海洋泥沙濃度及輸移的研究方法綜述

王文柳 孫蓓蓓 丁圓圓 焦嬌

【摘要】本文在綜述了海洋泥沙濃度及輸移的研究方法的基礎(chǔ)上，分析了各種研究方法的優(yōu)劣，并詳細介紹了MIKE-21數(shù)值計算與分析軟件，以期為相關(guān)科研工作者提供幫助。

【關(guān)鍵字】泥沙濃度；研究方法；MIKE-21

海洋泥沙濃度及輸運過程的變化，直接影響著岸灘地貌的演變過程，尤其是近岸工程的實施，或改變水動力環(huán)境，進而影響泥沙輸運過程。李建超等[1]研究發(fā)現(xiàn)，1855年黃河北徙人渤海后，黃海泥沙補給驟減，改變了水沙之間原有的平衡狀態(tài)，使蘇北海岸沖淤分布格局發(fā)生改變。對于海洋泥沙濃度及輸運研究，應(yīng)用較多的是建立模型來反演輸運與沉積關(guān)系[2]。而建立泥沙模型的方法有很多。其中比較常見的有VB程序模式和遙感。但是，這些方法都有些不足之處。VB程序過于簡單，無法應(yīng)對海洋環(huán)境比較惡劣的海域沉積研究，而遙感主要是偏向于宏觀觀測，對于具體的海洋沉積情況不能做出更加準確的判斷。本文介紹了各種泥沙濃度及輸運的研究方法，重點敘述MIKE-21泥沙輸移模型的應(yīng)用。

1. GIS與遙感

GIS與遙感作為20世紀快速盛行的地理系軟件，應(yīng)用十分廣泛。遙感技術(shù)具有實時、連續(xù)、準確地獲取大范圍地表信息的能力，而GIS 因為其有力的分析能力被廣泛應(yīng)用。特別在海岸帶地區(qū)，海水和陸地具有明顯的光譜特性差異，因而在遙感圖像上可以非常清楚地反映出來[3]；而區(qū)域性地表測量資料往往由于水陸性質(zhì)不同及其他限制因素取得較為困難，因此綜合GIS與遙感，使二者相互補充、相互利用，所取得的結(jié)果具有較高時間與空間分辨率，并具有直觀、準確、易于應(yīng)用的特點[4]。遙感技術(shù)憑借著獨特的宏觀優(yōu)勢和實時精確的特點，在近岸泥沙輸運中運用廣泛。余佳 [5]應(yīng)用MODIS L1B數(shù)據(jù)完成了對于黃海泥沙懸浮體的數(shù)值反演，建立了單波段懸浮體反演模型。通過建立這種懸浮體的反演模型，可以清晰地發(fā)現(xiàn)遙感波段與實測數(shù)據(jù)的各種相關(guān)性，進一步地建立懸浮體泥沙濃度反演模型，定量地對懸浮體泥沙與其他因素的變化關(guān)系進行研究。

2. 現(xiàn)場激光粒度儀

近年來，隨著觀測技術(shù)的不斷進步，現(xiàn)場激光粒度分析儀（LISST）被廣泛應(yīng)用，用來實時地完成對泥沙顆粒級配與濃度的測量，其具有測驗效率高、垂向分辨率高、實現(xiàn)分粒級測量泥沙懸浮體濃度的能力強等優(yōu)點[1]。LISST在測定水體懸浮體體積分數(shù)時會將所有顆粒都計入最終結(jié)果中，如含有較多礦物聚合體或生物碎屑時會有較大的LISST數(shù)值，在測量粒徑的上界，產(chǎn)生“上升尾”現(xiàn)象。因此，先對數(shù)據(jù)進行處理，將明顯異常值（如具有較高抽濾數(shù)據(jù)，但較低LISST數(shù)據(jù)點）剔除掉。為了使結(jié)果更直觀且能利用于傳統(tǒng)的基于質(zhì)量濃度的懸浮體分析，且削弱大顆粒、低密度懸浮體對LISST觀測結(jié)果的影響，將LISST數(shù)據(jù)與抽濾數(shù)據(jù)對比，將體積濃度轉(zhuǎn)化為質(zhì)量濃度。

3. MIKE-21

3.1 泥沙輸移模塊簡介

泥沙輸移模塊隸屬于MIKE-21水動力模型里面的ST 模塊。MIKE -21的ST模塊根據(jù)水流作用或波流的共同作用來計算輸沙率。在波流共同作用時，模型利用DHI模型STP的波周期公式計算輸沙率。如果只有水流作用，用戶可選擇多種常用的輸沙計算公式。初始的淤積/沖刷利用泥沙的質(zhì)量守衡確定。

3.2 泥沙模塊步驟

在運用泥沙模塊前，要明確要解決的問題；選用適當(dāng)?shù)哪Ｐ?；選擇維度（一維、二維或三維）；選用適當(dāng)?shù)哪K、水動力、泥沙或波浪；模擬區(qū)域范圍、區(qū)域大小、空間步長；坐標(biāo)投影（模型轉(zhuǎn)角）。

3.2.1 數(shù)據(jù)收集與前處理

地形數(shù)據(jù)（C-map，XYZ，GIS，CAD，紙制海圖等）；邊界實測數(shù)據(jù)和驗證數(shù)據(jù)；風(fēng)場等參數(shù)數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)驗證利用MIKE.21軟件驗證其合理性與一致性。

1. 搭建模型

輸入模型參數(shù)有地形文件、邊界文件、糙率值、渦粘系數(shù)時間步長、風(fēng) 場、干濕水深、初始水位等。

2. 運行模型

3.3.2 泥沙模型實例分析

MIKE.21軟件對于泥沙的分析，學(xué)者們在遼寧黃海在花園口工程海域?qū)崪y水文測驗資料和地形資料的基礎(chǔ)上，從平面二維水沙模型的基本方程和基本理論出發(fā)，用MIKE21建立大尺度黃渤海潮流模型，采用嵌套的方法建立了計算區(qū)域內(nèi)的小區(qū)域潮流耦合波浪的泥沙數(shù)學(xué)模型，三角單元有限體積法并對潮流運動和波浪潮流作用下泥沙的輸移進行了數(shù)值模擬。

在運用軟件時要注意對模型中關(guān)鍵參數(shù)（如剪切應(yīng)力，水流挾沙能力等）進行重點研究，使地區(qū)模型能更好地適應(yīng)實地情況，并根據(jù)計算的實測資料驗證計算模式和資料處理的合理性。為工程設(shè)計、日后規(guī)劃發(fā)展提供必要的參考依據(jù)。對實地地區(qū)進行了流場分析，解明其海域漲、落潮流特性。在此基礎(chǔ)上建立了波浪和潮流作用下的泥沙數(shù)學(xué)模型，對懸沙濃度和地形演變兩方面進行驗證，若懸沙濃度計算值和實測值吻合較為良好，則該泥沙計算模型沖淤是合理的。除此之外，還要關(guān)注地形演變反映出的海域的海床原始等深線是否處于動態(tài)平衡，這也是影響計算模型合理性的重要因素之一。完成后就可以在此基礎(chǔ)上得出年淤積厚度，海岸線短期內(nèi)向近岸移動不是很大。通過分析海床長期沖淤處于動態(tài)平衡狀態(tài)，在處于動態(tài)平衡的海岸上修建建筑物不會引起大范圍的地形演變，只需注意建筑物造成的局部沖刷和淤積問題。這樣在只需要相關(guān)的實測資料就可以通過建立數(shù)字計算模型，快速有效地了解測定海域的泥沙輸運與沉積狀況，從而制定更加有效的措施。

4. 總結(jié)

泥沙沉積作為一種在近海地區(qū)起巨大作用的沉積分類，對自然環(huán)境與人類生活和建設(shè)都有著非凡的影響。我國沿海泥沙沉積問題一直是人們關(guān)注的話題，也有眾多學(xué)者采取各種方法進行研究。隨著快捷、高效的MIKE.21軟件技術(shù)的發(fā)展，可以通過運用泥沙模型分析方法對泥沙進行分析與模擬，對中長期的變化趨勢進行預(yù)測，從而擬定解決措施。同時，在泥沙沉積研究方面GIS、遙感與激光粒度儀測泥沙粒徑法也有著不俗的作用。

參考文獻：

[1]李建超，喬璐璐，李廣雪，等. 基于LISST數(shù)據(jù)的冬季南黃海懸浮體分布[J]. 海洋地質(zhì)與第四紀地質(zhì)，2013，05：13-25.

[2]王嶸，張永戰(zhàn)，夏非，等. 南黃海輻射沙脊群海域底質(zhì)粒度特征及其輸運趨勢[J]. 海洋地質(zhì)與第四紀地質(zhì)，2012，06：1-8.

[3]樊輝，黃海軍. 黃、東海二類水體春季表觀光譜特性與表層懸浮體濃度反演模式[J]. 海洋與湖沼，2010，02：161-166.

[4]李海宇，王穎. GIS與遙感支持下的南黃海輻射沙脊群現(xiàn)代演變趨勢分析[J]. 海洋科學(xué)，2002，09：61-65

[5]余佳，王厚杰，畢乃雙，等. MODIS L1B數(shù)據(jù)的黃海懸浮體季節(jié)性分布的反演[J]. 海洋地質(zhì)與第四紀地質(zhì)，2014，01：1-9.

基金項目：江蘇省高等學(xué)校大學(xué)生實踐創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計劃項目（201410324023Y）