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懸浮絮凝體特征及其影響因子的綜合作用
——以長(zhǎng)江口內(nèi)河槽和口門(mén)最大渾濁帶為例

2017-08-07 13:09楊天楊世倫楊海飛朱琴張文祥張朝陽(yáng)王如生
關(guān)鍵詞:河槽口門(mén)長(zhǎng)江口

楊天,楊世倫,楊海飛,朱琴,張文祥,張朝陽(yáng),王如生

(1.華東師范大學(xué)河口海岸學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,上海200062; 2.長(zhǎng)江口水文水資源勘測(cè)局,上海200136;3.國(guó)家海洋局第二海洋研究所,杭州310012)

懸浮絮凝體特征及其影響因子的綜合作用
——以長(zhǎng)江口內(nèi)河槽和口門(mén)最大渾濁帶為例

楊天1,楊世倫1,楊海飛1,朱琴1,張文祥1,張朝陽(yáng)2,王如生3

(1.華東師范大學(xué)河口海岸學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,上海200062; 2.長(zhǎng)江口水文水資源勘測(cè)局,上海200136;3.國(guó)家海洋局第二海洋研究所,杭州310012)

絮凝對(duì)河口細(xì)顆粒懸沙運(yùn)動(dòng)起著極其重要的作用.為深入探討長(zhǎng)江口懸浮絮凝體的特征及其主要影響因子的綜合作用,于2014年10月19—23日(長(zhǎng)江口徑流量、潮差、風(fēng)浪均接近多年平均值)利用多種儀器在人類(lèi)活動(dòng)干擾較小的南支-北港-口外海濱水域進(jìn)行了綜合現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)和取樣,獲得了四個(gè)潮流特征時(shí)刻(漲急、漲憩、落急、落憩)的懸浮絮凝體粒徑、分散粒徑(即分散懸沙的原始粒徑)、懸沙濃度、體積濃度、流速流向、鹽度等數(shù)據(jù).利用灰色關(guān)聯(lián)度分析方法分析五大影響因子(懸沙濃度、體積濃度、流速、鹽度和分散粒徑)對(duì)絮凝體粒徑和有效密度影響程度.結(jié)果表明,在相同體積水體中,口門(mén)最大渾濁帶測(cè)點(diǎn)的絮凝體相對(duì)口內(nèi)河槽測(cè)點(diǎn)數(shù)量多、粒徑小,絮凝體內(nèi)粘土顆粒少、空隙大、自由水多.在口內(nèi)河槽,絮凝體粒徑主要受懸沙濃度、分散粒徑和體積濃度控制,有效密度主要受到分散粒徑、懸沙濃度和流速控制;在口門(mén)最大渾濁帶,絮凝體粒徑的主控因子是流速,有效密度主要受到鹽度、懸沙濃度控制.

懸浮絮凝體;影響因子;灰色關(guān)聯(lián)度分析法;長(zhǎng)江口

0 引言

細(xì)顆粒泥沙具有比粗顆粒泥沙更大的比表面積,往往不是以單一顆粒形式存在,而是多個(gè)顆粒聚集形成絮凝體,這一聚集過(guò)程改變了泥沙的大小與密度等物理性質(zhì)[1].泥沙中絮凝體粒徑和有效密度直接影響泥沙沉降速度[2-4],進(jìn)而直接影響河口泥沙的沉積過(guò)程[5-8].

絮凝體的野外觀測(cè)技術(shù)一直是許多學(xué)者關(guān)注的對(duì)象.為了研究現(xiàn)場(chǎng)絮凝體的大小、密度等性質(zhì),從20世紀(jì)80、90年代開(kāi)始,很多國(guó)外學(xué)者嘗試使用水下拍照觀測(cè)方法[5,9-11].水下拍照方法雖然對(duì)河口水體絮凝體大小有最直觀的反映,但在統(tǒng)計(jì)上工作量大,而且無(wú)法適用于中高濁度的水體.Bale和Morris利用水下激光散射儀器對(duì)絮凝現(xiàn)象進(jìn)行了初步研究[12].Mikkelsen和Pejrup在2001年首先使用美國(guó)SEQUOIA公司生產(chǎn)的現(xiàn)場(chǎng)激光粒度儀(LISST-100)對(duì)絮凝進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)研究,該儀器利用激光衍射原理及Mie散射理論現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量絮凝體的粒徑[3].這一方法很快得到了國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者的廣泛使用與認(rèn)可[3-4,13-14].在近期長(zhǎng)江口對(duì)絮凝現(xiàn)象的野外觀測(cè)中,程江研究了徐六涇洪季大潮的垂線絮凝體粒徑[4],唐建華等等研究了枯季南槽表層的絮凝體粒徑[15],李九發(fā)等研究了洪枯季南、北槽水面以下3 m處的絮凝體粒徑[16].

前人對(duì)長(zhǎng)江口絮凝現(xiàn)象研究,主要集中在固定水層的多點(diǎn)觀測(cè)或多水層的單點(diǎn)觀測(cè),基于多水層(六層)的多點(diǎn)準(zhǔn)同步研究并不多,且對(duì)在長(zhǎng)江口不同區(qū)域絮凝體影響因子缺乏深入的研究.鄧聚龍?jiān)?982年創(chuàng)立灰色系統(tǒng)理論給我們提供一個(gè)動(dòng)態(tài)指標(biāo)的量化分析方法:灰色關(guān)聯(lián)度分析[17].這是一種用灰色關(guān)聯(lián)度順序來(lái)描述因子間的權(quán)重、大小、次序的方法,其基本思想是:以特征行為序列為依據(jù),用數(shù)學(xué)的方法研究因子之間的幾何對(duì)應(yīng)關(guān)系[18-19].本質(zhì)上是多條曲線間的幾何形狀變化分析與比較,認(rèn)為曲線幾何形狀越接近,則發(fā)展變化態(tài)勢(shì)越接近,關(guān)聯(lián)程度越大.因此以此作因素分析時(shí)存在以下優(yōu)點(diǎn):①對(duì)數(shù)據(jù)量沒(méi)有太高的要求;②不要求因子滿足線性、對(duì)數(shù)、指數(shù)和冪函數(shù)等典型分布;③計(jì)算過(guò)程中不會(huì)導(dǎo)致極性誤差[17-19].近年來(lái)這一方法也廣泛應(yīng)用于地學(xué)領(lǐng)域中的多因子統(tǒng)計(jì)問(wèn)題[20-22].本文擬在灰色關(guān)聯(lián)度分析的基礎(chǔ)上,探討長(zhǎng)江口門(mén)內(nèi)到口門(mén)區(qū)近100 km范圍中絮凝體的不同特征,并對(duì)影響絮凝的五大影響因子(懸沙濃度、體積濃度、流速、鹽度和分散粒徑)在不同區(qū)域所占的權(quán)重進(jìn)行分析.

1 研究區(qū)概況

長(zhǎng)江口是典型的分叉型河口,呈三級(jí)分汊、四口入海格局[23].當(dāng)前長(zhǎng)江主流走南支,北支分流比不到5%,近年來(lái)甚至不到2%,南、北港分流比相近[24-25],南港水道受人類(lèi)活動(dòng)影響較北港大[26].經(jīng)南、北槽分汊口貫穿南港和北港的橫斷面是一條分界線,其向海一側(cè)至大約10 m等深線之間的范圍因發(fā)育攔門(mén)沙而成為最大渾濁帶[27];其向陸一側(cè)至南、北支分汊口之間為口門(mén)內(nèi)河槽.本次現(xiàn)場(chǎng)準(zhǔn)同步觀測(cè)的四個(gè)測(cè)點(diǎn)位于受到人類(lèi)活動(dòng)影響相對(duì)較小的南支-北港-口外海濱水域中,其中A和B兩點(diǎn)位于口門(mén)內(nèi)河槽,C和D兩點(diǎn)位于口門(mén)最大渾濁帶(見(jiàn)圖1).

圖1 研究區(qū)域Fig.1 Study area

本次觀測(cè)時(shí)間為2014年10月19—23日,處在長(zhǎng)江洪枯季過(guò)渡階段和大小潮之間的平常潮階段.根據(jù)長(zhǎng)江大通水文站數(shù)據(jù),長(zhǎng)江(大通站)多年平均流量為28 420 m3/s,2014年長(zhǎng)江(大通站)平均流量為28 240 m3/s,本次觀測(cè)期間的平均流量為29 400 m3/s[28-29].觀測(cè)期間的長(zhǎng)江流量不僅與該年的平均流量相近,也與長(zhǎng)江的多年平均流量相近[30].根據(jù)堡鎮(zhèn)站潮汐數(shù)據(jù),該站多年平均潮差為2.45 m,本次觀測(cè)期間平均潮差為2.57 m[31].根據(jù)長(zhǎng)江口海洋預(yù)報(bào),觀測(cè)期間長(zhǎng)江口堡鎮(zhèn)與橫沙觀測(cè)站平均浪高0.85 m[32],小于長(zhǎng)江口多年平均浪高0.90 m[33].因此,本次觀測(cè)期間的徑流、潮汐和風(fēng)浪條件代表了長(zhǎng)江口的一般狀況.

2 研究方法

2.1現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)與室內(nèi)實(shí)驗(yàn)

本次觀測(cè)于2014年10月19—20日在B點(diǎn)、20—21日在A點(diǎn)、21—22日在C點(diǎn)和22—23日在D點(diǎn)分別在一個(gè)完整潮周期的落憩、落急、漲憩和漲急4個(gè)特征時(shí)刻進(jìn)行水文觀測(cè).本次觀測(cè)使用儀器如表1所示,具體步驟如下:將多普勒流速剖面儀(ADCP-300 k)安裝在船身一側(cè),探頭垂直朝下,入水深度為0.8 m,它記錄盲區(qū)(水深1.8 m)以下的流速流向數(shù)據(jù);使用自容點(diǎn)式流速儀(Valeport-106)測(cè)得表層水體流速流向,來(lái)補(bǔ)充ADCP-300k的盲區(qū)部分的數(shù)據(jù),將特征時(shí)刻前后1 min的剖面流速數(shù)據(jù)平均,獲得最終的剖面流速流向;在不擾動(dòng)天然絮凝體的情況下,利用LISST-100在潮周期4個(gè)特征時(shí)刻進(jìn)行垂向剖面測(cè)量,測(cè)得現(xiàn)場(chǎng)懸沙粒級(jí)分布數(shù)據(jù);在水柱高度為H的水體中,按照六層法在相對(duì)水柱高度為0.05H(底層)、0.2H、0.4H、0.6H、0.8H和1H(表層)處取懸沙樣(每瓶600 mL),取回實(shí)驗(yàn)室用庫(kù)爾特激光粒徑分析儀(Coulter-1320)分析得到分散懸沙的粒級(jí)分布與分散粒徑(即分散懸沙的原始粒徑),粒徑分布以1/8Φ為間隔(Φ單位用來(lái)表示粒徑,Φ=?log2d,式中d的單位為mm),一共74個(gè)粒徑區(qū)間;利用光學(xué)后向散射濁度計(jì)(OBS-3A)在潮周期特征時(shí)刻進(jìn)行垂向剖面測(cè)量,得到濁度和鹽度數(shù)據(jù).

表1 現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)所用儀器及其觀測(cè)項(xiàng)目Tab.1 Observation instruments and measured parameters

現(xiàn)場(chǎng)取100 L懸沙水樣用于室內(nèi)標(biāo)定OBS-3A,通過(guò)濁度數(shù)據(jù)反演懸沙濃度數(shù)據(jù)[34-35].標(biāo)定實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖2所示,圖中SSC指懸沙濃度,單位為kg/m3;T指濁度值,單位為NTU,該關(guān)系式的相關(guān)系數(shù)R2達(dá)到0.99以上,擬合關(guān)系良好,可用于濁度值反演懸沙濃度.

圖2 濁度與懸沙濃度的回歸關(guān)系Fig.2 Regression between turbidity and SSC

2.2 絮凝體有效密度計(jì)算

絮凝體有效密度(?ρ)單位為kg/m3.常用以下公式計(jì)算[3]:

式(1)中,?ρ指的是絮凝體有效密度,單位kg/m3;SSC為懸沙濃度,單位kg/m3;VC為絮凝體體積濃度,單位μL/L.

2.3 灰色關(guān)聯(lián)度分析法

首先將本觀測(cè)的4個(gè)觀測(cè)點(diǎn)的4個(gè)潮周期特征時(shí)刻的數(shù)據(jù)按照六層法進(jìn)行平均,并篩選出未超過(guò)儀器量程的73組有效數(shù)據(jù)序列,利用區(qū)間相對(duì)值化法對(duì)序列進(jìn)行無(wú)量綱化處理.無(wú)量綱化后各變量的取值范圍限于0~1,使得序列無(wú)量綱化且在量綱與數(shù)量級(jí)上歸一[36].

其次,計(jì)算特征序列與相關(guān)因子序列在各時(shí)刻的差值(γ).令系統(tǒng)特征行為序列(絮凝體粒徑或有效密度序列)為X0,

令系統(tǒng)的相關(guān)因子序列(體積濃度、流速、鹽度、懸沙濃度和分散粒徑序列)為Xi,

其中,Xi為第i個(gè)相關(guān)因子數(shù)序列,xi(k)為第i個(gè)因子在k時(shí)刻的值.于是特征序列與相關(guān)因子序列在各時(shí)刻的差值(γ)可表示為[19]

式中,k=1,2,3,···,n,i=1,2,3,4,5;γ(x0(k),xi(k))是特征序列X0與第i個(gè)相關(guān)因子X(jué)i在第k個(gè)時(shí)刻的相對(duì)差值,這種形式的相對(duì)差值稱(chēng)為Xi對(duì)X0在k時(shí)刻的關(guān)聯(lián)系數(shù).

最后,計(jì)算關(guān)聯(lián)度.將特征序列與相關(guān)因子序列的差值(γ)序列取平均值,其表達(dá)式為

3 結(jié)果

3.1 沿程對(duì)比

3.1.1 絮凝體粒徑與分散粒徑

位于口內(nèi)河槽的,A、B測(cè)點(diǎn)絮凝體中值粒徑在30μm與56μm之間,平均值為40.2μm.口門(mén)最大渾濁帶C、D測(cè)點(diǎn)中值粒徑在10μm與28μm之間,平均值為18.0μm.口內(nèi)河槽絮凝體中值粒徑顯著大于口門(mén)最大渾濁帶(見(jiàn)圖3a).四個(gè)觀測(cè)點(diǎn)的分散中值粒徑在5μm與10μm之間,沿程變化不大(見(jiàn)圖3b).口內(nèi)河槽的泥沙顆粒的粒度頻率分布曲線較口門(mén)最大渾濁帶扁平(見(jiàn)圖4),口內(nèi)河槽懸沙的粘土含量(41.8%)大于口門(mén)最大渾濁帶的粘土含量(36.3%).

圖3 長(zhǎng)江口4個(gè)測(cè)點(diǎn)4個(gè)特征時(shí)刻時(shí)絮凝體中值粒徑(a)、分散中值粒徑(b)、懸沙濃度(c)、體積濃度(d)、有效密度(e)的剖面平均值Fig.3 The vertical average value of the floc median sizes(a),single particle median sizes(b), suspended sediment concentrations(SSC)(c),volume concentrations(VC)(d)and eff ective densities(e)in the four characteristic moment at the four observation sites in Yangtze Estuary

圖4 長(zhǎng)江口分散懸沙的粒度頻率分布曲線圖Fig.4 The frequency distribution versus log diameter of suspended sediments in Yangtze Estuary

3.1.2 懸沙濃度、絮凝體體積濃度與有效密度

口內(nèi)河槽的體積濃度和懸沙濃度顯著小于口門(mén)最大渾濁帶(見(jiàn)圖3c和3d).各測(cè)點(diǎn)平均有效密度從高到低依次是B、A、C、D(見(jiàn)圖3e),口內(nèi)河槽的絮凝體有效密度高于口門(mén)最大渾濁帶.由于細(xì)顆粒泥沙聚集成絮凝體時(shí),細(xì)顆粒泥沙之間會(huì)禁閉一部分自由水,這部分禁閉自由水不易排出,這樣就增加了絮凝體的粒徑,同時(shí)減少絮凝體的有效密度[1].反之,絮凝體有效密度越高,則絮凝體內(nèi)單顆粒懸沙之間空隙越小,禁閉的自由水也隨之減少.結(jié)合上節(jié)絮凝體粒徑與分散粒徑分布情況,按照比例建立長(zhǎng)江口的絮凝體分布模式(見(jiàn)圖5):在相同體積的水體中,口門(mén)最大渾濁帶相對(duì)口內(nèi)河槽絮凝體數(shù)量多、粒徑小,絮凝體內(nèi)粘土顆粒少、空隙大、自由水多.

圖5 口內(nèi)河槽與口門(mén)最大渾濁帶水體中的絮凝體分布模式Fig.5 The flocs distribution patternsin the waters between the inner estuary and the Turbidity Maximum Zone of the mouth area

3.2 關(guān)聯(lián)度分析

將口內(nèi)河槽測(cè)點(diǎn)與口門(mén)最大渾濁帶測(cè)點(diǎn)的數(shù)據(jù)序列分別用灰色關(guān)聯(lián)度分析法計(jì)算得出關(guān)聯(lián)度如圖6所示.從口內(nèi)河槽到口門(mén)最大渾濁帶,絮凝體粒徑和有效密度與其主要影響因子之間的關(guān)聯(lián)度存在較大差異:體積濃度與懸沙濃度的關(guān)聯(lián)度從正相關(guān)變?yōu)樨?fù)相關(guān),分散粒徑的關(guān)聯(lián)度顯著變小,流速的影響明顯增加.在口內(nèi)河槽,影響絮凝體大小的關(guān)鍵因子是懸沙濃度(關(guān)聯(lián)度為0.810)、分散粒徑(關(guān)聯(lián)度為0.783)和體積濃度(關(guān)聯(lián)度為0.748);在口門(mén)最大渾濁帶,影響絮凝體大小的控制性因子則變?yōu)榱魉?關(guān)聯(lián)度為–0.807).在口門(mén)最大渾濁帶,除鹽度外的相關(guān)因子與有效密度的關(guān)聯(lián)度都較口內(nèi)河槽區(qū)域降低.口內(nèi)河槽有效密度主要受到分散粒徑(關(guān)聯(lián)度為0.766)、懸沙濃度(關(guān)聯(lián)度為0.745)與流速(關(guān)聯(lián)度為0.708)控制;在口門(mén)最大渾濁帶有效密度的控制性因子變?yōu)辂}度(關(guān)聯(lián)度為–0.711)和懸沙濃度(關(guān)聯(lián)度為0.684).

4 討論

4.1 懸沙濃度對(duì)絮凝的影響

由灰色關(guān)聯(lián)度分析可知,懸沙濃度是口內(nèi)河槽影響絮凝體粒徑的最重要因子(見(jiàn)圖6),懸沙濃度與絮凝體粒徑的關(guān)聯(lián)度為0.810.從長(zhǎng)江口實(shí)際情況來(lái)看,口內(nèi)河槽絮凝體粒徑隨著懸沙濃度的增加而增加,這主要是由于隨著懸沙濃度的升高,水體中懸沙顆粒增多,顆粒之間的碰撞概率增加,促進(jìn)絮凝體粒徑增大.口門(mén)最大渾濁帶絮凝體粒徑隨懸沙濃度的變化不顯著,甚至呈負(fù)相關(guān)關(guān)系(見(jiàn)圖7a).由于其關(guān)聯(lián)度顯著小于流速的關(guān)聯(lián)度(見(jiàn)圖6),推測(cè)其原因可能是口門(mén)最大渾濁帶的水流剪切作用強(qiáng)于懸沙濃度對(duì)絮凝體增大的促進(jìn)作用.

圖6 口內(nèi)河槽測(cè)點(diǎn)與口門(mén)最大渾濁帶測(cè)點(diǎn)關(guān)聯(lián)度比較Fig.6 The relational grade’s contrast between the inner estuary and the Turbidity Maximum Zone of the mouth area

懸沙濃度與有效密度的關(guān)聯(lián)度在口內(nèi)河槽與口門(mén)最大渾濁帶分別是0.745和0.684(見(jiàn)圖6).隨著懸沙濃度的增加,如果絮凝體的體積不變,必然導(dǎo)致水體中絮凝體有效密度增加.無(wú)論在口內(nèi)河槽還口門(mén)最大渾濁帶,懸沙濃度都對(duì)有效密度的增長(zhǎng)起著一定的促進(jìn)作用(見(jiàn)圖7b).但在口門(mén)最大渾濁帶,鹽度對(duì)有效密度增長(zhǎng)的強(qiáng)烈抑制作用使得其關(guān)聯(lián)度相對(duì)占優(yōu)勢(shì)(見(jiàn)圖6),這一作用使得口門(mén)最大渾濁帶的有效密度隨懸沙濃度的變化速率較口內(nèi)河槽平緩.

4.2 體積濃度對(duì)絮凝的影響

隨著體積濃度的升高,絮凝體所占體積變大,不僅使得空隙中充滿更多的低于泥沙密度的水,使得絮凝體有效密度減小,還使得絮凝體粒徑有增大的可能.在口內(nèi)河槽,這一規(guī)律得到很好體現(xiàn)(見(jiàn)圖7c和7d),體積濃度是口內(nèi)河槽絮凝體粒徑的主要控制性因子之一.在口門(mén)最大渾濁帶,絮凝體受到水流剪切與鹽絮凝等其他作用,體積濃度的作用不如口內(nèi)河槽顯著(見(jiàn)圖7c和7d).

4.3 流速對(duì)絮凝的影響

無(wú)論是口內(nèi)河槽還是口門(mén)最大渾濁帶,絮凝體粒徑都隨著流速的增大而降低(見(jiàn)圖7e).水流對(duì)絮凝的影響主要在于使大絮凝體在剪切力作用下破碎成小絮凝體[37].觀測(cè)期間,口門(mén)最大渾濁帶最大流速能達(dá)到口內(nèi)河槽最大流速的兩倍.更快的流速使得絮凝體粒徑與流速的關(guān)聯(lián)度在口門(mén)最大渾濁帶顯著高于其他4個(gè)因子(見(jiàn)圖6),是口門(mén)最大渾濁帶絮凝體粒徑的主要控制因子.絮凝體有效密度隨著流速的增大而增大(見(jiàn)圖7f).這也和水流的作用密不可分:絮凝體受剪切力作用破碎成小絮凝體,同時(shí)釋放出大絮凝體內(nèi)的禁閉自由水,使得有效密度降低.在口內(nèi)河槽,這一作用與分散粒徑和懸沙濃度共同作用,促進(jìn)有效密度的增加;在口門(mén)最大渾濁帶,雖然水流剪切釋放出絮凝體內(nèi)一部分禁閉自由水,但該區(qū)域有效密度受高鹽度的控制,其絮凝體內(nèi)部的禁閉自由水仍保持一定水平.

4.4鹽度對(duì)絮凝的影響

觀測(cè)期間口內(nèi)河槽測(cè)點(diǎn)的鹽度在0.19~0.20 PSU,變化并不顯著,鹽度的影響主要體現(xiàn)在口門(mén)最大渾濁帶.絮凝體粒徑隨鹽度的增加而增加(見(jiàn)圖7g),更高的鹽度使得有效密度顯著減小(見(jiàn)圖7h).從絮凝機(jī)理上,鹽度對(duì)細(xì)顆粒懸沙的影響,就是通過(guò)減小泥沙顆粒雙電層間的排斥作用,降低泥沙顆粒穩(wěn)定性,從而促進(jìn)顆粒之間形成一定的結(jié)構(gòu)[38].這一結(jié)構(gòu)的強(qiáng)弱就決定了絮凝體的抗剪強(qiáng)度[38].鹽度能夠提高一部分小絮凝體的抗剪強(qiáng)度,但由于口門(mén)最大渾濁帶的強(qiáng)水動(dòng)力條件,鹽度對(duì)絮凝體的粒徑影響有限.而由灰色關(guān)聯(lián)度分析可知,鹽度是影響有效密度最重要的因子(見(jiàn)圖6).鹽度的增加,促進(jìn)顆粒之間形成更多結(jié)構(gòu),從而更容易封閉自由水,減小絮凝體有效密度.

4.5 分散粒徑對(duì)絮凝的影響

絮凝體是由若干個(gè)分散懸沙單顆粒聚集形成.作為絮凝體的直接組成部分,分散顆粒的粒徑與絮凝體的大小和有效密度有著直接的聯(lián)系.隨著組成絮凝體的懸沙分散粒徑增大,絮凝體的粒徑呈逐漸增大的趨勢(shì)(見(jiàn)圖7i和7j).長(zhǎng)江口上下游的分散粒徑大小區(qū)別并不顯著[39],但依關(guān)聯(lián)度分析可知,分散粒徑在口內(nèi)河槽是絮凝體粒徑與有效密度的主要控制性因子之一,在口門(mén)最大渾濁帶這一影響并不明顯.這一現(xiàn)象可能是由口門(mén)最大渾濁帶主要控制性因子(鹽度與流速)所導(dǎo)致的.另外,值得注意的是口內(nèi)河槽比口門(mén)最大渾濁帶粘土顆粒含量高13%(見(jiàn)圖4).一方面粘土顆粒的比表面積更大,吸附的負(fù)電基團(tuán)更多,從而有更強(qiáng)的陽(yáng)離子交換容量,Zeta電位更高[40-41].粘土顆粒遇到陽(yáng)離子和其表面負(fù)電荷后,電位下降,更容易增加顆粒之間的粘結(jié)力,提高絮凝體抗剪切能力,從而增大絮凝體粒徑.另一方面粘土顆粒體積小,小顆粒的粘土可以聚集在大顆粒間的間隙中,絮凝體內(nèi)的自由水減少、泥沙顆粒增多,從而增加有效密度.這一因素可能是影響上下游絮凝體差異的原因之一,有待進(jìn)一步研究.

5 結(jié)語(yǔ)

研究時(shí)段內(nèi)長(zhǎng)江口口門(mén)最大渾濁帶的絮凝體與口內(nèi)河槽存在明顯差異,在相同體積水體中,口門(mén)最大渾濁帶絮凝體數(shù)量多、粒徑小,絮凝體內(nèi)粘土顆粒少、空隙大、自由水多.由關(guān)聯(lián)度分析可知:在口內(nèi)河槽,影響絮凝體粒徑的關(guān)鍵因子是懸沙濃度、分散粒徑和體積濃度,有效密度主要受到分散粒徑、懸沙濃度與流速控制;在口門(mén)最大渾濁帶,絮凝體粒徑的主要控制性因子是流速,有效密度的主要控制性因子是鹽度、懸沙濃度.長(zhǎng)江口口內(nèi)河槽與口門(mén)最大渾濁帶絮凝體粒徑與有效密度的這種差異其根本機(jī)制是上下游不同的水動(dòng)力條件,水與懸沙特性的差異,使得上下游主要控制性因子不同,導(dǎo)致了口內(nèi)河槽與口門(mén)最大渾濁帶不同的絮凝體特性.

致謝參加野外工作與室內(nèi)實(shí)驗(yàn)的還有研究生陸葉峰、朱強(qiáng)、苗麗敏等,謹(jǐn)致謝忱!

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(責(zé)任編輯:李萬(wàn)會(huì))

Characteristics of suspended fl ocs and the combined action of contributing factors in Yangtze Estuary:A case study on the signifi cant diff erences between the inner estuary and the mouth area

YANG Tian1,YANG Shi-lun1,YANG Hai-fei1,ZHU Qin1, ZHANG Wen-xiang1,ZHANG Chao-yang2,WANG Ru-sheng3
(1.State Key Laboratory of Estuarine and Coastal Research,East China Normal University,Shanghai 200062,China; 2.Survey Bureau of Hydrology and Water Resources of Changjiang Estuary,Shanghai 200136,China; 3.Second Institute of Oceanography State Oceanic Administration,Hangzhou 310012,China)

Flocculation plays a vital role in the transport of estuarine fi ne suspended sediments.To study the naturalsituation and the main infl uencing factors of fine suspendedsediment flocculation,in-situ observations were carried out along the South Branch to the North Channel of the Yangtze Estuary from 19th to 23th October 2014(During that time, river discharge,tidal range and wind waves have same value to annual mean value).Floc size,dispersed particle size,volume concentration(VC),suspended sediment concentration (SSC),salinity,temperature and flow velocities were measured at four characteristic moments at four sites.We study the relation between median fl oc size,as well as eff ective density,and the five influencing factors with the Grey relational analysis.The results shows that,in the same water volume,flocs in the Turbidity Maximum Zone has more floc numbers and smaller floc size;that fl oc inside has less clay particles,larger gap and more free water compare to the inner estuary.In the inner estuary,critical factors influencing floc sizes are SSC,dispersed particle size,VC,and critical factors infl uencing eff ective density were dispersed particle size,SSC,velocity.In the Turbidity Maximum Zone of the mouth area,the critical factor influencing fl oc sizes is velocity and the critical factors influencing eff ective density are salinity and SSC.

suspended flocs;influencing factors;grey relational analysis;Yangtze Estuary

P343.5

:A

10.3969/j.issn.1000-5641.2017.04.013

1000-5641(2017)04-0149-11

2016-10-26

科技部重點(diǎn)專(zhuān)項(xiàng)(2016YFA0600901);國(guó)家自然科學(xué)基金委-山東省聯(lián)合基金項(xiàng)目(U1606401)

楊天,男,碩士研究生,研究方向?yàn)楹涌趧?dòng)力沉積與地貌.E-mail:yangtian1018@qq.com.

楊世倫,男,教授,研究方向?yàn)楹0冻练e動(dòng)力學(xué)和地貌學(xué).E-mail:slyang@sklec.ecnu.edu.cn.

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