李 遠(yuǎn),李占海,張 釗, 王智罡,姚弘毅

(華東師范大學(xué)河口海岸學(xué)國家重點(diǎn)實驗室,上海 200062)

長江口北槽下游河道懸沙濃度垂向分布特征研究

李 遠(yuǎn),李占海,張 釗, 王智罡,姚弘毅

(華東師范大學(xué)河口海岸學(xué)國家重點(diǎn)實驗室,上海 200062)

根據(jù)2013年10月26日至11月9日在長江口北槽下游河道從小潮到大潮連續(xù)14 d的現(xiàn)場定點(diǎn)水沙觀測數(shù)據(jù),對北槽下游河道懸沙濃度的垂向分布特征進(jìn)行了研究,并探討了鹽度梯度和流速大小潮變化對懸沙濃度分布的影響.結(jié)果表明,北槽下游河道的水動力條件存在顯著的大小潮差異,小潮具有流速弱、懸沙濃度低、鹽度梯度大、鹽度分層顯著的特點(diǎn),而大潮則具有流速強(qiáng)、懸沙濃度高、鹽淡水混合程度高、鹽度分層弱的動力特點(diǎn).受較大鹽度梯度和弱流速的影響,小潮期間的懸沙濃度分布主要為階梯型和L型,強(qiáng)鹽度密度分層使懸沙難以擴(kuò)散到水體表層,高濃度懸沙僅出現(xiàn)在水體中下部.在強(qiáng)流速和弱鹽度分層的影響下,大潮期間的懸沙濃度分布主要為線性分布,懸沙能夠擴(kuò)散到水體表層,鹽度密度分層對懸沙濃度分布的影響顯著削弱,在落潮后期懸沙濃度分布表現(xiàn)為典型的垂線型分布,懸沙在水體中充分混合.研究表明,小潮和大潮的懸沙濃度分布基本偏離Rouse分布,僅在小潮落憩時刻符合.在大潮期間,實測的線性分布都很好地符合Soulsby公式,利用該公式能夠很準(zhǔn)確地預(yù)測這些濃度分布.

懸沙濃度分布; 鹽度梯度;Rouse公式;Soulsby公式; 長江口

0 引 言

河口處于河流與海洋的交匯地帶,在徑流、潮汐以及鹽水入侵和混合的共同作用下,河口區(qū)域的水動力過程復(fù)雜,泥沙運(yùn)動劇烈,懸沙濃度沿垂向上的分布形態(tài)和時空變化復(fù)雜多變.研究河口懸沙的垂向分布特征與機(jī)理在揭示河口泥沙的運(yùn)動擴(kuò)散機(jī)制、科學(xué)預(yù)測懸沙輸運(yùn)通量、研究河槽沖淤過程及航道疏浚等方面具有重要的科學(xué)意義和應(yīng)用價值.

在河口與海岸地區(qū),關(guān)于不同沉積動力環(huán)境下的懸沙濃度垂向分布特征,國內(nèi)外學(xué)者目前已開展了較多的研究工作.包括近底層高濃度懸沙成因[1-2],近底層高含沙層動力過程的數(shù)學(xué)模型[3-5],不同波浪類型作用下的懸沙濃度分布,對流和擴(kuò)散共同作用下的懸沙濃度分布等[6-7].長江河口是我國最大的河口,也是世界上的著名河口.長江河口的泥沙運(yùn)移機(jī)制一直是國內(nèi)外學(xué)者研究和關(guān)注的重要內(nèi)容,許多研究工作主要集中在長江口懸沙在不同時空尺度上的變化特點(diǎn)和輸運(yùn)機(jī)制,最大渾濁帶的形成與維持機(jī)理,鹽水入侵過程及其沉積動力影響,河口黏性細(xì)顆粒泥沙的絮凝和沉降特點(diǎn)等方面[8-13].然而,關(guān)于河口最大渾濁帶區(qū)域懸沙濃度垂向分布特征的研究和觀測目前卻開展很少,對于鹽水入侵和水動力大小潮變化下的懸沙濃度垂向分布特點(diǎn)缺乏深入認(rèn)識.長江流域來沙銳減以及河口大型工程是否會對長江河口的動力泥沙過程產(chǎn)生重要影響,近年來備受關(guān)注.本文的目的是利用在北槽下游河道一個大小潮周期的連續(xù)水文泥沙觀測資料,重點(diǎn)分析和探討懸沙濃度的垂向分布特征和大小潮變化特點(diǎn),以及鹽淡水混合和潮流大小潮變化對懸沙濃度分布形態(tài)的影響,并對Rouse公式和Soulsby公式在觀測區(qū)域的適用性進(jìn)行分析.

1 研究區(qū)概況

長江口呈三級分汊、四口入海之勢,河口段地形復(fù)雜,水流分汊,河床沖淤多變,河口區(qū)域的動力泥沙環(huán)境十分復(fù)雜.長江口屬于中等強(qiáng)度的潮汐河口,多年平均潮差為2.66 m.根據(jù)大通水文站的統(tǒng)計資料,長江流域的多年平均年徑流量為8.88×108m3/a(1953—2013年),徑流量具有明顯的洪枯季變化,對河口的動力過程和漲落潮流速不對稱等具有重要影響[8].在三峽大壩修建之前,長江流域每年向海的輸沙量巨大,多年平均輸沙量為4.27×108t/a.但在三峽大壩完工之后,長江流域的輸沙量銳減,近年來的平均輸沙量僅為1.43×108t/a[14].北槽內(nèi)建有大型深水航道工程,該工程始于1998年,在2010年3月通過12.5 m航道水深驗收.深水航道工程改變了北槽的邊界條件,對北槽內(nèi)的動力過程、泥沙運(yùn)動及河道沖淤演變等存在較大影響.北槽是長江水沙入海的重要通道,在徑流、潮流以及航道工程的共同作用下,北槽內(nèi)的水動力強(qiáng),洪季大潮的實測最大流速超過3.0 m/s.受重力環(huán)流和潮汐變形的影響,北槽內(nèi)的懸沙濃度高,鹽水入侵顯著,有最大渾濁帶發(fā)育,實測最大懸沙濃度高達(dá)30～40 kg/m3[15].

2 數(shù)據(jù)來源

為了研究懸沙濃度垂向分布特征及其變化機(jī)理,2013年10月26日—11月9日在長江口北槽下游河道(東經(jīng)122°13.05′,北緯31°9.90′)開展了一個大小潮周期的定點(diǎn)連續(xù)水文泥沙觀測(見圖1),獲得了從小潮到大潮連續(xù)的流速、流向、鹽度和懸沙濃度等資料.野外觀測期間,使用聲學(xué)多普勒流速儀ADCP(1200 kHz)進(jìn)行流速和流向觀測;在每個整點(diǎn)時刻使用光學(xué)后向散射濁度計OBS-3A進(jìn)行濁度、鹽度和水溫的垂線觀測,采集懸沙濃度、鹽度和水溫的垂向分布數(shù)據(jù);使用橫式采水器按六點(diǎn)法采集懸沙水樣,即表層、0.2 H、0.4 H、0.6 H、0.8 H和底層(H為水深,表層指水體表面,底層指距底床高度0.4 m處),采樣頻率為每小時一次.在實驗室內(nèi)對采集到的水樣進(jìn)行鹽度測試,然后對水樣經(jīng)過濾、烘干、稱重后得到懸沙數(shù)據(jù).

圖1 研究區(qū)域及觀測站位圖Fig.1 Sketch of the study area and location of the observational station 1

3 研究結(jié)果

為了研究懸沙濃度的垂向分布特征,對北槽河道大、小潮期間流速、鹽度和懸沙濃度的時間變化過程(見圖2),以及漲、落潮階段懸沙濃度、鹽度和流速的垂向分布分別進(jìn)行制圖(見圖3—6),整體來看都基本遵循大型潮汐河口水沙鹽分布及變化規(guī)律.目前北槽受人造工程的控制和影響顯著,加之不斷實施的航槽浚深,由此改變了河槽地形地貌形態(tài),并影響了水流和鹽度尤其是懸沙濃度的垂向分布結(jié)構(gòu).

3.1 潮流基本特性

如圖2所示,在一個潮周期里,落潮歷時長于漲潮歷時,落潮流速強(qiáng)于漲潮流速,潮流流向以平行主槽走向為主.在一個大小潮周期中,大潮流速顯著強(qiáng)于小潮流速,前者平均為后者的2倍.小潮期間,漲急時刻出現(xiàn)在高潮位附近,垂向最大流速為0.63 m/s,出現(xiàn)在中上部水層,此時的表層流速則相對較小.落急時刻出現(xiàn)在低潮位附近,垂向最大流速為1.71 m/s,出現(xiàn)在水體表層,落潮期間流速強(qiáng)度從表層至底層不斷減弱.在大潮時期,漲潮最大流速出現(xiàn)在中潮位附近,位于水體的中上層.落潮階段的最大流速為2.39 m/s,出現(xiàn)在水體表層.漲、落憩一般發(fā)生在高、低潮位后1～2 h.總之,在一個小潮至大潮周期過程中,漲潮與落潮在流速強(qiáng)度、歷時和最大流速的出現(xiàn)位置等方面存在明顯差異.

圖2 小潮和大潮期間流速、鹽度和懸沙濃度在潮周期內(nèi)的變化過程Fig.2 Time series of current velocity,salinity and suspended sediment concentration at station 1 on a neap/spring tide

3.2 鹽度基本特性

在小潮和大潮期間,鹽度的潮周期平均值分別為21.2 psu、19.8 psu,小潮的平均鹽度略高于大潮.在一個潮周期內(nèi)鹽度的漲落潮不對稱性十分明顯(見圖2),落潮階段的鹽度明顯低于漲潮階段,鹽度最大值出現(xiàn)在漲急時刻.小潮時期,表層鹽度平均為8.3 psu,底層鹽度平均為28.5 psu,垂向上由表層向底層鹽度顯著增加.小潮期間表底層鹽度相差較大,由鹽度導(dǎo)致的密度分層十分顯著,強(qiáng)烈的鹽度密度分層會對小潮期間懸沙的垂向擴(kuò)散產(chǎn)生很強(qiáng)的抑制作用.大潮時期較強(qiáng)的潮流作用使鹽淡水的垂向混合作用增強(qiáng),在潮周期內(nèi)的大部分時間里,表層與底層的鹽度相差很小,鹽度垂向梯度接近于零,對大潮懸沙的垂向擴(kuò)散作用影響很小.小潮期間的鹽淡水混合弱,在底部水層存在明顯的鹽淡水異重流,它對北槽內(nèi)的水動力過程及懸沙垂向分布具有重要影響.

3.3 懸沙濃度基本特性

在漲落潮期間,泥沙在水動力作用下處于不斷地懸浮、沉降、再懸浮的運(yùn)動過程中.在觀測站位所在的北槽下游河道,在科氏力作用下,北側(cè)漲潮期間潮動力相對較強(qiáng),因此出現(xiàn)了懸沙濃度漲潮大于落潮、大潮高于小潮的時間變化特點(diǎn).小潮期間的懸沙濃度整體很低,潮周期平均濃度僅為0.17 kg/m3,近底最大濃度為0.73 kg/m3.大潮期間的潮周期平均濃度為0.78 kg/m3,懸沙濃度的峰值出現(xiàn)在漲潮初期,近底最大濃度達(dá)2.45 kg/m3,漲潮初期懸沙濃度峰的形成跟鹽水入侵過程密切相關(guān).從表1可知,在大潮和小潮期間,懸沙濃度均從表層至底層逐漸增大.在小潮的漲、落潮階段,從表層至0.4 H層懸沙濃度很低且隨時間變化較小,從0.6 H層開始濃度明顯增加,并隨深度向下增大.在大潮漲潮階段,懸沙濃度從表層至底層呈均勻增加;在落潮階段表層濃度較小,0.2 H層至底層的濃度相對較大,垂向上呈緩慢增加趨勢.

表 1 漲、落潮平均懸沙濃度統(tǒng)計表Tab.1 Statistics of mean suspended sediment concentration during flood and ebb tides kg·m?3

3.4 懸沙濃度的垂向分布特征

在一個典型的小潮和大潮期間,懸沙濃度和相應(yīng)的鹽度、流速在漲落潮期間的垂向分布形態(tài)和時間變化過程如圖3—6所示.從這些圖可以看出,隨著流速和鹽度的變化,懸沙濃度分布曲線在漲、落潮階段表現(xiàn)出不同的形態(tài)特征,主要有階梯型、L型、斜線型和垂線型4種形態(tài).

小潮漲潮階段懸沙濃度的垂向分布形態(tài)如圖3所示,懸沙濃度在垂向上呈階梯型分布,該類型分布在小潮漲潮18:00最為典型,上部水層的懸沙濃度很低且隨時間變化很小,中層為過渡層,懸沙濃度在該層顯著增大,下部水層的懸沙濃度最高.該類型分布在垂向上存在明顯的濃度拐點(diǎn),其垂向分布形態(tài)與字母“h”相似.從圖3可知,在整個漲潮階段,濃度拐點(diǎn)的位置隨時間不斷變化,在漲潮初期位于0.7 H層,在漲急時上升到0.4 H層,之后又不斷下降.在漲憇時段(21:00),由于流速較小和懸沙下沉,由表層至底層懸沙濃度呈指數(shù)增加,該分布形態(tài)與時鐘[16]在北槽口外觀測到的“指數(shù)型”分布相似.

小潮落潮階段的懸沙濃度分布如圖4所示,主要以L型分布為主,懸沙濃度在垂向上表現(xiàn)出明顯的雙層結(jié)構(gòu),下層懸沙濃度顯著高于上層,懸沙濃度分布在垂向上也存在明顯的濃度拐點(diǎn).受流速增加及再懸浮的影響,從落潮初期至落急時刻,下層懸沙濃度不斷增加,而上層懸沙濃度隨時間變化很小,依然保持著較低水平,接近于背景濃度,懸沙濃度分布在垂向上表現(xiàn)為明顯的雙層結(jié)構(gòu).從圖4可知,濃度拐點(diǎn)的位置隨時間不斷變化,在流速較小的落潮初期,濃度拐點(diǎn)出現(xiàn)在近底床的0.9 H層,之后隨落潮流速增加而快速上升,在落急時刻濃度拐點(diǎn)上升到0.4 H層附近,該變化反映了懸沙在潮流作用下向上的擴(kuò)散過程.在流速最小的落憩時段,懸沙濃度分布仍然表現(xiàn)為L型分布.

圖3 小潮漲潮階段(2013.10.2916:00—21:00)懸沙濃度、鹽度和流速垂向分布圖Fig.3 Vertical profiles of current velocity,salinity and suspended sediment concentration at the flood tide on a neap tide

圖4 小潮落潮階段(2013.10.2922:00—2013.10.304:00)懸沙濃度、鹽度和流速垂向分布圖Fig.4 Vertical profiles of current velocity,salinity and suspended sediment concentration at the ebb tide on a neap tide

在整個小潮期間,絕大多數(shù)的懸沙濃度分布都屬于階梯型和L型分布,二者的出現(xiàn)頻率高達(dá)92%.階梯型和L型分布的共同特點(diǎn)是懸沙濃度分布在垂向上具有明顯的不連續(xù)性,上部水層與下部水層在濃度水平和濃度梯度上都存在顯著差異(見圖3和4).小潮的高濃度懸沙主要出現(xiàn)在0.5 H以下水層,在強(qiáng)鹽度密度分層的影響下,較弱的水動力條件和擴(kuò)散作用使下層高濃度懸沙難以擴(kuò)散到上部水層,這是造成階梯型和L型懸沙濃度分布出現(xiàn)的主要原因.

大潮期間,在漲潮大部分時間里懸沙濃度分布以線性分布為主,由水體表層至底層懸沙濃度呈線性增加(見圖5).線性分布的出現(xiàn)說明在大潮強(qiáng)動力作用下懸沙能夠擴(kuò)散到水體表層,鹽度密度分層對懸沙分布和擴(kuò)散的影響大幅度減弱.在漲潮階段的9:00和11:00,懸沙濃度分布以0.5 H為界表現(xiàn)出明顯的雙層分布(見圖5),上層水體的懸沙濃度低、濃度梯度較大,下層水體的懸沙濃度高、濃度梯度很小.在上層和下層水體中,懸沙濃度分布都表現(xiàn)為明顯的線性分布.另外,鹽度分布在0.5 H處也出現(xiàn)了一定的變化(見圖5),對于這兩個時刻懸沙濃度分布的成因目前尚不太清楚,有待今后進(jìn)一步研究.

圖5 大潮漲潮階段(2013.11.58:00—13:00)懸沙濃度、鹽度和流速垂向分布圖Fig.5 Vertical profiles of current velocity,salinity and suspended sediment concentration at the flood tide on a spring tide

在大潮落潮前3 h內(nèi),除了表層水體外(0.0～0.2 H),由0.2 H至底層懸沙濃度分布整體上表現(xiàn)為斜線形態(tài)或垂線形態(tài),懸沙濃度隨深度趨于增加(見圖6).在落潮后3 h內(nèi),由表層至底層懸沙濃度幾乎保持一致,懸沙濃度分布呈一條垂線(見圖6).斜線型和垂線型分布在大潮期間的出現(xiàn)頻率分別約為50%和30%,前者的濃度梯度大于后者.垂線型分布的濃度梯度接近于零,說明懸沙顆粒在整個水層中充分混合.此外,在落潮后半時段鹽度分布也呈垂線分布(見圖6),鹽度梯度幾乎為零,這進(jìn)一步表明在該時段水體的垂向混合作用很強(qiáng).

垂線型懸沙濃度分布的產(chǎn)生機(jī)理除了跟強(qiáng)烈的懸沙垂向混合作用有關(guān)外,還跟底床上可侵蝕泥沙的數(shù)量不足有關(guān).研究資料表明[17],北槽下部區(qū)域目前正發(fā)生著侵蝕作用,它導(dǎo)致底床上可侵蝕、易懸浮的表層泥沙數(shù)量較少.大潮期間北槽內(nèi)的實測最大流速可達(dá)3.0 m/s[15],在強(qiáng)烈的水動力作用下,底床上的易懸浮泥沙快速懸浮并在水體中充分混合.在落潮中后期底床上可供懸浮的泥沙數(shù)量已經(jīng)很少或消失,由水流與底床摩擦所產(chǎn)生的強(qiáng)紊動能量主要用于懸沙在水體中的擴(kuò)散作用.近幾年來,作者在北槽內(nèi)的底質(zhì)調(diào)查顯示,在研究區(qū)附近采集的底質(zhì)泥沙主要為固結(jié)較好的粘性泥沙,粘性固結(jié)泥沙的出現(xiàn)一方面表明該區(qū)域正在發(fā)生侵蝕,另一方面也說明底床上易懸浮泥沙的數(shù)量較少.

圖6 大潮落潮階段(2013.11.514:00–19:00)懸沙濃度、鹽度和流速垂向分布圖Fig.6 Vertical profiles of current velocity,salinity and suspended sediment concentration at the ebb tide on a spring tide

4 討 論

4.1 流速對懸沙濃度分布的影響

潮流流速是影響河口懸沙濃度分布的重要動力因素.以往研究表明,底質(zhì)泥沙的再懸浮作用和懸沙垂向擴(kuò)散系數(shù)都與流速強(qiáng)度呈正比,流速越強(qiáng),再懸浮強(qiáng)度和懸沙擴(kuò)散系數(shù)就越大,反之二者就越小,同時流速強(qiáng)度也是影響水體分層強(qiáng)度的決定性因素[18].此外,潮流的加速或減速同樣影響著河口懸沙顆粒的絮凝和沉降速度,從而對懸沙濃度分布產(chǎn)生影響[19].因此,流速強(qiáng)度及其時間變化過程對河口懸沙濃度分布有著十分重要的影響.在本次觀測期間,流速具有明顯的大小潮變化,它對大小潮期間懸沙濃度垂向分布存在顯著影響.

從圖3和圖4可知,在小潮的漲落潮過程中,隨著流速的增強(qiáng),近底層懸沙濃度和單位面積水柱內(nèi)含有的泥沙總量都不斷增加,懸沙量這種變化主要是底床泥沙再懸浮的作用結(jié)果.泥沙懸浮以后,在潮動力作用下不斷向上部水層擴(kuò)散,其擴(kuò)散過程十分明顯.比如在落潮初期,濃度拐點(diǎn)處于近底0.9 H附近,到落急時段濃度拐點(diǎn)則上升到0.4 H附近,濃度拐點(diǎn)在水層中的位置變化反映了懸沙在潮流作用下的向上擴(kuò)散過程.由于小潮期間的水動力整體偏弱,鹽度密度分層在整個潮周期內(nèi)始終存在,強(qiáng)密度分層致使小潮懸沙始終無法擴(kuò)散到水體表層,大部分懸沙聚集在水體中下部,這是造成小潮懸沙濃度分布主要呈階梯型和L型分布的重要機(jī)理.

大潮期間的潮流強(qiáng)度顯著增加,水體擴(kuò)散作用隨之增強(qiáng),鹽淡水垂向混合均勻,圖5和6顯示鹽度梯度在潮周期內(nèi)的大部分時間里都很小,鹽度分層作用微弱.因此,大潮期間的強(qiáng)流速顯著削弱了鹽度梯度,使鹽度密度分層對懸沙濃度分布的影響變得很小.泥沙再懸浮通量跟流速的二次方呈正比[18],大潮期間的強(qiáng)流速使底質(zhì)泥沙大量懸浮,造成大潮期間的懸沙濃度顯著高于小潮.強(qiáng)潮流作用下的強(qiáng)烈水體紊動和擴(kuò)散使懸沙顆粒能夠順利的擴(kuò)散到水體表層,懸沙濃度分布表現(xiàn)出很強(qiáng)的連續(xù)性,不像小潮那樣出現(xiàn)明顯濃度拐點(diǎn),濃度梯度沿垂向上變化很小(見圖5和6).在大潮落潮后期,受可懸浮泥沙數(shù)量不足的影響,強(qiáng)烈的擴(kuò)散作用使懸沙顆粒在水體中充分混合,使懸沙濃度分布表現(xiàn)出典型的垂線型分布.總之,大潮強(qiáng)流速引起的強(qiáng)懸沙擴(kuò)散和弱鹽度分層是造成斜線型和垂線型懸沙濃度分布形成的重要動力基礎(chǔ).

簡而言之,潮流強(qiáng)度的顯著大小潮變化使得北槽下部區(qū)域的鹽淡水混合程度、再懸浮作用、懸沙垂向擴(kuò)散強(qiáng)度和懸沙濃度分布形態(tài)等產(chǎn)生顯著的大小潮差異.弱潮流動力是導(dǎo)致小潮期間懸沙濃度低、鹽淡水混合弱、懸沙濃度分布呈階梯型和L型分布的重要原因.強(qiáng)潮流流速是造成大潮鹽淡水混合均勻、懸沙擴(kuò)散作用強(qiáng)、鹽度密度分層對懸沙濃度分布影響微弱,以及懸沙濃度分布主要呈線性分布(包括斜線型和垂線型分布)的主因.

4.2 鹽度梯度對懸沙濃度分布的影響

本研究區(qū)位于北槽下游河道的北側(cè)水域,受鹽水入侵影響顯著.為了分析觀測期間鹽淡水的混合程度,本文對大小潮期間的鹽度分層系數(shù)進(jìn)行了計算.鹽度分層系數(shù)的表達(dá)分別為測點(diǎn)處水體底層和表層鹽度,S為垂線平均鹽度.當(dāng)N ＞1時,水體屬于弱混合型,即高度分層;當(dāng)0.01＜N＜1時,水體屬于緩混合型;N＜0.01時,水體為強(qiáng)混合型.測點(diǎn)處鹽度分層系數(shù)的計算結(jié)果如圖7所示.小潮期間的鹽度分層系數(shù)平均為0.8,水體呈部分混合和弱混合狀態(tài);大潮期間的鹽度分層系數(shù)平均為0.2左右,部分時段水體屬于緩混合型,部分時段屬于強(qiáng)混合型.圖7揭示,在北槽下部區(qū)域鹽淡水混合狀態(tài)存在顯著的大小潮差異,潮流流速的大小潮變化是導(dǎo)致這種差異的主要原因.在世界上的其他一些河口,受到潮流強(qiáng)度的大小潮變化所影響,鹽淡水混合程度同樣也存在著明顯的大小潮差異.大、小潮懸沙濃度垂向分布曲線形態(tài)出現(xiàn)明顯的差異性,與鹽淡水混合程度不同及其產(chǎn)生的水體垂向密度分布密切相關(guān).

小潮期間的鹽度梯度較大,平均值為1.56 psu/m,并且鹽度梯度沿垂向分布不均.鹽度梯度的垂向分布情況對懸沙擴(kuò)散和懸沙濃度分布形態(tài)存在重要影響.從圖3可知,在小潮漲潮期間,從0.6 H層至底床鹽度垂向混合均勻,鹽度梯度接近于零,在該水層里鹽度密度分層對懸沙濃度分布的影響較小.從0.6 H層至水體表層,鹽度梯度顯著增大,懸沙的垂向擴(kuò)散受到強(qiáng)烈抑制,底部的高濃度懸沙難以穿越該層向上部擴(kuò)散.在小潮落潮期間,鹽度梯度的垂向變化情況與漲潮相似,以0.6 H為界,上部水層的鹽度梯度明顯大于下部,受其影響,高濃度懸沙主要集中在0.6 H以下水層,0.6 H以上水層的濃度則很低.總體而言,較大的鹽度梯度對小潮期間懸沙的垂向擴(kuò)散具有很強(qiáng)的抑制作用,鹽度梯度的垂向變化對懸沙濃度分布形態(tài)有重要影響,是造成懸沙濃度分布在小潮期間呈階梯型和L型分布的重要因素.

圖7 小、大潮期間鹽度分層系數(shù)N在潮周期內(nèi)的變化Fig.7 Time series of calculated salinity stratification coefficient N on a neap/spring tide

受大潮期間的強(qiáng)流速所影響,大潮時的鹽度梯度顯著小于小潮,大潮鹽度梯度的平均值僅為0.3 psu/m.鹽度梯度跟水體分層強(qiáng)度成正比[21],鹽度梯度越小,意味著它對懸沙垂向擴(kuò)散的抑制作用越弱.從圖5和6可知,在漲潮階段和落潮前半時段,鹽度梯度都較小且垂向分布均勻,在該條件下懸沙濃度分布在垂向上主要呈斜線分布.在落潮后半時段,鹽度梯度幾乎為零,此時懸沙濃度分布呈垂線型分布.總體而言,大潮期間的鹽度梯度小,由其產(chǎn)生的密度分層弱,鹽度梯度對懸沙垂向擴(kuò)散和懸沙濃度分布形態(tài)的影響很小,并顯著弱于小潮.

4.3 懸沙濃度垂向分布的經(jīng)驗預(yù)測

4.3.1 Rouse公式的大小潮適用性

定量分析和表達(dá)懸沙濃度的垂向分布是河口海岸沉積動力學(xué)面臨的一個重要科學(xué)問題,國內(nèi)外很多學(xué)者對此都非常關(guān)注[16,18].在二維恒定均勻流的情況下,當(dāng)懸沙向下的沉降通量與向上的擴(kuò)散通量相等時,懸沙濃度的垂向分布可用Rouse公式定量表達(dá)[22]:

式中,C為距底床z處的懸沙濃度,Ca為參考懸沙濃度,a為參考距離,h為水深,Z=w/kus定義為泥沙懸浮指標(biāo),k=0.4為Karman常數(shù),us為底床的摩阻流速.

假定懸沙沉降速度沿垂向恒定,對Rouse公式等號兩側(cè)取自然對數(shù),可得:

其中,A=lnCa+Zln[a/(h?a)].在野外環(huán)境下,當(dāng)懸沙濃度分布符合Rouse公式時,lnC與ln[(h?z)/z]將具有很好的線性關(guān)系,二者的相關(guān)系數(shù)會很高,反之相關(guān)系數(shù)會很低.利用在北槽下部的大小潮實測水沙資料,對其進(jìn)行線性回歸分析.結(jié)果顯示,在小潮和大潮的大部分時間里,lnC與ln[(h?z)/z]的線性相關(guān)系數(shù)為0.01～0.58,相對較低,說明這些時段的懸沙濃度垂向分布明顯偏離Rouse分布.僅在小潮的21:00和22:00,擬合的相關(guān)系數(shù)達(dá)到最大,其平均值為0.934,說明這些時段里實測懸沙濃度分布較為符合Rouse分布,這些分布占小潮分布總數(shù)的15%.

4.3.2 Soulsby公式的大小潮適用性

基于對實測資料的分析,Soulsby提出了一個利用表層和底層懸沙濃度來預(yù)測懸沙濃度分布的經(jīng)驗性公式[23],其表達(dá)式如下:其中,Cz為距底床高度為z處的懸沙濃度,Rc為近底懸沙濃度Cb與表層懸沙濃度的比值,h為水深.該表達(dá)式主要適用于懸沙濃度在垂向上呈線性分布的情況.利用本文實測的表底層懸沙濃度和式(3),對大潮期間的懸沙濃度分布進(jìn)行預(yù)測.預(yù)測結(jié)果顯示,在大潮的絕大部分時間里,式(3)計算出的懸沙濃度分布與實測分布非常一致,尤其是在懸沙濃度分布呈斜線和垂線分布時(見圖8),式(3)預(yù)測的懸沙濃度分布與實測分布的相對誤差僅為0.9%.僅在大潮期間的9:00和11:00,式(3)預(yù)測分布與實測分布的誤差相對較大,平均為28.6%,與兩個時段的懸沙分布呈兩段式分布有關(guān).總體來看,Soulsby公式對線性型和垂線型懸沙分布具有非常高的預(yù)測精度.

圖8 Soulsby公式預(yù)測結(jié)果圖Fig.8 Vertical suspended sediment concentrations profiles predicted by the Soulsby equation

5 結(jié) 論

本文基于在長江口北槽下游河道獲得的水文泥沙定點(diǎn)觀測資料,通過對懸沙濃度、鹽度、流速的垂向分布進(jìn)行分析,得到以下認(rèn)識.

在北槽下游河道區(qū)域,大小潮期間的水動力環(huán)境差異顯著,小潮流速弱、鹽淡水混合程度弱、鹽度梯度大且鹽度分層顯著,而大潮期間則有流速強(qiáng)、鹽淡水混合程度高、鹽度梯度很小及鹽度分層微弱的特點(diǎn).水動力環(huán)境的大小潮差異對研究區(qū)域內(nèi)懸沙濃度的大小潮分布特征和變化機(jī)理具有決定性影響.

受弱流速和強(qiáng)鹽度分層的影響,小潮期間的懸沙濃度分布主要表現(xiàn)為階梯型和L型,前者主要出現(xiàn)在漲潮,后者出現(xiàn)在落潮,二者在潮周期內(nèi)的出現(xiàn)頻率大于90%.階梯型和L型分布的共同特點(diǎn)是高濃度懸沙出現(xiàn)在水體中下層,上部水層濃度很低,由于強(qiáng)鹽度密度分層的抑制作用,下部高濃度懸沙難以擴(kuò)散到上部水層,濃度分布曲線上存在明顯的濃度拐點(diǎn).強(qiáng)鹽度分層以及鹽度梯度沿垂向上的分布對小潮懸沙濃度的垂向分布形態(tài)具有很強(qiáng)的影響.

在強(qiáng)流速和弱鹽度分層的影響下,大潮期間的懸沙濃度分布主要為線性分布,包括斜線型分布和垂線型分布,二者的出現(xiàn)頻率為80%.線性分布的特點(diǎn)是懸沙濃度梯度在垂向上保持不變,懸沙在強(qiáng)動力作用下能夠順利地擴(kuò)散到水體表層.垂線型懸沙濃度分布出現(xiàn)在大潮落潮后半時段,該類型分布的出現(xiàn)跟水體的強(qiáng)混合作用以及底床可侵蝕泥沙數(shù)量不足有關(guān).大潮期間,鹽度密度分層對懸沙濃度分布的影響很弱.

對各實測懸沙濃度分布的統(tǒng)計分析表明,小潮和大潮期間lnC與ln[(h?z)/z]的線性關(guān)系較差,絕大多數(shù)的懸沙濃度分布都顯著偏離Rouse分布.根據(jù)Soulsby公式和實測表底層懸沙濃度數(shù)據(jù)對懸沙濃度分布進(jìn)行預(yù)測,結(jié)果表明在大潮期間Soulsby公式的模擬精度很高,與實測分布非常接近.

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(責(zé)任編輯:李萬會)

Vertical distribution patterns of suspended sediment concentration in the North Passage of the Changjiang Estuary

LI Yuan,LI Zhan-hai,ZHANG Zhao,WANG Zhi-gang,YAO Hong-yi
(State Key Laboratory of Estuarine and Coastal Research,East China Normal University,Shanghai 200062,China)

Based on the vertical profile data of current velocity and suspended sediment concentration(SSC)measured in the North Passage of the Changjiang Estuary from 26th October to 9th November in 2013,the vertical distribution patterns of SSC during the neap and spring tides are studied,and the impacts of current velocity and vertical salinity gradient on the SSC profiles are analyzed.The results show that there are remarkable difference in the hydrodynamic condition between the neap tide and spring tide,with weak current velocity,low SSC,large vertical salinity gradient and strong density stratification in the neap tide,and with contrary situation in the spring tide.Affected by large salinitygradient and weak current velocity,the vertical profiles of SSCin the neap tide mainly exhibit two types,i.e.,ladder type and L type. Sediment diffusion in the neap tide was strongly suppressed by the intense salinity-induced stratification,with greater SSC appeared in the lower water column and smaller SSC appeared in the upper water column.Under the influence of strong current velocity and weak stratification,the SSC profiles in the spring tide mainly display linear distribution,and suspended sediment was well mixed in the latter half of the ebb phase,with constant concentration in the whole water column.The low correlations of lnC and ln[h?z/z]reveal that the observed SSC profiles deviate from the Rouse equation significantlyin the survey period.Due to the linear distribution in the water column,most of SSC profiles in the spring tide fit the Souls by equation,and can be accurately predicted by it.

suspended sediment concentration profile;salinity gradient;Rouse equation; Soulsby equation;Changjiang Estuary

TV148

A

10.3969/j.issn.1000-5641.2017.06.011

1000-5641(2017)06-0114-12

2017-02-05

國家重點(diǎn)研發(fā)計劃項目(2016YFA0600904);國家自然科學(xué)基金(51479074,41176069)

李 遠(yuǎn),女,碩士研究生,研究方向為河口海岸泥沙動力學(xué).E-mail:ly910819@126.com.

李占海,男,副教授,研究方向為河口海岸沉積動力學(xué).E-mail:zhli@sklec.ecnu.edu.cn.