黄茅海悬沙时空变化分析

黄茅海悬沙时空变化分析

黄毛海位于珠江口西南。它是一个带有屋檐和老虎入口的喇叭形河口。湾顶通过悬崖门和老虎门，与银州湖和虎门的水道相连。银州湖为黄茅海河口湾的感潮河道部分,自崖门向北延伸约25km后与潭江相接,其东侧接纳来自虎坑、江门水道的来水来沙。黄茅海通过岛屿(图1)间的峡口与南海相通。大襟岛以西水道为西口,大襟岛与荷包岛之间为中口,荷包岛与高栏岛之间为东口。黄茅海内的典型地貌单元有:落潮主水道,主要由崖门的落潮射流所维持,位于虎山以北至崖门之间;西滩,为海湾西部的边滩,水深在2m以浅,占海湾面积的32%左右;东滩,为海湾东部的边滩,占海湾面积的12.1%;拦门沙浅滩,位于海湾中间,上接落潮主水道,下接湾口,水深在2~5m之间;东槽,位于崖门落潮主水道下游,水深在7m左右,在虎山附近折向东南,经过拦门沙至大杧岛与三角山之间峡口,再经过荷包岛与高栏岛之间的通道而与南海连通,是目前崖门出海航道所在,可供5000t级船舶通行。西槽,为西部浅滩上的水道,水深2~4m,目前已趋于消亡。对黄茅海的水动力、表层沉积物分布、泥沙输运、地貌演变等都有大量的研究［1－7］。但迄今为止,对黄茅海泥沙输运的时空变化及其动力机理的研究还较为零散,有必要进行更为深入的系统性研究。河口地区的泥沙运动深受河口动力的控制。河口地区潮内的涨落潮过程中由于潮汐应变(tidalstraining)［8］效应,涨潮时水体混合强,海底湍混合强;落潮时水体分层强,抑制了海底湍动能的生成,从而出现涨潮时底切应力大于落潮时的现象,这极大地影响着海底泥沙的再悬浮过程。另一方面,现有的研究［9］表明,河口地区的泥沙再悬浮主要发生于潮流的加速期,沉降则主要发生于减速期。而海底泥沙的再悬浮与其固结程度有关,自海底向下随着固结程度不断增大,再悬浮通量不断减小。河口地区泥沙输运的上述复杂过程在国内外已有大量研究,而在黄茅海河口湾的研究则相对较少,更凸显本文研究的必要性与紧迫性。本文以实测资料为基础,通过资料分析,结合数值模型,全面分析黄茅海海区的泥沙输运特征,探讨黄茅海泥沙输运的过程与机理,以更为全面深入地了解黄茅海沉积动力学特征。本文主要集中于枯季时的黄茅海泥沙输运,关于洪季的泥沙输运过程我们将另文分析。1水文泥沙观测站位我们收集了2010年3月珠江水利委员会水文局在黄茅海海域进行的较大规模的水文泥沙观测资料。2010年3月珠江流域的降水偏少,西江马口站的平均流量为1000m3/s左右,低于多年平均值(3420m3/s)。该次同步水文测验在黄茅海水域布设20个定点水文泥沙观测站。我们只选取其中有代表性的站位12个,具体观测站位如图1中以字母M开头的站位。观测分大、小潮期进行,每一潮次观测约30小时。由于大潮期(3月17-18日)的流速、盐度与悬沙资料较为全面,我们选取大潮期的资料进行分析。流速观测采用直读式海流计进行,每小时观测一次,垂向采用六点法进行施测。盐度与悬沙数据通过采取水样,在室内分析获得。观测期的潮汐为半日潮,潮差为1.65m。风为偏东风,风速在4m/s以下,风浪作用小。2不对称形态特征观测点的流速基本呈现为往复流,这里只对主流向的流速进行分析。图2~图13中,以2010年3月17日12:00为0时,单位采用h。下文中表层为水面下0.5m,底层为距海底0.5m。M1站位于银州湖内的黄冲附近,水深在8.0m左右,位于深槽内。从M1站的水位、流速、盐度与悬沙过程来看,涨急发生于涨潮中间时,落急发生于低潮时,表现出介于前进波与驻波之间的潮波特征,以驻波为主。从盐度的变化过程来看,高盐水沿底部入侵,最大盐度出现于涨憩时,而最小盐度出现于落憩时。涨潮时由于底部盐水楔的入侵,水体分层较强,而落潮时水体充分混合。水体分层这种变化为典型盐水楔型的河口特征［10］。悬沙含量在0.04~0.25kg/m3之间变动。悬沙含量与流速变化高度相关,涨急和落急时,悬沙含量增大明显,而涨憩和落憩时悬沙含量迅速降低,表明一方面再悬浮过程占主导,另一方面泥沙的沉降速度较大。总体来看,涨潮期的悬沙含量小于落潮期。涨潮历时为10h,而落潮历时为15h,垂线平均的涨潮最大流速为0.85m/s,落潮最大流速为0.78m/s,显示为涨潮优势的流速不对称。从25h平均的余流来看,表层向海,量值达0.19m/s,底层向陆,量值为0.003m/s,为典型的河口密度环流的格局。从25h平均的输沙率来看,底层向陆,量值为0.233kg/(m2·s),表层向海,表层的量值达0.441kg/(m2·s),垂线积分为向海输运。M2站的水深在6.0m左右,位于深槽边坡上。其水位、流速与盐度、悬沙的变化过程与M1站类似,但其落潮期的盐度分层要强于涨潮期。表明浅滩站的盐度分层中,潮汐应变的作用占主导［8］。涨急时的悬沙含量高于落急时,这与M1站的情况相反,却与其潮内的水体分层变化相对应。涨潮时水体混合强,底切应力大,落潮时水体分层强,底切应力小,泥沙再悬浮作用弱。涨落潮历时与M1站相同,但最大落潮流速与最大涨潮流速相近。从25h平均的轴向余流来看,各层皆为向海方向,表层为0.21m/s,底层为0.04m/s。而侧向余流各层皆指向深槽方向,表层侧向余流速度为0.05m/a。从25h的输沙率来看,各层皆为向海方向,表层的量值为0.239kg/(m2·s),垂线积分为向海输运。由此可见,在银州湖内的泥沙输运格局为:深槽内上层向海,底层向陆,垂向积分仍为向海,浅滩内表底层皆为向海方向。M3站位于虎跳门内的西炮台,受径流影响大。盐度在涨憩时最大,且盐度分层明显。落潮历时长于涨潮历时,且落潮流速大于涨潮流速。25h平均的余流为单向的向海流,表层余流为0.25m/s,底层为0.05m/s。悬沙输运各层皆为向海方向,表层为0.336kg/(m2·s)。悬沙含量的峰值出现于涨急时,可能为水体分层的潮内变化所致:涨急时水体混合强,落急时水体分层强,导致底切应力在涨急时大,落急时小。M4站位于落潮主水道的边滩上,水深为4m左右。其水位、流速、盐度过程都与M1站类似,最大涨潮流出现于涨潮中间时,最大落潮流出现于落潮中间时。含沙量的变化为高值出现于涨(落)急时。但悬沙含量的垂向分布较为不规则。M4站的落潮历时长于涨潮历时,落潮流速大于涨潮流速,为落潮优势型的流速不对称,表明受到径流的影响。其25h平均的余流为单向的向海流,表层流达0.19m/s,底层为0.08m/s。25h的悬沙输运呈现出向海输运的特征,表层的向海输运最大,为0.445kg/(m2·s)。M5站位于东槽的边滩上,水深为4.2m左右。其水位、流速过程与M4站类似。高盐度值出现于涨憩至落初时段,表明平流作用的影响。值得注意的是,在涨憩后转为落潮流时,盐度仍维持在较高的值。这是由于上一次涨潮带来的高盐水向岸平流输运,落潮时这一高盐水向海退缩所致。含沙量的变化基本为高值出现于涨(落)急时,但最大值出现于第二次涨憩时,其原因尚待进一步探讨。M5站的落潮历时长于涨潮历时,且落潮最大流速大于涨潮流速。其25h平均的余流为单向的向海流,表层流达0.29m/s,底层为0.05m/s。25h平均的悬沙输运也为向海输运,表层的向海输运最大,为0.243kg/(m2·s)。M6站位于东槽内,水深为5.0m左右。其水位、流速过程表现出更强的驻波特征,最大落潮流出现于落潮中间时。高盐度值出现于涨憩至落初时段。水体的盐度分层在涨憩时最小,在落憩时最大。含沙量的高值主要出现于涨急附近,而在落潮期的悬沙含量显著减小,表明受潮汐应变的影响。M6站的落潮历时略长于涨潮历时,但涨潮最大流速大于落潮流速,表明为涨潮优势的不对称。其25h平均的余流表现出重力环流的特征,表层向海,流速为0.02m/s,底层向陆,为0.03m/s。25h垂向积分的悬沙输运为向陆输运,底层的向陆输运最大,为0.142kg/(m2·s),表层为向海输运,量值为0.081kg/(m2·s)。由此推论,在观测期,泥沙输运的滞留点出现于M5与M6之间。M7站水深为6.5m,位于大杧岛与三角山之间的汊道上。流速与水位的关系显示为驻波特征。盐度变化在涨潮时增大,涨憩时极大,但在随后的落潮期盐度仍处于高值。悬沙含量的变化为在涨急时含量高,但数据较为散乱。其落潮历时长于涨潮历时,涨潮流速略大于落潮流速。25h平均的余流变为向海的单向流,表层为0.11m/s,底层为0.02m/s。这一余流的形成可能为受局地环流的影响所致。作者注意到,在大杧岛的东侧发育有局部的绕岛环流,这一特征将在下面的模型研究中进一步加以说明。25h平均的泥沙输运为向海方向,量值较小,表层为0.01kg/(m2·s),底层为0.0003kg/(m2·s)。M8站位于东槽大杧岛与荷包岛之间的东边滩上,水深为5.2m。流速相对较小,最大流速为0.45m/s。盐度变化在多数时刻皆为较高的盐度值,且混合充分,但在落憩附近盐度变小。悬沙含量的变化为在涨急与落急时含量高,但落急时的含量小于涨急时。落潮历时长于涨潮历时,且落潮流速大于涨潮流速。这一特征与作者对黄茅海整体流场的认识有一定出入。作者认为,枯季时在黄茅海内,湾口为涨潮优势,向湾顶逐渐变为落潮优势。M8站呈现出落潮优势,可能与岛屿周围的局部流场有关。25h平均的余流为向海的单向流,表层为0.07m/s,底层为0.05m/s。25h平均的泥沙输运为表层向海,量值小,0.037kg/(m2·s),底层向陆,为0.02kg/(m2·s),垂线积分为向海方向。M9站位于荷包岛与高栏岛之间的东槽上,水深为9.7m。其一个潮周期内盐度基本变化不大,主要为外海的高盐水所控制。其悬沙含量以涨潮时为大,落潮时相对较小。涨急时最大,且主要分布于底层。涨落潮历时基本相等,但落潮流速略大于涨潮流速。25h平均的余流为向海方向,表层为0.08ms,底层为0.01m/s。25h平均的泥沙输运,表层向海,0.02kg/(m2·s),底层向陆,0.08kg/(m2·s),垂向积分为向陆。M10站位于荷包岛西侧的中口,水深在8m左右。盐度分层弱。涨潮历时小于落潮历时,涨潮流速大于落潮流速,表现出涨潮优势的不对称。悬沙含量在涨潮时高,涨急时最高。25h平均的余流基本为向陆流,25h平均的输沙量为向陆方向,底层最大,为0.156kg/(m2·s),表层较小,为0.06kg/(m2·s)。M11站也位于中口,但靠近大襟岛东侧,水深在7.2m左右。盐度在涨潮时增大,落潮时减小。涨潮历时小于落潮历时,涨潮流速大于落潮流速,表现出涨潮优势的不对称。悬沙含量总体较小,在涨急和落急时较高。25h平均的余流基本为单向的向海流,表层为0.16m/s,底层为0.01m/s。25h积分的输沙量为向海方向,表层最大,为0.099kg/(m2·s),底层较小,为0.027kg/(m2·s)。这一余流与泥沙输运的格局和局部的绕岛环流有关。M12站位于大襟岛西侧的西口,水深在4.5m左右。盐度的分层在落潮期较大,落憩附近最大。涨潮历时长于落潮历时,且涨潮流速大于落潮流速,表现出涨潮优势的不对称。悬沙含量在涨潮时较大,涨急时最大。在落潮期的悬沙含量较低。25h平均的余流为典型的重力环流,表层向海,底层向陆,表层余流为0.079m/s,底层为0.065m/s。25h平均的输沙量为:表层向海,为0.013kg/(m2·s),底层向陆,为0.381kg/(m2·s),垂向积分为向陆输运。将12个站位的净输沙结果绘于图14。可以看出,沿着现有的航道,出现两个泥沙的辐聚带,一个位于M5与M6站之间,另一个位于大杧岛与荷包岛之间。此外,沿着大襟岛发育东侧向海、西侧向陆的顺时针输沙环流。西口与东口都为泥沙向陆输运的通道,而在中口则出现双向的泥沙流。3悬沙输运路径与通量由于观测数据时间与空间覆盖上的局限性,采用EFDC模型计算了黄茅海枯季的水动力、泥沙输运。EFDC模型是弗吉利亚海洋研究所的Hamrick开发的环境水动力模型,平面上采用曲线正交网格,垂向上采用σ坐标,湍模式采用Mellor-Yamada2.5阶模块。模型在时间与空间上具有二阶精度,并且将水动力与泥沙输运、水质等模块完全耦合,已广泛应用于河口海岸的水动力、泥沙输运与水质模拟研究中。采用2010年3月的实测资料对模型进行了细致的验证工作,模型结果中的水位、流速、盐度与实测值吻合良好,模拟的水位值与观测值的吻合度达0.95,流速与盐度的模拟值除局部站位略小外,大部分站位与实测值的相关性分别在0.9与0.8之间。悬沙含量的模拟值与实测值在相位和幅度上都具有较好的相关性,但比实测值波动幅度要小,且在靠近口门附近站位的模拟值要小于实测值。详细的模型介绍、边界条件与参数设置及模型的校验可参考文献[5,7,11]。这里只着重对模型结果进行分析。模型模拟时段为2010年2-3月,取最后一个月的数据,分析平均的悬沙输运路径与通量。模型计算中未考虑波浪的影响。计算结果见图15。从图中可以看出,悬沙输运在西口以大襟岛西角与岸线之间的断面为界,以南的输运方向为向海,以北则以向陆输运为主。我们推测,如果加入波浪的影响,断面以南的区域也将以向陆输运为主。这一推测得到Delft3D模型模拟结果的证实［11］。在大襟岛与荷包岛之间的中口,泥沙输运以向海为主,因此,中口成为枯季河流来沙与湾内侵蚀泥沙向海输运的主要通道。同时,在大襟岛周围发育一个顺时针的泥沙输运涡流。在荷包岛东侧的东口与高栏岛岬角之间,发育一个顺时针的泥沙输运涡旋,高栏岛一侧向海输运,荷包岛一侧向陆输运。而沿着荷包岛,可发现有一大的逆时针泥沙输运的涡旋。在大杧岛的西北侧与岸线之间,形成一个大的顺时针的泥沙输运涡旋,而在大杧岛与三角山之间的狭口,泥沙输运是向海的,在大杧岛与荷包岛之间的东槽上,存在着一个泥沙辐聚带,这与观测资料是吻合的(图14)。在大杧岛以北,东滩与西滩上的泥沙均为向陆输运。东槽内的泥沙输运在东槽拐弯点以下以向陆为主,这与水深较大、重力环流发育好而引起的近底向陆输运强有关。在东槽拐弯点至崖门射流拐弯点(图15中B点),东槽内泥沙为向海输运。进入崖门附近后至银州湖,出现浅滩向海、深槽向陆输运的格局。虎跳门内的泥沙为向海输运。值得说明的是,黄茅海内的泥沙输运呈现出高度的时空变化,它与外动力条件(径流、潮汐、风)的变化密切相关。这里给出的只是月平均值。一旦外动力条件发生变化,上述输运格局将发生相应的变化。在图16中给出了黄茅海西口、中口、东口的悬沙通量的变化过程。可以看出,西口基本以向陆输