水利工程论文-杭州湾口悬沙浓度变化与模拟.doc

水利工程论文-杭州湾口悬沙浓度变化与模拟摘要：本文对杭州湾口15个测站的大、中、小潮悬沙浓度的变化规律进行了分析，得出大小潮周期流速变化和水位变化是该海区各站悬沙浓度变化的主要影响因素。通过分析研究，建立了单点测站悬沙浓度变化与水位和大小潮最大流速的关系模型，用该模型的计算结果与实测资料进行比较，拟合程度较好，对于整个大小潮周期悬沙浓度的连续变化可采用该模型进行估算。关键词：悬沙浓度模型杭州湾口1前言在淤泥质河口、海岸地区，粘性细颗粒悬移质泥沙浓度是港口、航道及有关海岸工程一个普遍关心的问题。由于海岸地区物理过程复杂，悬沙浓度(含沙量)表现为一个随机性很强的变量，不同的水动力环境，悬沙浓度出现不同的变化特征。一般来讲，近岸海区悬沙浓度的变化受制于潮周期、大小潮周期和邻近河口的洪枯季等不同时间尺度的变化，以及潮流、波浪、底部剪切力、泥沙来源、海底地形等诸多因素的影响。因而悬沙浓度的变化规律应根据不同研究区域的特点来加以分析。悬沙浓度的变化对于观测点在某个时间段，如大、中、小潮来讲，主要与底部泥沙侵蚀与落淤以及平流作用有关。Clarke和Elliott(1998)1在平流作用较小的河口湾地区将悬沙浓度变化与底部泥沙的侵蚀与水体泥沙的落淤之差联系起来，建立了一个单点悬沙浓度模型，通过确定侵蚀与沉积的临界值参数来模拟泥沙浓度的变化，得到研究的地区悬沙浓度变化与涨落潮流速有非常好的对应关系。然而，在杭州湾口由于图1研究区域位置与水文泥沙观测站位Mapofresearchareaandobservedstationpositions潮差较大，潮流作用强劲，并且受到长江口杭州湾泥沙扩散的影响，湾口内外泥沙浓度存在较明显的水平梯度，因而泥沙浓度变化除了受到流速变化影响外，涨落潮水位变化引起的平流作用也有明显的作用。本文主要是根据杭州湾口崎岖列岛附近海区(图1)，1996年10月下旬15个测站大、中、小潮三次周日水文泥沙实测资料，通过悬沙浓度变化规律的分析，建立各测点悬沙浓度预测模型，从而可计算大小潮周期悬沙浓度的连续变化值。2研究区域本文研究区域位于杭州湾口北部海域，处于长江口外海滨与杭州湾口交接地带的强动力环境。水体中悬浮泥沙粒径级配以单峰为主，粒径分布变化较小，峰值多在5.04m左右，平均值在5.4m，属于粘性细颗粒泥沙的范畴。由于该处为长江口入海径流所携带泥沙的扩散范围2，其泥沙来源主要为长江口直接扩散泥沙和潮流携来的海域泥沙，后者的最初来源亦为长江口。杭州湾口实际上也是长江口外水下前三角洲的延伸部分，底部物质组成较细，以细颗粒沉积物为主，最常见的沉积物类型为粘土和粉砂。在上述泥沙来源和海底物质组成的背景下，该海区由于受到特殊的水动力条件的作用，水体中悬沙浓度变化具有独特的规律。2.1水动力条件杭州湾口的潮汐主要受东海前进波系统制约，且以M2分潮起支配作用，潮汐性质属于非正规半日浅海潮。潮汐强度中等，据大洋山临时验潮站一个月(1996年1011月)的观测资料，平均潮差2.79m，最大潮差4.28m，最大可能潮差5.30m。落潮历时(平均6h40min)略大于涨潮历时(平均5h47min)。研究区各测点潮流椭圆长轴比WK1+WO1/WM2介于0.250.35之间，平均为0.29,均小于0.5，说明潮流类型为半日潮流性质，但浅水分潮较强，因而潮流性质也称为不正规半日浅海潮流。表征潮流旋转性质的椭圆率K值，变化范围在0.010.25之间，故总体态势，本海区的潮流为往复流性质。涨潮方向为274294，落潮方向为94114。研究区潮流流速较大，大潮汛时实测最大涨、落潮流速分别可达2.55m/s和3.09m/s。流速从大潮至小潮逐渐减小，实测最大流速中潮比大潮减小10左右，小潮比大潮减小约40%。图2研究区悬沙浓度分布Distributionofsedimentconcentrationfortheresearcharea2.2悬沙浓度变化海水中悬沙浓度的变化是泥沙运动的重要表现形式，悬沙浓度时空上的变化反映了不同的动力作用和水深环境条件下的结果。研究区悬浮于水体中的泥沙为粘性细颗粒泥沙，在强潮作用的杭州湾口泥沙不易沉降，悬浮于水体中的时间较长，在憩潮流速较缓时，近底层泥沙即使落于海床，但未经密实，又为接踵而来的高速水流掀起，悬浮泥沙表现为随潮往复搬运，这是该地区泥沙运动的基本形式。研究区平均含沙量为1.510kg/m3，属高悬沙浓度海区。平均含沙量的平面分布表现为西高东低(图2)，即由湾口向外海悬沙浓度逐渐降低，并且在崎岖列岛峡道西侧喇叭口形成一个相对较高的高悬沙浓度分布区，含沙量等值线近南北走向。这主要是由于西侧水深浅，并在峡道强潮流速和NWSE流向的作用下，迫使向南移动的长江口冲淡水朝西北方向偏移，从而出现西部含沙量高，而东部海域较低的特征。图3悬沙浓度与流速、水位之间的关系Extractsfromobservedsedimentconcentration,velocityandwaterleveldatafromfivestations图3为研究区其中5个测站大、中、小潮的悬沙浓度、流速和水位变化过程曲线。从图中可以看出，各测站悬沙浓度变化的总体趋势是大潮悬沙浓度最高、中潮次之，小潮最低；大、中、小潮各潮汛的涨、落潮含沙量相差不多。大潮平均含沙量为2.177kg/m3,中潮为1.672kg/m3,小潮仅0.479kg/m3,这显然与大潮流速大于中潮和小潮，即大小潮周期流速变化有关。表1列举了研究区(崎岖列岛及其附近海区)各测站大、中、小潮的平均悬沙浓度及其比值与相应的平均最大流速及其比值。总体上，大、中、小潮悬沙浓度的平均比值为4.53.41，平均最大流速比值为2.31.61，即大潮的最大流速为小潮的2.3倍，而大潮的含沙量为小潮的4.5倍，这表明流速增加1倍含沙量约增加2倍。因此，大小潮周期悬沙浓度的变化与潮流月相的周期变化关系是非常密切的，而且大致呈上述这样一种线性关系。悬沙浓度因潮汛而异，而在同一潮汛又随时间而呈周期变化。通常悬沙浓度随水位的增加而降低，在高潮位时含沙量较低，而在低潮位时含沙量较高。这主要是由于涨潮时外海悬沙浓度相对较低的水体进入杭州湾口，悬沙浓度逐渐降低；而落潮时悬沙浓度相对较高的水体向外海传送，悬沙浓度逐渐增大，这就是泥沙的平流作用。各测站潮流流速对悬沙浓度的影响较小，特别是在水深较大的测站，如W3站水深达33m,流速的影响极小。而在水深较浅的测站流速对悬沙浓度略有影响，但相对是次要的。因此，在杭州湾口及湾外，泥沙的平流作用起着主导作用，就单个测站一个潮周期内来讲，流速变化引起的垂向泥沙交换相对是次要的。通常在河口和河口湾内一个潮周期内悬沙浓度变化与流速有较密切的关系，流速增强时底部泥沙受到冲刷，悬沙浓度增高；而当流速降低到一定程度时，水体中泥沙落淤，悬沙浓度降低。然而，在杭州湾口这种关系由于受到较大潮差与水位变化引起的涨落潮水体所携泥沙运移所掩盖，从而表现为在一个潮周期内悬沙浓度变化与流速没有上述明显的对应关系。这在其它有关文献3中也发现有这一现象。表1杭州湾口各站垂线平均悬沙浓度与平均最大流速特征AverageverticalsuspendedsedimentconcentrationsandmaximumvelocitiesatthestationsofHangzhouBaymouth测站LI1LI2B1B2B3B4B5大含沙量2.3602.8402.9712.3992.2912.4892.526潮流速2.352.602.512.512.492.482.37中含沙量1.8302.2922.0201.6881.4631.9801.723潮流速1.691.871.811.801.791.781.70小含沙量0.3720.4490.5320.3900.4650.4560.379潮流速1.031.141.101.101.091.091.04含沙量比6.34.916.35.115.63.816.24.314.93.215.54.316.74.51流速比2.31.612.31.612.31.612.31.612.31.612.31.612.31.61测站P1P2P3P4P5W1W2W3大含沙量3.0172.6382.2891.6202.0121.2401.1230.838潮流速2.442.001.541.812.462.412.211.90中含沙量2.6351.8971.4271.1231.5581.0160.8210.437潮流速1.751.441.111.301.771.731.591.36小含沙量0.6340.5860.7140.5600.3560.3630.2600.166潮流速1.070.880.680.791.081.060.970.83含沙量比4.84.114.53.213.22.312.92.015.74.413.42.814.33.215.02.61流速比2.31.612.31.612.31.612.31.612.31.612.31.612.31.612.31.61单位：含沙量kg/m3,流速m/s3悬沙浓度模型通过上述分析，悬沙浓度P的变化主要与水位h变化和大小潮周期流速变化U有密切关系。据此，大小潮周期内悬沙浓度的变化可用如下函数形式表示P(t)=P0+K1h(t)+K2U(t)(1)式中P0为大、中、小潮总的平均含沙量；K1、K2为系数。大小潮周期流速变化，可用最大流速变化来考虑。如果潮流最大流速为Umax，那么半日潮海区由于大小潮周期引起的最大流速变化可表示为Umax(t)=UM2+US2cos(2/TSN)t-(2)这里太阳和太阳分潮流速振幅用UM2和US2表示，为相对于起始点大小潮周期的位相。式中TSN为大小潮周期，=14.765天。根据上式，大、中、小潮的最大平均流速(US、U