第21卷第4期2003年11月海洋工程THE OCE AN ENGINEERING Vol 21No 4Nov. 2003文章編號(hào):1005 9865(2003) 04 0097 07瓊州海峽東口

第21卷第4期

2003年11月海洋工程

THE OCE AN ENGINEERING Vol 21No 4Nov. 2003

文章編號(hào):1005 9865(2003) 04 0097 07

瓊州海峽東口底形平衡域譜分析

程和琴, 胡紅兵, 蔣智勇, 王寶燦

(華東師范大學(xué)河口海岸國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 上海 200062)

摘 要:1993年用GPY 淺地層剖面儀對(duì)瓊州海峽東口中水道兩個(gè)水深18~40m 的淺段進(jìn)行網(wǎng)格狀探測(cè), 通過對(duì)探測(cè)記錄的平衡域譜分析近似計(jì)算底形運(yùn)動(dòng)速率。探測(cè)、分析和計(jì)算結(jié)果表明:分布在深處的大型不對(duì)稱沙波平均波長416m 、平均波高8 8m, 平均運(yùn)動(dòng)速率0. 92cm h; 分布在淺處的小型對(duì)稱、不對(duì)稱沙波平均波長144m 、平均波高4. 9m, 平均運(yùn)動(dòng)速率5 13cm h 。雖然這些底形運(yùn)動(dòng)速率大于用經(jīng)驗(yàn)公式和其它理論公式的計(jì)算值, 卻接近于近年來的原位觀測(cè)值和相似尺度底形風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)值, 所以平衡域譜分析是一種相對(duì)簡便準(zhǔn)確的小尺度底形穩(wěn)定性評(píng)估方法。

關(guān)鍵詞:瓊州海峽; 底形; 穩(wěn)定性; 平衡域譜分析; 運(yùn)動(dòng)速率

中圖分類號(hào):TV148 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A

Equilibrium range spectra analysis of nearshore bedforms

in the East Qiongzhou Strait

C HENG He qin, HU Hong bing, JIANG Zhi yong, WANG Bao can

(State Key Laboratory of Estuari ne &Coastal Research, East China Normal University, Shanghai 200062, China)

Abstract :Bedforms generated by currents and waves on a sandy bottom are of practical importance to near bottom flow, wave attenuation and sedi ment transport. The bed configurations were detected with a Shallow Seis mic Profiler GPY in 1993in the east entrance of the Qiongzhou Strait, South China Sea. Direct measurements were made within two study areas at depths between 18m and 40m. The measured records are analyzed with spatial and temporal eq uilibrium range spectra. The resul ts reveal the presence of asymmetric large scale sand dunes, and sym metric and asymmetric s mall-scale sand dunes composed of fine and medium sands. The larger scale dunes have an average spacing of 416m, a height of 8. 8m and a celeri ty of 0. 92cm h. The smaller-scale dunes have an average spacing of 144m, a height of 4. 9m and a celerity of 5. 13cm h. The migration rates esti mated in the presen t paper are much larger than those with theoretical and empirical flume data, while they are close to the field and wi nd tunnel data in a si milar grain size. To su m up, the equilibrium spectra analysis can be potentially applied to the temporal stability evaluation of nearshore bedform.

Key words :Qiongzhou Strait; bedform; stabili ty; equilibrium-range analysis; celerity

海底砂質(zhì)底形遷移速率的定量評(píng)估是近岸與海洋工程基礎(chǔ)穩(wěn)定性評(píng)價(jià)的關(guān)鍵內(nèi)容。由于現(xiàn)場(chǎng)定點(diǎn)錨泊實(shí)測(cè)值的精度受當(dāng)時(shí)技術(shù)條件限制, 近年來獲得的底形運(yùn)動(dòng)速率的現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)值

[8,9][1-7]與理論估算和水槽實(shí)驗(yàn)值之間有數(shù)量級(jí)之差, 而且在災(zāi)害天氣時(shí)無法進(jìn)行, 所以底形運(yùn)動(dòng)速率估算方法的改進(jìn)顯得日益迫切。Hino 、Nordin 和Leve y 等通過沙波空間域頻譜和時(shí)間域頻譜的平衡域譜(equilibrium-range spectra) 的理論分析, 獲得單向均勻恒定流形成的河床沙波運(yùn)動(dòng)速率計(jì)算公式

平衡域譜在瓊州海峽東口底形運(yùn)動(dòng)速率估算中的有效性。

收稿日期:2002-12-30

98海 洋 工 程第21卷1 區(qū)域概況

瓊州海峽介于雷州半島與海南島間, 呈東西向, 長約80km, 寬20~40km 。潮流分別受東口門外太平洋潮波系統(tǒng)和西口門外北部灣潮波系統(tǒng)影響, 呈漲潮東流、漲潮西流、落潮東流和落潮西流等四種運(yùn)動(dòng)形式。東口平均潮差1. 42m, 口門表層平均流速1. 341m s, 底層平均流速0. 447m s, 平均含沙量[15]0. 008kg m ; 因3地處季風(fēng)帶, 風(fēng)浪年出現(xiàn)頻率為83; 冬季以北東向風(fēng)浪為主, 夏季以東南向風(fēng)浪為主, 特別是冬季NE 向強(qiáng)風(fēng)和夏季臺(tái)風(fēng)引起波浪場(chǎng)和流場(chǎng)的急劇變化, 平均波高0. 9~1. 0m, 平均周期3. 5~4. 2s 。海峽東西口沙脊、深槽相間(圖1) , 東口灘槽表層沉積物平均粒徑0. 2~0. 3mm, 且灘槽床面皆發(fā)育大尺度沙波, 與南海北部、東海和其它海區(qū)陸架砂質(zhì)沉積區(qū)所發(fā)育的沙波一樣, 被作為現(xiàn)代潮流產(chǎn)物[17, 18]

[13-16]。

圖1 瓊州海峽東口研究區(qū)地理位置

Fig. 1 The study areas ABCD and EFGH located in the east entrance of the Qiongzhou Strait

2 研究方法

2. 1 底形探測(cè)

數(shù)據(jù)分別采集于1993年4月22日和23日, 使用101t 木質(zhì)漁船, 船速150m min 。測(cè)量期間風(fēng)力4~5級(jí), 船搖擺幅度不大。利用雙通道精密測(cè)深儀和GPY 高精度淺地層剖面儀對(duì)ABCD(5. 6km ) 和EFGH (3 9km ) 兩個(gè)研究區(qū)(圖1) 橫縱斷面的床面形態(tài)進(jìn)行高密度網(wǎng)格狀探測(cè), 發(fā)射功率120、160J, 接受信號(hào)80量程檔, 采用4次疊加處理。東西向主測(cè)線間距100m, 南北向聯(lián)絡(luò)線間距150m, 測(cè)線總長約160km 。采用Mini Ranger Falcon 484型微波測(cè)距儀按兩岸臺(tái)工作方式定位, 單測(cè)距精度< 2m, 定位精度當(dāng)測(cè)區(qū)至兩岸臺(tái)夾角為90 時(shí)< 2. 8m, 夾角為60 時(shí)< 4m 。在兩個(gè)研究區(qū)內(nèi)各采集4個(gè)底沙樣品, 粒度分析采用篩析法。

2. 2 一般統(tǒng)計(jì)分析

在ABCD 和EFGH 兩個(gè)研究區(qū)東西向主測(cè)線所有的床面記錄(圖2) 上, 根據(jù)測(cè)量船走航速度計(jì)算沙波的、( 1) (2) , V11. 022

第4期程和琴, 等:瓊州海峽東口底形平衡域譜分析99計(jì), 分析其偏離正態(tài)分布的特征。

2. 3 平衡域譜分析

2. 3. 1 原理

[10]大量水槽實(shí)驗(yàn)和野外觀測(cè)表明沙波發(fā)育的床面高程呈高斯正態(tài)分布。Hino 通過理論分析指出, 沙波

的頻譜密度函數(shù)在頻譜的高頻部分(平衡域) 應(yīng)與沙波周期(T ) 的平方及波長的立方成正比

實(shí)測(cè)資料證明這一結(jié)論是正確的[11][10]; Nordin 根據(jù), 由此可推算沙波的運(yùn)動(dòng)速率(c = T ) 。本文旨在通過對(duì)瓊州海峽東口中水道兩個(gè)淺段淺地層剖面儀探測(cè)記錄上床面高程的譜函數(shù)估計(jì), 用Hino 和Nordin 的研究成果, 近似計(jì)算波數(shù)譜平衡域內(nèi)典型沙波的運(yùn)動(dòng)速率。

2. 3. 2 具體計(jì)算步驟

1) 利用Mapinfo 軟件, 分別對(duì)上述兩個(gè)研究區(qū)內(nèi)沿中水道方向(緯向) 主測(cè)線, 以及與中水道接近垂直方向(南北經(jīng)向) 測(cè)線, 由GPY 高精度淺地層剖面儀進(jìn)行走航測(cè)量獲得的海底床面形態(tài)(圖2) 進(jìn)行數(shù)值化;

2) 利用快速傅立葉變換(FFT)

(k ) , 根據(jù)式(1) 計(jì)算 :

S (k ) = k

3) 根據(jù)式(2) 和c (k ) =! k 關(guān)系

(f ) :

-3 ! f (f 1

4) 根據(jù)式(3) , 計(jì)算床面高程平衡域內(nèi)(高頻部分) 的沙波運(yùn)動(dòng)速率c (k ) :P (f ) =

c (k ) =S (k )

100海 洋 工 程第21卷

圖2 瓊州海峽東口中水道兩個(gè)研究區(qū)沙波的GPY 淺地層剖面儀記錄Fig. 2 The shallow profiler records of dunes at the middle entrance of Qiongzhou Strait

第4期程和琴, 等:瓊州海峽東口底形平衡域譜分析101

波高、坡角 另外, 在東、西部兩個(gè)淺段測(cè)區(qū)之間的水深較大的表1 瓊州海峽東口中水道兩個(gè)淺段沙波波長、

底床上, 以大型不對(duì)稱沙波為主, 緩坡上疊置有小型沙等參數(shù)的統(tǒng)計(jì)特征

波, 且測(cè)線上以水深最大處為中點(diǎn)向西和向東的沙波Tab. 1 Statistical parameters of length, heig ht, angle of the

lee side and stos side slopes at the m iddle entrance of 緩坡方向剛好相反, 反映水流受到南方淺灘的阻擋導(dǎo)

致東、西向分流(圖2(e) ) 。

3. 2 沙波波長、波高和坡角分布特征

根據(jù)上述分析獲得瓊州海峽東口中水道兩個(gè)淺段

研究區(qū)內(nèi)沙波波長介于10~984m 之間, 平均波長為

195m, 出現(xiàn)頻率最高的波長為173m, 基本呈正態(tài)分

布, 偏態(tài)系數(shù)2. 14。波高介于0. 4~14. 8m 之間, 平均

波高為4. 9m, 出現(xiàn)頻率最高的波高為4. 7m, 符合正

態(tài)分布, 偏態(tài)系數(shù)僅0. 9, 見表1, 圖

3) 平均值中值偏度尖度最大值最小值the Qiongzhou Strait 波長/m 1951732. 147. 9898410波高/m 4. 94. 70. 91. 4414. 80. 4 15. 34. 61. 63. 4200. 4 25. 04. 80. 81. 514. 30. 1

圖3 1993年瓊州海峽東口中水道兩個(gè)淺段沙波波長(L ) 、波高(H ) 、陡坡( 1) 和緩坡( 2) 坡角等底形參數(shù)的出現(xiàn)頻率Fig. 3 Occurrence frequency of sand dune parameters of length (L ) , heigh t(H ) , lee side ( 1) and stoss side ( 2) slope angle at the

middle channel on the Qiongzhou Strait detected on April 22~23, 1993.

3. 3 沙波運(yùn)動(dòng)速率的近似計(jì)算

3. 3. 1 底部流速U 的近似計(jì)算

102海 洋 工 程第21卷為便于計(jì)算, 平靜天氣時(shí)東向流平均流速取1. 315m s, 西向流平均流速取0. 67m s; 風(fēng)暴潮東向流平均流速取7. 9m s 。

3. 3. 2 沙波成因的近似

從圖3(a) 和3(b) 可以看出, 波長100~

300m 、波高2. 5~6. 5m 之間的沙波出現(xiàn)頻

率最高, 占68. 5, 其為分布在水深較小區(qū)

域的小型對(duì)稱和不對(duì)稱沙波(圖2(b) 、2

(d) ) , 因?qū)ΨQ性較好或不對(duì)稱時(shí)陡坡向西,

推測(cè)該類型沙波可能形成于平靜天氣時(shí)較

強(qiáng)的西向流或較強(qiáng)的以西向流為主的振蕩

流, 振蕩流可能由瓊州海峽東口常年出現(xiàn)

頻率最高的NNE 向風(fēng)浪(44. 44) [10]形成。

圖3中波長300~700m 、波高6. 5~14. 8m

的沙波出現(xiàn)頻率也較高, 占18. 5, 其為分

布在水深較大區(qū)域的大型不對(duì)稱沙波, 因

陡坡向東(圖2(a) 、2(e) ) , 所以可能形成于

較強(qiáng)的平靜天氣時(shí)漲潮東流、落潮東流或

圖4 利用平衡域譜分析方法估算的ABCD 區(qū)2條(Xz10、Xz18) 和

E FGH 區(qū)2條(Dz3、Dz15) 主測(cè)線上的沙波在平靜天氣時(shí)的運(yùn)動(dòng)速率

Fig. 4 The sand dune celerity calculated with the equilibriu m range spectrum

analysis of bed elevation record assu ming generated du ring a calm weather 風(fēng)暴潮時(shí)的東向流。3. 3. 3 沙波運(yùn)動(dòng)速率c (k ) 的近似計(jì)算依據(jù)式(1) 、(2) 和(3) , 分別計(jì)算兩個(gè)研究區(qū)內(nèi)(圖1) 各測(cè)線上床面高程的波數(shù)譜

S (k ) 、 、頻率譜P (f ) 和沙波的運(yùn)動(dòng)速

率c (k ) (圖4) 。小型對(duì)稱、不對(duì)稱沙波的平均運(yùn)動(dòng)速率為5. 13c m h , 大型不對(duì)稱沙波的平均運(yùn)動(dòng)速率為平靜天氣時(shí)0. 92c m h, 風(fēng)暴潮時(shí)92m h 。

4 結(jié) 語

瓊州海峽東口中水道兩個(gè)淺水段的淺地層剖面儀探測(cè)及平衡域譜分析和計(jì)算結(jié)果表明:該區(qū)發(fā)育有兩種類型的沙波, 大型不對(duì)稱沙波平均波長416m 、平均波高8. 8m, 運(yùn)動(dòng)速率0. 92cm h, 災(zāi)害天氣時(shí)可達(dá)92cm h; 小型對(duì)稱、不對(duì)稱沙波平均波長144m 、平均波高4. 9m, 運(yùn)動(dòng)速率5. 13c m h 和7. 28cm h 。這些沙波運(yùn)動(dòng)速率接近于野外實(shí)測(cè)值, 因此平衡域譜分析是一種相對(duì)簡便的底形穩(wěn)定性評(píng)估方法。與前人利用經(jīng)驗(yàn)和理論公式計(jì)算結(jié)果相比, 利用平衡域譜估算的沙波運(yùn)動(dòng)速率更接近于野外實(shí)測(cè)值和風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)

[22]中粒徑相近的底形運(yùn)動(dòng)速率, 但其精度受近底紊流特性和底部剪切速度計(jì)算制約。本文的計(jì)算誤差有以

下來源:1) 用底部流速替代底部剪切速度; 2) 受當(dāng)時(shí)條件限制, 沒有對(duì)實(shí)測(cè)沙波進(jìn)行流速的同步觀測(cè), 而引用同一區(qū)域流速數(shù)據(jù)。這兩個(gè)問題可以通過未來高分辨率同步探測(cè)和研究得到解決。

致謝:本文得到了評(píng)審專家的指導(dǎo), 在工作過程中還得到陳沈良教授、李興華和浦美燕等同志的幫助。參考文獻(xiàn):

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