福建围头湾悬沙输移机制分析

朱佳骅，孟艳秋，童朝锋，时 健

（河海大学港口海岸与近海工程学院，南京210098）

福建围头湾悬沙输移机制分析

朱佳骅，孟艳秋，童朝锋，时 健

（河海大学港口海岸与近海工程学院，南京210098）

根据福建围头湾大潮期间潮汐、潮流、悬沙实测资料，分析水流输运，同时利用机制分解法，将悬沙净输移通量分解为平流项、潮泵效应项和垂向净环流输移项，对悬沙输移的动力机制进行分析讨论。结果表明：金门岛东侧余流，部分流向湾口，部分流向安海湾。金门岛与大嶝岛之间的余流，沿涨潮流向湾内，悬沙净输移方向和余流方向保持一致；平流输沙对悬沙净输移起主导作用；水域潮泵输沙贡献较大；垂向净环流输沙影响较小。

悬沙输移；机制分解；余流；潮泵效应；垂向环流

海湾泥沙输移直接关系到海湾或者潮沟的海床演变，在河口海湾区域，泥沙输移动主要动力是径流、潮水、波浪等。为了解海湾泥沙运动规律，计算分析进出海湾泥沙通量，探究海湾泥沙输送机制，可更加便于掌握海湾演变规律。由Bowden等在1960年代开始提出的机制分解法近年来在河口海湾悬沙通量输移研究中得到良好应用［1-9］。采用机制分解法对悬沙输送的动力机制进行分解，分析各动力因子对泥沙输移的贡献度，可获得研究海域促使泥沙输运的控制动力因子。

福建围头湾是一典型的两头开放的海湾（图1），受潮汐动力作用，泥沙不断的在海湾内外进行交换，为了更好地了解围头湾内泥沙输运规律，根据围头湾观测点实测水文泥沙资料进行分析，阐明湾内余流规律，采用机制分解法，分析围头湾泥沙输移特征，并对平流输沙、潮泵作用和垂向环流作用进行探讨。

1 研究区域

围头湾位于福建省东南部，系金门岛与大陆围成的海湾，北侧为大陆，南侧是金门岛和小金门岛，西侧为厦门岛，海湾内海域总面积371 km2（图1）。围头湾内金门岛东西两侧各有两条较深潮汐通道，从东至西，分别是WT2-WT5潮沟，WT1-WT6潮沟，以及小金门岛左右两侧潮汐通道，其中东侧两潮汐通道有浅滩但无岛屿隔开，中间有串沟，东侧两潮沟和西侧两潮沟由金门岛和大嶝岛之间的潮汐通道相连，但是水深相对较浅。围头湾潮汐性质属于正规半日潮，潮差较大，最大潮差6.35 m，最小潮差2.11 m，平均潮差4.19 m，湾内潮差略大于湾口，涨、落潮历时相差不大。外海潮波通过金门断面—围头断面进入厦门海域，南面的潮波通过厦门东侧海区进入同安湾，北面的潮流经过围头湾，进入大嶝南侧大片浅水区，在澳头—金门五沙角断面附近海区，在涨潮过程与南面潮流汇合。落潮分为南北两支落潮流，与涨潮反方向向外海流出［10］。围头湾海域水域正规半日潮流占绝对优势，受潮沟地形制约，湾内潮流呈往复流，与潮波传播方向一致，涨潮流为西北偏西的方向，落潮流反之为东向偏东南向。湾内泥沙除部分由安海湾内的九溪雨季时开闸排洪带来，主要来源是海域来沙，在季风浪和潮流共同作用下，湾外浑水随涨潮流入湾，并随潮流来回搬运。湾内底沙粒径平均中值粒径为0.29 mm，由湾顶至湾口底沙逐渐变粗，湾顶底沙属粉砂淤泥质，湾中部底沙粒径达到0.4～0.6 mm，属粗砂，与围头湾外波浪动力较强有关。围头湾海区悬移质泥沙粒径较细，属粉砂或粘土质粉砂，正常条件下海域含沙量较低，冬季和夏季含沙量较为接近，湾内垂线平均含沙量在平面上的分布，除了安海湾口等近岸水域含沙量大外，金门岛与大陆之间的潮汐通道内含沙量比较均匀；在垂线分布呈现表层低、底层高的特点；涨潮期垂线平均含沙量大于落潮期。

图1 围头湾地形、测点位置及余流矢量图Fig.1Diagram of topography，measuring point position and residual current vector of Weitou bay

2 资料来源

分析数据直接采用现场观测水文数据和悬沙采样数据。潮位观测点位于围头角、石井、菊江和澳头站共4点，共进行连续29 h观测，平均涨潮历时分别为6h06min、6h08min、6h08min、6h05min，落潮历时分别为6h17min、6h15min、6h19min、6h06min。潮流观测点共布设9个点，分别为WT1～WT9，测站分布见图1，其中WT2、WT3、WT5布置在围头湾最东侧潮沟区域，WT1、WT2布置在金门岛东侧近岛侧潮沟水域，WT4布设于东侧两潮沟的串沟内，WT7、WT8为金门岛和大嶝岛之间水域，WT9布置于大金门岛和大嶝岛之间水域西侧潮沟内，各测点代表了不同的水域动力特征。测量时间为2010年1月17日06：00～18日09：00大潮，共进行连续28 h观测，采用直读式海流计SLC-92，测量观测采用六层法，沿水深分别为表层、0.2 H、0.4 H、0.6 H、0.8 H和底层。大潮观测期间主要为东北风，最大风速为11.7 m/s，海面最大波高为1.5 m。悬浮泥沙观测站位布设位置与海流观测站位一致，并与海流观测同步进行，采用三层法，各层位置为表层、0.6 H、底层。表1为围头湾水域测量的流速、水深、含沙量特征值，流速测量结果显示，湾内水流基本属往复流。

表1 围头湾水域流速、水深、含沙量特征值Tab.1 Characteristic values of tidal current，water depth and sediment concentration in Weitou bay waters

3 研究方法

3.1余流计算方法

在周期性变化的潮流水体中，流速u（t）可分解为沿水深垂向平均与垂向平均值的偏差项之和

式中：“-”为沿水深垂线平均的物理量。

同样，悬沙浓度可以分解为

水深H（t）可分解为潮平均H0和潮变化Ht之和

按照拉格朗日余流UL的物理意义，即水体在整数个潮周期时段内的随体平均速度

由此单宽潮平均输运量，即拉格朗日输运量＜Q＞为

式中：＜UE＞·H0为欧拉输运量；＜US＞·H0为斯托克斯漂流输运量。

3.2悬沙输移通量机制分解法

采用相对水深对瞬时物质输移量进行分解。潮周期T平均单宽悬沙净输移通量D的计算式为［12-13］

式中：D1是潮平均流输沙，即欧拉余流输沙；D2是潮汐波动与潮流变化的相关项，即斯托克斯漂移输沙，D1+ D2为平流输移，反映的是拉格朗日余流输沙。D3是潮流和垂线平均含沙量潮变化的相关项，D4是水深与垂向平均含沙量的潮变化相关项；D5是水深、垂线平均含沙量与潮流的潮变化相关项，D3、D4、D5等三项均有随潮汐变化的ct，因此D3+D4+D5被称为“潮泵效应”输运项；D6+D7为垂向切变输沙项，表示垂向净环流对输沙的贡献。

4 水流输运与悬沙输移结果

4.1水流输运

计算得到围头湾内各测点大潮期间垂线平均余流以及余流输运量（表2），表中落潮流方向为正，涨潮流方向为负。通过计算可知，各测站欧拉余流均小于0.1 m/s。WT2和WT4站余流沿落潮方向流出湾内，其余各测站欧拉余流均沿涨潮方向流向湾内。除了WT8站，各测站斯托克斯余流都小于欧拉余流。各测站斯托克斯余流大多沿涨潮方向流向湾内。拉格朗日余流大小接近欧拉余流，方向与欧拉余流保持一致，余流由WT2-WT5潮沟进入，金门岛东侧余流，部分流向湾口，部分流向安海湾，金门岛与大嶝岛之间的余流，沿涨潮流向湾西头输运，拉格朗日余流矢量图如图1。

表2 围头湾各测站余流流速及其输运量Tab.2Velocity and transport volume of residual current of sample stations in Weitou bay

图2 各测点余流及不同输沙项输沙矢量图Fig.2Vector chart of residual current and sediment transport of different sediment transport item at sample stations

WT9站的拉格朗日余流输运量最大，沿涨潮方向输运，WT2站的拉格朗日余流输运量仅次于WT9站，沿落潮方向输运，其余测站拉格朗日余流输运量相差不大。

4.2悬沙输移

根据式（7）计算得到各测点潮周期悬沙通量。图2为各测点余流和各输沙项潮周期输沙矢量图。表3为各输沙项的大小，方向与各输沙项占总输沙量的比例。

表3 围头湾各测点潮周期悬沙输移量与各分量的百分比Tab.3Tidal⁃averaged suspended sediment flux and the proportion of each dynamic term of sample stations in Weitou bay

悬沙净输移方向与余流方向基本一致，在大潮条件下，沿着大金门岛东侧的WT2～WT5潮沟进入，由湾口向湾内，主要沿着大金门岛和大嶝岛之间的潮汐通道向西输运，部分泥沙在大金门岛东侧两串沟进行了交换，由WT1～WT6潮沟经WT4所在串沟入WT2～WT5潮沟，一部分向湾口输运，另一部分向安海湾输运，总体而言，围头湾的泥沙输运方向与潮波传播方向一致，除WT2和WT4外，基本上是涨潮占优。围头湾潮平均含沙量各位置差异并不是很大，净输沙量与水深有密切关系，水深大则其净输沙量大，湾两侧的WT1、WT2和WT9各点水深相对大，因此其净输沙量也相对大，而在金门岛北水域WT7、WT8站，由于水深很小，相比于其他上述水深较大站点，净输沙量小。

对比各项，可以看出，决定泥沙输移动主要是D1～D5各项，即平流输沙和潮泵作用，D6～D7项影响非常有限。

5 机制分析

5.1平流输沙

由式（5）中各项组成可以看出，平流输沙实际为欧拉余流输沙和斯托克斯余流输沙共同作用引起的拉格朗日余流输沙效应，平流输沙项大小由潮周期平均水深、余流值、潮周期平均悬沙浓度决定。

平流输沙项中的潮平均流输沙项D1，其c0和H0为标量，其输运方向取决于当地涨落潮水流强度以及涨落潮历时的对比，即取决于欧拉余流u0，其方向、路径与欧拉余流一致。围头湾各点潮平均流输沙项D1方向与其各点净输沙方向基本一致，各点除WT2和WT4外，其余均沿着涨潮流方向，说明围头湾的平流输沙总体上是涨潮占优。测量表明围头湾潮平均含沙量各位置差异并不是很大，因此潮周期平均流输沙项D1的大小主要受水深影响，湾两侧的WT1、WT2和WT9各点水深相对大，平流输沙量也相对大，而在金门岛北水域WT7、WT8站水深较小，D1值相对小。

斯托克斯漂流输沙强度D2反映斯托克斯余流对悬沙输沙的贡献。围头湾斯托克斯漂流输沙量计算表明，相对于平均流输沙，斯托克斯漂流输沙总体上较小。D2的大小总体呈现如下特点：在潮沟深水区如WT1站的斯托克斯漂流输沙占总输沙的比重较小，大概是5％；浅水区的斯托克斯漂流输沙相当明显，尤其在WT8测站，D2占总输沙量的比例甚至超过D1，表明浅水区流速变化与水位变化的相关性相对于深水区更加明显。与潮平均流输沙方向比较，斯托克斯漂流输沙方向差异较大，甚至与潮平均流输沙方向相反。

可以得出，总输沙项中，平流输沙占主导部分。其中潮平均流输运项D1的数值最大，方向也与总输沙方向基本一致，说明平均流输沙在总输沙中占主导作用。深水区的平流输沙主要受潮平均流输沙控制，浅水区斯托克斯漂流输沙作用相对明显。

5.2潮泵作用

潮泵作用输沙实际是在潮汐周期动力作用下，泥沙颗粒在水体与河床之间周期性地再悬浮、下沉及水平输移，因潮流和含沙量的不对称性，产生净输沙。取其中4点WT3、WT4、WT7和WT9站观察其底层流速和含沙量的过程曲线，如图3～图6为围头湾其中四点的，负为涨潮流速，正为落潮流速。可以看出，各位置点最大含沙量出现在涨急稍后，说明在涨潮动力作用下，泥沙发生再悬浮；当转流期，泥沙颗粒发生沉降，浓度减小，落急时，尽管含沙量也有增加，但其依然比涨潮时期小。统计数据表1也可看出，各点涨潮平均含沙量基本大于落潮平均含沙量，涨潮平均流速大于落潮平均流速，在潮泥沙发生净输沙。因此在潮泵作用下，围头湾各点潮泵输沙方向基本为涨潮流方向。

对比平流输沙项，围头湾水域潮泵输沙比平流输沙作用小。各位置比较，潮泵输沙量占比例相对大的为WT3和WT9站，根据表1统计分析认为潮流和含沙量的不对称性强，涨潮平均明显大于落潮平均。在潮泵输沙项中，D3对总输沙量绝对值的贡献率最大，D4最小，这也表明潮泵输沙主要取决于潮流与含沙量的潮周期变化。

5.3垂向净环流输沙

垂向净环流输沙产生的原因是潮周期内，垂向各层余流强弱和方向不一致以及悬沙浓度垂向分布不均匀，在垂向上积分后不能相互抵消，产生净输移。因此垂向净环流输沙量取决于垂向各层余流和泥沙浓度的不一致性。为此可以从余流和悬沙浓度沿水深分布特性探讨垂向环流输沙。

图3 WT3站底层流速和含沙量过程线图Fig.3Phase relationship between velocity and sediment concentration in bottom layer at station WT3

图4 WT4站底层流速和含沙量过程线图Fig.4Phase relationship between velocity and sediment concentration in bottom layer at station WT4

图5 WT7站底层流速和含沙量过程线图Fig.5Phase relationship between velocity and sediment concentration in bottom layer at station WT7

图6 WT9站底层流速和含沙量过程线图Fig.6Phase relationship between velocity and sediment concentration in bottom layer at station WT9

图7 各测站垂向余流结构图（m/s）Fig.7Vertical residual current structure at sample stations

图7是各测站垂向余流结构图，负号表示涨潮方向，正号表示落潮方向。欧拉余流垂向上的变化表征潮动力和其他动力的优势对比。整个围头湾区域，各测站欧拉余流表底层方向一致，WT2和WT4站余流沿落潮方向向湾口流出，其余各站均沿涨潮方向流入湾内。斯托克斯余流表、底层大小基本相同，方向基本一致。WT8站，由于水深最浅，波浪非线性效应显著，斯托克斯余流较大。其余各测站斯托克斯余流均小于欧拉余流，表明欧拉余流起主导作用。表4为垂向各层拉格朗日余流及含沙量均值，WT1、WT5和WT6站表底层拉格朗日余流相差较大。WT1处在湾口位置，潮动力作用显著；WT5站处于安海湾口附近，表层径流和潮流剧烈作用，部分潮动力被径流抵消，而底层潮动力占明显优势，底层余流明显大于表层余流；WT6站地形转折以及狭管效应使得表底层流速大小出现较大差异。

表4 垂向各层拉格朗日余流及含沙量均值Tab.4Vertical distribution of Lagrange residual current and tidal⁃averaged suspended sediment concentration

分析表4可以看出，含沙量的垂直分布为由表层向下含沙量值逐渐增高。各测站底、表层含沙量比较值相差不大，表明围头湾内潮流作用强烈，垂线湍混强烈，悬沙混合均匀，垂向上的梯度差异很小。深水区的WT1和WT6站悬沙分层现象略明显，主要是深水区，悬沙难以被掀起到达表层。

综合余流和泥沙特性，WT1和WT6站垂向环流输沙效果较明显。总体上，垂向环流输沙取决于D6的大小，垂向环流输沙占总输沙的比重较小，大概是5％，小于潮泵作用输沙。

6 结论

运用机制分解法，分析福建围头湾大潮期间水沙输运机制，得到以下认识：

（1）金门岛东侧余流，部分流向湾口，部分流向安海湾。金门岛与大嶝岛之间的余流，沿涨潮流向湾内；悬沙净输移方向和余流方向保持一致。

（2）围头湾悬沙输移各输沙项中，平流输沙项占主导部分，深水区的平流输沙主要受潮平均流输沙控制，而浅水区斯托克斯漂流输沙作用明显。

（3）围头湾水域潮泵输沙贡献较大，涨落潮潮流和含沙量的差异导致悬沙产生净输移。

（4）垂向环流净环流作用占总输沙比重最小，湾内各层余流方向保持一致，含沙量垂向梯度差异小。

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Mechanism of suspended sediment transport in Weitou bay in Fujian

ZHU Jia⁃hua,MENG Yan⁃qiu,TONG Chao⁃feng,SHI Jian
（College of Harbor,Coastal and Offshore Engineering,Hohai University,Nanjing 210098,China）

According to tide and suspended sediment data of Weitou bay in Fujian during spring tide,the wa⁃ter transport was analyzed and the net transport flux of suspended sediment was divided into advection term,tidal pumping effect term and vertical circulation transport term by use of mechanism decomposition method.A discus⁃sion was made on the dynamic mechanism of suspended sediment transport.The result shows that part of the residu⁃al current in the east of Jinmen island flows to the bay mouth and part flows to Anhai bay.The residual current be⁃tween Jinmen island and Dadeng island flows to the bay.The direction of suspended sediment transport is consis⁃tent with that of residual current.Advection effect is a dominant factor and tidal pumping effect term plays an impor⁃tant role in suspended sediment transport.The vertical circulation transport term has a small proportion.

suspended sediment transport;mechanism decomposition;residual current;tidal pumping effect; vertical circulation

TV 142

A

1005-8443（2016）02-0121-07

2015-07-06；

2015-10-16

国家自然科学基金重点项目（51339005）；国家自然科学基金青年项目（51409094）

朱佳骅(1991-)，女，江苏省如皋人，硕士研究生，主要从事河口海岸动力学研究。

Biography：ZHU Jia⁃hua（1991-），female，master student.