匡翠萍，趙 釩，顧 杰，湯 俐

(1.同濟(jì)大學(xué) 土木工程學(xué)院，上海 200092；2.上海海洋大學(xué) 海洋生態(tài)與環(huán)境學(xué)院，上海 201306)

位于陸海交匯處的河口海岸是人類(lèi)活動(dòng)最密集的區(qū)域.河口海岸的泥沙淤積易引起港口淤塞和生態(tài)環(huán)境劣化等問(wèn)題，危害河口地區(qū)的健康發(fā)展.河口海岸區(qū)泥沙輸運(yùn)受徑流、潮流和波浪等水動(dòng)力影響，而泥沙輸運(yùn)引起的海床地形變化及水體中泥沙含量變化又反作用于水流，因此河口海岸區(qū)沖淤演變是多動(dòng)力作用下的綜合反應(yīng).漲潮(落潮)對(duì)應(yīng)著向陸(向海)輸沙，潮不對(duì)稱(chēng)輸沙是造成潮汐河口海床演變的主要原因[1].近年全球升溫、災(zāi)害天氣頻發(fā)和高強(qiáng)度人類(lèi)活動(dòng)使得河口區(qū)水沙運(yùn)動(dòng)更趨復(fù)雜[2].因此，探明新形勢(shì)下典型入海河口地貌演變的動(dòng)力機(jī)制受到眾多學(xué)者關(guān)注.相關(guān)研究表明，極端天氣對(duì)海岸的演變和發(fā)育有著巨大的影響[3].任美鍔等[4]研究了1939年—1981年間風(fēng)暴潮對(duì)江蘇省淤積質(zhì)海岸的影響，指出一次強(qiáng)臺(tái)風(fēng)所造成的結(jié)果往往超過(guò)正常潮汛下整個(gè)季節(jié)所產(chǎn)生的變化.目前關(guān)于開(kāi)敞型大河口[2,5]的研究較多，而狹長(zhǎng)小型河口的研究較少.狹長(zhǎng)小型河口和開(kāi)敞型大河口在地形上有明顯差異，導(dǎo)致了水動(dòng)力差異，從而對(duì)泥沙沖淤及演變機(jī)制產(chǎn)生不同的影響，尤其是在極端天氣(風(fēng)暴浪)作用下，狹長(zhǎng)小型河口的潮流-波浪-泥沙聯(lián)合作用機(jī)制以及該機(jī)制對(duì)河槽沖淤演變的短時(shí)影響值得深入探討[6].

風(fēng)河為青島西海岸新區(qū)主要河流之一，風(fēng)河河口是一個(gè)面向開(kāi)闊海域、口門(mén)縮窄、無(wú)徑流輸入且海岸地貌為砂礫質(zhì)堆積的小型河口.風(fēng)河河口至上游橡膠壩的河段屬感潮河段，受海相來(lái)沙的影響，河道淤積嚴(yán)重，限制了河口的綜合利用[7].以風(fēng)河河口為研究對(duì)象，采用黃海大模型、青島西海岸中模型和風(fēng)河河口小模型三重嵌套 (見(jiàn)圖1) 的方法模擬風(fēng)河河口的潮流場(chǎng)和泥沙場(chǎng)，分析風(fēng)河河口及其鄰近海域的水沙動(dòng)力特征，探討風(fēng)暴浪對(duì)無(wú)上游徑流的狹長(zhǎng)小型河口區(qū)沖淤演變的短期影響機(jī)制.

圖1 風(fēng)河位置和分區(qū)、計(jì)算區(qū)域和大中小模型

1 研究區(qū)域概況

研究區(qū)域涵蓋風(fēng)河河口及周邊海域，西起風(fēng)河二壩，沿風(fēng)河入海方向延伸約3 km(見(jiàn)圖1)，河口口門(mén)寬約300 m.風(fēng)河兩岸經(jīng)硬化整治，河道順直，入?？诤佣位境蕱|西走向，入海口上游3.4 km處建有一橡膠壩，橡膠壩以東河段水量不足，淤泥堆積，河口和河道內(nèi)多淺灘.

研究區(qū)域近岸海域受黃海潮波控制，潮汐性質(zhì)屬正規(guī)半日潮，最高潮位2.94 m，最低潮位-3.12 m，平均高潮位1.38 m，平均低潮位-1.40 m，最大潮差4.75 m，平均潮差2.78 m(85國(guó)家高程基準(zhǔn)面).研究區(qū)域潮流為正規(guī)半日潮，潮流總體表現(xiàn)為順岸往復(fù)流，呈漲潮SW向、落潮NE向的特征.潮流橢圓按逆時(shí)針?lè)较蛐D(zhuǎn)，漲潮流速大于落潮流速，大潮期間漲落急流速均大于小潮[8].該海域常浪向?yàn)镾向，出現(xiàn)頻率為47.64%，次常浪向?yàn)镾SE向，出現(xiàn)頻率為12.86%.強(qiáng)浪向?yàn)镾E向，最大波高7.6 m，次強(qiáng)浪向?yàn)镾SE向，最大波高6.5 m.此外，在S向、ESE向和SSW向也都曾有4.0 m以上的大浪出現(xiàn).從各波級(jí)的出現(xiàn)頻率來(lái)看，波高在1.5 m以下的出現(xiàn)頻率高達(dá)96.6%，大于3.0 m以上的大浪集中出現(xiàn)在SE向—S向.研究區(qū)域?qū)偕百|(zhì)海岸，沉積物類(lèi)型主要有黏土質(zhì)粉砂、砂-粉砂-黏土混合、粉砂質(zhì)黏土、中細(xì)砂、中粗砂、細(xì)砂等八種沉積物，沉積物類(lèi)型以黏土質(zhì)粉砂為主[9].

2 模型建立

數(shù)值模擬是研究泥沙輸運(yùn)及沖淤演變的一種有效手段[10].采用Mike21軟件基于2015年大小潮和設(shè)計(jì)波況，建立風(fēng)河河口二維潮流-波浪-泥沙耦合模型.

2.1 模型介紹

Mike21是丹麥水力學(xué)研究所(DHI)研發(fā)的水環(huán)境綜合模擬軟件，主要模擬河流、湖泊、河口和海岸等水動(dòng)力環(huán)境[11].基于Mike21軟件的 FM模塊、SW模塊和MT模塊，建立非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格下的雙向波流耦合數(shù)學(xué)模型[12-13].先由FM模塊計(jì)算得到水位和流速并輸入SW模塊，后者計(jì)算得到波高、波向等波浪參數(shù)，同時(shí)將輻射應(yīng)力和底部切應(yīng)力輸入FM模塊，得到新的水位和流速代入SW模塊進(jìn)行模擬，兩個(gè)模塊以此方式循環(huán)交換數(shù)據(jù)從而實(shí)現(xiàn)雙向耦合.波流耦合過(guò)程中的輻射應(yīng)力和底部切應(yīng)力分別采用二維非線性波理論[14]和綜合矢量法[15]進(jìn)行計(jì)算.在這個(gè)耦合數(shù)學(xué)模型中，F(xiàn)M模塊和SW模塊的時(shí)間步長(zhǎng)相同，使數(shù)據(jù)得到同步交換，保證了計(jì)算精度.MT模塊則通過(guò)調(diào)用考慮波浪和潮流相互作用機(jī)制的波高、水位和流速等參數(shù)進(jìn)行泥沙濃度計(jì)算.根據(jù)近岸海域泥沙粒徑分布特點(diǎn)[9]，研究區(qū)域泥沙運(yùn)動(dòng)以懸移質(zhì)為主，海床變形主要由懸移質(zhì)變化引起.根據(jù)泥沙凈沉積速率在每個(gè)時(shí)間步長(zhǎng)內(nèi)對(duì)地形網(wǎng)格數(shù)據(jù)做出更新，更新后的海床厚度輸入FM模塊和SW模塊，從而確保水動(dòng)力模型的穩(wěn)定性.

2.2 計(jì)算網(wǎng)格、邊界條件及參數(shù)設(shè)定

采用黃海大模型、青島西海岸中模型和風(fēng)河河口小模型三重嵌套網(wǎng)格進(jìn)行計(jì)算(見(jiàn)圖1).計(jì)算網(wǎng)格均采用無(wú)結(jié)構(gòu)三角形網(wǎng)格，網(wǎng)格分辨率按研究需求進(jìn)行控制.黃海大模型北起成山角，南至呂四，向外海延伸約450 km.岸線網(wǎng)格較密，網(wǎng)格水平空間步長(zhǎng)為1 240～64 000 m.青島西海岸中模型北起膠州灣以南，南至風(fēng)河河口以南30 km，向外海延伸約75 km，計(jì)算網(wǎng)格采用無(wú)結(jié)構(gòu)三角形網(wǎng)格.對(duì)河口區(qū)域網(wǎng)格局部加密，網(wǎng)格水平空間步長(zhǎng)為144～7 980 m.風(fēng)河河口小模型西起風(fēng)河二壩，沿風(fēng)河入海方向延伸約3 km，對(duì)河道內(nèi)網(wǎng)格加密，網(wǎng)格水平空間步長(zhǎng)為27～580 m.綜合考慮計(jì)算效率和計(jì)算穩(wěn)定性，模型計(jì)算時(shí)間步長(zhǎng)在0.000 1～0.500 0 s范圍內(nèi)自行調(diào)節(jié).

黃海大模型共有三個(gè)外海開(kāi)邊界(S、E和N)以及岸線閉邊界(見(jiàn)圖1).外海開(kāi)邊界采用潮位過(guò)程控制，潮位過(guò)程由Mike21軟件包中的全球潮汐預(yù)報(bào)模型提供，分辨率為0.125°；側(cè)向固邊界采用不可滑移條件，即流速為零.大模型給中模型、中模型給小模型提供開(kāi)邊界的潮位和流速流向過(guò)程.研究區(qū)域風(fēng)河河口屬潮汐河口，落潮時(shí)岸灘出露，邊界區(qū)域采用動(dòng)邊界處理潮間帶干濕交換過(guò)程，干水深、淹沒(méi)水深和濕水深分別取0.005 m、0.05 m和0.1 m.由于風(fēng)河橡膠壩下無(wú)徑流注入，河流邊界采用閉邊界.根據(jù)相子門(mén)站和小麥島海洋觀測(cè)站的波浪統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)[9]，通過(guò)頻率分析推算外海不同重現(xiàn)期的設(shè)計(jì)波浪要素.泥沙模型邊界由現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)線性差值得到.

模型曼寧數(shù)根據(jù)計(jì)算范圍內(nèi)的粒徑資料取平均值70 m1/3·s-1.波浪破碎采用Battjes和Janssen模型，破碎指標(biāo)選擇0.8.床面泥沙干密度取代表性的平均值811 kg·m-3.鑒于研究區(qū)域沉積物近岸粒度較粗，由岸向海變細(xì)，泥沙中值粒徑Φ為0.90～8.60 mm.經(jīng)過(guò)計(jì)算和率定調(diào)整，設(shè)置青島西海岸中模型的膠州灣以南近岸海域臨界沖刷切應(yīng)力和臨界淤積切應(yīng)力分別為0.45 N·m-2和0.2 N·m-2，其余區(qū)域分別為0.72 N·m-2和0.32 N·m-2，沖刷系數(shù)取0.000 05 kg·s-1·m-2.

2.3 模型驗(yàn)證

2.3.1潮位驗(yàn)證

黃海大模型潮位驗(yàn)證資料采用2015年潮汐表上青島測(cè)站(見(jiàn)圖1)1月7日0時(shí)至1月9日0時(shí)的潮位過(guò)程，測(cè)站的位置如圖1所示.青島測(cè)站潮位的計(jì)算值與潮汐表預(yù)報(bào)值的比較如圖2所示.潮位驗(yàn)證結(jié)果表明，潮位的計(jì)算值在相位和趨勢(shì)上與潮汐表理論值誤差較小，潮型符合正規(guī)半日潮規(guī)律，并且落潮歷時(shí)大于漲潮歷時(shí)，呈顯著潮不對(duì)稱(chēng)特征，能較為準(zhǔn)確地反映黃海區(qū)域的潮位變化過(guò)程，可以給中模型提供開(kāi)邊界潮位和流速.

青島西海岸中模型潮汐驗(yàn)證資料采用文獻(xiàn)[16]中S1驗(yàn)證點(diǎn)2009年8月13日11∶00至2009年8月14日11∶00的一次小潮過(guò)程，S1驗(yàn)證點(diǎn)的位置如圖1所示.S1驗(yàn)證點(diǎn)潮位的計(jì)算值與實(shí)測(cè)值的比較如圖2所示，計(jì)算值在大小、相位和趨勢(shì)上與實(shí)測(cè)值基本吻合.

2.3.2潮流驗(yàn)證

青島西海岸中模型潮流驗(yàn)證資料采用文獻(xiàn)[16]中的S1驗(yàn)證點(diǎn)2009年8月21日9∶00—2009年8月22日10∶00和文獻(xiàn)[12]中的S2驗(yàn)證點(diǎn)2009年6月17日17∶00—2009年6月18日13∶00的流速、流向過(guò)程，S2驗(yàn)證點(diǎn)的位置如圖1所示.流速、流向的計(jì)算值與實(shí)測(cè)值的比較如圖3所示，計(jì)算值在相位和趨勢(shì)上與實(shí)測(cè)值基本吻合.青島西海岸潮流漲急流速大于落急流速，水深較大的S1驗(yàn)證點(diǎn)較半封閉水域膠州灣內(nèi)的S2驗(yàn)證點(diǎn)的流速大.

圖3 流速、流向、含沙量驗(yàn)證

2.3.3懸沙濃度驗(yàn)證

青島西海岸中模型泥沙驗(yàn)證資料采用S1驗(yàn)證點(diǎn)2009年8月13日11∶00至2009年8月14日11∶00和文獻(xiàn)[12]中S3驗(yàn)證點(diǎn)2000年2月13日12∶00至2000年2月13日13∶00的懸沙濃度(質(zhì)量濃度)實(shí)測(cè)資料，S3驗(yàn)證點(diǎn)的位置如圖1所示.懸沙濃度的計(jì)算值與實(shí)測(cè)值的比較如圖3所示.泥沙本身具有復(fù)雜的物理、化學(xué)和水力特性，在海水中更有別于在淡水中的屬性，目前對(duì)它的物理機(jī)制還沒(méi)有完全了解，對(duì)泥沙的研究仍處于半經(jīng)驗(yàn)半理論階段，因此用數(shù)值方法來(lái)模擬懸沙濃度過(guò)程相對(duì)較困難.從懸沙濃度的數(shù)值上看，計(jì)算值與實(shí)測(cè)值的量級(jí)一致，量級(jí)在1×10-2kg·m-3.

為了確保數(shù)學(xué)模型計(jì)算結(jié)果能夠準(zhǔn)確用于研究，模型必須滿足穩(wěn)定性、收斂性和精度要求.采用誤差指數(shù)法進(jìn)行模型計(jì)算效率評(píng)價(jià).百分比偏差(PBIAS)法是誤差指數(shù)法的一種，表示計(jì)算模擬結(jié)果與實(shí)測(cè)值之間的百分比偏差率.百分比偏差法的計(jì)算式如下所示：

(1)

式中：M為實(shí)測(cè)值;S為模型計(jì)算結(jié)果.根據(jù)計(jì)算的PBIAS值可將模型計(jì)算效率分為優(yōu)秀(<10)、非常好(10～20)、好(20～40)和差(>40)四個(gè)等級(jí).此法用于評(píng)價(jià)泥沙模型時(shí)評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)參考值為55，當(dāng)泥沙模型計(jì)算模擬結(jié)果與實(shí)測(cè)值之間的百分比偏差率小于55時(shí)，認(rèn)為模型達(dá)到精度要求[17],結(jié)果如表1所示.

表1 PBIAS法評(píng)價(jià)

由表1可以看出，潮流模型的PBIAS評(píng)價(jià)均為好、優(yōu)秀、非常好，泥沙模型的PBIAS評(píng)價(jià)均為好和非常好，說(shuō)明建立的黃海大模型和青島西海岸中模型是合理的，能夠模擬該區(qū)域的水沙動(dòng)力特性.

3 討論與分析

為探究潮流-波浪-泥沙聯(lián)合作用機(jī)制以及該機(jī)制對(duì)河口區(qū)演變的影響，將風(fēng)河河口劃分為A、B兩個(gè)區(qū)域(見(jiàn)圖1)，其中A區(qū)為風(fēng)河入海區(qū)，B區(qū)為河口通道，重點(diǎn)分析這兩個(gè)區(qū)域的水沙動(dòng)力和沖淤演變特征.

3.1 潮流特征

圖4為風(fēng)河河口大潮典型時(shí)刻流場(chǎng).受風(fēng)河地形岸線的影響，河口段潮流沿河道走向呈東西流向，漲潮流向西，落潮流向東，主槽漲急流速大于落急流速.大潮漲急時(shí)刻，A區(qū)水流受外海潮流動(dòng)力影響和主槽束水作用，以較大流速流向B區(qū)，A區(qū)北岸入?？诎毒€光滑，凸岸挑流效應(yīng)弱于南岸，因此主流在A區(qū)南岸流速驟增至1.11 m·s-1，B區(qū)水流較弱，潮流流速約為0～0.32 m·s-1.大潮落急時(shí)刻，B區(qū)河段較弱的水流向東流入A區(qū)，在入?？谀习队捎谕拱短袅髯饔昧魉袤E增至0.80 m·s-1.小潮期間漲落急流速均小于大潮，并且小潮期間B區(qū)幾乎無(wú)潮流流入.在風(fēng)河河口內(nèi)和外海側(cè)靈山灣附近分別取點(diǎn)FH和LSW(位置見(jiàn)圖1)進(jìn)行分析.由圖5中FH處和LSW處的潮位過(guò)程對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)，與LSW處潮位過(guò)程相比，F(xiàn)H處潮波振幅減小，而落潮歷時(shí)增大，即潮波從外海向風(fēng)河河槽傳播過(guò)程中，漲落潮歷時(shí)不對(duì)稱(chēng)性加劇，符合在半封閉水域中，潮波經(jīng)縮窄口門(mén)(峽道)后“振幅減小，相位滯后”的特征，即峽道效應(yīng).潮波從風(fēng)河A區(qū)向上游B區(qū)傳播過(guò)程中，由于潮汐作用減小并且風(fēng)河無(wú)徑流注入，潮流能力逐漸消耗，流速減小至零.B區(qū)水深較淺，岸灘時(shí)常出水，越往上游，潮汐引起的斷面面積變化越大，漲落潮歷時(shí)不等越嚴(yán)重.

a 漲急

b 落急

圖5 風(fēng)河河口內(nèi)外潮位計(jì)算過(guò)程

3.2 河床沖淤演變特征

3.2.1純潮流作用

圖6為大潮期間漲落急時(shí)刻的懸沙濃度分布.大潮期間A區(qū)南岸受凸岸挑流作用，較強(qiáng)的潮流沖刷河槽，潮流挾沙能力顯著，漲潮期間懸沙濃度最高可達(dá)0.150 kg·m-3,落潮期間最高為0.064 kg·m-3.B區(qū)漲落潮流速小于A區(qū)，潮流挾沙能力顯著降低，漲潮期間懸沙濃度最高為0.005 kg·m-3,落潮期間懸沙濃度幾乎為零.小潮期間河道內(nèi)的懸沙濃度總體都很小，A區(qū)漲潮期間懸沙濃度最高為0.069 kg·m-3，落潮期間懸沙濃度幾乎為零，B區(qū)漲落潮期間懸沙濃度都幾乎為零.

圖7為大潮48 h河床沖淤分布圖.大潮期間潮流沿岸輸沙使得風(fēng)河近岸海域呈淤積態(tài)勢(shì)，由于挾沙能力在河道各段存在差異，河道內(nèi)沖淤結(jié)果不一，基本呈“上淤下沖”的演變態(tài)勢(shì).A區(qū)沖刷量約為281.58 m3，沖刷深度自南向北減小，南岸沖刷深度為0.015 m.B區(qū)淤積量約為513.49 m3，平均淤積厚度量級(jí)為10-4m，自西向東淤積高度增加，在靠近A區(qū)處最厚可達(dá)0.001 m.小潮期間總體沖淤分布特征與大潮類(lèi)似，但是沖淤量級(jí)基本在10-4m及以下.

風(fēng)河屬典型狹長(zhǎng)小型潮汐河口，在純潮流作用下，河口內(nèi)輸沙受到漲落潮流速和漲落潮歷時(shí)共同控制，采用Brown等[18]提出的斷面潮不對(duì)稱(chēng)比的方式判斷風(fēng)河河口斷面輸沙方向.由于B區(qū)僅在大潮期間、潮位高于潮灘時(shí)才有潮流流入，因此基于大潮期間的潮流泥沙數(shù)據(jù)，選取四個(gè)典型斷面C1～C4(見(jiàn)圖1)，即B區(qū)西側(cè)斷面C1、B區(qū)彎段斷面C2、B區(qū)東側(cè)斷面C3和A區(qū)斷面C4，分別計(jì)算各斷面的漲落潮最大流速比Up=(Vp-flood/Vp-ebb)和漲落潮歷時(shí)比Td=(Tflood/Tebb),其中Vp-flood和Vp-ebb分別代表漲、落潮期間最大流速，Tflood和Tebb分別代表漲、落潮期間流速超過(guò)泥沙起動(dòng)流速的時(shí)長(zhǎng).在模型計(jì)算中，臨界沖刷切應(yīng)力控制著泥沙起動(dòng)與懸移輸運(yùn)，因此Tflood和Tebb為漲、落潮期間底床切應(yīng)力大于臨界沖刷應(yīng)力的時(shí)長(zhǎng).各典型斷面Up和Td的關(guān)系如圖8所示.Brown等[18]總結(jié)了輸沙不對(duì)稱(chēng)的標(biāo)準(zhǔn)：Up<1.0(在象限1中Up<1.2)時(shí)輸沙方向?yàn)槁涑狈较?，即象?、象限4和象限1黑色實(shí)線以下區(qū)域均代表落潮輸沙占優(yōu).圖8中，在Td=1線上的點(diǎn)(斷面C1～C3)表示漲潮和落潮過(guò)程中底部切應(yīng)力一直小于臨界起動(dòng)切應(yīng)力.風(fēng)河河口典型斷面均落在象限1和象限2，表示風(fēng)河河口為漲潮向輸沙.在A區(qū)斷面C4，落潮期間邊灘出露，降低了斷面落潮挾沙能力，導(dǎo)致在潮周期內(nèi)輸沙主要存在于漲潮過(guò)程.泥沙在漲潮過(guò)程中涌入上游B區(qū)，B區(qū)斷面C1～C3在潮流過(guò)程中受底摩擦和淺水作用表現(xiàn)為漲潮占優(yōu)(Up>2.0)，并且底部切應(yīng)力在B區(qū)始終小于臨界沖刷應(yīng)力，導(dǎo)致該段河道在漲落潮期間均存在淤積.因此，風(fēng)河河口區(qū)淤積主要受潮流控制，潮不對(duì)稱(chēng)輸沙是造成河口地貌演變的主要原因.該規(guī)律也可體現(xiàn)在其他無(wú)上游徑流的狹長(zhǎng)小型河口，如漳衛(wèi)新河河口[19].

a 漲急

圖6 風(fēng)河河口大潮期間漲落急時(shí)刻懸沙濃度場(chǎng)

Fig.6Distribution of suspended sediment concentration at maximum flood and ebb during spring tide for Feng River Estuary

Fig.7 48 h bed evolution during spring tide (positive values represent deposition and negative values represent erosion)

圖8 不同斷面最大流速比與漲落潮歷時(shí)比

Fig.8 Peak flow velocity ratio versus duration ratio at different sections

3.2.2波流耦合作用

極端天氣下的波流非線性關(guān)系顯著增強(qiáng)是導(dǎo)致深槽短時(shí)間劇烈變化的主要原因.為分析不同波況對(duì)風(fēng)河河床沖淤演變的影響，以2015年2月大潮潮流過(guò)程為基礎(chǔ)，通過(guò)頻率分析推算外海不同重現(xiàn)期的設(shè)計(jì)波浪要素(波向、波高H13%和波周期T)，設(shè)計(jì)了如表2所示的四個(gè)波況，重點(diǎn)討論50年一遇設(shè)計(jì)波浪要素耦合潮流作用對(duì)河床演變的影響.由表2可知，受到岸線走向的影響，NE向波浪的風(fēng)區(qū)較短，波高相對(duì)較小，而與岸線走向夾角最大的SE向波浪波高最大.

表2 不同波浪要素對(duì)48 h河床沖淤變化的影響

由模擬結(jié)果可得，波流耦合作用下河口區(qū)泥沙沖淤分布與純潮流作用下大致相同，但在近岸海域兩者差異較大.進(jìn)一步提取不同波況下河床A區(qū)和B區(qū)的泥沙沖淤變化量和變化率(與純潮流相比)，量化不同波浪要素對(duì)河床沖淤的影響.由表2可知，波況1作用下，A區(qū)和B區(qū)泥沙沖淤量變化率均小于15%.波況2～4耦合潮流作用下A區(qū)沖淤量變化率均小于18%，但波浪作用對(duì)B區(qū)河床沖淤量影響較大，變化幅度均大于50%，其中波況2和波況3作用下沖淤量變化率超過(guò)200%.

在波況1作用下，與純潮流作用相比，河口區(qū)沖淤量變化較小，A區(qū)的侵蝕量減輕1.3%，B區(qū)淤積量增加14.0%；風(fēng)河河口近岸海域波浪掀沙效應(yīng)顯著，距岸線垂直距離1 km范圍內(nèi)有大面積沖刷，沖刷深度為0.008 m，口門(mén)北側(cè)出現(xiàn)局部淤積，淤積厚度約為0.003 m.

在波況2作用下，與純潮流作用相比，A區(qū)的侵蝕量增加14.1%，B區(qū)沖淤量增加約208.1%；波浪在近岸海域掀沙效果顯著，海床高度變化在-0.033～0.095 m，口門(mén)近海側(cè)出現(xiàn)較強(qiáng)淤積，淤積厚度約為0.061 m.

在波況3作用下，與純潮流作用相比，A區(qū)的侵蝕量增加17.9%，B區(qū)沖淤量增加約274.2%；近岸海域大部分區(qū)域呈沖刷狀態(tài)，海床高度變化在-0.100～0.031 m，口門(mén)北側(cè)出現(xiàn)局部淤積，淤積厚度約0.003 m，口門(mén)南側(cè)出現(xiàn)局部淤積，淤積厚度約0.015 m.

在波況4作用下，與純潮流作用相比，A區(qū)的侵蝕量減輕14.6%，B區(qū)沖淤量增加56.5%；近岸海域大部分區(qū)域呈沖刷狀態(tài)，海床高度變化在-0.044～0.012 m，口門(mén)北側(cè)出現(xiàn)局部淤積，淤積厚度約0.002 m，口門(mén)南側(cè)出現(xiàn)局部淤積，淤積厚度約0.009 m.

波浪在近岸區(qū)域引起了大范圍的沖刷，48 h海床高度變化的量級(jí)達(dá)到10-2m.由于波浪作用在口門(mén)處幾乎削減為零，口門(mén)外被掀起的泥沙大部分落淤在口門(mén)附近，小部分泥沙在潮流挾帶作用下進(jìn)入口門(mén)后逐漸落淤，因此風(fēng)河河口區(qū)在50年一遇波浪作用下并且波浪傳播方向與岸線接近垂直時(shí)沖淤顯著.在三個(gè)方向50年一遇波浪中，SE向和E向波浪對(duì)風(fēng)河河床沖淤影響最大.B區(qū)淤積厚度最高比純潮流作用下增加一個(gè)量級(jí).

為探究波流耦合作用下狹長(zhǎng)小型河口沖淤原因，進(jìn)一步分析風(fēng)河河口區(qū)48 h沖淤過(guò)程中潮流及懸沙變化過(guò)程.圖9給出了不同波浪要素下A區(qū)和B區(qū)兩個(gè)分析點(diǎn)(位置見(jiàn)圖1)流速及懸沙濃度變化.從圖9可以看出，波浪作用下，漲潮流流速顯著提高，落潮流流速變化較小，潮不對(duì)稱(chēng)加劇.波況1作用下，A區(qū)漲急時(shí)刻流速較純潮流增加約15%，懸沙濃度變化較小，B區(qū)流速和懸沙濃度略有減小.波況2作用下，掀沙能力顯著強(qiáng)于波況1，A區(qū)漲急時(shí)刻流速較純潮流增加約40%，懸沙濃度增加約200%，B區(qū)漲急時(shí)刻流速較純潮流增加約50%，懸沙濃度增加約50%.波況3作用下，波浪掀沙效果顯著，A區(qū)漲急時(shí)刻流速較純潮流增加約25%，懸沙濃度增加約360%，B區(qū)漲急時(shí)刻流速較純潮流增加約50%，懸沙濃度變化較小.幾乎與岸線平行的波況4作用下，A區(qū)和B區(qū)潮流流速未見(jiàn)顯著變化，但懸沙濃度均顯著提高，A區(qū)懸沙濃度提高約100%，B區(qū)懸沙濃度提高約25%.

a T1(A區(qū))

b T2(B區(qū))

圖9 不同波浪要素下A區(qū)和B區(qū)分析點(diǎn)流速及懸沙過(guò)程

Fig.9 Tidal current velocity magnitude and sediment concentration at analysis points in A and B areas under different wave conditions

綜合表2中不同波浪要素下A區(qū)和B區(qū)的沖淤結(jié)果發(fā)現(xiàn)，狹長(zhǎng)小型河口由于口門(mén)走向的特殊性，NE向波浪對(duì)河口內(nèi)潮流影響較小，使得口門(mén)外掀沙難以輸運(yùn)至河口區(qū)內(nèi)，SE向和E向波浪均可通過(guò)促進(jìn)風(fēng)河河口區(qū)水動(dòng)力增強(qiáng)來(lái)提高潮流輸沙能力，故在表2中波況4B區(qū)沖淤變化量顯著低于波況2和波況3.與純潮流作用下相比，強(qiáng)浪(波況1)雖然使得A區(qū)水動(dòng)力略有增強(qiáng)，但是就整個(gè)河道而言，懸沙濃度變化較小，故在表2中波況1作用下，A區(qū)和B區(qū)泥沙沖淤變化率均小于15%，即2年一遇強(qiáng)浪耦合大潮作用下，48 h河口區(qū)泥沙沖淤主要受潮流動(dòng)力作用.在風(fēng)暴浪(波況2～4)作用下，隨著近岸底部切應(yīng)力的增加，口門(mén)外近岸海域波浪掀沙作用顯著增強(qiáng)，河口口門(mén)處懸沙濃度提高了約100%～360%，48 h淤積變化量最高可達(dá)274.2%.風(fēng)河河口對(duì)短期極端天氣(風(fēng)暴浪)有敏感的沖淤響應(yīng)，這也是風(fēng)河河口區(qū)發(fā)育有水下淺灘、砂壩和席狀砂等典型浪控沉積地貌的原因.

綜上所述，狹長(zhǎng)小型河口沖淤在正常天氣下受潮流控制，而極端天氣下受風(fēng)暴浪控制.由于狹長(zhǎng)小型河口口門(mén)走向的特殊性，當(dāng)波浪抵達(dá)岸線的入射角與岸線接近垂直時(shí)(SE向和E向)對(duì)風(fēng)河河床沖淤的短期影響最大.該規(guī)律也可體現(xiàn)在其他狹長(zhǎng)型海灣，如唐島灣[27].風(fēng)河河口區(qū)對(duì)大潮期間SE向和E向波浪有敏感的沖淤響應(yīng)，未來(lái)的河口綜合整治過(guò)程中，應(yīng)考慮清淤、邊灘開(kāi)挖、導(dǎo)堤建設(shè)等治理工程對(duì)潮不對(duì)稱(chēng)調(diào)整的復(fù)雜影響，極端天氣如風(fēng)暴浪期間的工程效應(yīng)也值得考慮.

4 結(jié)論

(1) 在河口地形岸線的影響下，河口區(qū)潮流特征差異較大.入海口處河道由外海驟然縮窄，流速較外海增大，最大流速可達(dá)1.2 m·s-1.河口區(qū)內(nèi)屬淺灘地形，僅在潮位高于潮灘時(shí)才有潮流流入，使得河道上游流速迅速減小至零.

(2) 純潮流作用下，水流挾沙能力在河道各段存在差異，總體呈現(xiàn)“上淤下沖”的演變態(tài)勢(shì)，入?？谔幩髁魉佥^大，為主要沖刷區(qū)域，沖刷深度自南向北減小；河口通道水流較弱則為主要淤積區(qū)域，淤積厚度自西向東淤積高度增加.

(3) 風(fēng)河河口沖淤演變?cè)谡Ｌ鞖庀率艹绷骺刂?，潮不?duì)稱(chēng)輸沙是造成河口地貌演變的主要原因，而在極端天氣下受風(fēng)暴浪控制.由于狹長(zhǎng)小型河口口門(mén)走向的特殊性，抵達(dá)岸線的入射角與岸線接近垂直(SE向和E向)的波浪對(duì)風(fēng)河河床沖淤的短期影響最大.

(4) 常浪與潮流耦合作用下，河道內(nèi)沖淤分布與純潮流作用下相似.50年一遇波浪耦合潮流作用下，沖淤演變顯著變化；近岸海域主要呈沖刷態(tài)勢(shì)，河口河道呈淤積態(tài)勢(shì)；與純潮流作用下相比，河口區(qū)內(nèi)48 h淤積變化量最高可達(dá)274.2%，淤積厚度高出一個(gè)量級(jí).