1、黃茅海河口灣泥沙輸移研究摘要：以珠江黃茅海河口為例，使用1988年4月、1992年洪、枯季表層沉積物顆粒分析成果，根據泥沙粒徑統計特征值，運用Laren模型分析河口泥沙輸移趨勢，并結合水動力及水下地形進展綜合分析，確定泥沙來源、搬運方向，討論泥沙輸移機制。為進一步研究河口泥沙運動規律及泥沙通量提供背景，同時為研究河口灣出海航道、港口泥沙淤積及河口污染物輸移擴散提供一條新途徑。關鍵詞：黃茅海河口泥沙輸移趨勢Laren模型1前言泥沙粒徑的空間分布是由各種動力、沉積過程綜合作用產生的，它反映了這些過程的長周期和累積效應。通過對泥沙粒徑空間分布的構造特征(如空間相關性、方向性等)進展研究，有助于對產生

2、該構造的各種原因進展深化討論，從而進步對泥沙運動的各種過程的認識。泥沙輸移受顆粒的粒徑、形狀和密度等多種特性的影響，其中粒徑的影響最重要(RbertLarsn等，1997)。因此許多研究者試圖通過分析泥沙粒徑統計特征的空間變化即粒徑趨勢來確定凈泥沙輸運方向。如Laren(1981，1985)提出根據輸運中的泥沙粒徑三個主要特征值(均值、分選系數和偏度)的空間變化來判斷泥沙輸運凈方向(稱為Laren模型)。該模型已廣泛應用于工程工程(Laren和Pys,1989)、污染物質的輸移(Laren和Little，1987)和沉積物搬運方式及穩定性研究(Laren和llins，1989)。Laren模型

3、是在設定方向上來判斷泥沙輸移方向的概率大小，對于單一泥沙來源的輸移趨勢的判斷確實是成功的，但對于有多種泥沙來源尤其是對多汊河口區的輸移趨勢的判斷存在人為的隨意性，在某些環境中不能成功地確定搬運泥沙輸移途徑(如asselink,1992)。其原因主要是：泥沙搬運途徑確實定存在隨意性；使用不恰當的趨勢分析方法。為此Ga和llins(1991，1992，1994)基于粒徑趨勢沿沉積物搬運方向比其相反方向發生的頻率高的假設，建立了在半定量濾波技術根底上的粒徑趨勢分析方法。從表層沉積物樣品網格確定粒徑趨勢，然后通過濾波得到代表沉積物搬運途徑的“余方式(Residualpatterns)。因此該方法的可行

4、性依賴于恰當地選擇粒徑趨勢和分析方法。上述兩種方法均不考慮水下地形對泥沙輸移途徑的影響，而底床的形態方向、水動力特征等對泥沙的輸移都產生直接的影響。實際上這兩種方法都是通過粒徑趨勢的線狀(Linebyline)檢驗來確定相關的搬運方式(LarenandBles,1991)。本文以珠江黃茅海河口為例，運用Laren模型分析河口泥沙輸移趨勢，并結合水下地形及水動力進展綜合分析，確定河口泥沙來源、搬運方向，討論泥沙輸移機制。為進一步研究河口泥沙運動規律及泥沙通量提供背景，同時為研究河口海灣出海航道及港口的泥沙來源和輸運及河口污染物輸移擴散提供一條新途徑。2黃茅海河口灣概況黃茅海位于珠江口西部，是一個

5、喇叭形溺谷河口灣(圖1)。在北部灣頂，通過崖門和虎跳門水道與珠江水系和潭江水系溝通，聚集了潭江的全部徑流和西江的局部徑流。在南部灣口有兩列東東北西西南向島鏈，內側島鏈為南水、三角山、大芒和大襟諸島；外側島鏈是高欄、荷包和畜諸島。島間峽口形成黃茅海河口灣三大出口：大襟以西水道稱為西口，大襟至荷包之間為中口，荷包至高欄為東口。2.1水下地形根據動力地貌學觀點，可將黃茅海水下地形劃分為幾個單元：(1)落潮沖刷槽，又稱主槽。位于三虎以北的海灣北半部，長20k，寬300900，深512.4。(2)漲潮沖刷槽，包括東槽和西槽，分布在荷包島的東側和西側。(3)攔門淺灘。位于海灣中部寬展部位，頂部水深2.43

6、.0，灘頂位置偏北，形成內坡陡，外坡緩的形態。(4)潮坪。水深小于2.0的潮坪主要有三片：主槽以東的稱東灘，以西的稱西灘，第三片為南水島以北的大海環淺灘。圖1黃茅海河口地形及沉積物采樣點分布等深線以米為單位，小襟島位于大襟島的西南Latin,rphlgialstruturesandbathyetrifeaturesfHuangahaiEstuaryshingsaplingsitesfrbttsedientandlatinsfurrenteters.ntursareineter.XiaIslandsituiatedHebaIslandbeynd(5)環島淺灘。分布在口門島嶼的周圍，水深小于5.0

7、，最淺處缺乏2.0。(6)波成沙脊。零星分布在攔門沙頂部和西灘南緣，是波浪造成的較小的地貌單元。2.2水動力環境據李紹寧等(1984)計算，黃茅海及其上游河段進潮量約每年4608億3，而年徑流量僅是進潮量的7%，因此黃茅海為弱徑流、強潮流并以潮流作用為主的河口灣。根據羅斯貝數*110、艾克曼數*103104，uandu(1994)系統地提出了控制河口泥沙輸移和沉積過程的小尺度動力構造(SSDS)體系。在黃茅海河口灣縱向上分別有以下幾個小尺度動力構造：(1)雙向射流系統在黃茅海作為一個主要的動力構造它分布于喇叭形河口灣頂基巖峽口。(2)垂直密度環流隨徑流洪、枯季，潮汐的大、小潮等強度的時空變化，

8、在黃茅海河口中部上下遷移，但它的分布范圍明顯受控于上、下射流系統控制范圍的強度。垂直密度環流是洪季泥沙大量淤積的主要動力構造。(3)潮汐射流系統發育河口口門附近大芒和三角山島之間峽口，它是東槽主要的動力構造。(4)程度余環流分布于河口灣下段口門附近，在河口右側(面向陸)呈逆時針環流。它可能是河口開爾文波、渦度變化、地形作用及廣東西沿岸流綜合作用形成的。程度余環流對河口下段水體和泥沙輸移產生一定影響。2.3泥沙運動應強等(1997)根據底沙樣品的中子活化分析示蹤泥沙的原始數據，采用模糊數學聚類分析方法得出了泥沙輸移的主要道路。同時通過選取沙源泥沙樣本，采用均方差最小的方法，計算各沙源對海域內各樣

9、本點的奉獻，確認各沙源的淤積范圍。洪季時海域內主要以上游徑流挾沙和高欄島附近區域內的泥沙為主，其它沙源那么相對較弱，而徑流來沙主要淤積在崖門與三虎之間的區域。泥沙的輸移道路主要有三條，泥沙主要來源于高欄島附近淺灘，沿東槽向黃茅海腹地的攔門淺灘輸送。枯季海域內以上游徑流和大襟島附近區域的泥沙為主，其它沙源輸移量那么較少。徑流挾沙與大襟島西側沙源對攔門淺灘及西灘的泥沙淤積起主要作用，而中口沙源主要淤積在西槽內。泥沙的主要輸移道路有兩條：西槽是主要輸沙道路，大襟島西側的西口也有一定的泥沙輸移。轉貼于論文聯盟.ll.3資料及模型簡介3.1資料本文使用的資料主要是1988年4月1625日采集的表層沉積物

10、樣品，室內顆粒分析共107個，另外還搜集到1992年洪季(7、8月)和枯季(11月)共計113個顆粒分析成果。顆粒分析以1為間距從-2到10按重量百分比進展，計算出粒徑特征值如：均值(D)、分選系數(QD)和偏態(SK)。表層沉積物采樣點在河口三槽、三灘和灣內潮溝、島間深槽等水下地形單元均有分布(圖1)。3.2Laren模型簡介關于Laren模型的詳細內容可參閱有關文獻(Laren,P.1981,1985,1991)。3.2.1Laren模型幾個假設1)僅考慮唯一的泥沙來源和單向泥沙輸運，如弧形海灣中的侵蝕崖未固結泥沙在穩定波浪作用下運動，狹長單一河流上游徑流來沙或下游海域來沙。2)細顆粒較粗

11、顆粒更容易啟動和搬運或有更大的概率。3)任何粒徑泥沙的起動和搬運具有獨立性，即不受其它粒徑泥沙的影響。4)搬運任何粒徑泥沙的概率隨流速的增加而增加。3.2.2模型的計算方法設有n個樣品序列，存在N=n(n-1)/2個方向對，代表某一方向輸運趨勢或同等數目反方向的輸運趨勢。兩個樣品假設分別從它們的均值(D)、分選系數(QD)和偏態(SK)三個統計特征值進展比擬，那么共存在八種可能的事件：更細(F)、分選更好(B)和更加負偏(-)；更粗()、分選更差(P)和更加正偏(+)；、B、-；F、P、-；、P、-；F、B、+；、B、+；F、P、+。其中僅兩種事件表示輸移趨勢，即F、B、-(事件B)和、B+(

12、事件)。事件B和均代表沿搬運方向序列沉積物的轉換函數由高能到低能減小，但事件B代表低能搬運轉換過程，事件代表高能搬運轉換過程。由此任一隨機事件發生的概率為p=1/8=0.125。為了確定特定事件發生的概率是否超過0.125，提出下面兩個假設條件：H0：p0.125，不存在選擇的輸移方向；H1：p0.125，存在選擇的輸移方向。使用單尾(邊)Z得分檢驗(Spiegel,1961),假如(0.05置信程度)或2.326(0.01置信程度)那么H1可接收。其中x:兩相反方向中某一方向特定事件(B或)發生的樣品對數目；N：可能的某方向樣品對總數，N=n(n-1)/2;n:序列沉積物樣品數；p=0.12

13、5,q=1-p=0.875.一般，當N30時，Z統計才認為有效。因此恰當估計一個輸移趨勢，至少需要8個或9個樣品。4計算結果討論根據黃茅海水下地形單元分布，分別從北部主槽、東槽、西槽、大襟島西口、西灘潮溝、大海環淺灘等六個區域選點計算泥沙輸移趨勢。計算結果見表1，從表中可見：1.北部主槽南向泥沙輸移趨勢顯著，同時還顯示，搬運過程表現為一個高能轉換函數，能量沿搬運方向遞減(事件)。主槽受灣頂射流和側向摻混動力構造控制，射流中心線速度和動能隨離灣頂射流口間隔 增加而減校從實測最大流速矢量圖(圖2)看出：本區為整個河口灣動力最強勁的區域，漲落潮流向與主槽走向根本一致；無論大潮或小潮，落潮流速明顯大于

14、漲潮流速；垂向上各層流向根本一致，流束相對集中；單寬輸水計算結果(楊干然，1988)說明，不管大潮或小潮，主槽中的測點均表現為向海輸水為主，可見主槽有較強的下泄流存在，受下泄流控制泥沙自北向南輸運。因此泥沙輸移趨勢預測與通過水沙實測資料得到的一致。2.東槽西北向泥沙輸移趨勢，表現為低能搬運(事件B)。東槽是黃茅海主要的潮汐通道，受東口峽口潮汐射流和河口程度余環流(圖4)綜合作用，珠江口近岸常年西南向廣東沿岸流攜帶大量泥沙自外海通過潮汐通道進入黃茅海灣內，成為黃茅海攔門淺灘海域泥沙的主要來源。從實測最大流速矢量圖(圖2：I3站和I4站)也可看出，潮流向與東槽走向根本一致，不管大潮或小潮，東槽漲潮

15、歷時較灣內長12小時，且漲潮流速普遍大于落潮流速，漲潮優勢流自口門向灣向遞減，所以在東槽泥沙自口門向灣內輸移。表1黃茅海河口六個區域泥沙輸移趨勢計算結果alulatedtrendsfsedienttransprtinsixreginsftheHuangahaiestuaryNrthTrendSuthTrendN.1*aseBN=78x=13Z=1.11N=78x=10Z=0.09aseN=78x=7Z=-0.94N=78x=20Z=3.51N.2aseBN=45x=12Z=2.87N=45x=9Z=1.52aseN=45x=10Z=1.97N=45x=3Z=-1.18N.3aseBN=36x=

16、3Z=-0.76N=36x=8Z=1.76aseN=36x=9Z=2.27N=36x=1Z=-1.76N.4aseBN=36x=13Z=1.76N=36x=7Z=1.26aseN=36x=7Z=0.76N=36x=0Z=-2.27N.5aseBN=45x=1Z=-2.08N=45x=9Z=6.03aseN=45x=7Z=0.62N=45x=1Z=-2.08N.6aseBN=36x=8Z=1.76N=36x=6Z=0.76aseN=36x=6Z=1.76N=36x=3Z=-0.76*N.1北槽N.2東槽N.3西槽N.4西口N.5西灘潮溝N.6大海環淺灘圖2黃茅海各測站最大流速矢量圖圖3黃茅海余流

17、矢量圖axiutidalurrentvetrsatstatinsResidualurrentvetrsatinsiturings圖4高欄海區冬季(a)及夏季(b)余流矢量圖ResidualurrentvetrsattheinsituringsinreginfGalanIsland.(a)inter,and(b)Suer.3.西槽泥沙輸移趨勢以北向為主，表現為高能搬運(事件)；同時南向泥沙搬運也較明顯，表現為低能搬運(事件B)。西槽既是黃茅海鹽水入侵的入口，也是沖淡水的主要出口，復雜的動力條件決定了泥沙運動的多樣性。鹽水楔異重流將沿岸流攜帶的泥沙帶入灣內，成為攔門淺灘海域泥沙的又一重要來源；經過

18、混合的沖淡水攜帶著泥沙出海，成為廣東沿岸流的組成局部之一。從表層沉積物類型分布圖來看(圖5)，海域來沙粒徑較粗(均值粒徑為6.01)，搬運能量較高；而沖淡水搬運泥沙粒徑較細(均值粒徑為7.08)，搬運能量較低。轉貼于論文聯盟.ll.4.大襟島以西的西口為北向輸移趨勢，為低能搬運(事件B)。西口在三大出口中水深最淺，徑、潮流強度最弱，受河口口門左側順時針程度余環流作用，泥沙自外海向灣內搬運。西口成為攔門淺灘海域泥沙來源的又一通道。5.西灘潮溝泥沙明顯為南向輸移趨勢，為低能搬運(事件B)。余流計算結果(圖3測站2)說明，該潮溝上段測站2表、底層余流均指向東南，與泥沙輸移趨勢一致，可以判斷此潮溝為落

19、潮流沖刷而成，為一落潮槽。表層沉積物粒徑(均值粒徑為8.00)最細，相對水深較淺，搬運能量低。6.大海環淺灘泥沙輸移為西北向趨勢，且為低能搬運(事件B)。在南水島高欄島大堤修建之前(1991年5月)，東部雞啼門出海泥沙隨廣東西沿岸流進入高欄列島內，在漲潮優勢流作用下泥沙通過東槽和三角山以東通道進入攔門沙淺灘和大海環淺灘，大海環為一半封閉低能區，大量細顆粒泥沙在此淤積。圖5黃茅海河口表層沉積物類型分布圖圖6黃茅海河口泥沙輸移方向SurfaesedientdistributinflustersThestlikelybttsedienttransprtdiretinsHuangahaiEstuary

20、攔門沙淺灘泥沙運動趨勢復雜。北部泥沙運動趨勢向南，表現出高能搬運(事件，Z=3.15)；南部以北向為主，表現為低能搬運(事件B，A=2.87)。河口中部受垂直密度環流控制，在近底層環流頂端滯流點下游受上溯流作用泥沙向北輸運，在滯流點上游受下泄流作用泥沙向南輸運。通過歷史海圖(18611977年)比照分析，發現攔門淺灘-5等深線平均以每年60的速度向灣口推移，因此從長周期和累積效應考慮，可以認為攔門淺灘南向泥沙輸移強度比北向更大。這也與攔門淺灘泥沙搬運能量北強南弱一致。綜上所述，河口泥沙輸移深受河口小尺度動力構造和水下地形互相作用的影響。黃茅海河口灣泥沙來源有上游河流輸沙，通過南水島高欄島峽口雞

21、啼門來沙，口外沿岸流挾帶的海域泥沙。河流輸沙主要沿北槽南下，雞啼門流域來沙通過東槽和三角山東側通道北上，海域來沙主要沿東槽和西槽北上。黃茅海泥沙的“匯主要是西灘、攔門淺灘和大海環淺灘(圖6)。5結語1.本文運用Laren模型對黃茅海河口表層沉積物粒徑特征的空間變化進展定量計算，得到泥沙輸移趨勢。結合水下地形、水文測驗及表層沉積物分布確定泥沙的“源、“匯和搬運方向，并討論其輸移機制。計算結果與河口動力沉積過程分析的結果一致，兩者可互相印證。因此運用該模型計算結果分析泥沙粒徑特征的空間變化規律可以間接掌握泥沙運動的動力沉積過程，不失為一種簡便易行的方法。2.Laren模型僅適用于分析單一泥沙來源的

22、線狀泥沙輸移，得出泥沙輸移方向是一個“凈方向。而河口區往往存在多種泥沙來源，且泥沙輸移存在往復性(如西槽)，甚至旋轉性(如東槽)，因此該模型中泥沙輸移趨勢選點計算必須考慮河口區的泥沙輸移特征。3.Laren模型在河口灣中的應用要恰當，需結合詳細區域的水文動力特征和地形構造等來分地形單元計算，選點也要合理，這是模型正確應用的關鍵所在，否那么就會出現與實際不符的結果。灘面上因為水文泥沙運動過程相對復雜，泥沙輸移趨勢的計算應慎重。而槽溝、河流入口、島間峽口等泥沙輸移運動相對簡單。因此在河口海灣，選擇這些線狀地形單元計算泥沙輸移較面狀淺灘上的計算結果更可靠，更符合模型的條件。4.用于模型計算的表層沉積

23、物應是受水動力作用輸運中的泥沙，而不能是受強烈沖刷的河床底質，后者不是泥沙輸運的結果，而是沖刷的結果。因此選點采樣和計算結果的分析應考慮這個因素的影響。5.模型計算的結果僅代表正常情況下長期的輸移趨勢，而對風暴、臺風、特大洪水等突發事件情況下的泥沙輸移規律還有待深化研究。6.該模型是用定量的方法解決泥沙的局部定性問題，如泥沙的“源與“匯、輸移方向和輸移途徑，而對于泥沙輸移速率和通量等定量問題，泥沙運動的動力沉積過程等，那么需要更好的模型進展研究。參考文獻1Friedan,G.,1967.Dynaipressesandstatistialparaetersparedfrsizefrequenyd

24、istributinfbeahandriversands.JurnalfSedientaryPetrlgy,37(2),p.327-354.2asselink,G.,1992.LngshrevariatinfgrainsizedistributinalngtheastftheRhneDelta,SuthernFrane:Atestfthe“Larendel。JurnalfastalResearh,Vl.8,p.286-291.3Laren,P.,1981.Aninterpretatinftrendsingrainsizeeasureents.JurnalfSedientaryPetrlgy,V

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