楊耀中，馮衛(wèi)兵

（河海大學(xué)海洋學(xué)院，南京 210098）

南黃海輻射沙脊群位于江蘇省北部沿海地區(qū)，該海域地貌獨(dú)特、水流復(fù)雜。從宏觀上了解該區(qū)的泥沙來源、懸沙時空分布規(guī)律對于水利建設(shè)非常必要。但是此區(qū)域的懸沙資料零散，大范圍的懸沙研究目前并不多見。本文應(yīng)用平面二維潮流數(shù)學(xué)模型、天氣圖和人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，構(gòu)建了考慮潮流動力和風(fēng)力影響的懸沙計算模型。對輻射沙脊群海域的懸沙分布及其運(yùn)動規(guī)律進(jìn)行了研究。

研究海岸泥沙運(yùn)動有多種方法，包括數(shù)學(xué)模型、衛(wèi)星遙感技術(shù)、現(xiàn)場水文測驗(yàn)等。在泥沙輸移數(shù)模中，泥沙沉降通量和擴(kuò)散通量的確定較為困難。不同的假設(shè)和近似得到不同的模式，導(dǎo)致含沙量模擬的困難和不確定性。采用衛(wèi)星遙感技術(shù)對所研究海域的光學(xué)特性進(jìn)行分析，其圖像主要是反映表面懸沙的分布。但是一般情況下，懸沙垂向分布差別較大，計算單寬輸沙率不能以表層含沙量代替垂線平均值。水文測驗(yàn)所得數(shù)據(jù)較前兩者準(zhǔn)確，但是限于人力、物力，不可能對面積達(dá)140 km×200 km的輻射沙脊群進(jìn)行密集測量。本文以實(shí)測資料為基礎(chǔ)，通過平面二維潮流數(shù)學(xué)模型、風(fēng)場和人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對懸沙場進(jìn)行計算。需要說明的是，本文所指的含沙量不是表層水體含沙量，而是運(yùn)用六點(diǎn)法或三點(diǎn)法求出的垂線平均含沙量。

1 模型介紹

考慮潮流、風(fēng)對懸沙場的影響，本文運(yùn)用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)把平面二維潮流數(shù)學(xué)模型和天氣圖、實(shí)測風(fēng)資料結(jié)合起來，構(gòu)建了懸沙計算模型。潮流模型用于提供水流條件，天氣圖和實(shí)測風(fēng)資料用于考慮由于風(fēng)生成的浪的影響。人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)則用于建立動力條件與懸沙的函數(shù)關(guān)系。模型的驗(yàn)證數(shù)據(jù)來源于“江蘇近海海洋綜合調(diào)查與評價”項目實(shí)測資料，包括夏季大潮、小潮，冬季大潮、小潮的潮流、風(fēng)要素、含沙量等數(shù)據(jù)。

根據(jù)實(shí)測站點(diǎn)位置和各海域含沙量特點(diǎn)把輻射沙脊群海域劃分成5片區(qū)域（圖1），各海域內(nèi)的測站序號見表1。用本文所建模型分別尋求5片區(qū)域全潮平均含沙量。

1.1 潮流數(shù)學(xué)模型

1.1.1 控制方程

水流運(yùn)動的控制方程包括連續(xù)性方程和動量守恒方程

1.1.2 定解條件與數(shù)值計算方法

模型計算范圍：北緯 30°54′～35°24′，東經(jīng) 119°15′～123°00′。

計算網(wǎng)格：dx×dy=300 m×300 m。

水邊界條件：在水邊界給定已知的潮位過程。岸邊界條件：取流速的法向分量為零。初始條件：潮位取開始計算時刻的水邊界潮位值，流速取零。

?

數(shù)值計算方法：微分方程采用控制體積法進(jìn)行離散。時間采用向前差分格式；空間采用四邊形交錯網(wǎng)格法，用ADI法求解。

1.1.3 潮流數(shù)學(xué)模型的驗(yàn)證

下面以夏季大潮4號區(qū)域（黃沙洋、爛沙洋為主）中R22、R23、R24實(shí)測點(diǎn)為代表，列舉潮流模型驗(yàn)證情況。圖2～圖4中潮位驗(yàn)證用的是全水深，目的是為了與后文建立的人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)相對應(yīng)。由圖2～圖4可見，潮流數(shù)值模型結(jié)果與實(shí)測數(shù)據(jù)吻合良好。

1.2 風(fēng)場模型

使用夏季大潮、小潮和冬季大潮、小潮對應(yīng)時刻的天氣圖，運(yùn)用科爾金娜方法對地轉(zhuǎn)風(fēng)的風(fēng)速和風(fēng)向進(jìn)行第一次修正，再用實(shí)測風(fēng)資料對風(fēng)場進(jìn)行二次修正。通過計算得到網(wǎng)格點(diǎn)在整點(diǎn)時刻的瞬時風(fēng)要素，一個天文潮共有25組風(fēng)要素。

1.3 人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型

1.3.1 輸入變量的選擇

一般來說，近岸海域的懸沙主要來自于水底沉積物的再懸浮和河流的徑流輸沙。而南黃海輻射沙脊群海域的懸沙主要來源于前者。所以本文所建立的人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型不考慮徑流輸沙對懸沙場的影響。

從徑流輸沙方面分析，輻射沙脊群所在海域沿岸并無高含沙量的大河匯入。經(jīng)過多年的河道整治，江蘇北部沿岸河道向海中輸沙量已經(jīng)很?。?］。長江位于該海域南部，雖然徑流量和水體含沙量都很大（年平均輸沙量4.6億t），但是其入海泥沙大都向南部輸運(yùn)，對該海域懸沙的影響很?。?］。黃河位于該海域北部，雖然在沿岸流挾帶下，泥沙可以進(jìn)入南黃海北部，但是其影響范圍主要是在嶗山灣以東沿岸淺海［3］，對輻射沙脊群海域影響并不大。秦蘊(yùn)珊［4］曾經(jīng)估算過徑流輸沙對該海域含沙量的影響。經(jīng)估算黃海海水體積約為17 000 km3，徑流輸沙總量為2 000～2 500萬t，其中包括沿岸徑流輸沙量和從渤海海峽南部向黃海輸送的泥沙量。假設(shè)這些泥沙全部懸浮于海水中，其所能形成的懸浮體最大濃度為0.001 2～0.001 5 kg/m3。這個值不到實(shí)際測量所得濃度的百分之一。所以徑流輸沙不是該海域懸沙的主要來源。從成分來分析，也說明了懸沙主要來源于海底沉積物的再懸浮。中國科學(xué)院海洋研究所和美國伍茲霍爾海洋研究所（WHOI）1983年對南黃海進(jìn)行了調(diào)查研究，通過對比海底表層沉積物和底層海水懸浮體的X光衍射照片，發(fā)現(xiàn)兩者成分基本相同［4］，從而說明懸沙與海底床沙關(guān)系密切。通過以上分析可以判斷懸沙主要來源于水底沉積物的再懸浮。

泥沙懸浮主要與水動力條件有關(guān)。本文借鑒挾沙能力公式考慮的動力因子，以水深、流速、風(fēng)速作為輸入變量，用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)尋找垂線平均含沙量 Cz與動力條件 p=［1/depth，Ux，Uy，Wx，Wy］之間的關(guān)系 F。其中depth 為水深；Ux、Uy為流速在 x、y 方向的分量；Wx、Wy為風(fēng)速在 x、y 方向的分量。

1.3.2 模型的結(jié)構(gòu)

人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)參數(shù)設(shè)置：輸入層節(jié)點(diǎn)數(shù)10，隱含層節(jié)點(diǎn)數(shù)10，輸出層節(jié)點(diǎn)數(shù)1。各層傳遞函數(shù)分別為：tansig，tansig，purelin。其中tansig表達(dá)式為a=（en-e-n）/（en+e-n），purelin表達(dá)式為a=n。網(wǎng)絡(luò)的自適應(yīng)調(diào)整函數(shù)為trainscg（尺度化共軛梯度反向傳播算法）。最大訓(xùn)練次數(shù)為3 000。

1.3.3 函數(shù)關(guān)系的驗(yàn)證

本文將輻射沙脊群海域分成5個小區(qū)域，用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)分別尋求各區(qū)域的含沙量與水動力之間的函數(shù)關(guān)系。下面以夏季大潮4號區(qū)域（黃沙洋、爛沙洋）為例說明整個求解過程。

在4號區(qū)域中，使用R22、R23、R24每個測站前18個實(shí)測值作為訓(xùn)練值，通過人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)得到一個含沙量與動力條件之間的矩陣關(guān)系式F，矩陣系數(shù)見表2。再把后7個實(shí)測動力條件代入F，求出含沙量。最后與實(shí)測值比較，以檢驗(yàn)函數(shù)式F。由圖5可見計算值與實(shí)測值吻合良好。其中“ann擬合值”表示以實(shí)測流速值、風(fēng)速值和水深值為自變量，代入函數(shù)關(guān)系F所得的懸沙量。由圖5可見所得函數(shù)關(guān)系較為可靠。

以3個測站得出的含沙量關(guān)系F作為4號區(qū)域的函數(shù)關(guān)系，把潮流數(shù)學(xué)模型和風(fēng)場模型計算所得的動力條件代入F，從而求出該海域的懸沙分布，得到計算含沙量。同樣把它們與實(shí)測值進(jìn)行比較，以檢驗(yàn)懸沙模型。

表2 矩陣關(guān)系式的系數(shù)Tab.2 Coefficients of matrix expression

圖6中“模擬值”表示以潮流模型、風(fēng)場模型計算值和水深值為自變量，代入函數(shù)關(guān)系F所得的懸沙量。由于模型計算所得的動力條件與實(shí)測值有一定差別，所以人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)得到的懸沙量與實(shí)測值也有一定差別，但是總體看來吻合良好。

2 輻射沙脊群海域懸沙場特征分析

運(yùn)用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)求出實(shí)測含沙量與實(shí)測動力條件之間的函數(shù)關(guān)系，再把潮流模型、風(fēng)場模型計算所得動力條件代入此關(guān)系中，從而得到整個海域的懸沙場。本文計算了夏季大、小潮和冬季大、小潮4個潮型的懸沙場，下面將分析懸沙場的時空變化規(guī)律。

2.1 風(fēng)浪對含沙量影響明顯

風(fēng)浪對泥沙的掀動作用明顯。1983年中美聯(lián)合調(diào)查在南黃海輻射沙脊群海域測量時，海面上刮起持續(xù)24 h的大風(fēng)。當(dāng)時波高3 m、周期9 s，在水深40 m處，水質(zhì)點(diǎn)最大速度為0.595 m/s，30 m水深處為0.996 m/s，遠(yuǎn)大于淺灘上細(xì)沙和粗粉沙粒級的揚(yáng)動流速（0.40 m/s）。將風(fēng)前風(fēng)后的懸浮體濃度值對比發(fā)現(xiàn)，大風(fēng)后海面表層含沙量增加了1倍，底層增加了6倍［5］。

冬季時期風(fēng)浪對含沙量影響明顯。圖7-a和圖7-c分別為夏季、冬季大潮全潮平均含沙量分布圖。顏色由深到淺表示含沙量由高到低的變化。表3是14個測站實(shí)測數(shù)據(jù)全潮平均值。由圖7和表3可知，冬季整個海域高含沙量水體分布面積、濃度均大于夏季，但是冬季的潮流平均流速反而小于夏季。這說明導(dǎo)致冬季含沙量高的因素不是潮流，而是冬季該海域風(fēng)速較大，水深較小，有利于風(fēng)浪掀沙。在偏北大風(fēng)的作用下，由深海傳來的波浪較大，同時此海域的風(fēng)浪也較大。大風(fēng)引起的大浪對泥沙掀動作用明顯。在落潮流的挾帶下，懸沙向深海擴(kuò)散。而夏季盛行西南風(fēng)，且風(fēng)速較小，不利于波浪掀沙和泥沙向深海擴(kuò)散。同樣小潮也有類似的現(xiàn)象。

分析多年風(fēng)速資料發(fā)現(xiàn)：輻射沙脊群海域冬季盛行偏北風(fēng)，風(fēng)力強(qiáng)而持久，波浪大都以偏北向?yàn)橹鳎幌募静皇芘_風(fēng)影響時，風(fēng)力較小，風(fēng)向多變，方向從東南向至東北向皆有［6］。因此可以推斷，該海域冬季風(fēng)浪掀沙作用明顯。同時前人的研究也證明風(fēng)浪對懸浮體分布影響顯著。在冬季風(fēng)暴的影響下，南黃海近海冬季含沙量是夏季的5倍以上［7-8］。

2.2 西洋以沖刷為主

由圖7可以看出，西洋海域有一個高含沙量通道一直延伸至射陽附近。據(jù)潮流數(shù)學(xué)模型推算，西洋潮流動力強(qiáng)勁，落潮最大流速為2.3 m/s，流向以往復(fù)流為主，并且落潮流速大于漲潮流速。這種潮流動力輸沙能力強(qiáng)，凈輸沙方向與落潮流相同，從而使得大量泥沙通過落潮向外海輸運(yùn)。因此西洋處于沖刷態(tài)勢。

外海傳來的波浪對西洋影響較小，這是由于其受到岸外沙脊的掩護(hù)，同時水深較大，波浪掀沙作用不明顯。據(jù)推算，王港外西洋深槽內(nèi)，在設(shè)計高水位和平均年最大風(fēng)速條件下有效波高不到1.0 m［9］。雖然冬季此處風(fēng)力較大，但是多為離岸風(fēng)，風(fēng)區(qū)長度較小，所能引起的風(fēng)浪也不大。因此西洋水動力以潮流為主。

2.3 含沙量等值線與等水深線大體一致

由圖7可見，含沙量在輻射沙脊群中心部位高，隨著水深加大而逐漸降低，其分布與等水深線大體一致。導(dǎo)致此現(xiàn)象的主要原因是高含沙量水體所在的海域正是沙脊群水深較淺的位置，此處是各條沙脊匯集的地方。漲潮時各個方向的水流沿著沙脊間的潮流水道向此處匯聚，落潮時從此處向各個方向輻散，形成輻射狀流場。因此該海域水動力強(qiáng)勁，泥沙易于懸浮，形成了高含沙量區(qū)域。在外圍海域，隨著水深的加大，挾沙能力逐漸下降，水體中的泥沙逐漸落淤，含沙量也隨之下降。于是形成了與等水深線形狀相似的含沙量等值線。

表3 大潮各測站流速、含沙量、風(fēng)速全潮平均值Tab.3 Average of flow rate，sediment concentration，wind speed at each station during spring tide

3 結(jié)論

本文通過人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，將平面二維潮流數(shù)值模型、天氣圖和實(shí)測數(shù)據(jù)聯(lián)系起來，建立了懸浮泥沙模型。本模型適用于大范圍海岸懸沙場計算，所得懸沙數(shù)據(jù)為垂線平均值，可以方便地求出單寬輸沙量。通過此模型可以把實(shí)測站點(diǎn)的懸沙值在空間上展開，從而求出懸沙場。

輻射沙脊群海域的計算結(jié)果表明：（1）風(fēng)浪對含沙量影響明顯。波浪掀沙和水流輸沙是整個海域宏觀水動力特征。特別是在冬季，由于風(fēng)速較大，計算懸沙場分布情況時，風(fēng)浪作用力不可忽視。（2）西洋潮流水道處于沖刷狀態(tài)，有利于深槽的維持。（3）含沙量等值線與等水深線形狀大體一致。

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