲地區(qū)存在特殊的潮汐環(huán)境，其為東海前進(jìn)潮波和南黃海旋轉(zhuǎn)潮波系統(tǒng)所控制。海區(qū)為強(qiáng)潮區(qū)，潮波幅聚點(diǎn)位于弶港附近，平均潮差可達(dá)3.90m，實(shí)測(cè)最大潮差達(dá)9.28m［4］。海區(qū)潮動(dòng)力作用強(qiáng)勁，是輻射沙洲的主要?jiǎng)恿σ蛩兀蹦苈屎统绷魉俜植紱Q定了沙洲南北沙脊及深槽的空間分布和形態(tài)，而次生橫向環(huán)流則影響了沙洲的演變和發(fā)育［5－6］。

圖1 江蘇東部沿海輻射沙洲區(qū)位及地貌特征圖

3 懸沙特征及運(yùn)動(dòng)規(guī)律

3.1 懸沙粒徑特征

2007年冬季期間，利用橫式取樣器和錐式采樣器，于江蘇省沿海準(zhǔn)同步采集了全潮水文測(cè)驗(yàn)期間的懸沙樣本，樣本采集區(qū)域涵蓋了江蘇省東部沿海的新洋港、大豐港、輻射沙脊群、洋口港、呂四港重要水域。

圖2 2007年冬季懸沙中值粒徑分布圖 單位：mm

圖2給出了依據(jù)懸沙采樣結(jié)果繪制的輻射沙洲海區(qū)2007年冬季懸沙中值粒徑的平面分布特征圖。由圖2可知，江蘇省東部沿海輻射沙洲海區(qū)懸沙粒徑基本在0.007～0.014mm，屬于黏性細(xì)顆粒泥沙的范疇。

江蘇省東部沿海懸沙粒徑分布呈現(xiàn)相對(duì)明顯的沿岸和離岸變化。其中，輻射沙洲北部西洋水道海域，懸沙粒徑相對(duì)比較細(xì)，粒徑基本在0.007～0.010mm，并由北向南，懸沙粒徑逐漸變粗，在弶港前沿附近達(dá)到最大，約0.010 mm，之后又逐漸降低至0.008mm左右，沿海方向懸沙粒徑總體近似呈 “Λ”狀分布。同時(shí)，離岸方向懸沙粒徑呈現(xiàn)由細(xì)到粗的變化規(guī)律。其中，近岸區(qū)域泥沙粒徑約為0.007～0.010mm，隨著距離岸線越遠(yuǎn)，懸沙粒徑逐漸增大至0.014mm左右。綜合而言，江蘇省沿海中部海區(qū)，懸沙中值粒徑變化并不大，不同水域懸沙粒徑的最大變幅基本在0.007mm以下。這從側(cè)面表明，各海區(qū)間懸沙組成也比較相似，海域懸沙輸運(yùn)及交換頻繁，可能也是造成輻射沙洲海域水下地形頻繁調(diào)整的原因之一。

3.2 懸沙垂向運(yùn)動(dòng)特征

輻射沙洲海域懸沙垂向分布呈現(xiàn)比較明顯的區(qū)域分布特征，且隨漲落潮動(dòng)力的變化而顯著演變。弶港以北海域，漲潮期間懸沙垂向濃度相對(duì)較大值往往出現(xiàn)在0.2～0.4相對(duì)水深附近，落潮期間，懸沙最大濃度則往往出現(xiàn)在近底層附近。弶港以南海域，漲潮期間，懸沙濃度最大值往往出現(xiàn)在0.2～0.6相對(duì)水深附近，落潮期間，懸沙最大濃度則往往出現(xiàn)在0.0～0.4相對(duì)水深。懸沙濃度垂向分布一定程度上偏離了經(jīng)典Rouse公式所描述的恒定流背景下的懸沙垂向分布規(guī)律，且與內(nèi)河及河口懸沙濃度垂向分布特征存在顯著的差異。實(shí)際上，正是由于懸沙濃度垂向分布的顯著差異性一定程度上造成了輻射沙洲海區(qū)懸沙垂向運(yùn)動(dòng)規(guī)律的復(fù)雜性和多變性。

恒定均勻流背景下，當(dāng)懸沙運(yùn)動(dòng)處于平衡狀態(tài)時(shí)，懸沙濃度垂向分布可以經(jīng)典Rouse公式來描述：

式中：h為水深，m；y為距離底床面高度，m；a為參考距離，m；S為距床面高度為y處的懸沙濃度，kg／m3；sa為參考高度處的懸沙濃度，kg／m3；k＝0.4為卡門常數(shù)；U＊為摩阻流速，m／s；ω為懸沙沉速，m／s。

對(duì)式（1）兩邊取對(duì)數(shù)，并合并同類項(xiàng)，可得：

圖3 輻射沙洲海域?qū)崪y(cè)lnS～ln［（h－y）／y］關(guān)系圖

在此基礎(chǔ)上，結(jié)合輻射沙洲海域的實(shí)測(cè)懸沙濃度垂向分布資料，利用式（2）繪制懸沙濃度垂向分布規(guī)律圖（見圖3）。由于海域存在漲落潮交替過程，在漲潮或落潮加速或減速階段，水動(dòng)力與恒定均勻流條件相差甚遠(yuǎn)，僅漲落急階段近似，因而，圖3中主要給出漲急和落急階段輻射沙洲海區(qū)的懸沙濃度垂向分布特征。

由圖3及式 （2）可知，輻射沙洲海域不同區(qū)位，實(shí)測(cè)懸沙濃度的lnS與ln［（h－y）／y］的關(guān)系近似呈線性關(guān)系，這與式 （2）的變化趨勢(shì)比較吻合，表明輻射沙洲海區(qū)的懸沙濃度垂向分布與Rouse公式基本吻合，懸沙濃度垂向分布具有典型的指數(shù)分布特征。不過，由圖3還可以看出，實(shí)測(cè)點(diǎn)據(jù)與線性趨勢(shì)之間存在一定偏差，這表明輻射沙洲海域懸沙濃度垂向分布雖然總體與Rouse公式接近，但還難以簡(jiǎn)單的用Rouse公式來描述。分析原因，主要受2個(gè)方面的影響：①Rouse公式是基于恒定、飽和挾沙條件得到的公式，然而，輻射沙洲海域受潮動(dòng)力影響，水動(dòng)力條件始終處于演化狀態(tài)，同時(shí)，由于懸沙輸運(yùn)與潮動(dòng)力演化之間存在一定的滯后效應(yīng)，水流挾沙始終處于非飽和狀態(tài)，因而，海域?qū)崪y(cè)懸沙濃度的動(dòng)力環(huán)境及泥沙環(huán)境并不完全滿足Rouse公式條件的界定；②輻射沙洲海域水下地形頻繁演化，近底層懸沙與底沙通量交換頻繁，同時(shí)，受漲落潮動(dòng)力輸運(yùn)作用，海域懸沙與周邊海域懸沙始終處于交換狀態(tài)，因而，輻射沙洲海域?qū)嶋H懸沙運(yùn)動(dòng)環(huán)境及規(guī)律已經(jīng)超出了Rouse公式所單純描述的懸沙紊動(dòng)擴(kuò)散與沉降相互作用平衡的范疇。因此，現(xiàn)階段，能否借鑒河口區(qū)域利用Rouse公式反演懸沙沉降速度的方法來反演輻射沙洲海域懸沙有效沉速的做法還值得進(jìn)一步商榷和探討。

4 結(jié) 語

結(jié)合輻射沙洲海域2007年冬季實(shí)測(cè)懸沙資料，對(duì)輻射沙洲海域的懸沙中值粒徑及懸沙濃度垂向運(yùn)動(dòng)特征進(jìn)行了探討和分析。

（1）輻射沙洲海域懸沙屬于淤泥質(zhì)范疇，中值粒徑基本在0.007～0.014mm。懸沙中值粒徑的分布呈現(xiàn)沿岸和離岸差異，沿岸方向由南向北，呈先增大后減小的 “Λ”狀分布；離岸方向，隨離岸距離的增大而增大。

（2）輻射沙洲海域懸沙濃度垂向分布總體與Rouse公式近似，但受動(dòng)力環(huán)境及泥沙環(huán)境的影響，二者還存在一定差異，難以直接利用Rouse公式來描述輻射沙洲海域的懸沙濃度垂向分布。

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