珠江黃茅海河口洪季側(cè)向余環(huán)流與泥沙輸移

楊名名，吳加學(xué)，張乾江，任杰，劉歡

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珠江黃茅海河口洪季側(cè)向余環(huán)流與泥沙輸移

楊名名1，2，吳加學(xué)1*，張乾江1，任杰1，劉歡1

(1. 中山大學(xué) 海洋學(xué)院 近岸海洋科學(xué)與技術(shù)研究中心，廣東 廣州 510275；2. 廣東省海洋發(fā)展規(guī)劃研究中心，廣東 廣州 510220)

摘要：2012年洪季對珠江黃茅海河口灣側(cè)向動(dòng)力結(jié)構(gòu)與泥沙輸移過程進(jìn)行了系統(tǒng)觀測，采用動(dòng)量平衡和泥沙通量機(jī)制分解等方法，分析了河口流、溫鹽和泥沙側(cè)向分布特征以及泥沙輸移過程，探討了側(cè)向動(dòng)量平衡與泥沙輸移機(jī)制。洪季黃茅海河口存在明顯的側(cè)向流，西灘和北槽均形成表層向東、底層向西的兩層側(cè)向流，攔門沙灘頂呈現(xiàn)表、底層向西、中層向東的三層側(cè)向流，而攔門沙前緣側(cè)向流整體向西。河口灣縱向凈泥沙通量表現(xiàn)為北槽向海、西灘向陸，攔門沙灘頂及其前緣均向海；側(cè)向凈泥沙通量表現(xiàn)為灘頂及其前緣均向西，西灘向東、北槽向西。這種側(cè)向泥沙輻聚過程是高濃度懸沙聚集于灘槽界面的重要原因，向陸凈通量是西灘回淤的重要原因。灘槽間側(cè)向余環(huán)流動(dòng)量平衡主要是側(cè)向斜壓梯度力、科氏力和側(cè)向平流作用。歐拉平流輸運(yùn)在側(cè)向泥沙輸運(yùn)中起主要作用，潮泵效應(yīng)也起重要作用。

關(guān)鍵詞：側(cè)向環(huán)流；泥沙輸移；動(dòng)量平衡；寬淺河口；珠江；黃茅海河口

1引言

河口過程本質(zhì)上是三維的，然而為了便于理解或簡化處理，通常假定側(cè)向均勻，將重點(diǎn)集中在軸向動(dòng)力結(jié)構(gòu)與過程的分析。但是許多研究表明河口過程與物質(zhì)分布均表現(xiàn)出明顯的側(cè)向非均勻性，如潮流和余流的側(cè)向變化[1—6]，懸沙濃度的側(cè)向變化[7—11]，以及鹽度的側(cè)向變化[12—17]。對于寬淺河口，尤其是發(fā)育復(fù)式河槽的河口，側(cè)向變化明顯，側(cè)向均勻的假設(shè)并不成立。忽略側(cè)向物質(zhì)分布的不均勻性與側(cè)向動(dòng)力過程將導(dǎo)致對河口系統(tǒng)的認(rèn)識(shí)不夠完整，在河口治理與工程實(shí)踐中可能產(chǎn)生負(fù)面效應(yīng)。在長江口深水航道維護(hù)中，Liu等[18]發(fā)現(xiàn)南導(dǎo)堤越堤側(cè)向泥沙流可能成為影響航道運(yùn)行安全與維護(hù)成本的關(guān)鍵問題之一。華南河口大規(guī)模的邊灘圍墾使河口灣水域面積縮小，灘地變淺，河口出現(xiàn)明顯的萎縮現(xiàn)象，如黃茅海、伶仃洋等均有明顯的表現(xiàn)。實(shí)際操作中這些邊灘圍墾是依據(jù)所謂河口制導(dǎo)線規(guī)劃進(jìn)行的，這就提出了在河口治理實(shí)踐中的一個(gè)重要問題，即制導(dǎo)線規(guī)劃是否遵循寬淺河口發(fā)育的基本規(guī)律？當(dāng)側(cè)向邊界改變后，尤其是寬廣的邊灘大規(guī)模圍墾后，河口側(cè)向動(dòng)力條件改變，河口演變定會(huì)出現(xiàn)新的格局。這里涉及到一個(gè)基本的河口動(dòng)力學(xué)問題，即側(cè)向流與泥沙輸移在整個(gè)河口動(dòng)力系統(tǒng)中的作用如何？側(cè)向流是否因其強(qiáng)度較縱向流弱而可以忽略？

近年來河口側(cè)向泥沙輸移受到廣泛的關(guān)注，研究表明其在河口泥沙輸移過程中發(fā)揮重要作用。由于灘槽地形深度的側(cè)向變化大，河口水動(dòng)力特征呈現(xiàn)較強(qiáng)的側(cè)向變化，河口深槽比相鄰的淺灘發(fā)育更強(qiáng)的斜壓作用，層化和剪切不對稱更明顯，并能更有效地捕聚泥沙[19]。淺灘上環(huán)流和層化一般較弱，表層向海的徑流對近底層平均流影響更大。在美國切薩匹克灣海岸平原河口觀測到凈泥沙通量呈現(xiàn)淺灘向海、深槽向陸的側(cè)向分布格局[20—21]，同樣的輸沙分布格局出現(xiàn)在哈德遜河口下游[22]和約克河口[23]。淺灘向海的泥沙通量提供了另外一條泥沙輸移的路徑，對維持動(dòng)力地貌平衡具有重要的作用。河口余流的縱向和側(cè)向分布均影響物質(zhì)的輸運(yùn)[10—11，15—16，24—25]，泥沙的側(cè)向捕聚作用[7，26—29]表現(xiàn)突出。上述余流包括縱向余流和側(cè)向余流，本文主要探討側(cè)向余流的分布及其作用下側(cè)向泥沙輸移過程。以珠江黃茅海河口灣這個(gè)典型的寬淺河口為例，采用高分辨率的現(xiàn)場觀測、實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)和理論分析等方法，分析河口側(cè)向余環(huán)流與泥沙輸移擴(kuò)散過程，探討側(cè)向流對河口環(huán)流與泥沙輸移的影響，加深認(rèn)識(shí)寬淺河口動(dòng)力系統(tǒng)基本特征，為河口規(guī)劃治理與保護(hù)提供技術(shù)支持。

2研究區(qū)域概況

黃茅海河口灣位于珠江三角洲西部，地貌形態(tài)為喇叭狀的海岸平原河口，是一個(gè)典型的寬淺河口灣[30]。河口灣水下地形表現(xiàn)為“三灘、兩槽”的格局(圖1)。三灘指西灘、東灘和攔門沙淺灘；兩槽為主槽(又分北槽和東槽)和大襟島與荷包島之間的中口深槽。本文研究區(qū)域主要為包含攔門淺灘的河口灣中下游河段，水下地形特征為明顯的灘槽地形，東部為落潮沖刷槽，又稱北槽(深度5～12.4 m，寬度約1 000 m)，西部分布較寬的淺灘，又稱西灘(深度2.4～4 m，寬度約4 900 m)，淺灘與深槽之間存在寬約4 00 m的斜坡地形。該海區(qū)屬于亞熱帶季風(fēng)氣候，洪季降水充足，占全年80%左右，年內(nèi)分配不均。潮汐屬不規(guī)則半日潮，具有明顯的不對稱性，漲潮歷時(shí)和漲潮流速均小于落潮歷時(shí)與落潮流速，潮流為往復(fù)流特征。虎跳門水道和潭江是黃茅海海域懸沙主要來源，由虎跳門和崖門口輸入黃茅海的多年平均輸沙量分別為499萬噸和363萬噸[31]，總體以細(xì)顆粒泥沙為主，主要以懸移方式搬運(yùn)[32]。河口灣口門泥沙主要通過波浪掀沙和潮流輸送的方式進(jìn)入河口灣[33]。

3現(xiàn)場觀測與數(shù)據(jù)預(yù)處理

3.1現(xiàn)場觀測

近年來野外觀測技術(shù)和方法的進(jìn)步大大促進(jìn)了河口側(cè)向流觀測研究，最常用的觀測方式為橫斷面走航測量(表1)，可獲得分層流速、溫鹽和泥沙等特征量的側(cè)向分布。黃茅海河口灣水流基本為南北向的往復(fù)流，根據(jù)深槽的主流向定義側(cè)向流，將實(shí)測流速的北、東分量分別定義為縱向流和側(cè)向流分量，據(jù)此我們設(shè)計(jì)了橫斷面走航觀測的路徑和測量采樣方式與時(shí)間。在黃茅海河口灣中下游設(shè)計(jì)了4個(gè)橫斷面(I，J，K，L)，與定點(diǎn)站位觀測同步，兩次跨越灘槽定點(diǎn)站位進(jìn)行橫斷面走航調(diào)查，一次在漲潮期間，另一次在落潮期間。此次走航觀測采用船載、下視的River Surveyor(RS，1 000 kHz)，層厚0.3 m，層數(shù)90層，連續(xù)采樣，流速剖面采用5 s平均，走航船速小于4節(jié)(約1.6 m/s)，分層流速剖面的側(cè)向間隔約為8 m，橫斷面走航持續(xù)時(shí)間約為40 min。與前人觀測對比可看出此次走航觀測具有更高的時(shí)空分辨率(表1)。與走航流速觀測同步，用CTD(RBR)和OBS-3A采集了走航站位的溫度、鹽度和濁度的垂向剖面數(shù)據(jù)，采樣頻率均為1 Hz，垂向分辨率近似3 cm，并在局部進(jìn)行走航站位加密，例如本文關(guān)注的西灘、北槽、攔門沙灘頂、攔門沙前緣以及灘槽界面。

底邊界層觀測采用中山大學(xué)近岸海洋科學(xué)與技術(shù)研究中心自主設(shè)計(jì)研制的座底三腳架觀測系統(tǒng)。該系統(tǒng)穩(wěn)定性強(qiáng)，能實(shí)現(xiàn)底邊界層單層湍流、分層流速、溫鹽及濁度等項(xiàng)目的同步高分辨率測量[34—35]。2012年7月洪季大潮期間現(xiàn)場觀測持續(xù)49 h，包括兩個(gè)完整的潮周期。第一航次在北槽橫斷面J上布置兩個(gè)定點(diǎn)站位(圖1)，一個(gè)位于西灘(B1)，另一個(gè)位于北槽(A1)。定點(diǎn)站位采用船載聲學(xué)多普勒流速剖面儀(ADP-Nortek)記錄平均流速和流向，流速剖面1 min 平均，垂向分辨率深槽為30 cm、淺灘為20 cm。與定點(diǎn)流速觀測同步，用CTD和OBS-3A采集了整點(diǎn)時(shí)刻的溫度、鹽度和濁度的垂向剖面數(shù)據(jù)，采樣頻率均為1 Hz，垂向分辨率近似3 cm，同時(shí)分6層采集水樣進(jìn)行室內(nèi)含沙量分析，以供OBS-3A濁度信息的標(biāo)定。與此同時(shí)，在西灘B1和北槽A1站位分別布置一個(gè)座底三腳架系統(tǒng)，觀測底邊界層流(平均流和湍流)、溫鹽和濁度。座底三腳架上布置兩層高頻三維點(diǎn)式流速計(jì)(ADV-Nortek)，下層距底30 cm，上層距底110 cm，記錄局地流速度和方向，采樣頻率64 Hz。與ADV同層位布置有CTD和OBS-3A觀測溫度、鹽度和濁度，采樣間隔分別為1 min和1 s。第二航次集中在攔門沙灘頂B2及其前緣A2站位，儀器配置與采樣參數(shù)設(shè)置分別與第一航次西灘B1和北槽A1站位相同。

圖1　黃茅海河口灣水下地貌、現(xiàn)場觀測站位及走航斷面分布圖Fig.1　Subaqueous topography，field mooring sites and moving transects in the Huangmaohai Estuary1代表北槽，2代表西灘，3代表東灘，4代表東槽，5代表攔門沙淺灘，6代表中口深槽;走航斷面中僅標(biāo)出兩端剖面位置The figures 1 to 6 in the plot indicate North Channel，West Shoal，East Shoal，East Channel，the mouth bar，and the mouth channel，respectively. Only those terminal profiles were marked for the moving transects

橫斷面寬度/m側(cè)向觀測持續(xù)時(shí)間/min側(cè)向觀測剖面間距/m參考文獻(xiàn)300未知49Swift等[36]40009075Valle-Levinson等[1]20003075Cceres等[37]2700496Fugate等[10]400015～3015～200Buijsman等[38]1000～1200303Collignon和Stacey[39]1800～2000408本文

3.2數(shù)據(jù)預(yù)處理

在分析走航觀測的平均流速前需要對數(shù)據(jù)做預(yù)處理，通過船載GPS系統(tǒng)對RS底跟蹤流速剖面數(shù)據(jù)進(jìn)行校正，有必要對平均流速進(jìn)行低通濾波預(yù)處理，即將原始速度在水平方向上100 m和垂向上0.9 m進(jìn)行滑動(dòng)平均以消除隨機(jī)噪聲，但不影響結(jié)果的分析。同理對定點(diǎn)站位觀測平均流速需要進(jìn)行低通濾波預(yù)處理以消除隨機(jī)噪聲。

對于測得的高頻湍流流速數(shù)據(jù)，在使用前必須經(jīng)過嚴(yán)格的預(yù)處理，其處理過程主要包括數(shù)據(jù)有效性判斷、坐標(biāo)系旋轉(zhuǎn)、毛刺點(diǎn)判斷與替代、高通濾波和噪聲去除等過程[40]。經(jīng)過上述預(yù)處理過程，湍流數(shù)據(jù)質(zhì)量能得到有效保證，同時(shí)通過標(biāo)準(zhǔn)差閾值法檢測出信噪比(SNR)大于3倍標(biāo)準(zhǔn)差的不可信數(shù)據(jù)，并通過相鄰點(diǎn)位插值代替。

OBS-3A測得為濁度信息，需結(jié)合現(xiàn)場采集的水樣和室內(nèi)泥沙濃度分析，建立起濁度與泥沙濃度的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系。結(jié)果顯示，濁度與泥沙濃度具有較好的線性關(guān)系，A1、A2、B1和B2站位相關(guān)系數(shù)分別為0.79、0.74、0.81和0.64，具有較高的相關(guān)性[41]。

4理論分析

4.1側(cè)向動(dòng)量平衡分析

許多學(xué)者采用側(cè)向動(dòng)量平衡方程分析側(cè)向動(dòng)力作用[10—11，39，42]，其中Fugate等[10]采用走航橫斷面的數(shù)據(jù)來估算側(cè)向動(dòng)量平衡方程中各項(xiàng)作用力。由于走航橫斷面數(shù)據(jù)無法直接估算出正壓力，于是假設(shè)沒有測量誤差以及側(cè)向流速對側(cè)向動(dòng)量平衡的貢獻(xiàn)可以忽略，則科氏力與斜壓梯度力的和等于正壓梯度力，其值在垂向上一致，便可將科氏力項(xiàng)和斜壓梯度力項(xiàng)之和的深度平均值估算為正壓梯度力，再通過動(dòng)量平衡方程估算出余項(xiàng)，即加速度與摩擦力之和。故我們采用同一橫斷面上淺灘和北槽定點(diǎn)站位高質(zhì)量的同步時(shí)間序列數(shù)據(jù)(包括縱向和側(cè)向流速、密度垂向剖面數(shù)據(jù)和水位數(shù)據(jù))來計(jì)算側(cè)向動(dòng)量平衡項(xiàng)和凈平衡項(xiàng)。由于本文關(guān)注海域曲率半徑很大，可忽略離心加速度的影響，故側(cè)向動(dòng)量平衡方程可寫成如下形式：

(1)

(2)

4.2側(cè)向泥沙通量機(jī)制分解

由水流速度和懸浮泥沙濃度的乘積可求得瞬時(shí)泥沙通量。假設(shè)流速和濃度均可分解為平均量和潮振蕩量兩部分，則潮周期平均縱向泥沙通量可分解為余平流通量和潮振蕩通量之和[11，45]:

(3)

式中，u和c分別表示縱向流速和懸浮泥沙濃度，中括號(hào)表示潮平均量，波浪線表示潮振蕩量。式(3)右邊第一項(xiàng)表示由余流引起的平流輸運(yùn)項(xiàng)，簡稱余對流通量，第二項(xiàng)表示由潮泵作用引起的潮輸運(yùn)項(xiàng)，簡稱潮振蕩通量，一般與潮流時(shí)間變化有關(guān)，例如潮不對稱性，也可能包括擴(kuò)散通量的效應(yīng)。將式(3)中的流速換為側(cè)向流速即可求出潮平均的側(cè)向泥沙通量。

國內(nèi)對河口灣縱向泥沙輸移機(jī)制的探討較多[46—48]，然而對側(cè)向泥沙輸移機(jī)制的探討較缺乏，而且由于以往觀測手段相對較落后，例如采用直讀式海流計(jì)三點(diǎn)式觀測平均流，其分辨率較低，不利于反應(yīng)垂向環(huán)流的變化，可能會(huì)產(chǎn)生較大計(jì)算誤差。本文采用聲學(xué)多普勒流速剖面儀觀測到的高時(shí)空分辨率的流速數(shù)據(jù)分析垂向環(huán)流模式和泥沙通量，計(jì)算表明在部分流速方向表、底層差異較大的站位，聲學(xué)測量計(jì)算結(jié)果比三點(diǎn)式測量計(jì)算結(jié)果具有明顯的優(yōu)勢，能更精確地反應(yīng)環(huán)流垂向變化以及水沙輸移量。

(4)

同理，懸沙含量c(z,t)可分解為

(5)

考慮潮振蕩的影響，可將水深分解為潮平均量與潮變化量之和，即

(6)

則垂直于河道軸線單寬潮周期平均輸水量為

(7)

同理，垂直于河道軸線單寬潮周期平均懸沙輸移量為：

(8)

式中，T1為歐拉余流引起的懸沙輸移項(xiàng)，T2為斯托克斯漂流輸移項(xiàng)，T1+T2為平流輸移，即拉格朗日輸移項(xiàng)；T3為潮汐與懸沙潮變化相關(guān)項(xiàng)；T4為流速與懸沙潮變化相關(guān)項(xiàng)，T3+T4為潮泵作用；T5為垂向流速與懸沙變化相關(guān)項(xiàng)；T6和T7為時(shí)均與潮振蕩引起的剪切擴(kuò)散項(xiàng)；T8為垂向潮振蕩切變項(xiàng)。

5結(jié)果與討論

5.1平均流、鹽度和泥沙的潮內(nèi)變化

側(cè)向上，西灘縱向流速小于北槽，落潮縱向流速由表向底逐漸減小，漲潮最大流速出現(xiàn)在次表層(圖2)。西灘和北槽均存在較強(qiáng)的側(cè)向流，最大值分別為0.3 m/s和0.29 m/s，西灘落潮初期形成表層向東、底層向西的兩層側(cè)向流結(jié)構(gòu)，落潮中后期反向，表層向西、底層向東。北槽落潮期同樣存在表層向東、底層向西的兩層側(cè)向流結(jié)構(gòu)，漲潮期反向，表層向西、底層向東。西灘鹽度整體低于北槽，其鹽度層化弱于北槽。西灘和北槽懸浮泥沙濃度均隨縱向流速增大而升高，漲潮期西灘底層泥沙再懸浮至整個(gè)水層，而北槽底層泥沙再懸浮僅局限于近底層，懸浮泥沙濃度由表向底逐漸增大，但是落潮中后期北槽中層出現(xiàn)局地升高的懸浮泥沙濃度。

縱向上，攔門沙灘頂縱向流速大于其前緣，落潮流速由表向底遞減，而漲潮最大流速出現(xiàn)在次表層(圖3)。灘頂及其前緣存在較強(qiáng)的側(cè)向流，最大值分別為0.45 m/s和0.48 m/s，一般落潮期側(cè)向流整體向東、漲潮期整體向西，但在高高潮時(shí)灘頂形成表、底層向西、中層向東的三層側(cè)向流結(jié)構(gòu)。灘頂鹽度整體低于其前緣，其鹽度層化相對較弱。灘頂及其前緣懸浮泥沙濃度均隨縱向流速增大而升高，低低潮時(shí)灘頂?shù)讓幽嗌吃賾腋≈琳麄€(gè)水層，而其前緣底層泥沙再懸浮僅局限于近底層，漲、落潮懸浮泥沙濃度均是由表向底逐漸增大。

由北向南，橫斷面I、J、K、L的縱向流、側(cè)向流、鹽度和泥沙濃度均存在明顯的側(cè)向不均勻性和漲落潮不對稱性(圖4)。落潮期表層縱向流最大，而漲潮期次表層最大，一般淺灘縱向流速低于深槽。漲潮期側(cè)向流整體向西，落潮期整體向東，但是隨地形側(cè)向變化較大，局部出現(xiàn)兩層或三層的側(cè)向流結(jié)構(gòu)。一般淺灘鹽度低于深槽。值得注意的是，漲潮末期西灘與北槽之間轉(zhuǎn)折處的鹽度等值線下降，側(cè)向鹽度梯度逆轉(zhuǎn)，對應(yīng)東向的側(cè)向流(圖4a，b)。上述淺灘與深槽間的轉(zhuǎn)折處常出現(xiàn)明顯高于兩側(cè)水體的懸浮泥沙濃度，而此處發(fā)育側(cè)向流的輻聚和側(cè)向交換流結(jié)構(gòu)，因此推測側(cè)向流引起懸沙的側(cè)向?qū)α髋c灘槽間高濃度懸沙的形成。與北槽定點(diǎn)觀測類似，落潮中期橫斷面J深槽的中層同樣出現(xiàn)局地升高的懸浮泥沙濃度(圖4e)，對應(yīng)較強(qiáng)的東向側(cè)向流和鹽躍層位置，由底應(yīng)力計(jì)算證明此時(shí)西灘底層泥沙以再懸浮作用為主，而北槽以沉降作用為主(圖8g，h)，這說明深槽中層局地升高的懸浮泥沙濃度主要是由平流輸運(yùn)引起，而非局地泥沙再懸浮。

圖2　西灘站B1和北槽站A1同步縱向流速(a，b)，側(cè)向流速(c，d)，鹽度剖面(e，f)和懸浮泥沙濃度剖面(g，h)Fig.2　Time series of longitudinal velocity (a，b)，lateral velocity (c，d)，salinity (e，f) and suspended sediment concentration (g，h) at two concurrent sites B1 and A1黑色線表示實(shí)際海面，橫軸0表示2012年7月20日11：00，25表示2012年7月21日12：00The black line represent the actual sea level，the zero point on the abscissa axis started on 11：00 July 20th，2012，and the ending point on 12：00 July 21st，2012

圖3　攔門沙灘頂B2站及其前緣A2站的同步縱向流速(a，b)，側(cè)向流速(c，d)，鹽度剖面(e，f)和懸浮泥沙濃度剖面(g，h)Fig.3　Time series of longitudinal velocity (a，b)，lateral velocity (c，d)，salinity (e，f) and suspended sediment concentration (g，h) at two concurrent sites B2 and A2 黑色線表示實(shí)際海面，橫軸0表示2012年7月21日16：00，25表示2012年7月22日17：00The black line represent the actual sea level，the zero point on the abscissa axis started on 16：00 July 21st，2012，and the ending point on 17：00 July 22nd，2012

圖4　縱向流速(u)、側(cè)向流速(v)、鹽度和泥沙濃度的側(cè)向斷面分布Fig.4　Transect distributions of longitudinal velocity (u)，lateral velocity (v)，salinity and suspended sediment concentration左側(cè)為漲潮斷面，右側(cè)為落潮斷面，橫斷面I、J、K和L均沿東西方向分布，縱向流速(u)大小用圓點(diǎn)直徑表示The left column indicates during the flood tide，while the right column during the ebb tide,the transects I,J,K and L extend along the eastern direction, the diameter of dots indicates the magnitude of longitudinal velocity

圖5　定點(diǎn)站位側(cè)向歐拉余流(VE)、斯托克斯余流(VS)和拉格朗日余流(VL)垂向結(jié)構(gòu)(正值表示向東，負(fù)值向西)Fig.5　Vertical profiles of Eulerian，Stokes and Lagrangian residual currents at the mooring sites B1，A1，B2 and A2 (the positive value represents the eastern component，and the negative indicates the western component)

5.2余流結(jié)構(gòu)

余流的垂向結(jié)構(gòu)顯示，側(cè)向拉格朗日余流結(jié)構(gòu)基本與歐拉余流一致(圖5)。西灘和北槽均形成表層向東、底層向西的側(cè)向余環(huán)流結(jié)構(gòu)，攔門沙灘頂生成表、底層向西、中層向東的三層側(cè)向余環(huán)流結(jié)構(gòu)，而其前緣側(cè)向余流整體向西，側(cè)向余流模式與定點(diǎn)和走航斷面觀測的兩層側(cè)向流結(jié)構(gòu)一致。斯托克斯余流在西灘、北槽以及攔門沙前緣均整體向東，然而在攔門沙灘頂表層向西、底層向東，有助于加強(qiáng)灘頂三層側(cè)向余環(huán)流。

縱向余流存在明顯的側(cè)向差異，北槽縱向余流表層向海、底層向陸，西灘整體向海(圖9a，b)。北槽表層向海余流最大可達(dá)18 cm/s，是淺灘向海余流的兩倍多；底層向陸的余流也較大，最大值約11 cm/s。縱向余流的側(cè)向差異說明較淺的西灘受徑流影響更明顯，較深的河道受潮流影響更明顯。北槽較強(qiáng)的垂向余環(huán)流除了受北槽深度的影響外，西灘表層向東的側(cè)向流也會(huì)將表層向海的徑流搬運(yùn)至深槽表層，從而加強(qiáng)深槽內(nèi)表層向海、底層向陸的垂向余環(huán)流。同時(shí)，縱向余流也存在明顯的縱向差異，沿縱斷面Z由北向南分布的3個(gè)站位北槽站(A1)、攔門沙灘頂站(B2)及其前緣站(A2)縱向余流垂向分布顯示(圖9b，c，d)，由北向南表層向海的余流先增大后減小，底層向陸的余流逐漸減弱，垂向余環(huán)流向外海逐漸變?nèi)酢Ｓ山讓?距底0.3 m)余流分布也可看出，從北槽到攔門沙前緣，底層向陸的縱向余流逐漸減弱，側(cè)向余流呈現(xiàn)攔門沙灘頂內(nèi)側(cè)向東、外側(cè)向西的縱向分布格局(表2)。

表2　近底層余流和泥沙凈通量

注：表中正號(hào)表示向陸和向東。上層距底1.1 m，下層距底0.3 m，余流單位: m/s，泥沙通量單位: kg/(m2·s)。

5.3側(cè)向動(dòng)量平衡與泥沙輸移

5.3.1側(cè)向動(dòng)量平衡

根據(jù)西灘和北槽一個(gè)潮周期的速度和密度數(shù)據(jù)可求出北槽側(cè)向動(dòng)量平衡項(xiàng)的潮平均值，計(jì)算結(jié)果如圖6所示。潮平均縱向余流的垂向剪切(表層向海，底層向陸)產(chǎn)生比較明顯的表層向西、底層向東的平均科氏力項(xiàng)。在近表層潮平均的斜壓梯度力很小，潮平均的正壓梯度力接近0，遠(yuǎn)小于科氏力，表層向東的平均側(cè)向?qū)α黜?xiàng)與表層向西的平均科氏力近似平衡。由表向底側(cè)向斜壓梯度力逐漸增大，近底層明顯增強(qiáng)的向西的斜壓梯度力主要由北槽與西灘的側(cè)向密度差異引起，其值大于科氏力和側(cè)向?qū)α黜?xiàng)的合力，故產(chǎn)生表層向東、底層向西的平均局地加速度項(xiàng)，驅(qū)動(dòng)北槽內(nèi)表層向東、底層向西的側(cè)向余環(huán)流。由實(shí)測數(shù)據(jù)計(jì)算得到的平均加速度項(xiàng)表、底層反向，基本與北槽內(nèi)所觀測到的表、底層反向的側(cè)向余環(huán)流方向一致。

圖6　北槽A1站潮平均的側(cè)向動(dòng)量平衡項(xiàng)垂向分布Fig.6　Vertical profiles of lateral momentum balance terms averaged over the tidal cycle at the mooring site A1

以往研究認(rèn)為在層化河口中，潮時(shí)間尺度內(nèi)側(cè)向動(dòng)量平衡大部分為地轉(zhuǎn)平衡，側(cè)向流由更高階的非地轉(zhuǎn)項(xiàng)驅(qū)動(dòng)[49]。本文計(jì)算結(jié)果顯示潮平均的側(cè)向余環(huán)流主要由非地轉(zhuǎn)項(xiàng)驅(qū)動(dòng)，其側(cè)向動(dòng)量平衡項(xiàng)主要為側(cè)向斜壓梯度力和科氏力，局地加速度項(xiàng)和側(cè)向?qū)α黜?xiàng)對側(cè)向動(dòng)量平衡起重要作用，驅(qū)動(dòng)表層向東、底層向西的側(cè)向余環(huán)流。側(cè)向動(dòng)量平衡項(xiàng)在表層平衡性較差，可能是由于忽略了垂向?qū)α髯饔庙?xiàng)的原因，由上述量級(jí)分析可知側(cè)向流的垂向剪切較強(qiáng)，特別是在鹽躍層位置，垂向?qū)α髯饔孟鄳?yīng)加強(qiáng)，故垂向?qū)α髯饔脤?cè)向余環(huán)流的發(fā)育也可能起重要作用，其貢獻(xiàn)有待做進(jìn)一步探討。以往觀測與理論研究表明漲潮期非層化條件下側(cè)向環(huán)流的形成機(jī)制主要為差異平流引起的側(cè)向密度梯度、科氏力或斜坡地形的擴(kuò)散底邊界層等密度線的傾斜[50]，數(shù)值模擬理想條件下部分混合河口側(cè)向環(huán)流由邊界混合或軸向風(fēng)應(yīng)力驅(qū)動(dòng)[27—28]，近期現(xiàn)場觀測到的彎曲河口強(qiáng)混合和層化條件下曲率主導(dǎo)的側(cè)向環(huán)流[43]以及部分混合的順直河口中灘槽間斜坡界面處落潮期多次翻轉(zhuǎn)的側(cè)向環(huán)流[39]計(jì)算結(jié)果均證實(shí)非線性對流項(xiàng)對側(cè)向環(huán)流的形成起主導(dǎo)作用，并引起側(cè)向環(huán)流的潮內(nèi)變化，本文由潮平均時(shí)間尺度上的側(cè)向余環(huán)流的動(dòng)力平衡分析證實(shí)了側(cè)向?qū)α黜?xiàng)的重要作用，層化條件下側(cè)向環(huán)流模式的高度復(fù)雜性的機(jī)制分析仍有待進(jìn)一步認(rèn)識(shí)，例如文中未考慮的的垂向?qū)α髯饔谩?cè)向內(nèi)假潮響應(yīng)[51]、側(cè)向地形效應(yīng)以及側(cè)向應(yīng)變作用等。

5.3.2泥沙輸移

為了分析底部泥沙再懸浮動(dòng)力，利用渦動(dòng)相關(guān)法計(jì)算底部剪切應(yīng)力[52]，如式(9)所示，式中τ0為底應(yīng)力，u*為摩阻流速，u′，v′，w′分別為縱向流、側(cè)向流和垂向流的脈動(dòng)速度，ρ為水體密度。

(9)

計(jì)算結(jié)果顯示，垂向積分的側(cè)向泥沙通量潮內(nèi)變化明顯(圖7)。北槽側(cè)向泥沙通量約為淺灘的兩倍，西灘側(cè)向泥沙通量的整體趨勢為落潮向東、漲潮向西，而北槽為落潮向西、漲潮向東(圖7e，f)，落潮時(shí)側(cè)向泥沙通量傾向于在西側(cè)灘坡處形成側(cè)向泥沙輻聚，漲潮時(shí)側(cè)向泥沙通量傾向于在西側(cè)灘坡處輻散。北槽內(nèi)泥沙除了受沉降和再懸浮作用外，還受對流作用的影響，以底部泥沙起動(dòng)臨界應(yīng)力(0.2 N/m2)為參考值，落潮期西灘底應(yīng)力較大，底層泥沙再懸浮作用較強(qiáng)，而北槽漲潮期底層泥沙再懸浮作用較強(qiáng)(圖7g，h)。

圖7　西灘B1站與北槽A1站垂向平均的縱向流速(a，b)，垂向積分的縱向泥沙通量(c，d)，垂向積分的側(cè)向泥沙通量(e，f)和底應(yīng)力(g，h)(側(cè)向或縱向正值分別表示向東或向陸)Fig.7　Vertically-averaged longitudinal velocity (a，b)，vertically-integrated longitudinal sediment fluxes (c，d)，vertically-integrated lateral sediment fluxes (e，f)，and bottom stresses (g，h) at two concurrent sites B1 and A1(the positive values of lateral and longitudinal quantities indicate eastern and landward components，respectively)

側(cè)向泥沙通量分解結(jié)果顯示，影響側(cè)向泥沙輸移的主要有歐拉平流輸運(yùn)(T1)、斯托克斯效應(yīng)輸沙(T2)、潮汐與懸沙潮變化相關(guān)項(xiàng)(T3)和流速與懸沙潮變化相關(guān)項(xiàng)(T4)(圖8)，其中歐拉平流輸運(yùn)(T1)起主要作用，潮泵效應(yīng)(T3+T4)也起重要作用，歐拉平流輸移(T1)均產(chǎn)生向西的泥沙輸移量，除灘頂外，斯托克斯效應(yīng)輸沙(T2)均產(chǎn)生向東的泥沙輸移量，4個(gè)站位潮汐與懸沙含量變化相關(guān)項(xiàng)引起的輸沙(T3)均向東，而潮汐捕聚引起的輸沙項(xiàng)(T4)在攔門沙內(nèi)側(cè)向東、外側(cè)向西。總的側(cè)向凈泥沙輸移量(TSUM)分布呈現(xiàn)攔門沙灘頂及其前緣向西，而西灘向東、北槽向西，灘槽間反向的泥沙通量形成泥沙輻聚區(qū)，是高濃度懸沙聚集于灘槽界面的重要原因。縱向上，側(cè)向凈泥沙輸移量由北向南遞增。

圖8　西灘站(B1)、北槽站(A1)、攔門沙灘頂站(B2)及其前緣站(A2)單寬潮周期平均側(cè)向泥沙通量分解項(xiàng)(T1-T8)和凈側(cè)向泥沙通量(TSUM)(正值向東)Fig.8　Tidally-averaged lateral fluxes and net fluxes of sediments per unit width at the mooring sites B1，A1，B2，and A2 (the positive values indicate eastern components)

圖9　西灘B1站、北槽A1站、攔門沙灘頂B2站及其前緣A2站潮平均的矢量，a-d為潮平均的縱向流，e-h為余對流通量，i-l為潮振蕩通量，m-p為總懸浮泥沙通量(正值向海)Fig.9　Tidally-averaged longitudinal current (a-d)，residual advection fluxes (e-h)，tidally oscillatory fluxes (i-l)，total fluxes (m-p) of suspended sediments (the positive values indi-cate seaward components)

圖10　西灘B1站、北槽A1站、攔門沙灘頂B2站及其前緣A2站垂向平均余流(a)和凈泥沙輸移通量(b)(虛線橢圓表示側(cè)向泥沙輸移輻聚區(qū))Fig.10　Vertically-averaged residual currents and net fluxes of suspended sediments at the mooring sites B1，A1，B2，and A2 (the dashed ellipse indicates the convergence of lateral sediment transports)

圖11　灘槽橫斷面縱向和側(cè)向歐拉余流(a)、斯托克斯余流(b)以及凈泥沙通量(c)分布(虛線橢圓表示側(cè)向泥沙輸移通量輻聚區(qū))Fig.11　Diagram of transect distributions of Eurian (a) and Stokes (b) residual currents，and net sediment fluxes (c) (the dashed ellipse indicates a convergence of lateral sediment transports)

縱向泥沙通量存在明顯的側(cè)向差異和縱向差異。側(cè)向上，西灘與北槽余對流泥沙通量與余環(huán)流結(jié)構(gòu)一致(圖9)，而潮通量與余環(huán)流結(jié)構(gòu)差異較大。西灘潮通量整體向陸，與向海的余對流通量方向相反，且量級(jí)更大，強(qiáng)化了西灘向陸的泥沙輸移，縱向凈通量表層向海、底層向陸，向陸凈通量明顯大于向海凈通量。北槽潮通量表層向海、底層向陸，但是向海潮通量的最大值出現(xiàn)在中層，大于向陸的潮通量，強(qiáng)化了北槽中層的向海通量，縱向凈通量表層向海、底層向陸，且向海凈通量大于向陸凈通量。垂向平均的縱向凈泥沙通量呈現(xiàn)出北槽向海、西灘向陸的側(cè)向分布格局。縱向上，灘頂向海的潮通量顯著大于其上、下游，主控灘頂向海的凈泥沙通量。灘頂潮通量顯著大于余對流通量，且整體向海，總的縱向凈通量整體向海，而其前緣潮通量大小與余對流通量相當(dāng)，均為較弱的向海通量。由北向南，向海的縱向凈泥沙通量先增大后減小，在攔門沙灘頂最大。

西灘、北槽以及攔門沙前緣側(cè)向余流均強(qiáng)于縱向余流，攔門沙灘頂縱向余流略強(qiáng)于側(cè)向余流，側(cè)向余流整體向西，縱向余流分布呈現(xiàn)出西灘向陸、北槽向海的側(cè)向分布格局(圖10)。攔門沙上游縱向凈泥沙通量大于側(cè)向通量，下游縱向凈泥沙通量小于側(cè)向通量，整體上縱向凈泥沙通量與側(cè)向通量量級(jí)相當(dāng)，河口灣中部懸沙整體向西南輸移。側(cè)向泥沙輸運(yùn)彌補(bǔ)了縱向泥沙輸運(yùn)的側(cè)向不平衡，對河口泥沙平衡具有重要作用，例如西灘向陸的縱向凈泥沙通量顯著大于向東的側(cè)向凈通量，北槽向海的縱向凈通量顯著大于向西的側(cè)向凈通量，這種泥沙輸移的不平衡也是西灘回淤和灘坡淤積的重要原因。另外，由近底層(距底0.3 m和1.1 m)余泥沙通量分布可看出，側(cè)向余泥沙通量呈現(xiàn)攔門沙灘頂上游向東、下游向西的縱向分布格局(表2)，灘頂上、下游反向的側(cè)向泥沙輸移過程趨向于在灘頂?shù)撞坎毒勰嗌常赡軙?huì)對攔門沙淺灘地形演變產(chǎn)生重要影響，說明除了前人研究的縱向泥沙過程外，對河口最大渾濁帶演變機(jī)制的研究也需要考慮側(cè)向泥沙輸移過程。

綜上所述，在部分混合的寬淺河口灘槽斷面處側(cè)向和縱向余環(huán)流結(jié)構(gòu)以及凈泥沙通量分布可概括為一個(gè)概念模型(圖11)，西灘和北槽側(cè)向歐拉余流均為表層向東、底層向西，側(cè)向斯托克斯余流均整體向東，西灘向東的側(cè)向凈泥沙通量與北槽向西的側(cè)向凈泥沙通量在西側(cè)灘坡處輻聚。西灘縱向歐拉余流向海而縱向斯托克斯余流向陸，縱向凈泥沙通量向陸，而北槽縱向歐拉余流、斯托克斯余流均是表層向海、底層向陸，縱向凈泥沙通量向海。西灘向陸、北槽向海的縱向凈泥沙通量分布差異與側(cè)向余環(huán)流相關(guān)，西灘表層向東、底層向西的歐拉余流傾向?qū)⒈辈鄣讓酉蜿懙挠嗔鲗α髦廖鳛c向陸的斯托克斯余流共同作用，加強(qiáng)西灘向陸的泥沙輸移。西灘向東的斯托克斯余流與表層向東、底層向西的歐拉余流相互作用，導(dǎo)致西灘產(chǎn)生向東的凈泥沙輸移。

6結(jié)論

根據(jù)2012年洪季對珠江黃茅海河口灣側(cè)向動(dòng)力過程的系統(tǒng)觀測，開展動(dòng)量平衡與泥沙輸移機(jī)制分析，分析了河口流、溫鹽和泥沙側(cè)向分布特征以及泥沙輸移過程，探討了側(cè)向動(dòng)力與泥沙輸移機(jī)制，得到以下主要結(jié)論：

(1)洪季黃茅海河口存在明顯的側(cè)向流，河口灣中部縱向流、側(cè)向流、鹽度和泥沙濃度均存在明顯的側(cè)向不均勻性。

(2)西灘和北槽均形成表層向東、底層向西的兩層側(cè)向余環(huán)流，攔門沙灘頂呈現(xiàn)表、底層向西、中層向東的三層余環(huán)流，其前緣側(cè)向余流整體向西。

(3)縱向凈泥沙通量呈現(xiàn)北槽向海、西灘向陸的側(cè)向分布格局，灘頂及其前緣均向海，而灘頂及其前緣側(cè)向凈泥沙通量均向西，西灘向東、北槽向西，灘槽間側(cè)向泥沙輻聚過程是高濃度懸沙聚集于灘槽界面的重要原因，西灘向陸的凈泥沙通量是西灘回淤的重要原因。

(4)灘槽間順時(shí)針的側(cè)向余環(huán)流主要驅(qū)動(dòng)力為側(cè)向斜壓梯度力、科氏力和側(cè)向?qū)α髯饔谩W拉平流輸運(yùn)在側(cè)向泥沙輸運(yùn)中起主要作用，潮泵效應(yīng)也起重要作用。

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收稿日期：2015-02-11；

修訂日期：2015-04-13。

基金項(xiàng)目：國家重大科學(xué)研究計(jì)劃(2013CB956502)；國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(41276079，41176067)。

作者簡介：楊名名(1988—)，男，河南省確山縣人，主要從事河口海岸動(dòng)力研究。E-mail:ymm198816@163.com *通信作者：吳加學(xué)(1968—)，男，湖北省漢川市人，教授，博導(dǎo)，從事海洋沉積動(dòng)力過程、湍流混合以及沉積物聲學(xué)研究。E-mail:wujiaxue@mail.sysu.edu.cn

中圖分類號(hào):TV148

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：0253-4193(2016)01-0031-15

Lateral residual circulation and sediment transport during the flood season in the Huangmaohai Estuary，Pearl River

Yang Mingming1，2，Wu Jiaxue1，Zhang Qianjiang1，Ren Jie1，Liu Huan1

(1.CenterforCoastalOceanScienceandTechnology，SchoolofMarineSciences，SunYat-senUniversity，Guangzhou510275，China; 2.GuangdongCenterofMarineDevelopmentResearch，Guangzhou510220，China)

Abstract:Systematic observations of lateral flows and sediment transport were conducted in the 2012 flood season in a wide and shallow estuary of Huangmaohai，Pearl River. The lateral distributions of flows，salinity and sediment were identified，and the lateral dynamics and the mechanism of sediment transport were examined. Lateral flows were found to indeed occur in the estuary. A two-layer lateral residual flow developed on the west shoal and in the North Channel，a three-layer lateral residual flow developed on the top of the mouth shoal，and a lateral residual flow was directed westwards downstream of the mouth shoal. Net longitudinal sediment dispersal appeared that seaward transports occur in the deep channel，landward transports on the west shoal，and seaward transports on and downstream of the mouth shoal. Net lateral sediment transport existed that the westward transport appears on and downstream of the mouth shoal，while the westward transport occurs in the North Channel and the eastward transport on the west shoal. The reverse lateral sediment transport between the channel and the shoal resulted in the sediment convergence near the deep channel. The landward sediment fluxes on the west shoal plays an important role in the deposition of the west shoal. The mean lateral momentum balance showed that a clockwise lateral residual circulation (looking landwards) is controlled by the interaction between Coriolis effect and lateral baroclinic forcing. Lateral advection influences greatly the lateral dynamics，which has been regarded to be unimportant. The mechanism decomposition of lateral sediment fluxes over a tidal cycle showed that the lateral sediment transport is driven mainly by the Eulerian advection and tidal pumping．

Key words:lateral residual circulation; sediment transport; momentum balance; wide and shallow estuary; Pearl River；Huangmaohai Estuary

楊名名，吳加學(xué)，張乾江，等. 珠江黃茅海河口洪季側(cè)向余環(huán)流與泥沙輸移[J]. 海洋學(xué)報(bào)，2016，38(1): 31-45，doi:10.3969/j.issn.0253-4193.2016.01.004

Yang Mingming，Wu Jiaxue，Zhang Qianjiang，et al. Lateral residual circulation and sediment transport during the flood season in the Huangmaohai Estuary，Pearl River[J]. Haiyang Xuebao，2016，38(1): 31-45，doi:10.3969/j.issn.0253-4193.2016.01.004