琼州海峡东口底形平衡域谱分析
第21卷第4期2003年11月海洋工程THE OCE AN ENGINEERING Vol 21No 4Nov. 2003文章编号:1005 9865(2003) 04 0097 07琼州海峡东口
第21卷第4期
2003年11月海洋工程
THE OCE AN ENGINEERING Vol 21No 4Nov. 2003
文章编号:1005 9865(2003) 04 0097 07
琼州海峡东口底形平衡域谱分析
程和琴, 胡红兵, 蒋智勇, 王宝灿
(华东师范大学河口海岸国家重点实验室, 上海 200062)
摘 要:1993年用GPY 浅地层剖面仪对琼州海峡东口中水道两个水深18~40m 的浅段进行网格状探测, 通过对探测记录的平衡域谱分析近似计算底形运动速率。探测、分析和计算结果表明:分布在深处的大型不对称沙波平均波长416m 、平均波高8 8m, 平均运动速率0. 92cm h; 分布在浅处的小型对称、不对称沙波平均波长144m 、平均波高4. 9m, 平均运动速率5 13cm h 。虽然这些底形运动速率大于用经验公式和其它理论公式的计算值, 却接近于近年来的原位观测值和相似尺度底形风洞实验值, 所以平衡域谱分析是一种相对简便准确的小尺度底形稳定性评估方法。
关键词:琼州海峡; 底形; 稳定性; 平衡域谱分析; 运动速率
中图分类号:TV148 文献标识码: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
海底砂质底形迁移速率的定量评估是近岸与海洋工程基础稳定性评价的关键内容。由于现场定点锚泊实测值的精度受当时技术条件限制, 近年来获得的底形运动速率的现场观测值
[8,9][1-7]与理论估算和水槽实验值之间有数量级之差, 而且在灾害天气时无法进行, 所以底形运动速率估算方法的改进显得日益迫切。Hino 、Nordin 和Leve y 等通过沙波空间域频谱和时间域频谱的平衡域谱(equilibrium-range spectra) 的理论分析, 获得单向均匀恒定流形成的河床沙波运动速率计算公式
平衡域谱在琼州海峡东口底形运动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 区域概况
琼州海峡介于雷州半岛与海南岛间, 呈东西向, 长约80km, 宽20~40km 。潮流分别受东口门外太平洋潮波系统和西口门外北部湾潮波系统影响, 呈涨潮东流、涨潮西流、落潮东流和落潮西流等四种运动形式。东口平均潮差1. 42m, 口门表层平均流速1. 341m s, 底层平均流速0. 447m s, 平均含沙量[15]0. 008kg m ; 因3地处季风带, 风浪年出现频率为83; 冬季以北东向风浪为主, 夏季以东南向风浪为主, 特别是冬季NE 向强风和夏季台风引起波浪场和流场的急剧变化, 平均波高0. 9~1. 0m, 平均周期3. 5~4. 2s 。海峡东西口沙脊、深槽相间(图1) , 东口滩槽表层沉积物平均粒径0. 2~0. 3mm, 且滩槽床面皆发育大尺度沙波, 与南海北部、东海和其它海区陆架砂质沉积区所发育的沙波一样, 被作为现代潮流产物[17, 18]
[13-16]。
图1 琼州海峡东口研究区地理位置
Fig. 1 The study areas ABCD and EFGH located in the east entrance of the Qiongzhou Strait
2 研究方法
2. 1 底形探测
数据分别采集于1993年4月22日和23日, 使用101t 木质渔船, 船速150m min 。测量期间风力4~5级, 船摇摆幅度不大。利用双通道精密测深仪和GPY 高精度浅地层剖面仪对ABCD(5. 6km ) 和EFGH (3 9km ) 两个研究区(图1) 横纵断面的床面形态进行高密度网格状探测, 发射功率120、160J, 接受信号80量程档, 采用4次叠加处理。东西向主测线间距100m, 南北向联络线间距150m, 测线总长约160km 。采用Mini Ranger Falcon 484型微波测距仪按两岸台工作方式定位, 单测距精度< 2m, 定位精度当测区至两岸台夹角为90 时< 2. 8m, 夹角为60 时< 4m 。在两个研究区内各采集4个底沙样品, 粒度分析采用筛析法。
2. 2 一般统计分析
在ABCD 和EFGH 两个研究区东西向主测线所有的床面记录(图2) 上, 根据测量船走航速度计算沙波的、( 1) (2) , V11. 022
,第4期程和琴, 等:琼州海峡东口底形平衡域谱分析99计, 分析其偏离正态分布的特征。
2. 3 平衡域谱分析
2. 3. 1 原理
[10]大量水槽实验和野外观测表明沙波发育的床面高程呈高斯正态分布。Hino 通过理论分析指出, 沙波
的频谱密度函数在频谱的高频部分(平衡域) 应与沙波周期(T ) 的平方及波长的立方成正比
实测资料证明这一结论是正确的[11][10]; Nordin 根据, 由此可推算沙波的运动速率(c = T ) 。本文旨在通过对琼州海峡东口中水道两个浅段浅地层剖面仪探测记录上床面高程的谱函数估计, 用Hino 和Nordin 的研究成果, 近似计算波数谱平衡域内典型沙波的运动速率。
2. 3. 2 具体计算步骤
1) 利用Mapinfo 软件, 分别对上述两个研究区内沿中水道方向(纬向) 主测线, 以及与中水道接近垂直方向(南北经向) 测线, 由GPY 高精度浅地层剖面仪进行走航测量获得的海底床面形态(图2) 进行数值化;
2) 利用快速傅立叶变换(FFT)
(k ) , 根据式(1) 计算 :
S (k ) = k
3) 根据式(2) 和c (k ) =! k 关系
(f ) :
-3 ! f (f 1 4) 根据式(3) , 计算床面高程平衡域内(高频部分) 的沙波运动速率c (k ) :P (f ) = c (k ) =S (k ) 100海 洋 工 程第21卷 图2 琼州海峡东口中水道两个研究区沙波的GPY 浅地层剖面仪记录Fig. 2 The shallow profiler records of dunes at the middle entrance of Qiongzhou Strait 第4期程和琴, 等:琼州海峡东口底形平衡域谱分析101 波高、坡角 另外, 在东、西部两个浅段测区之间的水深较大的表1 琼州海峡东口中水道两个浅段沙波波长、 底床上, 以大型不对称沙波为主, 缓坡上叠置有小型沙等参数的统计特征 波, 且测线上以水深最大处为中点向西和向东的沙波Tab. 1 Statistical parameters of length, heig ht, angle of the lee side and stos side slopes at the m iddle entrance of 缓坡方向刚好相反, 反映水流受到南方浅滩的阻挡导 致东、西向分流(图2(e) ) 。 3. 2 沙波波长、波高和坡角分布特征 根据上述分析获得琼州海峡东口中水道两个浅段 研究区内沙波波长介于10~984m 之间, 平均波长为 195m, 出现频率最高的波长为173m, 基本呈正态分 布, 偏态系数2. 14。波高介于0. 4~14. 8m 之间, 平均 波高为4. 9m, 出现频率最高的波高为4. 7m, 符合正 态分布, 偏态系数仅0. 9, 见表1, 图 3) 平均值中值偏度尖度最大值最小值the Qiongzhou Strait 波长/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 图3 1993年琼州海峡东口中水道两个浅段沙波波长(L ) 、波高(H ) 、陡坡( 1) 和缓坡( 2) 坡角等底形参数的出现频率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 沙波运动速率的近似计算 3. 3. 1 底部流速U 的近似计算 102海 洋 工 程第21卷为便于计算, 平静天气时东向流平均流速取1. 315m s, 西向流平均流速取0. 67m s; 风暴潮东向流平均流速取7. 9m s 。 3. 3. 2 沙波成因的近似 从图3(a) 和3(b) 可以看出, 波长100~ 300m 、波高2. 5~6. 5m 之间的沙波出现频 率最高, 占68. 5, 其为分布在水深较小区 域的小型对称和不对称沙波(图2(b) 、2 (d) ) , 因对称性较好或不对称时陡坡向西, 推测该类型沙波可能形成于平静天气时较 强的西向流或较强的以西向流为主的振荡 流, 振荡流可能由琼州海峡东口常年出现 频率最高的NNE 向风浪(44. 44) [10]形成。 图3中波长300~700m 、波高6. 5~14. 8m 的沙波出现频率也较高, 占18. 5, 其为分 布在水深较大区域的大型不对称沙波, 因 陡坡向东(图2(a) 、2(e) ) , 所以可能形成于 较强的平静天气时涨潮东流、落潮东流或 图4 利用平衡域谱分析方法估算的ABCD 区2条(Xz10、Xz18) 和 E FGH 区2条(Dz3、Dz15) 主测线上的沙波在平静天气时的运动速率 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 风暴潮时的东向流。3. 3. 3 沙波运动速率c (k ) 的近似计算依据式(1) 、(2) 和(3) , 分别计算两个研究区内(图1) 各测线上床面高程的波数谱 S (k ) 、 、频率谱P (f ) 和沙波的运动速 率c (k ) (图4) 。小型对称、不对称沙波的平均运动速率为5. 13c m h , 大型不对称沙波的平均运动速率为平静天气时0. 92c m h, 风暴潮时92m h 。 4 结 语 琼州海峡东口中水道两个浅水段的浅地层剖面仪探测及平衡域谱分析和计算结果表明:该区发育有两种类型的沙波, 大型不对称沙波平均波长416m 、平均波高8. 8m, 运动速率0. 92cm h, 灾害天气时可达92cm h; 小型对称、不对称沙波平均波长144m 、平均波高4. 9m, 运动速率5. 13c m h 和7. 28cm h 。这些沙波运动速率接近于野外实测值, 因此平衡域谱分析是一种相对简便的底形稳定性评估方法。与前人利用经验和理论公式计算结果相比, 利用平衡域谱估算的沙波运动速率更接近于野外实测值和风洞实验 [22]中粒径相近的底形运动速率, 但其精度受近底紊流特性和底部剪切速度计算制约。本文的计算误差有以 下来源:1) 用底部流速替代底部剪切速度; 2) 受当时条件限制, 没有对实测沙波进行流速的同步观测, 而引用同一区域流速数据。这两个问题可以通过未来高分辨率同步探测和研究得到解决。 致谢:本文得到了评审专家的指导, 在工作过程中还得到陈沈良教授、李兴华和浦美燕等同志的帮助。参考文献: [1] Fenster MS, DM Fi tzgerald, WF Bohlen, et al . Stability of giant sand waves in Eas tern Long Island Sound, U. S. A. [J]. Mar. Geol. , 1990, 91:207-225. [2] Harris P T. Sand wave movement under tidal and wind-driven currents in a shallow marine environment:Adolphus Channel, Northeast ern Australia[J]. Conti nental Shelf Res. , 1989, 9(11) :981-1002. [3] Wang YH, Dai CF, Cooper RA. Observations of bed forms off Southern Taiwan using a ROV[J].ACTA Oceanogephica T aiwanica, 1993, 30:1-9. [4] 程和琴, 宋 波, 薛元忠, 等. 长江口粗粉砂和极细砂输移特性研究 (1) :20-27. [5][, :幕式再悬浮和底形运动[J].泥沙研究, 2000, [6, 7][1-5, 21] 第4期程和琴, 等:琼州海峡东口底形平衡域谱分析103 [6] 程和琴, 李茂田. 1998年长江全流域特大洪水期河口区床面泥沙运动特征[J]. 泥沙研究, 2002, (2) :38-44. [7] 程和琴, 李茂田, 周天瑜, 等. 长江口水下高分辨率微地貌及运动特征[J].海洋工程, 2002, 20(2) :91-95. [8] Dalrymple RW, RJ Knight, JJ Lambiae. Bedforms and their hydraulic stability relationships i n a tidal environment, Bay of Fundy[J]. Nature, Canada. 1978, 275:100-104. [9] 钱 宁, 万兆惠. 泥沙运动力学[M].北京:科学出版社, 1990. [10] Hino M. Equilibriu m-range spectra of sand waves formed by flowing water[J]. Journal of Fluid Mechanics, 1968, 34:565-573. [11] Nordin CF. Statis tical properties of dune properties of dune profiles[A].U. S. Geological Survey Professional Paper[C].1971. [12] Levey RA, B Kjerfve, RT Getzen. Comparison of bed form variance spectra wi thin a meander bend during flood and average discharge [J]. Journal of Sedimentary Petrology, 1980, 50(1) :149-155. [13] 黄巧珍, 黄育海. 琼州海峡悬沙含量及运移特征[A]. 见:梁松主编, 南海资源与环境研究文集[C]. 广州:中山大学出版 社, 1999. [14] 陈春华, 侍茂崇, 孙士才, 等. 琼州海峡和海口湾台风引起的水交换研究[J].海洋环境科学, 1997, 16(3) :8-13. [15] 沈 莹, 李大山, 张镜潮, 等. 琼州海峡铁路轮渡新海湾港区泥沙淤积问题[J].海洋工程, 1997, 15(3) :46-55. [16] 侍茂崇, 陈春华, 黄 方, 等. 琼州海峡冬末春初潮余流场特征[J].海洋学报, 1998, 20(1) :1-9. [17] 王尚毅, 李大鸣. 南海珠江口盆地陆架斜坡及大陆架海底沙波动态分析[J]. 海洋学报, 1994, 16(6) :122-132. [18] 刘振夏, 夏东兴, 王揆洋, 等. 中国陆架潮流沉积体系和模式[J].海洋与湖沼, 1998, 29(2) :141-147. [19] 窦国仁. 再论泥沙起动流速[J]. 泥沙研究, 1999, (6) :1-59. [20] AS HLEY G M. Classificati on of large scale sub aqueous bedforms:a new look at an old problem[J]. Journal of Sedimen tary Petrolo gy, 1990, 60(1) :160-172. [21] 董治宝, 陈广庭, 颜长珍, 等. 塔里木沙漠石油公路沿线沙丘移动规律[J].中国沙漠, 1998, 18(4) :328-33. [22] 刘贤达. 实验风沙物理与工程[M]. 北京:科学出版社, 1995.
