珠江黃茅海河口洪季側向余環流與泥沙輸移

楊名名，吳加學，張乾江，任杰，劉歡

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珠江黃茅海河口洪季側向余環流與泥沙輸移

楊名名1，2，吳加學1*，張乾江1，任杰1，劉歡1

(1. 中山大學 海洋學院 近岸海洋科學與技術研究中心，廣東 廣州 510275；2. 廣東省海洋發展規劃研究中心，廣東 廣州 510220)

摘要：2012年洪季對珠江黃茅海河口灣側向動力結構與泥沙輸移過程進行了系統觀測，采用動量平衡和泥沙通量機制分解等方法，分析了河口流、溫鹽和泥沙側向分布特征以及泥沙輸移過程，探討了側向動量平衡與泥沙輸移機制。洪季黃茅海河口存在明顯的側向流，西灘和北槽均形成表層向東、底層向西的兩層側向流，攔門沙灘頂呈現表、底層向西、中層向東的三層側向流，而攔門沙前緣側向流整體向西。河口灣縱向凈泥沙通量表現為北槽向海、西灘向陸，攔門沙灘頂及其前緣均向海；側向凈泥沙通量表現為灘頂及其前緣均向西，西灘向東、北槽向西。這種側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。灘槽間側向余環流動量平衡主要是側向斜壓梯度力、科氏力和側向平流作用。歐拉平流輸運在側向泥沙輸運中起主要作用，潮泵效應也起重要作用。

關鍵詞：側向環流；泥沙輸移；動量平衡；寬淺河口；珠江；黃茅海河口

1引言

河口過程本質上是三維的，然而為了便于理解或簡化處理，通常假定側向均勻，將重點集中在軸向動力結構與過程的分析。但是許多研究表明河口過程與物質分布均表現出明顯的側向非均勻性，如潮流和余流的側向變化[1—6]，懸沙濃度的側向變化[7—11]，以及鹽度的側向變化[12—17]。對于寬淺河口，尤其是發育復式河槽的河口，側向變化明顯，側向均勻的假設并不成立。忽略側向物質分布的不均勻性與側向動力過程將導致對河口系統的認識不夠完整，在河口治理與工程實踐中可能產生負面效應。在長江口深水航道維護中，Liu等[18]發現南導堤越堤側向泥沙流可能成為影響航道運行安全與維護成本的關鍵問題之一。華南河口大規模的邊灘圍墾使河口灣水域面積縮小，灘地變淺，河口出現明顯的萎縮現象，如黃茅海、伶仃洋等均有明顯的表現。實際操作中這些邊灘圍墾是依據所謂河口制導線規劃進行的，這就提出了在河口治理實踐中的一個重要問題，即制導線規劃是否遵循寬淺河口發育的基本規律？當側向邊界改變后，尤其是寬廣的邊灘大規模圍墾后，河口側向動力條件改變，河口演變定會出現新的格局。這里涉及到一個基本的河口動力學問題，即側向流與泥沙輸移在整個河口動力系統中的作用如何？側向流是否因其強度較縱向流弱而可以忽略？

近年來河口側向泥沙輸移受到廣泛的關注，研究表明其在河口泥沙輸移過程中發揮重要作用。由于灘槽地形深度的側向變化大，河口水動力特征呈現較強的側向變化，河口深槽比相鄰的淺灘發育更強的斜壓作用，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淺灘向海、深槽向陸的側向分布格局[20—21]，同樣的輸沙分布格局出現在哈德遜河口下游[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，對維持動力地貌平衡具有重要的作用。河口余流的縱向和側向分布均影響物質的輸運[10—11，15—16，24—25]，泥沙的側向捕聚作用[7，26—29]表現突出。上述余流包括縱向余流和側向余流，本文主要探討側向余流的分布及其作用下側向泥沙輸移過程。以珠江黃茅海河口灣這個典型的寬淺河口為例，采用高分辨率的現場觀測、實驗室試驗和理論分析等方法，分析河口側向余環流與泥沙輸移擴散過程，探討側向流對河口環流與泥沙輸移的影響，加深認識寬淺河口動力系統基本特征，為河口規劃治理與保護提供技術支持。

2研究區域概況

黃茅海河口灣位于珠江三角洲西部，地貌形態為喇叭狀的海岸平原河口，是一個典型的寬淺河口灣[30]。河口灣水下地形表現為“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。該海區屬于亞熱帶季風氣候，洪季降水充足，占全年80%左右，年內分配不均。潮汐屬不規則半日潮，具有明顯的不對稱性，漲潮歷時和漲潮流速均小于落潮歷時與落潮流速，潮流為往復流特征?；⑻T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]，總體以細顆粒泥沙為主，主要以懸移方式搬運[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入河口灣[33]。

3現場觀測與數據預處理

3.1現場觀測

近年來野外觀測技術和方法的進步大大促進了河口側向流觀測研究，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向分布。黃茅海河口灣水流基本為南北向的往復流，根據深槽的主流向定義側向流，將實測流速的北、東分量分別定義為縱向流和側向流分量，據此我們設計了橫斷面走航觀測的路徑和測量采樣方式與時間。在黃茅海河口灣中下游設計了4個橫斷面(I，J，K，L)，與定點站位觀測同步，兩次跨越灘槽定點站位進行橫斷面走航調查，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90層，連續采樣，流速剖面采用5 s平均，走航船速小于4節(約1.6 m/s)，分層流速剖面的側向間隔約為8 m，橫斷面走航持續時間約為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據，采樣頻率均為1 Hz，垂向分辨率近似3 cm，并在局部進行走航站位加密，例如本文關注的西灘、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近岸海洋科學與技術研究中心自主設計研制的座底三腳架觀測系統。該系統穩定性強，能實現底邊界層單層湍流、分層流速、溫鹽及濁度等項目的同步高分辨率測量[34—35]。2012年7月洪季大潮期間現場觀測持續49 h，包括兩個完整的潮周期。第一航次在北槽橫斷面J上布置兩個定點站位(圖1)，一個位于西灘(B1)，另一個位于北槽(A1)。定點站位采用船載聲學多普勒流速剖面儀(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。與定點流速觀測同步，用CTD和OBS-3A采集了整點時刻的溫度、鹽度和濁度的垂向剖面數據，采樣頻率均為1 Hz，垂向分辨率近似3 cm，同時分6層采集水樣進行室內含沙量分析，以供OBS-3A濁度信息的標定。與此同時，在西灘B1和北槽A1站位分別布置一個座底三腳架系統，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式流速計(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設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側向觀測持續時間/min側向觀測剖面間距/m參考文獻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數據預處理

在分析走航觀測的平均流速前需要對數據做預處理，通過船載GPS系統對RS底跟蹤流速剖面數據進行校正，有必要對平均流速進行低通濾波預處理，即將原始速度在水平方向上100 m和垂向上0.9 m進行滑動平均以消除隨機噪聲，但不影響結果的分析。同理對定點站位觀測平均流速需要進行低通濾波預處理以消除隨機噪聲。

對于測得的高頻湍流流速數據，在使用前必須經過嚴格的預處理，其處理過程主要包括數據有效性判斷、坐標系旋轉、毛刺點判斷與替代、高通濾波和噪聲去除等過程[40]。經過上述預處理過程，湍流數據質量能得到有效保證，同時通過標準差閾值法檢測出信噪比(SNR)大于3倍標準差的不可信數據，并通過相鄰點位插值代替。

OBS-3A測得為濁度信息，需結合現場采集的水樣和室內泥沙濃度分析，建立起濁度與泥沙濃度的經驗關系。結果顯示，濁度與泥沙濃度具有較好的線性關系，A1、A2、B1和B2站位相關系數分別為0.79、0.74、0.81和0.64，具有較高的相關性[41]。

4理論分析

4.1側向動量平衡分析

許多學者采用側向動量平衡方程分析側向動力作用[10—11，39，42]，其中Fugate等[10]采用走航橫斷面的數據來估算側向動量平衡方程中各項作用力。由于走航橫斷面數據無法直接估算出正壓力，于是假設沒有測量誤差以及側向流速對側向動量平衡的貢獻可以忽略，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，便可將科氏力項和斜壓梯度力項之和的深度平均值估算為正壓梯度力，再通過動量平衡方程估算出余項，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站位高質量的同步時間序列數據(包括縱向和側向流速、密度垂向剖面數據和水位數據)來計算側向動量平衡項和凈平衡項。由于本文關注海域曲率半徑很大，可忽略離心加速度的影響，故側向動量平衡方程可寫成如下形式：

(1)

(2)

4.2側向泥沙通量機制分解

由水流速度和懸浮泥沙濃度的乘積可求得瞬時泥沙通量。假設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，中括號表示潮平均量，波浪線表示潮振蕩量。式(3)右邊第一項表示由余流引起的平流輸運項，簡稱余對流通量，第二項表示由潮泵作用引起的潮輸運項，簡稱潮振蕩通量，一般與潮流時間變化有關，例如潮不對稱性，也可能包括擴散通量的效應。將式(3)中的流速換為側向流速即可求出潮平均的側向泥沙通量。

國內對河口灣縱向泥沙輸移機制的探討較多[46—48]，然而對側向泥沙輸移機制的探討較缺乏，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三點式觀測平均流，其分辨率較低，不利于反應垂向環流的變化，可能會產生較大計算誤差。本文采用聲學多普勒流速剖面儀觀測到的高時空分辨率的流速數據分析垂向環流模式和泥沙通量，計算表明在部分流速方向表、底層差異較大的站位，聲學測量計算結果比三點式測量計算結果具有明顯的優勢，能更精確地反應環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，T2為斯托克斯漂流輸移項，T1+T2為平流輸移，即拉格朗日輸移項；T3為潮汐與懸沙潮變化相關項；T4為流速與懸沙潮變化相關項，T3+T4為潮泵作用；T5為垂向流速與懸沙變化相關項；T6和T7為時均與潮振蕩引起的剪切擴散項；T8為垂向潮振蕩切變項。

5結果與討論

5.1平均流、鹽度和泥沙的潮內變化

側向上，西灘縱向流速小于北槽，落潮縱向流速由表向底逐漸減小，漲潮最大流速出現在次表層(圖2)。西灘和北槽均存在較強的側向流，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、底層向西的兩層側向流結構，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、底層向西的兩層側向流結構，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在次表層(圖3)。灘頂及其前緣存在較強的側向流，最大值分別為0.45 m/s和0.48 m/s，一般落潮期側向流整體向東、漲潮期整體向西，但在高高潮時灘頂形成表、底層向西、中層向東的三層側向流結構。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，低低潮時灘頂底層泥沙再懸浮至整個水層，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、側向流、鹽度和泥沙濃度均存在明顯的側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。漲潮期側向流整體向西，落潮期整體向東，但是隨地形側向變化較大，局部出現兩層或三層的側向流結構。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折處的鹽度等值線下降，側向鹽度梯度逆轉，對應東向的側向流(圖4a，b)。上述淺灘與深槽間的轉折處常出現明顯高于兩側水體的懸浮泥沙濃度，而此處發育側向流的輻聚和側向交換流結構，因此推測側向流引起懸沙的側向對流與灘槽間高濃度懸沙的形成。與北槽定點觀測類似，落潮中期橫斷面J深槽的中層同樣出現局地升高的懸浮泥沙濃度(圖4e)，對應較強的東向側向流和鹽躍層位置，由底應力計算證明此時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)、側向流速(v)、鹽度和泥沙濃度的側向斷面分布Fig.4　Transect distributions of longitudinal velocity (u)，lateral velocity (v)，salinity and suspended sediment concentration左側為漲潮斷面，右側為落潮斷面，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　定點站位側向歐拉余流(VE)、斯托克斯余流(VS)和拉格朗日余流(VL)垂向結構(正值表示向東，負值向西)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余流結構

余流的垂向結構顯示，側向拉格朗日余流結構基本與歐拉余流一致(圖5)。西灘和北槽均形成表層向東、底層向西的側向余環流結構，攔門沙灘頂生成表、底層向西、中層向東的三層側向余環流結構，而其前緣側向余流整體向西，側向余流模式與定點和走航斷面觀測的兩層側向流結構一致。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，有助于加強灘頂三層側向余環流。

縱向余流存在明顯的側向差異，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?？v向余流的側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。北槽較強的垂向余環流除了受北槽深度的影響外，西灘表層向東的側向流也會將表層向海的徑流搬運至深槽表層，從而加強深槽內表層向海、底層向陸的垂向余環流。同時，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，垂向余環流向外海逐漸變弱。由近底層(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，側向余流呈現攔門沙灘頂內側向東、外側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側向動量平衡與泥沙輸移

5.3.1側向動量平衡

根據西灘和北槽一個潮周期的速度和密度數據可求出北槽側向動量平衡項的潮平均值，計算結果如圖6所示。潮平均縱向余流的垂向剪切(表層向海，底層向陸)產生比較明顯的表層向西、底層向東的平均科氏力項。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，遠小于科氏力，表層向東的平均側向對流項與表層向西的平均科氏力近似平衡。由表向底側向斜壓梯度力逐漸增大，近底層明顯增強的向西的斜壓梯度力主要由北槽與西灘的側向密度差異引起，其值大于科氏力和側向對流項的合力，故產生表層向東、底層向西的平均局地加速度項，驅動北槽內表層向東、底層向西的側向余環流。由實測數據計算得到的平均加速度項表、底層反向，基本與北槽內所觀測到的表、底層反向的側向余環流方向一致。

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

以往研究認為在層化河口中，潮時間尺度內側向動量平衡大部分為地轉平衡，側向流由更高階的非地轉項驅動[49]。本文計算結果顯示潮平均的側向余環流主要由非地轉項驅動，其側向動量平衡項主要為側向斜壓梯度力和科氏力，局地加速度項和側向對流項對側向動量平衡起重要作用，驅動表層向東、底層向西的側向余環流。側向動量平衡項在表層平衡性較差，可能是由于忽略了垂向對流作用項的原因，由上述量級分析可知側向流的垂向剪切較強，特別是在鹽躍層位置，垂向對流作用相應加強，故垂向對流作用對側向余環流的發育也可能起重要作用，其貢獻有待做進一步探討。以往觀測與理論研究表明漲潮期非層化條件下側向環流的形成機制主要為差異平流引起的側向密度梯度、科氏力或斜坡地形的擴散底邊界層等密度線的傾斜[50]，數值模擬理想條件下部分混合河口側向環流由邊界混合或軸向風應力驅動[27—28]，近期現場觀測到的彎曲河口強混合和層化條件下曲率主導的側向環流[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的側向環流[39]計算結果均證實非線性對流項對側向環流的形成起主導作用，并引起側向環流的潮內變化，本文由潮平均時間尺度上的側向余環流的動力平衡分析證實了側向對流項的重要作用，層化條件下側向環流模式的高度復雜性的機制分析仍有待進一步認識，例如文中未考慮的的垂向對流作用、側向內假潮響應[51]、側向地形效應以及側向應變作用等。

5.3.2泥沙輸移

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

(9)

計算結果顯示，垂向積分的側向泥沙通量潮內變化明顯(圖7)。北槽側向泥沙通量約為淺灘的兩倍，西灘側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)，落潮時側向泥沙通量傾向于在西側灘坡處形成側向泥沙輻聚，漲潮時側向泥沙通量傾向于在西側灘坡處輻散。北槽內泥沙除了受沉降和再懸浮作用外，還受對流作用的影響，以底部泥沙起動臨界應力(0.2 N/m2)為參考值，落潮期西灘底應力較大，底層泥沙再懸浮作用較強，而北槽漲潮期底層泥沙再懸浮作用較強(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)，垂向積分的側向泥沙通量(e，f)和底應力(g，h)(側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)

側向泥沙通量分解結果顯示，影響側向泥沙輸移的主要有歐拉平流輸運(T1)、斯托克斯效應輸沙(T2)、潮汐與懸沙潮變化相關項(T3)和流速與懸沙潮變化相關項(T4)(圖8)，其中歐拉平流輸運(T1)起主要作用，潮泵效應(T3+T4)也起重要作用，歐拉平流輸移(T1)均產生向西的泥沙輸移量，除灘頂外，斯托克斯效應輸沙(T2)均產生向東的泥沙輸移量，4個站位潮汐與懸沙含量變化相關項引起的輸沙(T3)均向東，而潮汐捕聚引起的輸沙項(T4)在攔門沙內側向東、外側向西?？偟膫认騼裟嗌齿斠屏?TSUM)分布呈現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，是高濃度懸沙聚集于灘槽界面的重要原因?？v向上，側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)單寬潮周期平均側向泥沙通量分解項(T1-T8)和凈側向泥沙通量(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)(虛線橢圓表示側向泥沙輸移輻聚區)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(虛線橢圓表示側向泥沙輸移通量輻聚區)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向差異和縱向差異。側向上，西灘與北槽余對流泥沙通量與余環流結構一致(圖9)，而潮通量與余環流結構差異較大。西灘潮通量整體向陸，與向海的余對流通量方向相反，且量級更大，強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在中層，大于向陸的潮通量，強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出北槽向海、西灘向陸的側向分布格局?？v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，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向余流均強于縱向余流，攔門沙灘頂縱向余流略強于側向余流，側向余流整體向西，縱向余流分布呈現出西灘向陸、北槽向海的側向分布格局(圖10)。攔門沙上游縱向凈泥沙通量大于側向通量，下游縱向凈泥沙通量小于側向通量，整體上縱向凈泥沙通量與側向通量量級相當，河口灣中部懸沙整體向西南輸移。側向泥沙輸運彌補了縱向泥沙輸運的側向不平衡，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向凈通量，北槽向海的縱向凈通量顯著大于向西的側向凈通量，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，側向余泥沙通量呈現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、下游反向的側向泥沙輸移過程趨向于在灘頂底部捕聚泥沙，可能會對攔門沙淺灘地形演變產生重要影響，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制的研究也需要考慮側向泥沙輸移過程。

綜上所述，在部分混合的寬淺河口灘槽斷面處側向和縱向余環流結構以及凈泥沙通量分布可概括為一個概念模型(圖11)，西灘和北槽側向歐拉余流均為表層向東、底層向西，側向斯托克斯余流均整體向東，西灘向東的側向凈泥沙通量與北槽向西的側向凈泥沙通量在西側灘坡處輻聚。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向余環流相關，西灘表層向東、底層向西的歐拉余流傾向將北槽底層向陸的余流對流至西灘，與向陸的斯托克斯余流共同作用，加強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，導致西灘產生向東的凈泥沙輸移。

6結論

根據2012年洪季對珠江黃茅海河口灣側向動力過程的系統觀測，開展動量平衡與泥沙輸移機制分析，分析了河口流、溫鹽和泥沙側向分布特征以及泥沙輸移過程，探討了側向動力與泥沙輸移機制，得到以下主要結論：

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

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

(3)縱向凈泥沙通量呈現北槽向海、西灘向陸的側向分布格局，灘頂及其前緣均向海，而灘頂及其前緣側向凈泥沙通量均向西，西灘向東、北槽向西，灘槽間側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)灘槽間順時針的側向余環流主要驅動力為側向斜壓梯度力、科氏力和側向對流作用。歐拉平流輸運在側向泥沙輸運中起主要作用，潮泵效應也起重要作用。

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收稿日期：2015-02-11；

修訂日期：2015-04-13。

基金項目：國家重大科學研究計劃(2013CB956502)；國家自然科學基金項目(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力研究。E-mail:ymm198816@163.com *通信作者：吳加學(1968—)，男，湖北省漢川市人，教授，博導，從事海洋沉積動力過程、湍流混合以及沉積物聲學研究。E-mail:wujiaxue@mail.sysu.edu.cn

中圖分類號:TV148

文獻標志碼：A

文章編號：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，張乾江，等. 珠江黃茅海河口洪季側向余環流與泥沙輸移[J]. 海洋學報，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