黄茅海河口湾泥沙输移研究
摘要：以珠江黄茅海河口为例，使用1988年4月、1992年洪、枯季表层沉积物颗粒分析成果，根据泥沙粒径统计特征值，运用McLaren模型分析河口泥沙输移趋势，并结合水动力及水下地形进行综合分析，确定泥沙来源、搬运方向，探讨泥沙输移机制。为进一步研究河口泥沙运动及泥沙通量提供背景，同时为研究河口湾出海航道、港口泥沙淤积及河口污染物输移扩散提供一条新途径。
关键词：黄茅海河口 泥沙输移趋势 McLaren模型
1 前言
泥沙粒径的空间分布是由各种动力、沉积过程综合作用产生的，它反映了这些过程的长周期和累积效应。通过对泥沙粒径空间分布的特征(如空间相关性、方向性等)进行研究，有助于对产生该的各种原因进行深入探讨，从而提高对泥沙运动的各种过程的认识。泥沙输移受颗粒的粒径、形状和密度等多种特性的影响，其中粒径的影响最重要(Robert Larson等，1997)。因此许多研究者试图通过分析泥沙粒径统计特征的空间变化即粒径趋势来确定净泥沙输运方向。如McLaren(1981，1985)提出依据输运中的泥沙粒径三个主要特征值(均值、分选系数和偏度)的空间变化来判断泥沙输运净方向(称为McLaren模型)。该模型已广泛应用于工程项目(McLaren和Powys,1989)、污染物质的输移(McLaren和Little，1987)和沉积物搬运方式及稳定性研究(McLaren和Collins，1989)。McLaren模型是在设定方向上来判断泥沙输移方向的概率大小，对于单一泥沙来源的输移趋势的判断的确是成功的，但对于有多种泥沙来源尤其是对多汊河口区的输移趋势的判断存在人为的随意性，在某些环境中不能成功地确定搬运泥沙输移路径(如Masselink,1992)。其原因主要是：①泥沙搬运路径的确定存在随意性；②使用不恰当的趋势分析方法。为此Gao和Collins(1991，1992，1994)基于粒径趋势沿沉积物搬运方向比其相反方向发生的频率高的假设，建立了在半定量滤波技术基础上的粒径趋势分析方法。从表层沉积物样品网格确定粒径趋势，然后通过滤波得到代表沉积物搬运路径的“余方式”(Residual patterns)。因此该方法的可行性依赖于恰当地选择粒径趋势和分析方法。上述两种方法均不考虑水下地形对泥沙输移路径的影响，而底床的形态方向、水动力特征等对泥沙的输移都产生直接的影响。实际上这两种方法都是通过粒径趋势的线状(Line by line)检验来确定相关的搬运方式(McLaren and Bowles, 1991)。
本文以珠江黄茅海河口为例，运用McLaren模型分析河口泥沙输移趋势，并结合水下地形及水动力进行综合分析，确定河口泥沙来源、搬运方向，探讨泥沙输移机制。为进一步研究河口泥沙运动规律及泥沙通量提供背景，同时为研究河口海湾出海航道及港口的泥沙来源和输运及河口污染物输移扩散提供一条新途径。
2 黄茅海河口湾概况 黄茅海位于珠江口西部，是一个喇叭形溺谷河口湾(图1)。在北部湾顶，通过崖门和虎跳门水道与珠江水系和潭江水系沟通，汇集了潭江的全部径流和西江的部分径流。在南部湾口有两列东东北—西西南向岛链，内侧岛链为南水、三角山、大芒和大襟诸岛；外侧岛链是高栏、荷包和畜诸岛。岛间峡口形成黄茅海河口湾三大出口：大襟以西水道称为西口，大襟至荷包之间为中口，荷包至高栏为东口。 2.1 水下地形 根据动力地貌学观点，可将黄茅海水下地形划分为几个单元： (1)落潮冲刷槽，又称主槽。位于三虎以北的海湾北半部，长20km，宽300～900m，深5～12.4m。 (2)涨潮冲刷槽，包括东槽和西槽，分布在荷包岛的东侧和西侧。 (3)拦门浅滩。位于海湾中部宽展部位，顶部水深2.4～3.0m，滩顶位置偏北，形成内坡陡，外坡缓的形态。 (4)潮坪。水深小于2.0m的潮坪主要有三片：主槽以东的称东滩，以西的称西滩，第三片为南水岛以北的大海环浅滩。 |
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(5)环岛浅滩。分布在口门岛屿的周围，水深小于5.0m，最浅处不足2.0m。
(6)波成沙脊。零星分布在拦门沙顶部和西滩南缘，是波浪造成的较小的地貌单元。
2.2 水动力环境
据李绍宁等(1984)，黄茅海及其上游河段进潮量约每年4608亿m3，而年径流量仅是进潮量的7%，因此黄茅海为弱径流、强潮流并以潮流作用为主的河口湾。依据罗斯贝数*1～10、艾克曼数**103～104，Wu and Wu(1994)系统地提出了控制河口泥沙输移和沉积过程的小尺度动力(SSDS)体系。在黄茅海河口湾纵向上分别有以下几个小尺度动力：
(1)双向射流系统 在黄茅海作为一个主要的动力它分布于喇叭形河口湾顶基岩峡口。
(2)垂直密度环流 随径流洪、枯季，潮汐的大、小潮等强度的时空变化，在黄茅海河口中
部上下迁移，但它的分布范围明显受控于上、下射流系统控制范围的强度。垂直密度环流是洪季泥沙大量淤积的主要动力。
(3)潮汐射流系统 发育河口口门附近大芒和三角山岛之间峡口，它是东槽主要的动力。
(4)水平余环流 分布于河口湾下段口门附近，在河口右侧(面向陆)呈逆时针环流。它可能是河口开尔文波、涡度变化、地形作用及广东西沿岸流综合作用形成的。水平余环流对河口下段水体和泥沙输移产生一定影响。
2.3 泥沙运动
应强等(1997)根据底沙样品的中子活化分析示踪泥沙的原始数据，采用模糊数学聚类分析方法得出了泥沙输移的主要路线。同时通过选取沙源泥沙样本，采用均方差最小的方法，计算各沙源对海域内各样本点的贡献，确认各沙源的淤积范围。洪季时海域内主要以上游径流挟沙和高栏岛附近区域内的泥沙为主，其它沙源则相对较弱，而径流来沙主要淤积在崖门与三虎之间的区域。泥沙的输移路线主要有三条，泥沙主要来源于高栏岛附近浅滩，沿东槽向黄茅海腹地的拦门浅滩输送。枯季海域内以上游径流和大襟岛附近区域的泥沙为主，其它沙源输移量则较少。径流挟沙与大襟岛西侧沙源对拦门浅滩及西滩的泥沙淤积起主要作用，而中口沙源主要淤积在西槽内。泥沙的主要输移路线有两条：西槽是主要输沙路线，大襟岛西侧的西口也有一定的泥沙输移。
3 资料及模型简介
3.1 资料
本文使用的资料主要是1988年4月16～25日采集的表层沉积物样品，室内颗粒分析共107个，另外还收集到1992年洪季(7、8月)和枯季(11月)共计113个颗粒分析成果。颗粒分析以1Φ为间距从-2Φ到10Φ按重量百分比进行，出粒径特征值如：均值(MDΦ)、分选系数(QDΦ)和偏态(SKΦ)。表层沉积物采样点在河口三槽、三滩和湾内潮沟、岛间深槽等水下地形单元均有分布(图1)。
3.2 McLaren模型简介
关于McLaren模型的详细内容可参阅有关(McLaren,P.1981,1985,1991)。
3.2.1 McLaren模型几个假设
1)仅考虑唯一的泥沙来源和单向泥沙输运，如弧形海湾中的侵蚀崖未固结泥沙在稳定波浪作用下运动，狭长单一河流上游径流来沙或下游海域来沙。
2)细颗粒较粗颗粒更容易启动和搬运或有更大的概率。
3)任何粒径泥沙的起动和搬运具有独立性，即不受其它粒径泥沙的影响。
4)搬运任何粒径泥沙的概率随流速的增加而增加。
3.2.2 模型的计算方法
设有n个样品序列，存在N=n(n-1)/2个方向对，代表某一方向输运趋势或同等数目反方向的输运趋势。两个样品若分别从它们的均值(MDΦ)、分选系数(QDΦ)和偏态(SKΦ)三个统计特征值进行比较，则共存在八种可能的事件：①更细(F)、分选更好(B)和更加负偏(-)；②更粗(C)、分选更差(P)和更加正偏(+)；③C、B、-；④F、P、-；⑤C、P、-；⑥F、B、+；⑦C、B、+；⑧F、P、+。其中仅两种事件表示输移趋势，即F、B、-(事件B)和C、B+(事件C)。事件B和C均代表沿搬运方向序列沉积物的转换函数由高能到低能减小，但事件B代表低能搬运转换过程，事件C代表高能搬运转换过程。由此任一随机事件发生的概率为p=1/8=0.125。为了确定特定事件发生的概率是否超过0.125，提出下面两个假设条件：
H0：p≤0.125，不存在选择的输移方向；
H1：p>0.125，存在选择的输移方向。
使用单尾(边)Z得分检验(Spiegel,1961),如果
| (0.05置信水平) |
或 |
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Ｚ>2.326 | (0.01置信水平) |
则H1可接收。其中
x:两相反方向中某一方向特定事件(B或C)发生的样品对数目；
N：可能的某方向样品对总数，N=n(n-1)/2;
n:序列沉积物样品数；
p=0.125,q=1-p=0.875.
一般，当N≥30时，Z统计才认为有效。因此恰当估计一个输移趋势，至少需要8个或9个样品。
4 计算结果讨论
根据黄茅海水下地形单元分布，分别从北部主槽、东槽、西槽、大襟岛西口、西滩潮沟、大海环浅滩等六个区域选点计算泥沙输移趋势。计算结果见表1，从表中可见：
1.北部主槽 南向泥沙输移趋势显著，同时还显示，搬运过程表现为一个高能转换函数，能量沿搬运方向递减(事件C)。主槽受湾顶射流和侧向掺混动力控制，射流中心线速度和动能随离湾顶射流口距离增加而减小。从实测最大流速矢量图(图2)看出：本区为整个河口湾动力最强劲的区域，涨落潮流向与主槽走向基本一致；无论大潮或小潮，落潮流速明显大于涨潮流速；垂向上各层流向基本一致，流束相对集中；单宽输水计算结果(杨干然，1988)表明，不论大潮或小潮，主槽中的测点均表现为向海输水为主，可见主槽有较强的下泄流存在，受下泄流控制泥沙自北向南输运。因此泥沙输移趋势预测与通过水沙实测资料得到的一致。 2.东槽 西北向泥沙输移趋势，表现为低能搬运(事件B)。东槽是黄茅海主要的潮汐通道，受东口峡口潮汐射流和河口水平余环流(图4)综合作用，珠江口近岸常年西南向广东沿岸流携带大量泥沙自外海通过潮汐通道进入黄茅海湾内，成为黄茅海拦门浅滩海域泥沙的主要来源。从实测最大流速矢量图(图2：I3站和I4站)也可看出，潮流向与东槽走向基本一致，不论大潮或小潮，东槽涨潮历时较湾内长1～2小时，且涨潮流速普遍大于落潮流速，涨潮优势流自口门向湾向递减，所以在东槽泥沙自口门向湾内输移。 |
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图2 黄茅海各测站最大流速矢量图 | 图3 黄茅海余流矢量图 |
Maximum tidal current vectors at stations | Residual current vectors at in situ moorings |
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图4 高栏海区冬季(a)及夏季(b)余流矢量图 |
Residual current vectors at the in situ moorings in region of Gaolan Island.(a)Winter, and(b)Summer. |
3.西槽 泥沙输移趋势以北向为主，表现为高能搬运(事件C)；同时南向泥沙搬运也较明显，表现为低能搬运(事件B)。西槽既是黄茅海盐水入侵的入口，也是冲淡水的主要出口，复杂的动力条件决定了泥沙运动的多样性。盐水楔异重流将沿岸流携带的泥沙带入湾内，成为拦门浅滩海域泥沙的又一重要来源；经过混合的冲淡水携带着泥沙出海，成为广东沿岸流的组成部分之一。从表层沉积物类型分布图来看(图5)，海域来沙粒径较粗(均值粒径为6.01Φ)，搬运能量较高；而冲淡水搬运泥沙粒径较细(均值粒径为7.08Φ)，搬运能量较低。
4.大襟岛以西的西口为北向输移趋势，为低能搬运(事件B)。西口在三大出口中水深最浅，径、潮流强度最弱，受河口口门左侧顺时针水平余环流作用，泥沙自外海向湾内搬运。西口成为拦门浅滩海域泥沙来源的又一通道。5.西滩潮沟泥沙明显为南向输移趋势，为低能搬运(事件B)。余流结果(图3测站Ⅱ2)表明，该潮沟上段测站Ⅱ2表、底层余流均指向东南，与泥沙输移趋势一致，可以判断此潮沟为落潮流冲刷而成，为一落潮槽。表层沉积物粒径(均值粒径为8.00Φ)最细，相对水深较浅，搬运能量低。
6.大海环浅滩泥沙输移为西北向趋势，且为低能搬运(事件B)。在南水岛—高栏岛大堤修建之前(1991年5月)，东部鸡啼门出海泥沙随广东西沿岸流进入高栏列岛内，在涨潮优势流作用下泥沙通过东槽和三角山以东通道进入拦门沙浅滩和大海环浅滩，大海环为一半封闭低能区，大量细颗粒泥沙在此淤积。
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图5 黄茅海河口表层沉积物类型分布图 | 图6 黄茅海河口泥沙输移方向 |
Surface sediment distribution of clusters | The most likely bottom sediment transport directions Huangmaohai Estuary |
拦门沙浅滩泥沙运动趋势复杂。北部泥沙运动趋势向南，表现出高能搬运(事件C，Z=3.15)；南部以北向为主，表现为低能搬运(事件B，A=2.87)。河口中部受垂直密度环流控制，在近底层环流顶端滞流点下游受上溯流作用泥沙向北输运，在滞流点上游受下泄流作用泥沙向南输运。通过海图(1861～1977年)对比分析，发现拦门浅滩-5m等深线平均以每年60m的速度向湾口推移，因此从长周期和累积效应考虑，可以认为拦门浅滩南向泥沙输移强度比北向更大。这也与拦门浅滩泥沙搬运能量北强南弱一致。
综上所述，河口泥沙输移深受河口小尺度动力和水下地形相互作用的影响。黄茅海河口湾泥沙来源有上游河流输沙，通过南水岛—高栏岛峡口鸡啼门来沙，口外沿岸流挟带的海域泥沙。河流输沙主要沿北槽南下，鸡啼门流域来沙通过东槽和三角山东侧通道北上，海域来沙主要沿东槽和西槽北上。黄茅海泥沙的“汇”主要是西滩、拦门浅滩和大海环浅滩(图6)。
5 结语
1.本文运用McLaren模型对黄茅海河口表层沉积物粒径特征的空间变化进行定量计算，得到泥沙输移趋势。结合水下地形、水文测验及表层沉积物分布确定泥沙的“源”、“汇”和搬运方向，并探讨其输移机制。计算结果与河口动力沉积过程分析的结果一致，两者可互相印证。因此运用该模型计算结果分析泥沙粒径特征的空间变化可以间接掌握泥沙运动的动力沉积过程，不失为一种简便易行的方法。
2.McLaren模型仅适用于分析单一泥沙来源的线状泥沙输移，得出泥沙输移方向是一个“净”方向。而河口区往往存在多种泥沙来源，且泥沙输移存在往复性(如西槽)，甚至旋转性(如东槽)，因此该模型中泥沙输移趋势选点计算必须考虑河口区的泥沙输移特征。
3.McLaren模型在河口湾中的应用要恰当，需结合具体区域的水文动力特征和地形等来分地形单元计算，选点也要合理，这是模型正确应用的关键所在，否则就会出现与实际不符的结果。滩面上因为水文泥沙运动过程相对复杂，泥沙输移趋势的计算应慎重。而槽沟、河流入口、岛间峡口等泥沙输移运动相对简单。因此在河口海湾，选择这些线状地形单元计算泥沙输移较面状浅滩上的计算结果更可靠，更符合模型的条件。
4.用于模型计算的表层沉积物应是受水动力作用输运中的泥沙，而不能是受强烈冲刷的河床底质，后者不是泥沙输运的结果，而是冲刷的结果。因此选点采样和计算结果的分析应考虑这个因素的影响。
5.模型计算的结果仅代表正常情况下长期的输移趋势，而对风暴、台风、特大洪水等突发事件情况下的泥沙输移规律还有待深入研究。
6.该模型是用定量的方法解决泥沙的部分定性问题，如泥沙的“源”与“汇”、输移方向和输移路径，而对于泥沙输移速率和通量等定量问题，泥沙运动的动力沉积过程等，则需要更好的模型进行研究。
参 考 文 献
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