2019, Vol. 49
2. 上海河口海岸科学研究中心，上海 201201
舟山群岛位于长江口东南侧，北面连接长江口海域，西面与杭州湾相连，东面连接东中国海。群岛岛屿众多，岸线地势复杂多变。舟山群岛海域(见图 1)既是杭州湾水体与东海水体交换的主要通道，也是杭州湾向东海输运泥沙的重要通道，还是东海沿岸流携带泥沙向南输运的过渡地带[1]。在舟山群岛海域，开阔海域沉积类型以粉砂为主，岛屿附近则是以细砂为主，黏土主要来源于从长江口直接进入杭州湾的泥沙，外海输沙的影响很小[1-2]。表层沉积物总体上呈东粗(砂)西细(泥)、粒径由北向南逐渐变细的特点[3-4]。舟山群岛海域悬沙含量东南方向低、西北方向高，自杭州湾向外海迅速降低[1, 5]。落潮平均悬沙含量一般高于涨潮平均悬沙含量，大潮间悬沙平均含量大于小潮间，冬季悬沙平均含量大于夏季。潮流是控制泥沙输运的主要动力因子[1, 6-7]。悬沙输运具有往复搬运、净输沙量小的特点[1]。舟山群岛的存在对海流变化、泥沙分布和泥沙输运有显著影响，具有明显的“群岛效应”[5]。由杭州湾向外海，泥沙起动流速越来越大，在群岛内，泥沙基本沿水道走向输运[1]。
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(b2：嵊山验潮站，b1：佘山验潮站; a2：浮标Q206，a1：浮标Q207; 1~9：悬沙浓度测站; c*：流速测站; d：春晓油管水深测点b2: Shengshan tide station, b1:Sheshan tide station; a2:buoy Q206, a1:buoy Q207; 1~9:sediment suspended concentration(SSC); c*: velocity; d:Chunxiao pipeline water depth.) ) 图 1 模式模拟海域地形与观测数据站点(A)及舟山群岛海域地形图(B) Fig. 1 Model depth and observation stations(A) and topography of Zhoushan Islands(B) |
一般天气条件下，舟山群岛海域波浪主要为风浪，呈现东高西低特征：在群岛以东，平均波高1 m左右，在群岛以西，由于群岛阻碍作用，波浪向西传播时迅速衰减[8]。舟山群岛海域夏秋台风(热带风暴)影响频繁。台风天气条件下，舟山群岛对台风浪的阻挡效果亦显著。台风期间舟山东部海域波高大、周期长且涌浪影响明显，西部海域波高较小且以风浪影响为主[9]。已有研究表明，波浪能通过影响流速、底部切应力和紊动扩散系数来影响泥沙的起动、悬沙的输运和扩散[10-13]。故而泥沙冲淤研究中，特别是基于数值模型模拟研究时考虑波浪的影响是十分有必要的。尹超等[14]采用ECOMSED模式进行了不同波浪动力条件影响下山东半岛东侧黑泥湾海域冲淤演化的数值模拟，结果表明，随机波浪要素的引入对冲淤演变模拟结果有较大的影响，引入波浪要素后的模拟结果与海图更为接近。舟山群岛海域泥沙输运数值模拟研究方面，二维泥沙模型主要有Delft 2D[15]、SWEM2D[16]以及潮流模型如ADCIRC耦合悬沙输运基本方程[17-18]等; 三维泥沙模型主要有ECOMSED[19]、Delft 3D[20]FVCOM[21-23]等。但上述数值模拟研究或只针对舟山群岛海域中某一特定小区域，或缺少对舟山群岛整体海域泥沙冲淤特征详细的分析，且均未分析波浪作用对泥沙输运的影响。
综合前人的研究可知，现有的舟山群岛海域泥沙输运的研究多为利用一次或多次有限站点的调查采样数据来分析舟山群岛海域整体的悬沙和沉积物的分布特征、泥沙输运方向和通量以及动力机制，或者是针对某个具体水道、具体工程范围的泥沙输运数值模拟研究。但整个舟山群岛海域一般天气条件下的泥沙输运特征尚不清晰，波浪对舟山群岛海域泥沙冲淤影响以及不同的波浪条件下产生的影响差异有待进一步深入研究。
因而，本文在长江口与杭州湾及其邻近海域建立了一个高分辨的三维水沙盐模型SWEM，并以舟山群岛海域为重点研究海域; 研究分别模拟了一般天气条件下，该海域在潮汐、径流、风和波浪影响下的地形冲淤与悬沙含量分布特征，并对一般天气条件下和台风天气条件下波浪对该海域泥沙冲淤过程的影响及其差异进行了和分析比较。
1 研究方法与数据简介SWEM是上海河口海岸科学研究中心自主研发的三维潮流泥沙数值模型[24]。该模型基于无结构三角网格和有限体积离散，具有很好的复杂边界适应能力和守恒性; 对于流场计算采用了欧拉—拉格朗日追踪法，计算效率较高，可以满足较大范围、复杂边界区域的研究需要。本文模式计算网格范围(见图 2)120.31°E~124.13°E，28.46°N~33°N，包括长江口、杭州湾、舟山群岛及其邻近海域，其中长江口区域采用了1:2000的实测地形资料，其余采用了该区域2010年的海图地形资料。
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图 2 SWEM模式水平网格 Fig. 2 SWEM model horizontal mesh |
模式采用冷启动，对2010年全年进行了逐月模拟。开边界采用16个主要分潮驱动; 模式考虑长江、钱塘江径流量; 长江上游采用大通站2010年的日平均流量，钱塘江采用多年平均的年平均流量; 采用WOA09气候态逐月特征温度均一场; 泥沙边界条件取开边界零通量，泥沙初始场取为长江口口门外小范围(121.4°E~122.3°E，31.2°N~31.8°N)海域0.3 g/mL，其他海域为零初始场; 泥沙沉降速度与临界起动应力随着海域泥沙粒径由西向东逐渐增大，沉降速度：0.25~0.5 mm/s，临界起动应力：0.4~0.8 Pa; 冲刷率为0.000 2 kg/m3, 沉降概率为0.2;考虑波流共同作用下的底部切应力。
CCMP(Cross Calibrated Multi-Platform)风场数据集与浮标QF206(见图 1:a1)风场数据(见图 3:a,b)对比结果显示，该数据集在本研究海域可信度较高。故而一般天气条件下的风场数据采用2010年CCMP(Cross Calibrated Multi-Platform)数据集(0.25°×0.25°，6 h/次)插值到计算网格上。选取2014年经过舟山群岛海域的“凤凰”台风(见图 4)，并基于台风特征因素，通过常用的Jelesnianski-I[25]风场模型重建得到台风风场。相应天气下的波浪场由SWAN海浪模式给出。SWAN模型波浪验证结果见图 3c。模式实验设置如下(见表 1)：一般天气条件下考虑波浪(实验1-1)，一般天气条件下不考虑波浪(实验1-2)，台风天气条件下考虑波浪(实验2-1)，台风天气条件下不考虑波浪(实验2-2)。
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((a, b)and SWAN significant wave high verification(c) ) 图 3 CCMP风场(a、b)和SWAN波浪验证(c) Fig. 3 CCMP data compare with the buoy data |
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表 1 实验设置 Table 1 Model experiments setup |
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图 4 台风路径示意图 Fig. 4 Typhoon path |
此外，由于缺少相应时段的实测资料，根据可用实测资料的时段，本文选取2006年10月、2010年1月、2010年5月、2012年7月分别模拟，进行泥沙、水位和流速验证。模式驱动条件均为该时段的潮汐、CCMP风场(2012年采用NECP后报风场)、对应风场下的波浪场、日平均长江径流与钱塘江多年的年平均径流。
2 模式结果验证模式结果验证分为水动力验证和泥沙(悬沙含量、地形冲淤)验证两部分。所用实测数据测点见图 1。潮位实测数据采用佘山、嵊山测站(见图 1:b1, b2)2010年5月的逐时水位数据(见图 5)。流速数据采用2010年1月7日—9日浮标QF207(见图 1:a2)的垂向分层逐时流速数据(见图 6)与2012年7月20日14时至21日16时测点SW1(见图 1:c)的垂向平均逐时流速数据(见图 7)。
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(S1:佘山站; S2:嵊山站。S1: Sheshan station; S2: Shengshan station.) 图 5 模式水位结果验证图 Fig. 5 Model elevation verification |
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图 6 模式垂向分层流速结果验证 Fig. 6 Model vertical velocity verification |
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图 7 模式平均流速结果验证 Fig. 7 Model mean velocityverification |
泥沙含量验证(见图 8)采用2006年10月青岛海洋地质研究所和中国海洋大学在该海域进行的9个站位(见图 1:1~9)、25 h周日平均数据[1]。地形冲淤变化采用春晓油管海域2007年和2013年两次相隔6年的实测地形数据(见图 1:d)之差作为实测数据。因此，本文将2010年全年地形冲淤变化的模拟结果乘以6倍，与观测作对比(见图 9)。
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图 8 模式悬沙含量结果验证 Fig. 8 Model SSC verification |
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图 9 模式地形冲淤变化结果验证 Fig. 9 Model micro-topography change verification |
从图 5~9的模式验证结果来看，模式结果和实测数据吻合较好，流速与实测数据基本接近，模式悬沙含量模拟结果与实测结果变化趋势一致，均呈现杭州湾1~3测点悬沙含量高，舟山群岛海域4~9测点悬沙含量较低的趋势，模式模拟的地形冲淤变化与实测地形冲淤变化趋势一致。综上表明，模式结果能较好的反映研究海域的水动力、悬沙分布以及地形冲淤特征，可以用来进行后续研究分析，其中计算的误差主要和该区域较为复杂的地形及风浪条件有关。
3 结果分析讨论 3.1 一般天气条件下地形冲淤和悬沙含量时空分布特征为研究一般天气条件下地形冲淤变化和悬沙含量的分布特征，选取2、5、7、8、10与12月作为典型月份。取模式逐月运行结果后15 d的悬沙含量进行时间平均，作为当月潮周期平均的悬沙含量分布，与当月地形冲淤变化模拟结果绘制图 10。
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(填充图为地形冲淤变化/m; 等值线为悬沙含量。蓝色0.1:0.2:0.5 g/L; 绿色1:0.5:1.5 g/L; 红色2 g/L。The fill color, /m and SSC distribution (the contour). Blue 0.1:0.2:0.5 g/L; Green 1:0.5:1.5 g/L; Red 2 g/L.) 图 10 一般天气条件下地形冲淤变化与悬沙含量分布特征 Fig. 10 Micro-topography change under general weather condition |
舟山群岛海域岛屿间东西方向水道基本表现为冲刷地形，如螺头水道、舟山—岱山水道等。冲刷量表现为2月份开始增强，在7月达到最大值10 cm，秋季开始减弱，至12月或1月最弱。岛屿间南北方向的水域如岱山岛—大长途间水域和朱家尖东侧等海域则表现为较强的淤积特征。淤积量基本表现为秋季开始增强，在10或12月达到最大，最大淤积量分别为7和14 cm，春季开始减弱，至5月达到最小值。海域悬沙含量由西北向东南迅速降低, 悬沙含量在群岛西北侧海域一般为1 g/L左右，在群岛东南侧海域则降低为0.1 g/L，体现了群岛“虑沙”的特点。冬季悬沙平均含量大于夏季。整体上看3月份悬沙含量最大，此时1 g/L等值线深入群岛内部，8月份悬沙含量最小，此时1 g/L等值线远离舟山群岛海域。悬沙含量分布特征与胡日军[1]、黄慧明等[5, 26]、寿玮玮[27]和周鸿权等[7]的研究结果吻合。悬沙含量的分布与潮汐余流场分布吻合，表明了潮汐是控制悬沙输运的主要因素。来自长江口的悬沙随着潮波运动，进入舟山群岛海域，结合局地掀沙，在潮波与地形作用下或沿着几个主要的水道向外海扩散，或在流速较小的区域沉积。
3.2 一般天气条件下波浪对泥沙冲淤过程的影响波浪模拟结果表明波浪自舟山群岛东侧传入，受到群岛阻碍作用迅速减弱。波浪分布自西向东呈带状分布，等值线密集。海域秋冬季节的波浪强于春夏季节，其中5月最弱，10和12月最强(具体的SWAN波浪模拟结果本文未给出)。
由考虑波浪作用(实验1-1)的模式结果与不考虑波浪作用(实验1-2)的模式结果，得到波浪对舟山群岛海域泥沙冲淤过程的影响的分布变化(见图 11)。从时间分布上看，舟山群岛海域秋冬季受波浪影响较大，春夏季受影响较小。波浪对泥沙冲淤过程影响较显著的区域为朱家尖东侧海域。波浪对该海域泥沙冲淤过程的影响表现为促进泥沙淤积和增加悬沙含量。在该海域，波浪影响显著的月份为1—3月和10—12月，其中10月的影响最大，波浪影响增加的淤积量为10.7 mm，约占总体淤积量的10%。在其他月份的影响很小，特别在4、5月波浪的影响几乎可以忽略。结合Soulsby底应力的计算公式[28]与黄慧明等[26]给出的2007年11月朱家尖东北侧海域水质点的运动轨迹图，推测该海域受波浪影响形成促进淤积、增加悬沙含量特征的原因可能是：相对于不考虑波浪作用，考虑波浪作用情况下整体海域的底应力增大，使得海域水体悬沙含量有所增加。随着水体输运到朱家尖东侧海域的悬沙也随之增多，从而朱家尖东侧海域悬沙含量增加。同时在该海域，水质点停留时间长，故而泥沙沉降增多。
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(填充图为地形冲淤变化/m; 等值线为悬沙含量; 蓝色0.01:0.02:0.05 g/L; 绿色0.1:0.05:0.15 g/L; 红色0.2 g/LThe fill color, /m and SSC distribution (the contour). Blue 0.01:0.02:0.05 g/L; Green 0.1:0.05:0.15 g/L; Red 0.2 g/L.) 图 11 由波浪引起的地形变化与悬沙含量分布变化 Fig. 11 Micro-topography change induced by waves influence under general weather condition |
为研究在波浪条件变化剧烈的情况下，波浪对舟山群岛海域泥沙冲淤过程的影响是否会发生较大变化，进行了台风天气条件下舟山群岛海域泥沙冲淤过程的模拟。台风自2014年9月22日15时进入舟山群岛海域，到2014年9月23日21时离开舟山群岛海域，一共历时30 h。在台风过程中，有效波高高值区集中在舟山群岛外侧(见图 12)，并随着台风中心向北移动。最大有效波高达到6 m。
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图 12 台风天气条件下有效波高(填充图, /m)和风场分布特征(等值线, m/s) Fig. 12 Significant wave high (the fill color, /m) and wind speed distribution (the contour, m/s) under typhoon weather condition |
由实验2-1与实验2-2得出2014年“凤凰”台风风浪对舟山群岛海域泥沙冲淤过程的影响，同时选取2010年9月份波浪的影响图，绘制图 13，对比讨论台风天气条件下和一般天气条件下波浪对舟山群岛海域泥沙冲淤过程的影响。
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(填充图为地形冲淤变化/m; 等值线为悬沙含量g/L ) 图 13 台风天气条件下波浪引起的地形冲淤变化与泥沙含量分布变化(a)和一般天气条件下9月波浪引起的地形冲淤变化与悬沙含量分布变化(b) Fig. 13 Micro-topography change(the fill color, /m)and SSC distribution(the contour, g/L) induced by wave influence under typhoon weather condition(a) and in September under general weather condition(b) |
由图 13可知，在台风天气条件下，舟山群岛大部分海域受波浪影响，地形冲刷增强。波浪对泥沙冲淤过程的影响在朱家尖东侧海域仍然较为显著。在该海域，波浪对影响表现为促进泥沙的淤积和增加悬沙含量。在台风天气条件下，波浪引起的朱家尖东侧海域的最大淤积量为4.2 mm。在一般天气条件下，波浪9月在朱家尖东侧海域的影响不显著，最大淤积量仅为0.8 mm。台风天气条件下波浪在朱家尖东侧海域引起的淤积量为一般天气条件下的6倍，且引起的淤积范围也有所增大。对比一般天气情况，台风天气的悬沙含量有所增加。总体而言，在台风天气条件下，波浪对除朱家尖东侧海域外的其他舟山海域的泥沙冲淤过程的影响为促进冲刷和增加含沙量，在朱家尖东侧海域则依旧表现为促进淤积和增加含沙量。
4 结论本文基于SWEM三维水沙盐模式，考虑潮汐、径流、风场和波浪影响，在长江口与杭州湾及其邻近海域建立高分辨率的三维水沙盐模型。基于模式结果，本文研究了舟山群岛海域在一般天气条件下地形冲淤与悬沙含量的分布特征。分析了一般天气条件下和台风天气条件下波浪对舟山群岛海域泥沙冲淤过程的影响。得出主要结论如下：
(1) 一般天气条件下，舟山群岛海域内部东西方向水道为冲刷特征，舟山群岛东侧海域以及舟山群岛内部南北方向水道为淤积特征。以冲刷为主的海域，冲刷强度春夏逐渐增强，至6月左右冲刷强度最大，然后开始减弱，至10月达到最小值。以淤积特征为主的海域，淤积强度秋季开始增强，10或12月淤积强度最大，春季开始减弱，在5月达到最小值。
(2) 一般天气条件下，舟山群岛海域悬沙含量分布由西北向东南迅速降低。悬沙含量3月份最大，8月份最小，冬季悬沙平均含量大于夏季。悬沙含量的分布表明，潮汐是控制悬沙输运的主要因素。
(3) 一般天气条件下，波浪对舟山群岛海域泥沙冲淤过程影响较为显著的海域为朱家尖东侧海域。在该海域波浪的影响为促进淤积和增加悬沙含量。波浪影响的强度秋冬季增强，夏季最小。波浪影响的最大淤积量约占总淤积量的10%。台风天气条件下，波浪对除朱家尖东侧海域外的其他舟山群岛海域的泥沙冲淤过程的影响为促进冲刷和增加含沙量，在朱家尖东侧海域则依旧表现为促进淤积和增加含沙量。
本文模拟了一般天气下舟山群岛海域的地形冲淤与悬沙含量分布特征，并探究了一般天气与台风天气下波浪对该海域泥沙冲淤过程的影响。但海域受波浪的影响与具体的波浪因素如波高、波向、周期等之间的关系还有待进一步研究。
致谢 国家超级计算济南中心提供了“神威蓝光”计算机系统的支持。
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