Analysis of dynamic geomorphology at the east entrance of Qiongzhou Strait based on tidal current numerical simulation
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摘要:
潮流是塑造琼州海峡东口海底地貌的主要动力，研究潮流作用下的沉积物运动特征，有助于更好地理解海峡的水沙通量、沉积过程和地貌演化。根据对2008和2015年研究区249个站位所采集的表层样品调查数据的研究统计，海峡东口沉积物以砂砾质为主，其分布规律与潮流的强弱和方向关系密切，运动形式主要为推移方式。为了进一步研究沉积物的运移与海底地貌的动态关系，利用沉积动力学模型估算了琼州海峡东口的潮流过程、沉积物输运率和侵蚀淤积强度等指标。结果显示，大潮时，东向急流的流速为0.9～2.0 m/s，西向急流为0.8～1.7 m/s，中潮和小潮的潮流流速约为大潮时的50%～60%。总体上，东向流强于西向流，但在海峡北岸和中央水道，西向流始终强于东向流。大潮时，全区沉积物的活动频率普遍较高，均值可达60%，其平均输运率在10−2 kg/(m·s)量级；而中小潮期间，活动频率均值仅为18%左右，平均输运率比大潮期小1～2个数量级。沉积物整体输运方向为东向，但在海峡北岸净输运方向为西向。从侵蚀淤积强度的分布可知，研究区的浅滩堆积速率较高，水道的侵蚀速率较高，量级可达10−1 m/a。
Abstract:The tidal pattern of the east entrance of Qiongzhou Strait that separating Hainan Island from Chinese mainland is irregular diurnal tide, and characterized by east-west reciprocating flow, in which strong tidal current is the main dynamic factor of shaping the seabed morohology. The study of sediment transport characteristics under tidal current is crucial for better understanding the fluxes of water and sediment, sedimentary processes and geomorphological evolution in Qiongzhou Strait. Survey data of surface sediments collected in 2008 and 2015 from 249 stations show that the sediments at the east entrance of the strait were mainly sandy and gravelly, forming the bed load that transported on seabed. To study the sediment transport and seabed morphology, the tidal current process, sediment transport rate and erosion and sedimentation intensity of the east entrance of Qiongzhou Strait were dynamically modeled. The results show that the maximum eastward flow is between 0.9 and 2.0 m/s, and the maximum westward flow is between 0.8 and 1.7 m/s, and the tidal flow in the middle and neap tides is roughly 50% to 60% of that in the spring tides. In general, the eastward flow is stronger than the westward flow, but in the north and the middle part of Qiongzhou Strait, the westward flow is always stronger than the eastward. During spring tides, the frequency of sediments movement in the study area is generally high, with an average of 60%, and the average transport rate is 10−2 kg/(m·s). During the middle and neap tides, the average frequency is only about 18%, and the average transport rate is 1-2 orders of magnitude smaller than that during the spring tides. The sediment transport direction is mainly eastward. We found that there is a higher accumulation rate near shoals and a higher erosion rate, reaching 10−1 m/a.
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表 1 研究区潮流场特征统计
Table 1. Statistics of tidal current field characteristics in the study area
区域 大潮 小潮 中潮 潮差/m 东向急流时 西向急流时 潮差/m 东向急流时 西向急流时 潮差/m 东向急流时 西向急流时 流速/（m/s） 流向/（°） 流速/（m/s） 流向/（°） 流速/（m/s） 流向/（°） 流速/（m/s） 流向/（°） 流速/（m/s） 流向/（°） 流速/（m/s） 流向/（°） 北岸 1.69 0.64 89 0.96 229 0.92 0.43 82 0.50 229 1.23 0.56 84 0.60 227 南岸 1.64 0.63 137 0.46 260 0.83 0.40 106 0.27 249 1.19 0.46 132 0.36 252 中央水道 1.56 1.78 73 1.52 254 0.85 0.78 74 0.73 254 1.15 1.09 74 0.86 254 外罗水道 1.79 1.51 38 1.72 217 0.96 0.77 39 0.86 216 1.28 1.05 37 1.00 216 西北水道 1.70 1.84 59 1.60 241 0.91 0.77 58 0.71 238 1.22 1.07 57 0.87 236 北水道 1.85 1.36 71 0.93 251 0.94 0.60 67 0.43 248 1.35 0.79 61 0.54 238 中水道 1.60 2.01 82 1.24 270 0.87 0.86 82 0.59 265 1.18 1.10 80 0.69 260 南水道 1.66 0.89 106 0.77 276 0.83 0.58 103 0.40 278 1.20 0.60 106 0.47 273 罗斗沙附近 1.95 1.29 43 1.35 217 1.01 0.64 43 0.66 215 1.42 0.89 40 0.83 211 西方浅滩 1.65 1.96 81 1.40 269 0.90 0.80 82 0.63 261 1.23 1.09 76 0.74 255 西南浅滩 1.48 1.94 71 1.29 259 0.83 0.93 73 0.71 256 1.09 1.17 73 0.78 254 西北浅滩 2.07 1.70 57 1.19 237 1.01 0.74 58 0.54 231 1.49 1.00 48 0.71 223 北方浅滩 2.00 1.44 77 0.79 255 0.94 0.62 80 0.33 247 1.40 0.76 62 0.48 228 南方浅滩 1.74 1.69 104 0.96 288 0.88 0.80 103 0.42 289 1.28 0.91 97 0.49 269 出水浅滩 1.72 1.07 126 0.98 307 0.86 0.71 129 0.45 308 1.27 0.66 125 0.53 293 开阔陆架 2.06 0.52 84 0.38 247 0.93 0.27 91 0.16 228 1.38 0.31 88 0.28 209 全区 1.76 1.39 81 1.10 255 0.90 0.67 79 0.53 251 1.27 0.85 77 0.64 244 注：流速为垂向平均流速。 
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表 2 研究区沉积物活动频率统计
Table 2. Statistics of sediment activity frequency in study area
% 区域 大潮 小潮 中潮1 中潮2 中潮3 日平均 北岸 59.8（0～92.3） 27.9（0～69.2） 32.4（0～73.1） 55.3（0～92.3） 34.5（0～84.6） 46.2（0～83.4） 南岸 44.3（0～92.3） 15.9（0～69.2） 17.2（0～80.8） 42.2（0～92.3） 20.3（0～73.1） 32.1（0～81.4） 中央水道 64.5（19.2～92.3） 20.6（0～57.7） 20.4（0～69.2） 64.3（19.2～88.5） 13.7（0～65.4） 43.3（11.5～77.7） 外罗水道 81（34.6～96.2） 41.4（11.5～57.7） 41.8（15.4～69.2） 74（23.1～88.5） 43.6（11.5～80.8） 62.1（22.8～81.2） 西北水道 73.3（34.6～84.6） 30.2（0～57.7） 23.2（0～50） 71.3（34.6～84.6） 19.5（0～38.5） 50.6（19.1～67.2） 北水道 63.5（46.2～76.9） 5.6（0～30.8） 7.2（0～23.1） 60.3（42.3～76.9） 0.5（0～19.2） 35.9（24.5～53） 中水道 65.2（46.2～76.9） 17.4（0～46.2） 13.6（0～26.9） 65.3（50～80.8） 1.7（0～30.8） 40.2（26.4～58） 南水道 43.6（19.2～80.8） 6.8（0～69.2） 6.1（0～61.5） 46.6（23.1～76.9） 5.5（0～38.5） 27.5（11.5～65.1） 罗斗沙附近 76.8（26.9～100） 34.1（0～73.1） 37.8（0～88.5） 70（19.2～96.2） 39.3（0～92.3） 57.5（13.4～90.7） 西方浅滩 74.7（53.8～88.5） 30.8（0～65.4） 20.3（0～53.8） 74.4（53.8～88.5） 12.8（0～50） 50.1（31～73.8） 西南浅滩 65.4（26.9～84.6） 22.1（0～57.7） 17.1（0～50） 64.7（26.9～84.6） 9.5（0～50） 42.7（14.8～70.2） 西北浅滩 82.8（53.8～96.2） 31.5（0～65.4） 27.1（0～65.4） 74（46.2～92.3） 22.3（0～84.6） 55.3（27.8～84.9） 北方浅滩 71.1（23.1～88.5） 16.6（0～50） 15.9（0～38.5） 65.6（19.2～80.8） 11.1（0～50） 44.1（11.8～67） 南方浅滩 66.8（30.8～84.6） 21.1（0～65.4） 14.3（0～34.6） 66.7（23.1～84.6） 5.2（0～73.1） 42.3（15.1～74.4） 出水浅滩 60.4（11.5～96.2） 22.6（0～76.9） 14.6（0～76.9） 59.7（11.5～100） 11.9（0～80.8） 40.2（6.3～86.1） 开阔陆架 65.3（19.2～92.3） 4.6（0～34.6） 9.6（0～46.2） 52.6（0～80.8） 19.8（0～53.8） 38.7（9.1～67.6） 全区 62.9（0～100） 18（0～76.9） 18.5（0～88.5） 57.6（0～100） 18.8（0～92.3） 41.7（0～90.7） 注：数据表示均值（最小值～最大值）。
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表 3 研究区侵蚀淤积速率特征统计
Table 3. Statistics of erosion and deposition rate in the study area
特征值 不同潮汐类型侵蚀淤积量/（cm/d） 日均侵蚀淤积量/（cm/d） 年侵蚀淤积量/（cm/a） 大潮 小潮 中潮1 中潮2 中潮3 平均数 0.00102 0.00004 0.00022 0.00082 0.00013 0.00057 0.20863 中位数 − 0.00054 0.00000 0.00000 0.00000 0.00000 − 0.00020 − 0.07340 最小值 − 2.08843 − 0.54655 − 0.53615 − 1.80270 − 0.25010 − 1.09263 − 398.81111 最大值 2.36847 0.41282 0.40163 2.33750 0.34063 1.25446 457.87946 百分位数 10 − 0.14674 − 0.01115 − 0.01454 − 0.11016 − 0.00448 − 0.07459 − 27.22413 25 − 0.03242 − 0.00157 − 0.00208 − 0.02635 − 0.00034 − 0.01741 − 6.35376 50 − 0.00054 0.00000 0.00000 0.00000 0.00000 − 0.00020 − 0.07340 75 0.03304 0.00146 0.00204 0.02611 0.00035 0.01707 6.22959 90 0.15087 0.01251 0.01473 0.12669 0.00498 0.08111 29.60375
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