长江口门附近海域潮周期内悬沙质量浓度变化及其动力机制探讨＊

刘建华，陈沈良，杨世伦，朱 琴

（华东师范大学 河口海岸学国家重点实验室，上海 200062）

潮流和波浪是影响河口海岸地区悬沙质量浓度变化的主要动力因素。在英格兰东部威尔士海岸发现流速的uz－lnz线性关系涨潮大于落潮［1］。Dufois研究了莱昂湾波浪和潮流作用下底床剪切应力的分布［2］。Soulsby和Van Rijn分别给出了计算浪流联合剪切应力参数化模型［3－4］。曹祖德、孔令双等也对波流联合剪切应力的计算进行了探讨［5－6］。在崇明东滩潮间带进行了近底浪流联合作用下滩面的冲淤演变的研究［7］。有学者在河口潮间带、盐沼等地区进行了大量泥沙动力沉积过程和浪流联合作用的研究［8－12］。

长江河口作为国内高浊度河口之一，泥沙沉降和再悬浮作用显著。许多学者对长江口附近海域的悬沙质量浓度时空特征进行了大量研究［13－16］，Yu和Tian根据悬沙一维模型研究了长江口悬沙沉速和垂向变化［17］。但很少从剪切应力的角度探讨悬沙质量浓度变化的动力机制。研究长江口悬沙质量浓度变化及动力机制与泥沙沉降和再悬浮对近岸底床冲淤演变、港口建设等方面具有重要理论价值和现实意义。我们通过对悬沙质量浓度变化和流、浪动力作用变化的关联分析，探讨近岸和开敞海域潮周期内悬沙质量浓度变化以及泥沙沉降和再悬浮动力机制。

1 研究区概况

长江口是我国的最大河口，具有三级分叉、四口入海的特点。长江口及邻近海域潮汐是不正规半日潮，河口附近平均潮差约2.7m，大潮潮差4m，年平均盐度为5～15［13］，峰值流速可达2m／s［18］。崇明东滩中部和南北两侧的潮流流向有一定差异，中部以旋转流为主，南北两侧以往复流为主。长江口门地区的风向以南南东、北北东为主，多年平均风速为7.2m／s；波浪以风浪为主，常浪向为北东北，频率为17%；其次为东向浪，频率为13%；强浪向为北东北，频率为9%［19］。研究区波浪活动属于中等范围，平均波高约1.0m，冬季的波浪和沉积物悬浮远大于其它季节［20－21］。口门地区存在最大浑浊带，悬沙质量浓度变化范围为0.1～2.0 g／L［13，22］。长江三角洲前缘的大陆架坡度＜1‰［23］。本研究区域位于长江口门北港以北崇明东滩以东海域（图1）。

图1 研究区概况图Fig.1 Sketch map of the study area

2 资料和方法

2010－04－23—25，28—30（测点B和C）和2011－01－13—14，21—22（测点 A）在长江口门附近海域进行定点动力泥沙观测（图1）。使用手持风速风向仪测量风速。利用ADCP（600kHz）进行流速流向观测，Valeport－106测量水体表层流速流向。在整点时刻上下垂向移动OBS－3A获取从表层到近底层（距离底床0.5 m）水体浊度，同时根据6层水深法获取水样，每瓶600mL。利用0.45μm滤纸过滤烘干水样，得出悬沙质量浓度数据，根据浊度－悬沙质量浓度拟合公式计算出整点时刻垂向悬沙质量浓度。利用激光粒度仪测量沉积物样品和水样悬沙粒径。在测点A抛放三脚架，然后安置浪潮仪SBE26plus和OBS－3A。测点B和C的波浪周期数据由佘山岛水文站提供，有效波高数据由风速和周期反演得到。悬沙质量浓度时间变化序列利用克里金方法进行插值。

2.1 剪切应力

2.1.1 临界侵蚀应力

针对研究区底床沉积物主要是细颗粒泥沙的特征，用公式（1）计算底床沉积物的临界侵蚀应力（τcr，N／m2），适用于粘性泥沙（粒径小于20μm）［24］：

式中，β＝0.3；S＝（ρs／ρ）－1；ρs为沉积物颗粒密度，取2 650kg／m3；ρ为海水密度1 028kg／m3；W为含水量。

Van Rijn从沉积动力学原理分析［4］，提出临界侵蚀应力的另一种算法，此公式可以适用于颗粒中值粒径大于20μm的非粘性沉积物临界侵蚀应力的计算：

式中，θcr＝0.14D－0.64＊，D＊为无量纲粒径；d50为中值粒径。

2.1.2 波浪，潮流和浪流联合剪切应力

根据Airy波理论，波长L可用水深表示：

莆田公式中周期、波高和风速的关系：

式中，vo为风速；Tm为平均波周期；hm为平均波高，一般hm＝0.65hs；hs为有效波高。

波浪水质点峰值轨道速度Uw：

式中，Uw，k，h，H，T分别代表波浪水质点峰值轨道速度、波数、水深、波高、波周期。

波浪底床剪切应力：

式中，fws＝B，当Rw≤5×105时B＝2，N＝0.5；当Rw＞5×105时，B＝0.052 1，N＝0.187。

根据流速对数分布公式［4］，对距离底层高度为z的流速uc（z）和高度z的对数进行线性拟合公式（7），得到斜率A。

式中，u＊c＝κA为摩阻流速（m／s）；κ为 Von Karman常数，通常取0.4；z0为水力粗糙度或糙率长度（m）；z为流速剖面距离滩面的高度（m）。

水流的底床剪切应力：

流－浪联合作用下的底床剪切应力使用Soulsby［3］模型表示：

式中，τw表示波浪剪切应力；τc表示潮流剪切应力；τcw表示流－浪联合作用下底床剪切应力。

Van Rijn模型：

2.2 沉降速度

在前人关于长江口悬浮泥沙沉降速度研究的基础上，我们选用适合长江口地区的公式（11）进行计算悬沙沉降速度［13］：

式中，c1＝0.06；c2＝4.6；m1＝0.75；m2＝0.6；U为流速；C为悬沙质量浓度；ω50为单颗粒悬沙中值粒径沉降速度；＝3.8。用斯托克斯公式表达：

式中，υ＝1×10－6m2／s，为运动粘滞系数。

3 结果分析

3.1 水动力特征

3.1.1 潮流特征

3个测点流速变化为0.01～2.26m／s（图2）。测点A处小潮流速为0.01～1.30m／s（图2a），垂向平均流速为0.45m／s，近底平均流速为0.33m／s（图3c）。涨潮表底层均为西南流向，落潮流向较紊乱，但基本为东北向，大潮最大流速达2.20m／s，垂向和近底平均流速均约为小潮2倍（图3c）。涨落潮流向为西南–东北向（图2b）。大小潮表底急流和憩流时刻基本相同。

测点B处最大流速为1.95m／s（图2d），小潮垂向平均流速为0.53m／s，而近底平均流速为0.35m／s。大潮垂向和近底平均流速是小潮的1.6倍。垂向上表底层流速变化一致，在落转涨过程，表层憩流会滞后底层约1h。大小潮涨落流向为西北－东南向。

测点C处小潮平均流速为0.59m／s，表层涨憩滞后底层约1～2h（图2e）。近底平均流速为0.43m／s（图3c）。最大流速2.28m／s出现在中潮，平均流速是小潮的1.4倍。而在中潮的落转涨过程，表层会滞后于底层约3h，在垂向易形成盐水楔。

3个测点流速大潮大于小潮，垂向从表层至底层递减。近岸海域涨落潮为西南－东北流向，开敞海域则为西北－东南流向。

图2 观测点流速流向矢量图Fig.2 Time series of the vectors of the velocity and direction of current at each observation site

图3 测点水动力条件和剪切应力时间变化序列Fig.3 Time－series of the changes in hydrodynamic conditions and shear stresses at each observation site

3.1.2 风和波浪

在测点A风速为0.5～6.4m／s，小潮时为偏东风，平均风速为3.9m／s；大潮则为偏北风，平均风速为2.2m／s（图4a）。测点B小潮最大风速为6.2m／s，平均风速是3.3m／s，风向为偏北风；大潮风速为0～8.2m／s，平均风速为4.9m／s，风向为南风（图4b）。测点C小潮时为东南风，风速为1.3～7.4m／s。中潮时风向从北向变成南向，风速从8m／s减小到1.3m／s再增大到5.8m／s（图4c）。

测点A处有效波高最小值为0.04m，最大值为0.81m，小潮和大潮时平均有效波高均为0.13m，大潮时出现2个峰值（图3a）。测点B处小潮时有效波高约为0.60m，大潮时最大值和最小值相差0.30m。测点C处有效波高平均值为0.88m，小潮时数值大于大潮时数值。总之，风速和有效波高均为开敞海域大于近岸海域。

图4 测点风速风向矢量图Fig.4 Time series of the vectors of wind at each observation site

3.1.3 剪切应力变化特征

小潮观测期间，测点 A处τc最大值（0.410N／m2）远大于最小值（0.002N／m2）（图3d），平均值为0.080 N／m2（表1）。τw范围从0.030～0.250N／m2，平均值0.100N／m2，波浪作用比潮流作用稍强（图3e），τcw平均值为0.130N／m2（表1）。大潮τcw是小潮的2.2倍，而τc和τw平均值分别为0.270和0.050N／m2（表1）。利用Van Rijn模型计算的平均值比Soulsby模型大0.070N／m2（图3f）。

表1 测点剪切应力特征值Table 1 Character values of shear stresses at each observation site

小潮观测期间，测点B处τc最大值为0.62N／m2，平均值小于τcr（表1）。τw最大值是0.11N／m2（表1），尽管该点波浪数据部分缺失，但因为观测期间无大风天气（图4b），水深远大于波高，可以认为观测期间波浪对底床沉积物的作用很小（图3e）。大潮平均τcw为0.31N／m2，是小潮的1.5倍（表1）。Van Rijn模型计算值比Soulsby模型的结果稍大（图3f）。

测点C小潮观测时段，τc最大值和平均值分别为0.67和0.19N／m2，τcw最大值为0.31N／m2，平均值约为最大值的1／3（表1）。中潮时，τc最小值和最大值分别为0.01和0.85N／m2，平均值是τcr的2倍多，τcw的最大值为0.85N／m2（图3f），为平均值的2.6倍。不论小潮还是中潮，τw的最大值是0.002N／m2（图3e），远小于τcr，说明波浪作用极其微弱。Soulsby模型和van Rijn模型的τcw值和趋势基本一致（图3f）。

总之，测点近底层流剪切应力（τc）和流－浪联合剪切应力（τcw）时间上大潮大于小潮，空间上近岸海域小于开敞海域。波浪剪切应力（τw）为近岸海域大于开敞海域。两种流－浪联合剪切应力计算模型的结果差别很小，均可用于计算流－浪联合剪切应力。

3.2 泥沙特征

3.2.1 底床沉积物特征

在测点A底床沉积物中值粒径为7.5μm，含水量为52%，用公式（1）计算出底床临界侵蚀应力（τcr）为0.098N／m2。测点B和测点C的中值粒径分别为178.3和108.5μm，用公式（2）计算出τcr分别为0.153和0.128N／m2（图3f）。

3.2.2 悬沙质量浓度

图5 垂向悬沙质量浓度时间变化序列Fig.5 Time series of vertical changes of suspended sediment concentration（SSC）at each observation site

研究区悬沙质量浓度变化为0.07～1.61g／L（图5）。例如，测点A在小潮时垂向平均悬沙质量浓度为0.12g／L（图5a），大潮比小潮仅大0.05g／L（图5b），表底层垂向变化不明显。测点B在小潮时垂向平均悬沙质量浓度是0.25g／L（图5c），在落转涨过程（14～16h）底层出现极大值，约为表层的3倍。大潮时垂向平均悬沙质量浓度是小潮时的2倍，底层最大悬沙质量浓度约为表层的10倍（图5d）。在测点C小潮时垂向平均悬沙质量浓度和中潮基本一致，约为0.18g／L（图5e和图5f）。潮周期内底层悬沙质量浓度比表层大，大潮大于小潮，测点B悬沙质量浓度大于东西两侧测点A和C。大潮期间，测点B和C处的悬沙沉降速度分比为0.61和0.24mm／s，小潮期间分别为0.42和0.08mm／s。所以说悬沙沉降速度是大潮大于小潮，测点B大于测点C。

4 讨 论

4.1 潮流在流－浪联合作用中的优势地位

Simons和MacIver在实验室中测量出底部剪切应力，τcw的范围从0.2～3.2N／m2，同时发现底摩擦的损耗对浪流相互作用有显著的影响［10，25－26］。Lou计算了澳大利亚克利夫兰湾海域浪流联合作用下底部剪切应力，流底部剪切应力范围从0.04～0.56N／m2，但最大τcw范围0.4～5.6N／m2［27］。3个测点的τcw计算结果为0.004～0.850N／m2，大部分在Simons和Lou计算结果范围内，最大值较小的可能原因是长江口属于中等潮差河口，潮流作用较强，但波浪作用可能比克利夫兰湾海域小。由表2知，3个测点的浪剪切应力比流剪切应力小，τc与τcw的比值最小为0.81，最大为0.95，自近岸海域向开敞海域逐渐增大。说明τc在τcw的计算中贡献比例大，流－浪联合作用的变化趋势主要是受到了潮流作用的影响。因此，在海况较好的情况下，流作用在底床沉积物起动和悬沙质量浓度时空变化过程中起着决定性的作用。在波浪数据不完整的情况下，可用τc替代τcw讨论悬沙沉降和底床沉积物再悬浮过程。

表2 平均流致剪切应力的贡献率Table 2 Contribution rate of the average current－induced shear stress at each observation site

研究区海流的性质包括很多方面，例如潮流，径流，沿岸流，风海流，密度流等。在计算τc的过程中，发现有1～2个数量级的波动，而在除潮流之外的海流中一般不会出现这么大的波动，因此可以认为研究区的水流动力主要受到潮流控制，潮流作用在τc中贡献最大。

4.2 泥沙沉降和再悬浮

有学者认为底床表层沉积物临界侵蚀应力为0.016～0.150N／m2［2］，3个测点τcr的计算结果与之相比基本吻合。小潮观测期间，测点A处τc小于τcr的出现频率为71%，潮流作用较弱，底床表层沉积物无法被起动。大潮时，τc大于τcr的时段占75%，潮流作用强烈，底床泥沙在潮流作用下易起动再悬浮（图3d）。测点B小潮观测期间，τc小于τcr的出现频率为55%，潮流无法起动底床表层沉积物再悬浮（图3d）。大潮时，τc大于τcr的时间段占81%，同样说明大潮泥沙再悬浮作用比较强烈。但在时间上，比测点A多6%，可推测潮流对底床沉积物的作用比测点A强烈。测点C小潮时，τc大于τcr占观测时段的61%。大潮有68%的时间τc大于τcr（图3d）。

长江口门附近海域悬沙变化主要受潮流控制。测点A小潮10～14h时段，0.8H和底层的悬沙质量浓度相差微小，同时τc均大于0.1N／m2，潮流作用使底床泥沙再悬浮近底泥沙混合所致（图6a）。随着τc变小，泥沙沉降，但悬沙质量浓度反而升高，主要是受到异地平流作用影响，τc和悬沙质量浓度的变化趋势属于Ⅱ型（τc和悬沙质量浓度变化趋势不一致）。大潮5～6h时段，随着τc减小至0.03N／m2（低于τcr），泥沙沉降，0.8H和近底悬沙质量浓度均降低；在8～9h时段随着再次τc增大至大于τcr值，底床沉积物再悬浮作用明显，τc和悬沙质量浓度的变化趋势属于Ⅰ型（τc和悬沙质量浓度变化趋势一致）（图6b）。

测点B小潮7～8h时段，τc减小，而悬沙质量浓度基本保持不变，说明平流作用在此时段发生作用，τc和悬沙质量浓度的变化趋势属于Ⅱ型（图6c）。大潮时，泥沙再悬浮作用显著（4～6h；16～17h），在21h时τc减小，泥沙沉降，悬沙质量浓度变小，τc和悬沙质量浓度的变化趋势属于Ⅰ型（图6d）。测点C小潮时，泥沙沉降和再悬浮较明显（11～13h），而在19～21h落转涨过程，悬沙质量浓度由0.21g／L降至0.11g／L（图6d）。原因除τc小于τcr外，涨潮时来自外海的低浓度水团平流经过此处所致。中潮憩流时（图2f），τc小于τcr（4h），泥沙沉降，0.8H 和底层悬沙质量浓度均降低（图6f）。而τc变大时段（10～11h），底层泥沙再悬浮，0.8H层悬沙质量浓度升高。11h之后尽管τc较大，但悬沙质量浓度并未升高，和小潮涨潮过程有相似的原因。

总之，τc大于τcr的时间占60%，而小于τcr的时间约占40%，说明潮流剪切应力明显作用于底床沉积物。测点A小潮τw的平均值稍大于τcr，可以扰动底床表层沉积物，而大潮平均值为小潮1／2，不足以起动底床表层沉积物。测点B和C的τw平均值均小于τcr，无法单独起动底床沉积物。因此，研究区域底床沉积物受潮流作用显著；近岸海域波浪作用可扰动底床沉积物，促进再悬浮过程，而开敞海域波浪作用微乎其微。

图6 潮流剪切应力与悬沙质量浓度时间变化序列Fig.6 Time series of the changes in tidal current shear stress and SSC at each observation site

4.3 悬沙质量浓度变化动力机制中平流作用的影响

通过对3个测点表层、中层、底层和垂向平均悬沙质量浓度与τc之间进行相关性分析，发现不论近岸海域还是开敞海域，上述4个悬沙质量浓度系列和τc的相关系数均很小，相关性不显著。表明水体悬沙质量浓度的变化虽然受到浪－流剪切应力的影响但程度不深。除了局地水动力条件引起的底床剪切应力能够对悬沙质量浓度变化产生影响之外，平流作用在悬沙质量浓度的变化中起到重要作用［28－29］。因此，可推断，在本研究区域内平流作用在泥沙沉降和再悬浮过程，以及垂向悬沙质量浓度变化中具有主导地位。

5 结 语

正常风况条件下长江口门附近海域的水动力主要受潮流控制。潮周期内的流－浪联合剪切应力既有大于底床沉积物临界侵蚀剪切应力（τcr）的时段（约60%），也有小于τcr的时段（40%），说明研究区底床和水体之间存在频繁的泥沙交换过程。但是，每小时观测到的剪切应力与悬沙质量浓度之间的统计相关性不显著，说明基于每小时观测的研究区域悬沙质量浓度变化主要反映平流作用而不是局地动力条件变化引起的泥沙沉降－再悬浮过程的影响。

致谢：参加野外观测的还有张文祥高工和史本伟、罗向欣、何海丰等研究生。

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