现代黄河三角洲沉积物临界剪切应力研究

郑杰文，贾永刚，刘晓磊*，刘保华，付腾飞，张丽萍

（1.国家海洋局第一海洋研究所海洋沉积与环境地质国家海洋局重点实验室，山东青岛 266061；2.中国海洋大学海洋环境与生态教育部重点实验室，山东青岛 266003；3.国家深海基地管理中心，山东青岛 266061）

现代黄河三角洲沉积物临界剪切应力研究

郑杰文1，2，贾永刚2，刘晓磊2*，刘保华3，付腾飞1，张丽萍2

（1.国家海洋局第一海洋研究所海洋沉积与环境地质国家海洋局重点实验室，山东青岛 266061；2.中国海洋大学海洋环境与生态教育部重点实验室，山东青岛 266003；3.国家深海基地管理中心，山东青岛 266061）

为研究现代黄河三角洲沉积物临界剪切应力空间分布特征及其影响要素，本文在现代黄河三角洲不同沉积区域，垂直海岸线布设测线，采用黏结力仪进行沉积物临界剪切应力测试，并在相应测点开展沉积物物理力学性质与粒度成分测量工作。研究结果表明高潮滩沉积物临界剪切应力最高，在1.1～4.02 Pa之间，沉积物不易发生侵蚀，含水量低、干容重大、黏粒与粉粒含量高、平均粒径小、不排水剪切强度大是高潮滩沉积物临界剪切应力偏高的重要因素；中潮滩沉积物受生物活动影响显著，临界剪切应力在0.10～1.90 Pa之间，生物活动扰动、生物排泄及遗体遗迹的程度与数量是造成不同区域测试差异的重要原因；低潮滩沉积物临界剪切应力很低，在0.08～0.80 Pa之间，沉积物极易发生侵蚀，含水量高、干容重偏低、砂砾含量高、平均粒径大、不排水剪切强度小是其典型的沉积物物理力学性质，也是造成低潮滩沉积物临界剪切应力普遍低于高潮滩的重要原因；现代黄河三角洲沉积物临界剪切应力区域特征表现为北部沉积物临界剪切应力水平最低，在0.11～0.4 Pa之间，东部最高，在2.8～4.55 Pa之间，南部与东北部居中，分别在0.63～0.84 Pa与0.83～2.99 Pa之间，东北部空间非均匀性分布显著，粒度组分的分异是导致沉积物临界剪切应力区域差异显著的重要因素，黏粒含量高的沉积区域沉积物临界剪切应力普遍高于砂砾含量高的沉积区；与世界其他大型河口三角洲相比，现代黄河三角洲沉积物临界剪切应力水平偏低但非均匀程度较高。

临界剪切应力；沉积物；黏结力仪；河口三角洲；侵蚀

1 引言

现代黄河三角洲与世界很多河口三角洲普遍面临着严重的侵蚀问题［1］。沉积物侵蚀过程的发生，一方面与海洋动力作用密切相关，另一方面，也取决于沉积物类型、性质、粒度成分等自身属性特征因素［2］。在泥沙动力过程研究中，沉积物临界剪切应力被视为表征沉积物抗侵蚀性大小的一个重要指标。在未达到侵蚀发生阈值范围内，临界剪切应力越大，沉积物抗侵蚀性越高，沉积物越不易发生侵蚀。理论上，当波浪、流产生的剪切力大于沉积物临界剪切应力时，判断沉积物侵蚀发生［3］。

对于沉积物临界剪切应力的确定，主要通过直接测量与间接计算两种方法实现。直接测量装置主要有直冲式冲刷水槽［4］、循环水槽［5］、声学多普勒速度计［6］与黏结力仪［7］。间接测量是通过获取沉积物粒度组成、物理力学性质参数，采用经验公式进行临界剪切应力计算［8—13］。由于沉积物区域差异的存在，导致建立的很多临界剪切应力计算公式具有不同程度的局限性。与之相比，临界剪切应力的直接测量具有更普遍的应用性。影响沉积物临界剪切应力的地质因素有沉积物粒度组分、容重、含水量、液塑限、孔隙比、黏聚力、内聚力等［14—15］。不同沉积物临界剪切应力的显著影响因素与影响程度存在差异，这也是导致临界剪切应力计算方法存在局限性的重要原因。

在现代黄河三角洲海域，沉积物侵蚀的发生表现为独特的非均匀分布特征，不同沉积区域、相同沉积区域的不同空间位置均存在不同的侵蚀过程、侵蚀程度与侵蚀地貌［16］。沉积物临界剪切应力的分布特征与规律的研究对于现代黄河三角洲侵蚀地质灾害发生机制与预测均具有重要意义。

基于此，本文研究工作采用英国Partrac公司生产的黏结力仪对现代黄河三角洲不同沉积年代、不同沉积区域的沉积物临界剪切应力进行了贯穿高潮滩、中潮滩与低潮滩的垂直海岸线的直接测量，并同时进行了沉积物物理力学性质与粒度成分特征的测试。研究了现代黄河三角洲沉积物临界剪切应力的空间分布特征及其重要影响因素；对采用黏结力仪测量沉积物临界剪切应力与理论计算方法间的差异性进行了对比分析；并与世界其他河口三角洲沉积物临界剪切应力进行了比较，探讨了现代黄河三角洲沉积物临界剪切应力的世界水平和非均匀分布特征。

2 研究区概况

现代黄河三角洲位于渤海湾南岸，莱州湾西岸，地处36°55′～38°16′N，117°31′～119°18′E之间，中国第二大油田东营胜利油田即位于此。1855年，黄河决堤于河南省铜瓦厢，夺大清河道，北入利津铁门，黄河入海口由黄海迁徙至渤海，经过150多年的发展，形成了以宁海为顶点，西北方位至挑河河口，东南延伸至小清河河口，向东延伸入海的现代黄河三角洲扇形冲积体，如图1所示。

黄河尾闾改道频繁，至今，决口改道50余次，其中较大改道10次，主要形成10个沉积叶瓣。现代黄河三角洲不同时期河道流路位置分别为：（1）1855－1889年河道，（2）1889－1897年河道，（3）1897－1904年河道，（4）1904－1929年河道，（5）1929－1934年河道，（6）1934－1938年与1947－1964年河道，（7）1964－1976年河道，（8）1976－1996年河道（图1）。

图1 现代黄河三角洲测点分布Fig.1 Distribution of stations in the modern Yellow River Delta

3 现场测试

3.1 测点布设

沿现代黄河三角洲海岸线，在不同沉积区域，确定8个研究区（图1），分别为S1、S2、S3、S4、S5、S6、S7、S8。在研究区S2、S3、S5、S6、S8进行垂直岸线方向的沉积物临界剪切应力测试。其中，研究区S8确定2条测线，高、中、低潮滩均分别布设2、2、3个测点；研究区S2、S3、S5、S6，布设1条测线，其中，研究区S2，高、中、低潮滩分别布设1、2、3个测点；研究区S3，高、中、低潮滩分别布设3个测点；研究区S5，高、中、低潮滩分别布设1、2、2个测点；研究区S6高、中、低潮滩分别布设2、1、2个测点；研究区S1、S4与S7潮滩沉积物承载强度太低，测试工作只在近岸区进行测点站位测试。

3.2 沉积物临界剪切应力测试

测试临界剪切应力的黏结力仪（CSM）产自英国Partrac公司。原理是通过气压驱使仪器内水流动产生具有逐渐增强的喷射水流，水流产生的剪应力作用于土体表面使沉积物发生侵蚀再悬浮。

试验过程中，首先将实验舱插进土层到2 cm深度后，用细针管向实验舱内缓慢注入蒸馏水；然后启动仪器，释放气压，排除管内空气；最后调节试验模式，本测试工作选择试验模式（见表1），开始试验。试验过程中，仪器自动记录测试时间、喷射强度及透光率，当透光率基本不变时，停止测试。仪器停止后，利用内部气压冲洗实验舱，并释放剩余气体，最后关闭仪器。仪器停止后，利用内部气压冲洗实验舱，并释放剩余气体。

表1 现代黄河三角洲沉积物临界剪切应力试验模式参数Tab.1 Test parameters of critical shear stress for sediments in the modern Yellow River Delta

3.3数据处理

剪应力作用于海床沉积物表面，沉积物悬浮使舱内透光率T产生变化，从而得到实验舱内悬浮物浓度C（g／L）的变化。透光率与悬浮物浓度关系式如下式所示，

冲刷水流产生的剪切应力计算公式为：式中，P为喷射强度（单位：kPa），τ为水流产生的剪切应力（单位：Pa）。

按照式（1）和式（2）将喷射水流强度与透射率分别换算为水平剪切力与悬浮泥沙浓度，建立悬浮泥沙浓度随水平剪切力的变化曲线。随喷射强度的增加，透射率逐渐降低，当透射率降低90%时对应的喷射强度为临界喷射强度［17］。在现代黄河三角洲采用黏结力仪测试沉积物临界剪切应力过程中，当投射率降低90%时对应的悬浮泥沙浓度为1 kg／m3，因此，在测试得到的剪切力与悬浮泥沙浓度关系曲线上（图2），悬浮泥沙浓度1 kg／m3对应的剪切力为临界剪切应力。

图2 黏结力仪测试得到的剪切应力与悬浮泥沙浓度的关系曲线（部分测点）Fig.2 Variations of suspended sediment concentration with critical shear stress measured by Cohesive Strength Meter（some of test points）

3.4 沉积物物理力学性质与粒度成分测试

在每个黏结力仪测试点，现场分别用电子天平及烘箱测试沉积物容重及含水量，贯入强度采用中国沈阳自动化仪表研究所制造的电子数显微型贯入仪测试，剪切强度使用的是中国沈阳建科仪器研究所生产的袖珍十字板剪力仪，采用筛分与密度计联合试验法进行粒度分析。

沉积物干密度、孔隙比与饱和度分别采用式（3）、（4）与（5）计算得到。

干密度计算公式：

式中，ρd为干密度（单位：g／cm3）；ρ为天然密度（单位：g／cm3）；w为天然含水量百分量。

孔隙比计算公式：

式中，e为孔隙比；ρs为土粒密度，本文黄河口粉质土沉积物经验值为2.71 g／cm3。

饱和度计算公式：

式中，Sr为饱和度；ρw为孔隙流体密度，本文取海水密度1.025 g／cm3。

4 数据分析与讨论

4.1 沉积物临界剪切应力垂直岸线分布特征

潮间带不同分区（低潮滩、高潮滩与中潮滩）由于所处空间位置的不同，导致其经历的潮汐、波浪作用与海水覆盖的时间不同。不同的海洋动力作用下，底床沉积物动力响应存在明显差异［18］，长期差异动力作用过程将导致潮间带海域沉积物物理力学性质及粒度成分特征垂直岸线方向表现出独特的非均匀分布特征，进而导致沉积物临界剪切应力在低潮滩、高潮滩与中潮滩存在明显差异。

低潮滩发育有大量沙波，大致平行于海岸线方向，有少量生物洞穴存在。中潮滩生物活动普遍存在，其中，丰富发育的底栖生物种类有托氏昌螺、四角蛤蜊、光滑河蓝蛤、剖刀鸭嘴蛤、日本大眼蟹、麂眼螺、泥螺［18］。底栖动物群落及其底栖效应对于河口潮滩独特沉积特性形成、演变及稳定具有重要作用。生物扰动以及生物排泄物等使得沉积物发生物理和化学变化，对于潮滩地貌形态及沉积物颗粒物理化学胶结特征均能够产生重要影响作用。在黄河三角洲不同沉积区域的中潮滩，不同种类底栖生物密度不同且呈非均匀分布，对不同粒度组成的沉积物的影响程度不同，导致不同沉积区域中潮滩沉积物临界剪切应力存在差异。

高潮滩密实度较高，普遍处于硬塑状态，含水量偏低。基于测试数据可以发现，潮间带沉积物湿容重差别不大，一般在18.7～19.5 k N／m3变化，高潮滩沉积物干容重普遍高于中潮滩与低潮滩，孔隙比偏低，表层剪切强度与贯入强度普遍偏高。就粒度成分而言，与其他河口海域沉积物向陆细化的规律一致［19－20］，高潮滩沉积物粒度成分偏细，砂粒含量普遍明显少于低潮滩，黏粒含量略高，中潮滩由于不同研究区生物活动的影响存在差异，所以从粒度成分上没有呈现普遍一致的分布规律。传统沉积动力过程的研究认为，沉积物向海方向粒度变粗是由于海洋动力作用向岸方向变弱，粗颗粒沉积于动力作用活跃的低潮滩，细颗粒沉积于海洋动力作用弱的高潮滩［21］。另一种观点认为低潮滩沉积物的粗化现象与波浪破碎有关［22］，在波浪破碎带，波浪破碎，能量大幅度耗散，从而使粗颗粒泥沙大量沉积，导致低潮滩粒度成分偏粗。沉积物波浪动力响应过程研究表明海底沉积物在波浪动力循环荷载作用下，内部孔隙水压力会发生累积，从而导致海床内部产生自下向上的渗流梯度力，在渗流梯度力驱动下，充填于大颗粒骨架之间的细粒组分沿渗流通道向海床表面输运，输运至海床表面的细粒组分在海流冲刷作用下输运至异地，导致原始海床发生粗化［23］。

纵观现代黄河三角洲5个研究区6条测线沉积物临界剪切应力分布特征可以发现，高潮滩沉积物临界剪切应力普遍高于低潮滩；中潮滩在生物活动影响较大的研究区，沉积物临界剪切应力偏低，如研究区S2与S5，而在生物活动影响较小的研究区，沉积物临界剪切应力偏高，如研究区S8与S6，但极少高于高潮滩沉积物的临界剪切应力（见图3）。沉积物干容重、含水量与孔隙比是影响临界剪切应力的显著物理因素［14］，沉积物粒度组分是决定沉积物黏聚力、内聚力与内摩擦力的重要物质因素，也在很大程度上对临界剪切应力产生影响［16］，沉积物剪切强度与贯入强度等宏观力学指标在一定程度上能够反映其临界剪切应力的大小。现代黄河三角洲高潮滩沉积物临界剪切应力普遍高于低潮滩的重要影响因素是其显著偏低的含水量、孔隙比与平均粒径以及显著偏高的砂砾含量，干容重、粉粒含量、黏粒含量、剪切强度对其影响程度则相对次之。现代黄河三角洲中潮滩沉积物临界剪切应力的分布特征与Andersen等欧洲大西洋海岸的现场调查结果一致，其认为生物活动与生物排泄物等影响了表层沉积物的物理性质进而影响其动力过程［24］。

图3 不同研究区沉积物临界剪切应力垂直海岸线分布Fig.3 Distribution of sediment critical shear stress perpendicular to the coastline in the different study sites

低潮滩海洋动力作用较活跃，而沉积物临界剪切应力偏低，现代黄河三角洲海域为0.08～0.80 Pa；高潮滩海域海洋动力作用较弱，沉积物临界剪切应力偏高，现代黄河三角洲海域为1.1～4.02 Pa，因此，低潮滩侵蚀过程显著。在现代黄河三角洲海域中潮滩侵蚀特征受生物活动控制显著，临界剪切应力为0.10～1.90 Pa，现代黄河三角洲不同海区中潮滩沉积物侵蚀特征差异较大。基于上述潮间带沉积物临界剪切应力垂直海岸线分布特征可以看出，现代黄河三角洲沉积物侵蚀发生的难易程度由低潮滩向高潮滩普遍存在两种变化模式，一种是沉积物抗侵蚀能力逐渐变强（如研究区S8与S3），一种是沉积物抗侵蚀能力先降低后升高（如研究区S2与S5）。

4.2 沉积物临界剪切应力区域分布特征

现代黄河三角洲低潮滩沉积物湿容重均在19.1～20.1 k N／m3范围内变化，差异较小；干容重在14.5～15.8 k N／m3范围内变化，位于三角洲北部的裕支沟研究区S1，位于三角洲东部的新滩研究区S4，与位于三角洲东北部的桩106研究区S7沉积物干容重偏大；含水量在26.6%～33.0%范围内变化，饱和度均在90%以上，其中研究区S1沉积物含水量最低，位于三角洲东北部桩292附近的研究区S8含水量最高；表层沉积物孔隙比在0.72～0.90范围内变化，研究区S1与S4孔隙比最低，研究区S8最高；表层沉积物剪切强度在3.9～14.2 kPa范围内变化，贯入强度在0.5～2.8 N范围内变化，其中，位于三角洲北部的车子沟流路入海口附近的研究区S2，与位于三角洲东部的孤东海域的研究区S6，沉积物剪切强度与贯入强度均非常低。就粒度成分而言，现代黄河三角洲低潮滩沉积物砂粒（2～0.075 mm）含量在2.0%～44.3%范围内变化，粉粒（0.075～0.005 mm）含量在48.2%～75.9%范围内变化，黏粒（小于0.005 mm）含量在1.0%～37.4%范围内变化，平均粒径在8～54μm范围内变化。

就沉积物临界剪切应力平均水平而言，现代黄河三角洲表层沉积物临界剪切应力在0.11～3.45 Pa范围内变化（见图4）。不同沉积区潮滩沉积物抗侵蚀能力差别较大，其中，现代黄河三角洲北部裕支沟（S1）与车子沟（S2）表层潮滩沉积物临界剪切应力最低，沉积物极易被侵蚀，现场调查研究表明在车子沟开敞海域海岸线蚀退速率高达56.6 cm／d［25］。其次，位于现代黄河三角洲南部的海红港海域（研究区S8），位于三角洲北部的飞雁滩（研究区S3），位于三角洲东部的孤东海域（研究区S6）以及三角洲东北部桩292（研究区S8），沉积物临界剪切应力平均水平较低。已有研究表明，海红港（研究区S4）附近海域由于近年来来沙量的大量减少，处于轻微侵蚀阶段［26］，原位于陆地的飞雁滩油田现在高潮时有70%的油井被淹，沦为海上油田［27］，2002年孤东北大堤水深已经超过2 m［27］，研究区域的侵蚀状况与沉积物临界剪切应力水平密切相关。

图4 现代黄河三角洲沉积物临界剪切应力柱状分布图Fig.4 Histogram distribution diagram of critical shear stress of sediments in the modern Yellow River Delta

相比较而言，位于现代黄河三角洲东部的新滩（研究区S4）与位于三角洲东北部的桩106（研究区S7），沉积物临界剪切应力很高，沉积物不易发生侵蚀，加之黄河来沙量的大量补给，泥沙收支供大于输，导致目前整体处于侵蚀阶段的现代黄河三角洲在清水沟与清八叉向海推进，处于淤积阶段［28］；桩106附近的海域1985－2004年的严重侵蚀状况逐渐变缓，局部地区发生淤积［29］。

从图4中还可以看出不同研究区沉积物临界剪切应力的非均匀程度差别显著，在相同研究区临界剪切应力最高值可达到最低值的1.63～50.25倍。新滩附近海域的研究区S1沉积物差别最小，飞雁滩附近海域的研究区S3差别最大，由此也可以看出现代黄河三角洲不同沉积区域的潮间带沉积物侵蚀特征非均匀程度差别也是比较大的。Keller等通过现场钻孔取样分析也发现现代黄河三角洲不同沉积区域沉积物物理性质存在差异［30］。Meng等于2008年采用循环水槽在现代黄河三角洲不同研究区潮间带上进行的临界剪切应力测试表明其值在0.088～0.254 Pa范围变化［31］。在其研究工作中同样发现现代黄河三角洲不同沉积区域的沉积物临界剪切应力的空间分布差异，然而，由于循环水槽测试工作需要的时间周期较长，测试点非常少，多数研究区仅为1个测试点，测点距离也很小，未体现出同一沉积区域侵蚀特征的非均匀空间分布。许国辉等在现代黄河三角洲大王北、刁口、新滩与广利港4个位置的中潮滩进行的长宽各200 m、深0.5 m范围内的沉积物贯入强度的测试也表明浅表地层土体强度在平面上与深度剖面上普遍存在着小尺度上的不均匀性，具有强弱变化的韵律特征［32］。

4.3 沉积物临界剪切应力影响要素分析

沉积物临界剪切应力是表征沉积物抗侵蚀能力的一个重要指标，是沉积物抵抗外界剪切力的典型临界阈值，由沉积物物理力学性质与成分组成共同控制。不同沉积物属性参数对其影响程度不同。本文基于现代黄河三角洲不同沉积区域潮滩沉积物临界剪切应力的现场测量数据与对应测点沉积物物理力学性质指标的测量数据，分别建立了沉积物湿容重、干容重、含水量、孔隙比、饱和度、剪切强度、贯入强度、砂粒含量、粉粒含量、黏粒含量，以及平均粒径间的统计回归分析。

如图5所示，沉积物临界剪切应力与含水量、孔隙比、剪切强度、砂粒含量、粉粒含量、黏粒含量，以及平均粒径间的相关性相对良好，相关系数均在0.5以上。其中，与干容重、剪切强度、贯入强度、粉粒含量、黏粒含量呈线性正相关关系；与含水量、饱和度、砂粒含量、平均粒径呈负线性相关关系；与孔隙比呈幂函数相关关系。以上沉积物参数与其临界剪切应力的统计关系表明具有高干容重、高剪切强度、高粉粒含量、高黏粒含量的现代黄河三角洲沉积物，具有较高的临界剪切应力，而具有高含水量、高砂粒含量、大平均粒径的现代黄河三角洲沉积物，则具有较低的临界剪切应力。从而解释了现代黄河三角洲高潮滩沉积物临界剪切应力普遍高于低潮滩沉积物临界剪切应力垂直岸线的分布特征。沉积物湿容重、饱和度、贯入强度与临界剪切应力之间的统计关系较差，离散性高，对沉积物临界剪切应力的影响趋势不明显。

图5 现代黄河三角洲沉积物临界剪切应力与其物理力学性质及粒度组成参数相关分析统计图Fig.5 Correlation analysis of sediment critical shear with parameters of physical and mechanical properties and particle compositions of sediments in the modern Yellow River Delta

现代黄河三角洲含水量与沉积物临界剪切应力相关系数最高，是影响沉积物临界剪切应力的显著要素。沉积物含水量的增加直接导致沉积物颗粒间的摩擦力与黏聚力降低，进而降低沉积物临界剪切应力。Aberle等研究发现同一类型沉积物含水量高，沉积物干容重则偏低，沉积物易发生侵蚀，与本文研究结果一致［14］。孔隙比作为表征沉积物颗粒排列结构的宏观参数，同样是影响沉积物临界剪切应力的重要物理参数。Stevens等在意大利Adriatic海西部海滩的调查研究表明冬季潮滩沉积物孔隙比与沉积物侵蚀量呈良好负线性相关性，表明沉积物孔隙度越高沉积物越不易侵蚀［33］。本文冬季在现代黄河三角洲的现场调查研究表明冬季潮滩沉积物临界剪切应力与孔隙比呈较好的幂函数关系，同样表明沉积物孔隙度越高沉积物越不易发生侵蚀。剪切强度与临界剪切应力均是表征沉积物抵抗外力的力学指标，Watt等落锤试验测试得到沉积物不排水剪切强度与沉积物临界剪切应力线性正相关函数回归相关系数达到0.81［13］，文本微型剪切仪测试得到的不排水剪切强度与沉积物临界剪切应力的正相关线性回归相关系数也达到0.51以上。沉积物粒度组分不仅影响沉积物容重、含水量、孔隙比等物理性质，对沉积物剪切强度、临界剪切应力等力学性质同样具有重要影响。Salehi和Strom在美国圣哈辛托河口细粒沉积物潮滩开展的研究表明沉积物平均粒径与临界剪切应力呈反比［34］；Zheng等在现代黄河三角洲北部潮滩两个不同区域开展的物理模型试验中同样发现沉积物临界剪切应力随平均粒径的变大而降低［35］。而从临界剪切应力与沉积物不同粒组含量的统计关系中发现其随粉粒含量与黏粒含量的增加均呈现出增长趋势，只随沉积物砂粒含量的增加而表现为降低趋势，而平均粒径测试值均在粉粒粒径范围内，由此可以推测对于现代黄河三角洲沉积物细粒土而言，粉粒与黏粒含量对沉积物临界剪切应力具有控制作用。

4.4 临界剪切应力直接测量与理论计算对比分析

20世纪60年代，河道沉积物起动问题已经被关注，基于沉积物容重、粒度、水深等参数建立临界起动流速的计算方法，如唐存本建立的式（6）［8］、杨美卿和王桂玲建立的式（7）［9］、李华国等建立的式（8）［10］；近几年基于测试手段的发展，海洋学家则基于实验室与现场临界剪切应力与沉积物物理力学指标的同步测量，建立了多种临界剪切应力经验公式，如Dickhudt等建立的式（9）［11］、Winterwerp等建立的式（10）［12］、Watts等建立的式（11）［13］。

式中，Vc为临界起动流速（单位：cm／s）；ρs为土粒密度（单位：g／cm3）；ρ为流体密度（单位：g／cm3）；g为重力加速度（单位：N／kg）；γd为干容重（单位：k N／m3）；γdc为稳定干容重（单位：k N／m3）；h为水深（单位：m）；d为平均粒径（单位：mm）；c为黏结力系数；m为常数因子。

式中，ks为床面粗糙高度；κ为卡门常数；θm为常数因子；其他参数同式（6）。

式中，各项参数同式（7）。

式中，τcr为临界剪切应力（单位：Pa）；φsm为沉积物固结因子；a、m、n为常数因子。

式中，PI为塑性指数；a、n为常数因子。

式中，τf为不排水剪切强度（单位：kPa）；m、n为常数因子，本文计算中分别取值0、0.12。

本文基于现代黄河三角洲已有沉积物物理力学性质与临界剪切应力的现场同步测量参数，采用式（6）、式（7）、式（8）、式（11）对现代黄河三角洲沉积物临界剪切应力分别进行了计算，按照式（6）、式（7）、式（8）计算得到的临界起动流速，采用式（12）、式（13）和式（14）进行临界剪切应力换算。并将计算得到的临界剪切应力与采用黏结力仪现场测量的沉积物临界剪切应力进行了对比分析，如图6所示。

式中，u是距海床y（本文y＝20 mm）处的冲刷水流流速（单位：cm／s）；u*为摩阻流速（单位：cm／s）；v为运动黏滞系数，本文取值为10－6m2／s。其中，黏结力仪的测试流速u由其可以进行记录存储的喷射强度P（见表1）依据式（13）进行计算；临界剪切应力依据式（14）代入由式（12）计算得到的临界摩阻流速以及冲刷海水密度计算得到沉积物临界剪切应力。式中，P为黏结力仪水流喷射强度（单位：kPa）；M为黏结力仪试验仓内水体质量（单位：kg）。

图6 现代黄河三角洲潮滩不同测点沉积物临界剪切应力现场测试与计算值Fig.6 Comparison between measured data and calculated data of the critical shear stress of sediments in the modern Yellow River delta

基于沉积物物理性质与粒径特征建立的沉积物临界剪切应力计算模型能够描述某一种类型沉积物临界剪切应力与其物理特征参量之间的定量关系，但由于其理论计算模型是基于模型砂等理想土质条件进行构建，在进行现场沉积物临界剪切应力的计算中也存在不同程度的局限性。而基于现场测量建立的经验公式，由于存在沉积物沉积特征差异，也很难建立普遍应用于任何研究区的确定方法。本文对比现代黄河三角洲不同沉积区域潮滩沉积物临界剪切应力与采用唐存本［8］、杨美卿和王桂玲［9］、李华国等［10］建立的数学方法计算得到的临界剪切应力进行了对比分析，如图6所示。

现代黄河三角洲临界剪切应力低于0.8 Pa时，杨美卿和王桂玲［9］与李华国等［10］计算模型能够较好地进行预测，预测值略微偏高。基于对图3沉积物临界剪切应力垂直岸线分布柱状图可知临界剪切应力低于0.8 Pa的测点均位于低潮滩。由此可以推测此两种模型较适用于预测含水量高、干容重小、孔隙比偏大的低潮滩沉积物临界剪切应力；而对于临界剪切应力偏高的高潮滩与中潮滩沉积物适用性较差。唐存本［8］计算模型临界剪切应力计算值普遍高于潮间带不同测点沉积物临界剪切应力现场测量值，适用性较差。杨美卿和王桂玲［9］与李华国等［10］计算模型均是基于电化学理论建立的适用于淤泥质沉积物的临界剪切应力预测模型，其试验沉积物物理性质参数与低潮滩沉积物类似，与含水量低、干容重大、密实度高的高潮滩沉积物与生物活动影响显著的中潮滩沉积物差异显著；而唐存本［8］基于泥沙受力平衡分析建立的计算模型过高估计了沉积物颗粒自重在泥沙起动中发挥的作用，不适用于粒度组分偏细的沉积物临界剪切应力的计算。

4.5 与世界其他河口三角洲对比分析

世界各大河口海域潮滩细粒土沉积物将可能表现出各自不同的侵蚀特征，对于近岸侵蚀发生过程的差异性的形成具有重要作用。由于测试装置不同的测试数据可比性差，本文统计了循环水槽与黏结力仪两种不同的测试装置对世界不同河口海域潮滩临界剪切应力的现场测试数据［6，13，16—17，20，24，31，36—40］，对现代黄河三角洲潮滩沉积物侵蚀特性及其分布特征分别进行了对比分析。从图7统计的临界剪切应力最高值与最低值的对比分析可以看出，世界河口海域潮滩沉积物侵蚀特性普遍存在着不同程度的空间非均匀特征，循环水槽测试数据显示临界剪切应力最高值与最低值差值可高达1.70 Pa，黏结力仪测试数据显示临界剪切应力最高值与最低值差值可高达6.88 Pa。

就循环水槽的测试数据而言，现代黄河三角洲潮滩沉积物临界剪切应力在世界河口海域潮滩范围内整体处于较低水平。由于采用循环水槽测试现代黄河三角洲潮滩沉积物的测试点较少，所以与图7a相比，图7b黏力仪测试数据更能体现现代黄河三角洲潮滩沉积物侵蚀特性的整体水平。与其他地区相比，现代黄河三角洲沉积物临界剪切应力统计最低值在世界范围内处于最低水平，临界剪切应力最高值则仅次于荷兰谢尔德河口潮滩沉积物，一方面可以看出现代黄河三角洲区域空间非均匀性显著，另一方面基于临界剪切应力最低值普遍出现在低潮滩，最高值普遍出现于高潮滩，也可以推测与世界其他河口三角洲相比，现代黄河三角洲低潮滩极易发生侵蚀。由此可以进一步推测现代黄河入海口离岸输运的泥沙中，与黄河携带泥沙的向海输运量相比，河口区已沉积的沉积物侵蚀再悬浮量同样占有重要比重。

图7 世界不同河口海域潮滩沉积物再悬浮临界剪切应力测试数据Fig.7 Critical shear stress of the intertidal sediments distributed in different estuarine areas

5 结论

（1）对于现代黄河三角洲潮间带不同位置而言，高潮滩密实度较高，普遍处于硬塑状态，含水量偏低，干容重大，孔隙比低，剪切强度与贯入强度普遍较高，粒度成分细粒含量较高，沉积物临界剪切应力高，在1.1～4.02 Pa范围，沉积物不易发生侵蚀；中潮滩沉积物受生物活动影响显著，沉积物侵蚀特征因地而异，变化较大，临界剪切应力在0.10～1.90 Pa范围；低潮滩沉积物侵蚀特征空间非均匀性显著，临界剪切应力很低，在0.08～0.80 Pa范围，极易发生侵蚀。

（2）现代黄河三角洲不同沉积区域沉积物具有不同的沉积物物理力学性质与粒度组成，导致沉积物临界剪切应力的区域分布差异。其中，现代黄河三角洲北部潮滩沉积物临界剪切应力最低，极易发生侵蚀；东部新滩海域与东北部桩106潮间带沉积物临界剪切应力最高，不易发生侵蚀；现代黄河三角洲南部海红港、东部孤东与东北部飞雁滩及桩292潮间带沉积物再侵蚀特性居中。

（3）在现代黄河三角洲沉积物物理力学性质参数中，干容重、含水量、孔隙比、不排水剪切强度、砂粒含量、粉粒含量、黏粒含量、平均粒径与沉积物临界剪切应力均存在较好的统计关系，相关系数均达到0.5以上。随干容重、孔隙比、不排水剪切强度、粉粒含量与黏粒含量的增加，沉积物临界剪切应力表现为增长的趋势；而随含水量、砂砾含量与平均粒径的增长，沉积物临界剪切应力表现为降低的趋势。

（4）现代黄河三角洲沉积物临界剪切应力现场测量与已有临界剪切应力计算模型对比分析发现，杨美卿和王桂玲［9］与李华国等［10］计算模型能够较好的对含水量高、干容重小的低潮滩沉积物临界剪切应力进行较好预测；唐存本［8］计算模型临界剪切应力计算值普遍高于潮间带不同测点沉积物临界剪切应力现场测量值。

（5）世界各大河口海域潮滩沉积物临界剪切应力普遍呈现出不同程度的空间非均匀分布特征。现代黄河三角洲沉积物临界剪切应力空间非均匀性显著，且临界剪切应力处于世界较低水平，沉积物极易在海洋动力作用下发生侵蚀，由此推测黄河入海泥沙的远距离分布与现代黄河三角洲已沉积的沉积物的侵蚀再悬浮输运过程密切相关。

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Field measurement of sediment critical shear stress in the modern Yellow River Delta

Zheng Jiewen1，2，Jia Yonggang2，Liu Xiaolei2，Liu Baohua3，Fu Tengfei1，Zhang Liping2

（1.Key Laboratory of State Oceanic Administration for Marine Sedimentology and Environmental Geology，First Institute of Oceanography，State Oceanic Administration，Qingdao 266061，China；2.Key Laboratory of Marine Environment&Ecology，Ministry of Education，Ocean University of China，Qingdao 266003，China；3.National Deep Sea Center，Qingdao 266003，China）

Cohesive sediment meter was used to measure sediment critical shear stress along the measuring line perpendicular to coastal line in different sedimentary lobes in the modern Yellow River delta.These obtained sediment critical shear stress，combined with the test results of sediment physical and mechanical properties and granularity composition，then were used to study on the distribution of sediment erodibility in the modern Yellow River Delta and its relationship with the influencing factors.This study indicated that，（1）high tidal flat was hard to be eroded with high critical shear stress ranging from 1.1 to 4.02 Pa，which was due to the following factors including the low water content，high dry bulk density，high content of silt and clay particles，small average particle diameter，and high undrained shear strength；（2）middle tidal flat was characterized with obviously different critical shear stress ranging from 0.10 to 1.90 Pa，which was mainly influenced by biological activities in different sedimentary lobes including biodisturbation，biological waste，remains and remnants with different amounts and degree；and（3）low tidal flat can be easily eroded with low critical shear stress ranging from 0.08 to 0.80 Pa，which was induced by the high water content，low dry bulk density，high sand content，gentle average particle diameter，and low undrained shear strength.For the whole modern Yellow River Delta，low，middle and high the critical shear stress occur in the northern part，middle part and the southern part of the delta，respectively.The discrepancy of particle compositions can be considered as the critical factor for causing the variety of sediment critical shear stress in different areas.Compared with other main estuarine deltas in the world，non-uniform degree of sediment erodibility was higher and anti-erosion strength was lower in the modern Yellow River Delta.

critical shear stress；sediment；cohesive strength meter；estuarine delta；erosion

TV148

A

0253-4193（2015）03-0086-13

郑杰文，贾永刚，刘晓磊，等.现代黄河三角洲沉积物临界剪切应力研究［J］.海洋学报，2015，37（3）：86—98，

10.3969／j.issn.0253-4193.2015.03.009

Zheng Jiewen，Jia Yonggang，Liu Xiaolei，et al.Field measurement of sediment critical shear stress in the modern Yellow River Delta［J］.Haiyang Xuebao，2015，37（3）：86—98，doi：10.3969／j.issn.0253-4193.2015.03.009

2014-04-18；

2014-11-04。

国家自然科学基金项目（41272316，41402253）；中国博士后基金项目（2014M561963）；山东省博士后创新基金项目（BSH2014001）。

郑杰文（1984—），女，河北省衡水市人，博士后，主要从事海洋沉积动力过程与地质灾害。E-mail：jiewenzheng＠126.com

*通信作者：刘晓磊，讲师，从事海洋地质灾害与海洋岩土研究。E-mail：xiaolei＠ouc.edu.cn