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: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: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

(華東師范大學河口海岸國家重點實驗室, 上海 200062)

摘 要:1993年用GPY 淺地層剖面儀對瓊州海峽東口中水道兩個水深18~40m 的淺段進行網格狀探測, 通過對探測記錄的平衡域譜分析近似計算底形運動速率。探測、分析和計算結果表明:分布在深處的大型不對稱沙波平均波長416m 、平均波高8 8m, 平均運動速率0. 92cm h; 分布在淺處的小型對稱、不對稱沙波平均波長144m 、平均波高4. 9m, 平均運動速率5 13cm h 。雖然這些底形運動速率大于用經驗公式和其它理論公式的計算值, 卻接近于近年來的原位觀測值和相似尺度底形風洞實驗值, 所以平衡域譜分析是一種相對簡便準確的小尺度底形穩(wěn)定性評估方法。

關鍵詞:瓊州海峽; 底形; 穩(wěn)定性; 平衡域譜分析; 運動速率

中圖分類號:TV148 文獻標識碼: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

海底砂質底形遷移速率的定量評估是近岸與海洋工程基礎穩(wěn)定性評價的關鍵內容。由于現場定點錨泊實測值的精度受當時技術條件限制, 近年來獲得的底形運動速率的現場觀測值

[8,9][1-7]與理論估算和水槽實驗值之間有數量級之差, 而且在災害天氣時無法進行, 所以底形運動速率估算方法的改進顯得日益迫切。Hino 、Nordin 和Leve y 等通過沙波空間域頻譜和時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動速率計算公式

平衡域譜在瓊州海峽東口底形運動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動形式。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地處季風帶, 風浪年出現頻率為83; 冬季以北東向風浪為主, 夏季以東南向風浪為主, 特別是冬季NE 向強風和夏季臺風引起波浪場和流場的急劇變化, 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)陸架砂質沉積區(qū)所發(fā)育的沙波一樣, 被作為現代潮流產物[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

數據分別采集于1993年4月22日和23日, 使用101t 木質漁船, 船速150m min 。測量期間風力4~5級, 船搖擺幅度不大。利用雙通道精密測深儀和GPY 高精度淺地層剖面儀對ABCD(5. 6km ) 和EFGH (3 9km ) 兩個研究區(qū)(圖1) 橫縱斷面的床面形態(tài)進行高密度網格狀探測, 發(fā)射功率120、160J, 接受信號80量程檔, 采用4次疊加處理。東西向主測線間距100m, 南北向聯絡線間距150m, 測線總長約160km 。采用Mini Ranger Falcon 484型微波測距儀按兩岸臺工作方式定位, 單測距精度< 2m, 定位精度當測區(qū)至兩岸臺夾角為90 時< 2. 8m, 夾角為60 時< 4m 。在兩個研究區(qū)內各采集4個底沙樣品, 粒度分析采用篩析法。

2. 2 一般統(tǒng)計分析

在ABCD 和EFGH 兩個研究區(qū)東西向主測線所有的床面記錄(圖2) 上, 根據測量船走航速度計算沙波的、( 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, 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]大量水槽實驗和野外觀測表明沙波發(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

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

實測資料證明這一結論是正確的[11][10]; Nordin 根據, 由此可推算沙波的運動速率(c = T ) 。本文旨在通過對瓊州海峽東口中水道兩個淺段淺地層剖面儀探測記錄上床面高程的譜函數估計, 用Hino 和Nordin 的研究成果, 近似計算波數譜平衡域內典型沙波的運動速率。

2. 3. 2 具體計算步驟

1) 利用Mapinfo 軟件, 分別對上述兩個研究區(qū)內沿中水道方向(緯向) 主測線, 以及與中水道接近垂直方向(南北經向) 測線, 由GPY 高精度淺地層剖面儀進行走航測量獲得的海底床面形態(tài)(圖2) 進行數值化;

2) 利用快速傅立葉變換(FFT)

(k ) , 根據式(1) 計算 :

S (k ) = k

3) 根據式(2) 和c (k ) =! k 關系

(f ) :

-3 ! f (f 1

4) 根據式(3) , 計算床面高程平衡域內(高頻部分) 的沙波運動速率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、西部兩個淺段測區(qū)之間的水深較大的表1 瓊州海峽東口中水道兩個淺段沙波波長、

底床上, 以大型不對稱沙波為主, 緩坡上疊置有小型沙等參數的統(tǒng)計特征

波, 且測線上以水深最大處為中點向西和向東的沙波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

致東、西向分流(圖2(e) ) 。

3. 2 沙波波長、波高和坡角分布特征

根據上述分析獲得瓊州海峽東口中水道兩個淺段

研究區(qū)內沙波波長介于10~984m 之間, 平均波長為

195m, 出現頻率最高的波長為173m, 基本呈正態(tài)分

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

波高為4. 9m, 出現頻率最高的波高為4. 7m, 符合正

態(tài)分布, 偏態(tài)系數僅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淺段沙波波長(L ) 、波高(H ) 、陡坡( 1) 和緩坡( 2) 坡角等底形參數的出現頻率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 沙波運動速率的近似計算

3. 3. 1 底部流速U 的近似計算

102海 洋 工 程第21卷為便于計算, 平靜天氣時東向流平均流速取1. 315m s, 西向流平均流速取0. 67m s; 風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 之間的沙波出現頻

率最高, 占68. 5, 其為分布在水深較小區(qū)

域的小型對稱和不對稱沙波(圖2(b) 、2

(d) ) , 因對稱性較好或不對稱時陡坡向西,

推測該類型沙波可能形成于平靜天氣時較

強的西向流或較強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

頻率最高的NNE 向風浪(44. 44) [10]形成。

圖3中波長300~700m 、波高6. 5~14. 8m

的沙波出現頻率也較高, 占18. 5, 其為分

布在水深較大區(qū)域的大型不對稱沙波, 因

陡坡向東(圖2(a) 、2(e) ) , 所以可能形成于

較強的平靜天氣時漲潮東流、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) 主測線上的沙波在平靜天氣時的運動速率

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 風暴潮時的東向流。3. 3. 3 沙波運動速率c (k ) 的近似計算依據式(1) 、(2) 和(3) , 分別計算兩個研究區(qū)內(圖1) 各測線上床面高程的波數譜

S (k ) 、 、頻率譜P (f ) 和沙波的運動速

率c (k ) (圖4) 。小型對稱、不對稱沙波的平均運動速率為5. 13c m h , 大型不對稱沙波的平均運動速率為平靜天氣時0. 92c m h, 風暴潮時92m h 。

4 結 語

瓊州海峽東口中水道兩個淺水段的淺地層剖面儀探測及平衡域譜分析和計算結果表明:該區(qū)發(fā)育有兩種類型的沙波, 大型不對稱沙波平均波長416m 、平均波高8. 8m, 運動速率0. 92cm h, 災害天氣時可達92cm h; 小型對稱、不對稱沙波平均波長144m 、平均波高4. 9m, 運動速率5. 13c m h 和7. 28cm h 。這些沙波運動速率接近于野外實測值, 因此平衡域譜分析是一種相對簡便的底形穩(wěn)定性評估方法。與前人利用經驗和理論公式計算結果相比, 利用平衡域譜估算的沙波運動速率更接近于野外實測值和風洞實驗

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

下來源:1) 用底部流速替代底部剪切速度; 2) 受當時條件限制, 沒有對實測沙波進行流速的同步觀測, 而引用同一區(qū)域流速數據。這兩個問題可以通過未來高分辨率同步探測和研究得到解決。

致謝:本文得到了評審專家的指導, 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:

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