楊陽，李銳祥，喬光全，劉愉強，肖志建，朱鵬利

(1.國家海洋局 南海工程勘察中心，廣東 廣州 510300)

水動力對越南巴達棱灣表層沉積物和岸灘的影響

楊陽1，李銳祥1，喬光全1，劉愉強1，肖志建1，朱鵬利1

(1.國家海洋局 南海工程勘察中心，廣東 廣州 510300)

基于越南巴達棱灣2007年4月采集的42個表層沉積物樣品及實測水文資料，分析越南巴達棱灣表層沉積物特征，并結(jié)合GSTA模型分析表層沉積物的運移趨勢。結(jié)果表明：越南巴達棱灣表層沉積物以粗顆粒為主，在潮流和波浪的作用下呈中西部粗、東部細的分布特征；其西側(cè)表層沉積物沿岸線自西南向灣內(nèi)運移，中西近岸區(qū)沉積物垂直于岸線做離岸輸移，在灣的東側(cè)存在自東北向西南的運移趨勢，并與從灣西運移過來的底沙相遇，形成運移輻聚區(qū)，并在余流的作用下，向西運移；“波浪掀沙，潮流輸沙”是該地區(qū)表層沉積物輸運的主要作用機制；在波浪的作用下，研究海域的海岸線處于侵蝕狀態(tài)，有后退的趨勢。

越南巴達棱灣；表層沉積物；粒度特征；運移趨勢

1 引言

受熱帶氣旋、風(fēng)暴潮、波浪、海面上升、沿岸流和人類活動等影響，越南海岸侵蝕情況較為嚴重，其中越南中部沿岸的海岸侵蝕速率為15～30 m/a，最大速率超過100 m/a[1]。由于越南海岸的侵蝕是一個復(fù)雜而長期的問題，受到了學(xué)者們的高度關(guān)注。很多學(xué)者利用對海岸侵蝕的長期監(jiān)測[2]、現(xiàn)場水文觀測[3]、海圖與地形遙感資料的比較[4]和數(shù)值模型[5]等研究手段，得到了一系列的研究成果，并通過構(gòu)筑防波堤[2]、種植紅樹林[6]等措施有效地保護了海岸線。

越南巴達棱灣(Cu Aao Cau Bay)(見圖1)位于越南平順省(Binh Thuan)東北部的綏豐縣(Tuy Phong)。該灣潮汐屬不正規(guī)全日潮，潮流以不正規(guī)半日潮為主，潮流橢圓長軸基本與岸邊等深線平行，其方向集中在SW-NE之間[7]。余流存在明顯季節(jié)變化，雨季受西南季風(fēng)的影響，余流方向從西南指向東北，旱季在東北季風(fēng)驅(qū)使下，余流方向指向西南海區(qū)。該地區(qū)波浪以風(fēng)浪為主，東北季風(fēng)(西南季風(fēng))期間，譜峰周期對應(yīng)的波向為E(SSW)。常浪向為E，頻率為34.3%；其次是SSW向，頻率為24.5%。強浪向為E和SSW，有效波高Hs≥50 cm 的出現(xiàn)頻率分別為20.4%和14.7%，有效波高Hs最大值為136 cm，出現(xiàn)在SSW向。研究海域的水體含沙量存在旱季低、雨季高的季節(jié)變化和大潮高、小潮低的潮期變化，在平面上出現(xiàn)東西兩側(cè)高、中間低，近岸高、遠海低的特征。調(diào)查海域旱季大、小潮期間的平均含沙量分別為0.002 8 kg/m3和0.002 0 kg/m3；雨季大、小潮期間的平均含沙量分別為0.003 8 kg/m3和0.003 4 kg/m3[8]。

本文利用越南中部巴達棱灣2007年4月采集的42個站沉積物，2007年5月至2008年4月的波浪觀測資料，2007年4月的全潮海流、懸沙資料，并結(jié)合Gao-Collins粒徑趨勢分析方法[9]探討該灣表層沉積物特征、運移趨勢及對水動力的響應(yīng)。

圖1 潮位、海流和懸沙、底質(zhì)采樣站位示意圖(等值線表示水深(m))Fig.1 Distribution of observatory stations for tide，current，suspended sediment and surface sediment (values in the con-tour lines represent the water depth(m))

2 資料及方法

國家海洋局南海工程勘察中心于2007年4月使用0.05 m2曙光(HNM1-2型)采泥器在越南中部巴達棱灣對42個底質(zhì)站實施采樣，調(diào)查站位見圖1，每站取樣1個，每站取樣質(zhì)量不少于1 kg。粒度分析采用Mastersizer 2000粒度分析儀與篩析法相結(jié)合的方式測試，并獲得0.25φ間隔的粒度分布。沉積物粒級采用尤登·溫德華氏等比制φ值粒級標(biāo)準，沉積物粒度參數(shù)(平均粒徑φ、分選系數(shù)QD和偏態(tài)系數(shù)Sk)利用矩法計算[10]，沉積物的分類和命名采用謝帕德沉積物命名法(礫石含量大于20%時，礫石參與命名)。周年波浪觀測時間從2007年5月至2008年4月，波浪觀測站的水深約15 m，觀測儀器采用荷蘭Datawell Inc公司生產(chǎn)的MARKⅡ型波浪騎士。全潮水文觀測于2007年4月19-28日進行，測流時采用10條船進行定點同步的26 h連續(xù)觀測，海流測量儀器為AANDERAA RCM-9自容式海流計。

3 結(jié)果與分析

3.1 底質(zhì)類型和粒度參數(shù)

研究區(qū)域內(nèi)沉積類型比較復(fù)雜，物質(zhì)由粗至細共包括5種物質(zhì)成份，即砂、礫砂、粉砂質(zhì)砂、砂質(zhì)粉砂和礫砂，其中所占比例最多的是砂(占50.0%)，其次是礫砂(占23.8%)，粉砂質(zhì)砂(占16.7%)，砂質(zhì)粉砂和礫砂各有兩個站位出現(xiàn)，呈現(xiàn)出以粗顆粒砂為主的沉積特性。砂在巴達棱灣分布最廣，砂礫僅在巴達棱灣的西側(cè)遠岸處出現(xiàn)，而粉砂質(zhì)砂和砂質(zhì)粉砂兩種類型沉積物主要集中在大于10 m的深水區(qū)。其中，粉砂質(zhì)砂出現(xiàn)于巴達棱灣中部淺水灘北側(cè)(見圖2a)，及中部深水區(qū)零星區(qū)域，對應(yīng)的平均粒徑為高值區(qū)(見圖2b)，而灣內(nèi)中部淺灘沉積物類型較為復(fù)雜，存在砂、礫砂和礫砂3種物質(zhì)，對應(yīng)的沉積物中粒級分布范圍較廣，沉積物分選較差(見圖2c)，體現(xiàn)了該區(qū)物源多樣性，反映出灣內(nèi)水動力條件較為復(fù)雜。該區(qū)域?qū)?yīng)的偏態(tài)系數(shù)最大(見圖2d)，最大值超過0.5，屬于極正偏，表明沉積物總體偏粗，此外，另一個極正偏區(qū)域位于深槽南部及其南側(cè)海域，沉積物粒度集中于粗粒部分，以砂和礫砂為主。總體而言，巴達棱灣沉積物粒度呈現(xiàn)出中西部粗、東部細的分布格局。

3.2 沉積物輸移及來源

基于表層沉積物的粒級參數(shù)(平均粒級、分選系數(shù)和偏態(tài))在搬運過程中的規(guī)律性變化，Mclanren和Bowels[11]提出了一維沉積物粒徑趨勢模型，用來判別沉積物的凈搬運方向，在此基礎(chǔ)上，Gao和Collins[9]建立了二維的“粒徑趨勢分析”(GSTA模型)，并用以反映沉積物輸移格局。該方法在不同海域得到了應(yīng)用[12—16]。圖3為通過GSTA模型計算獲取的越南巴達棱灣粒徑運移趨勢圖。圖中矢量箭頭表示沉積物凈搬運方向，矢量長度僅表示粒徑趨勢的顯著性，并不代表搬運速率的大小。由圖可知，越南巴達棱灣表層沉積物運移趨勢較顯著，其西側(cè)表層沉積物沿岸線自西南向灣內(nèi)運移，指示該區(qū)域物源主要來自灣外部。受潮致余流及波生離岸流的作用，研究海區(qū)中西部近岸區(qū)表層沉積物主要垂直于岸線做離岸輸移，預(yù)示著該段海岸線被沖刷，岸線被侵蝕，從岸向外海其運移強度逐漸減弱。巴達棱灣東側(cè)沿岸表層沉積物亦是離岸向海運移，表明東側(cè)海岸線同樣存在被沖刷、被侵蝕的可能性，其在15°18′N，118°53′E區(qū)域與從巴達棱灣西側(cè)運移過來的底沙及外海從灣東側(cè)進入灣內(nèi)的底沙相遇，形成泥沙運移匯聚區(qū)(見圖3)，并在底層余流的作用下可能發(fā)生向西南向運移(見圖4)。

3.3 水動力對泥沙輸移的作用

3.3.1 潮流掀沙

潮流對表層沉積物的掀沙作用強度主要與潮流流速、水深及表層沉積物粒徑大小有關(guān)，本文根據(jù)竇國仁[17]公式計算了泥沙的起動流速，對于某一水深處，表層沉積物的相應(yīng)起動流速小于或等于潮流最大垂線平均流速時，潮流對其具有掀沙作用，公式如下：

圖2 表層沉積物(a)、平均粒徑(b)、分選系數(shù)(c)和偏態(tài)系數(shù)(d)分布圖(圖中線等值線表示水深(m))Fig.2 Distribution of surface sediments (a)，mean grain size (b)，sorting coefficient (c)，and skewness coefficient (d)(sash-dotted contours represent the water depth(m))

圖3 沉積物凈輸運趨勢圖(虛線等值線表示水深(m))Fig. 3 The trends for net sediment transportation(dash-dotted contour represents the water depth(m))

圖4 研究海區(qū)底層懸沙濃度(mg/L)及余流(cm/s)(虛線等值線表示水深(m))Fig.4 Concentrations of suspended sediments and residual currents in the study area (dash-dotted contours represent the water depth(m))

(1)

式中，ha為水柱高度表示的大氣壓；δ為水分子厚度，取3×10-8cm；g為重力加速度；D為中值粒徑；h為水深；γ為水的容重，取1；γs為泥沙容重，取2.65。

對實測潮流資料進行調(diào)和分析，并通過相應(yīng)的調(diào)和常數(shù)計算，得到區(qū)域內(nèi)各測點的潮流可能最大流速。當(dāng)某點沉積物的起動流速小于潮流最大流速時，即認為該點潮流流速足以使泥沙顆粒起動，存在潮流掀沙作用。圖5為計算所得研究區(qū)域內(nèi)泥沙起動速度空間分布情況，可以看出，研究海區(qū)的泥沙起動流速在0.36～0.90 m/s之間，受水深及泥沙粒徑的共同影響，研究海域中部淺灘區(qū)泥沙起動速度最小，東北和西南側(cè)泥沙起動速度相對較大。根據(jù)現(xiàn)場觀測資料獲取的本海域近底層理論最大潮流流速(表1)最大為0.42 m/s，各點的最大理論潮流流速均小于該處的泥沙起動速度，顯然潮流作用不足以起動該海域底沙。

圖5 泥沙起動速度(單位：m/s)分布圖(虛線等值線表示水深(m))Fig.5 The speeds for sediment initial motion(dash-dotted contours represent the water depth(m))

表1 泥沙起動速度及最大理論潮流統(tǒng)計表

Tab.1 Speeds of sediment initial motion and theoretical maximum tidal currents

站位起動速度/m·s-1最大理論潮流/m·s-1流速差/m·s-110 360 07-0 2920 570 25-0 3230 530 28-0 2540 680 38-0 3050 920 36-0 5660 640 27-0 3770 840 19-0 65

續(xù)表1

注：流速差是指理論最大理論潮流與起動速度的差值，正值表示理論最大理論潮流大于起動速度，底砂可以起動，負值則不能起動底砂。

3.3.2 波浪掀沙

本海域直接經(jīng)受外海傳入的波浪作用，加以區(qū)域內(nèi)的床面表層沉積物粒徑總體較粗，起動流速較大，因而波浪對本海域的掀沙沖刷作用不容忽視，為了解本海域波浪掀沙作用，本文通過公式(2)來計算泥沙顆粒的起動水深h*[18]:

(2)

式中，M是受泥沙因素及沙層滲流影響的系數(shù)，可以假定為沙粒粒徑D和波長L的函數(shù)，

(3)

波長L分為淺水波長和深水波長，

(4)

式中，H為波高，ρs為泥沙密度，ρ為水體密度；D為泥沙顆粒粒徑；β為常系數(shù)0.039；εK取值為2.56 cm3/s2。若取樣點泥沙顆粒的起動水深大于實際水深，則認為存在波浪掀沙作用。據(jù)此，若以實際水深作為臨界起動水深可以求得研究區(qū)域內(nèi)各點的泥沙起動臨界波高，其空間分布見圖6。

圖6 研究區(qū)域波浪掀沙空間分布(虛線等值線表示水深)Fig.6 The effect of wave-lifting-sediment (dash-dotted contours represent the water depth)

對于波浪動力，其掀沙作用范圍除受沉積物空間分布格局控制外，還取決于其波能的大小和實際水深。由圖6可以發(fā)現(xiàn)：(1)常見浪1.0 m波級情況下，僅可起動近岸水域的約5 m以淺表層沉積物；(2)波高位于1.0～1.5 m的波浪掀沙作用外邊界在中部淺灘及近岸稍遠海灘大致與5 m等深線相當(dāng)；(3)波高1.5～2.0 m的波浪掀沙作用區(qū)域主要集中于10 m水深海域；(4)對于2.5 m波級波浪，至約15 m水深以深，水下地形及表層沉積物顆粒大小沿等深線方向差異較大(水淺處，顆粒較粗)，該波級掀沙作用范圍存在明顯的空間分布差異；(5)當(dāng)波浪波級增大到2.5 m以上時，研究區(qū)域均為其掀沙作用范圍，但對于20 m水深以深區(qū)域，有效掀沙波浪發(fā)生頻率較低，表層沉積物所受波浪掀沙動力相對其他區(qū)域最為微弱，加之該區(qū)域接受近岸細顆粒泥沙輸入的原因，該范圍內(nèi)相對于其余海域的沉積物顆粒度明顯偏細。

3.3.3 潮流輸沙

落潮流由西南進入巴達棱灣后，受地形和科氏力影響，向偏東方向運動，在中部淺灘區(qū)域的細顆粒沉積物由于波浪掀沙作用發(fā)生再懸浮，并隨潮流運移，使得該區(qū)域的表層沉積物主要是較粗物質(zhì)，中值粒徑大多小于1φ，而較細物質(zhì)懸浮隨潮流繼續(xù)向偏東運移，隨著水深的增加，波浪和潮流等水動力作用逐漸減弱，細顆粒泥沙開始沉降落淤。漲潮流由該灣的東南側(cè)進入灣內(nèi)，漲潮流帶入的灣外部泥沙，在深水槽處與灣西運移過來的較細物質(zhì)及東北近岸海域向西南方向運移的泥沙相遇，形成一個泥沙匯聚區(qū)，該現(xiàn)象在表層沉積物的粒徑分布(見圖2a)和輸運趨勢(見圖3)中得到了進一步驗證。因此，潮流作用很可能是該海域泥沙輸移的主要動力因素。

3.4 波浪對海岸的塑造

波浪對海岸地貌的形成和發(fā)展有著重要意義。海灘的變形和泥沙運動主要受波能流強度所控制，所以波能流分布是十分重要的。按微幅波理論，單位波峰線上一個波長的平均波能流[19]為:

W=nρgH2L/8T，

(5)

式中，n波能傳遞系數(shù)，對深水波n=1/2；ρ為海水密度，取1 030 kg/m3；H波高；L波長；T周期。據(jù)此得各向的平均波能流見表2。表中Db為波浪的破碎水深。按各向出現(xiàn)頻率對波能流強度進行統(tǒng)計，得北向波能流En=-30.60%，東向波能流Ee=49.65%，波能流平均方向為α=122°，平均波能流為2.23×103W/m。越南巴達棱灣的海岸弧形開口向南，其東側(cè)和西側(cè)岬角所處緯度變化不大，屬“偏S型”海岸，各個方向常浪、強浪，對弧形海灣的泥沙運動和岸灘調(diào)整過程均可以產(chǎn)生影響[20]。岸線的法向與強浪向夾角的大小是決定海岸地貌形態(tài)的主要因素。巴達棱灣的岸線可以分成兩段進行討論，其中東段岸線走向135°，西段岸線走向224°，根據(jù)實測波浪統(tǒng)計的波能方向122°，與兩岸線的夾角分別為13°和102°。其中西段岸線在波浪作用下，整個岸段呈現(xiàn)弧形海岸的平面形態(tài)，近似與波能向垂直，該段岸線的近岸海域表層沉積物凈輸運方向垂直于岸線做離岸輸移，且本海域泥沙供給能力遠小于波浪的可侵蝕能力，海岸正處于侵蝕狀態(tài)，有向岸后退的趨勢。由于東段岸線與波能向夾角僅13°，東段岸線在波浪作用下被侵蝕的程度遜于西段岸線。

表2 各向波能流分布

續(xù)表2

注：Db為波浪破碎水深。

此外，中部淺灘區(qū)受波浪破碎的影響，底質(zhì)泥沙被波浪重新懸浮，細粒物質(zhì)被潮流帶往它處，導(dǎo)致淺灘的沉積物逐漸粗化，經(jīng)強浪淘選的粗粒物質(zhì)在淺灘區(qū)形成大片砂粗細砂分布區(qū)，且分選較差。由表2中計算的破碎水深，以N-E浪的破碎水深最大(0.61 m)，SSW-SW(0.56 m)居次，結(jié)合中值粒徑等深線的分布特征進行分析(見圖2a)，表明破波帶以內(nèi)表層沉積物粗化區(qū)可能以東北和偏東走向為主。

4 小結(jié)

(1)越南巴達棱灣表層沉積物以砂為主要類型，普遍較粗，分選較差，屬正偏態(tài)，粒徑空間分布呈中西部粗、東部細的格局。

(2)在水動力作用下越南巴達棱灣西側(cè)表層沉積物沿岸線自西南向灣內(nèi)運移。受潮致余流的作用，研究海區(qū)中西部近岸區(qū)表層沉積物主要垂直于岸線做離岸輸移。巴達棱灣東側(cè)沿岸表層沉積物亦是離岸向海運移，并與灣西側(cè)運移過來的底沙及從灣東側(cè)進入灣內(nèi)的外海底沙相遇，所形成的泥沙運移匯聚區(qū)在余流作用下西移。

(3)該海域潮流不足以掀沙，波浪是掀沙的主要水動力因素，其對表層沉積物沖刷作用主要以常見浪1.0 m波級情況下對淺水區(qū)域掀沙作用最為顯著，可起動中部淺灘及近岸水域的約5 m以淺表層沉積物。當(dāng)波浪波級增大到2.5 m以上時，掀沙作用范圍覆蓋整個研究區(qū)域。

(4)潮流作用是該海域泥沙輸移的主要動力因素。

(5)波浪是其海岸線侵蝕的主要因子，在其作用下，東段岸線被侵蝕的程度低于西段岸線。

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The influence of Hydrodynamics on surface sediment and beach in the Cu Lao Cau Bay，Vietnam

Yang Yang1，Li Ruixiang1，Qiao Guangquan1，Liu Yuqiang1，Xiao Zhijian1，Zhu Pengli1

(1.SouthChinaSeaMarineEngineeringSurveyCenter，StateOceanicAdministration，Guangzhou510300，China)

This study analyzed 42 surface sediment samples and hydrological data observed in Aprial，2007 in the Cu Lao Cau Bay. The obtained data，combined with the Gao-Collins Grain Size Trend Analysis Model (GSTA model)，were used to infer the characteristics and transportation trend of sarface sediment in the Cu Lao Cau Bay，Vietnam. The results suggested that the surface sediments were mainly composed of coarse particles. Under the influences of the tidal currents and waves，the particles were coarse in the central and western part of the bay，and fine in the eastern part. In the western part of the bay，the sediments were transported from southwest into the bay along the coast. In the central part of the bay，the sediments were transported from nearshore to offshore. In the eastern part of the bay，the sediments were transported from northeast to the southwest. A convergent area of sediments was formed by the sediment from the western and eastern part of the bay，and then they moved westward under the influence of residual currents. The surface sediment movement was mainly induced by the superimposed effect of wave and tidal current，of which the sediment was left by wave and transported by the tidal current. The coastline of the Cu Lao Cau Bay is being eroded under the influence of wave (a main factor)，and it generally takes on a tendency of moving backward．

Cu Lao Cau Bay; surface sediment; grain size character; trend of sediment transport

10.3969/j.issn.0253-4193.2015.05.007

2014-06-20；

2014-12-22。

國家自然科學(xué)基金(41376026)。

楊陽(1976—)，男，湖南省祁陽縣人，高級工程師，主要從事海洋環(huán)境調(diào)查工作。E-mail：yangyang@smes.gz.cn

P736.21

A

0253-4193(2015)05-0068-08

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