长江河口北槽河道悬沙絮团特性及其影响因素研究

朱文武,李九发,姚弘毅,张晓鹤

（1 .华东师范大学河口海岸学国家重点实验室,上海200062；2 .上海海事大学海洋科学与工程学院,上海201306）



长江河口北槽河道悬沙絮团特性及其影响因素研究

朱文武1,2,李九发1 *,姚弘毅1,张晓鹤1

（1 .华东师范大学河口海岸学国家重点实验室,上海200062；2 .上海海事大学海洋科学与工程学院,上海201306）

摘要:利用多种先进室内外测量仪器进行河口现场观测和室内电镜扫描获得相关资料,对长江河口北槽河道细颗粒泥沙絮凝的水沙环境、絮团的微观形态结构、絮团的粒径组成及其主要影响因素进行了综合分析和讨论。结果表明,北槽河道具有非常适宜细颗粒泥沙絮凝的潮流、盐度、含沙量和悬沙颗粒粒径等基本环境条件。北槽河道悬沙絮团形态多样,主要包括松散状絮团、蜂窝状絮团和密实状絮团。絮团主要由细粉砂和黏土类细颗粒泥沙组成,表面多粗糙不平,结构或密或疏。絮团粒径变化与潮周期动力过程密切相关,具有周期性变化特征。涨、落憩时絮团粒径较大,涨、落急时絮团粒径较小。絮团粒径涨憩大于落憩,小潮大于大潮。垂向上,絮团粒径由表层至底层逐渐增大。周期性潮流流速对北槽河道悬沙絮团粒径变化起到了控制作用。北槽细颗粒泥沙絮凝作用,是导致疏浚航道发生回淤的主要原因之一。

关键词:长江河口；北槽；潮流；悬沙；絮凝；絮团粒径

1 引言

冲积平原河口水体中的悬浮泥沙主要由粒径小于63μm的细颗粒泥沙组成。在河口盐淡水混合的作用下,细颗粒泥沙会发生絮凝,形成絮团,加速沉降［1］,对河口泥沙输运产生重要影响［2］,也是造成河口航道回淤的重要原因之一。长江挟带大量泥沙进入河口,其中粒径小于32μm的细颗粒泥沙占90 %以上,主要包括细粉砂和黏土类,中值粒径约为8.6 μm［3］。有研究表明,长江河口细颗粒泥沙极容易发生絮凝并形成浮泥,对河口最大浑浊带的形成、拦门沙地形的发育以及港口、航道等工程的建设具有重要影响［3］。因此,自20世纪90年代以来,许多学者对长江河口细颗粒泥沙絮凝开展了大量研究工作,主要包括细颗粒泥沙的絮凝机理、细颗粒泥沙絮凝的影响因素、细颗粒泥沙絮团的沉降速度等［4—15］。众所周知,长江河口北槽深水航道位于河口最大浑浊带区域,细颗粒泥沙往往会发生絮凝沉降形成浮泥,造成航槽淤积进而影响通航能力并增加疏浚成本［16—21］。目前,对于北槽12.5 m深水航道开通后细颗粒泥沙絮凝的研究相对较少,且由于受现场取样和测量仪器的限制,对于长江河口天然絮团的微观形态结构和粒径等特性的研究比较缺乏。

鉴于此,通过现场水文观测、现场絮团取样以及室内电镜扫描等新手段获得一批新数据,对长江河口北槽河道细颗粒泥沙絮凝的水沙环境、絮团的微观形态结构、絮团的粒径大小及其主要影响因素进行综合分析和讨论,以期为北槽航道合理维护和科学管理提供参考依据。

2 数据资料和研究方法

于2012年4月15～23日分别在长江河口北槽中游A和B两测站同步进行了小、中、大潮连续8 d的水文观测和取样,测站布置在目前航道回淤量最大的区域（图1）。潮流速和流向由A D CP测量。同时利用SE Q U OIA激光粒度分析仪（Lisst-100）现场连续测量絮团粒径的垂向分布和变化。采用相对水深六点法（0.0 H,0.2 H,0.4 H,0.6 H,0.8 H,1.0 H）在每小时整点时刻取水样,在实验室测量盐度、含沙量和分散泥沙颗粒粒径。测量分散泥沙颗粒粒径时,首先在悬沙样品中加入过氧化氢溶液氧化去除有机质,再加入六偏磷酸钠溶液并利用超声波振动进行分散,最后用马尔文激光粒度仪（M astersizer 2000）测量分散泥沙颗粒粒径。

现场絮团样品的采集和处理过程要求极高,需尽量避免絮团受到破坏。现场采集水样后,先用滴管吸取含有泥沙絮团的水样小心地滴于载玻片上,再将载玻片固定于培养皿中密封保存。在实验室对样品进行喷金镀膜,最后用扫描电子显微镜（JS M-5610）扫描观测絮团的微观形态和结构,并进行拍照。

图1 研究区域和测站位置图Eig .1 Study area and station locations

3 研究区域流、沙、盐基本特性

河口细颗粒泥沙发生絮凝以及絮团粒径变化与潮流、盐度、含沙量、泥沙颗粒粒径等基本物理特性及其变化过程密切相关。

3 .1 潮流

近期北槽实测潮流流速随着涨落潮发生周期性变化,具有大潮流速大、小潮流速小、涨落急流速大、涨落憩流速小的潮流特性。小潮潮周期平均流速约为0.60 m/s,其中涨潮平均流速为0.41 m/s,落潮平均流速为0.75 m/s（图2）。小潮涨落憩前后及涨潮期间流速较小,一般在0.65 m/s以下。相比较而言,大潮流速较大,潮周期平均流速约为0.99 m/s,接近小潮时的2倍,其中涨潮平均流速为0.86 m/s,落潮平均流速为1.06 m/s（图2）,但是大潮憩流前后流速仍然较小。潮流流速变化是细颗粒泥沙絮凝及絮团粒径变化的主要影响因素之一［21］。

同时,由潮流引起的河口纵向环流有利于细颗粒泥沙絮凝和聚集。图3所示为观测期间北槽小潮纵向环流图。可知,以B测站为界,上游河道优势流向海,下游河道下层优势流向陆,而中上层优势流向海,在悬沙絮团观测区域存在一个明显的纵向环流区,有利于盐度锋面的形成和泥沙的聚集,因此可为细颗粒泥沙絮凝和絮团的持续存在创造极好的水动力环境。

3 .2 盐度

近期北槽河道盐度分布及变化,总体上呈现涨潮时盐水入侵,水体盐度逐渐升高,落潮时水体盐度逐渐降低的变化规律。小潮潮周期平均盐度为4. 18。小潮涨潮时盐度逐渐升高（图4）,至涨憩时（9 h）达到最大值,此时垂向平均盐度为7.47,近底层盐度高达12.31,表层盐度仅为2.80。落潮期间,盐度逐渐降低。大潮潮周期平均盐度为2.95。大潮落憩时（2 h）平均盐度为1.10,同样在涨憩时（7 h）盐度达到最大值,平均为6.70,近底层盐度为10.20,表层盐度为3.08（图4）。可见,北槽河道盐度大小符合细颗粒泥沙絮凝的基本盐度范围［6］,同时盐度随涨落潮发生周期性变化,是影响细颗粒泥沙絮凝的基本因素之一。

图2 A测站垂向平均流速的潮周期变化图Eig .2 Tidal variations of the vertically averaged velocity at Station A

图3 北槽2012年4月小潮纵向环流示意图Eig .3 Vertical circulation in the North Passage during neap tide in April of 2012

图4 A测站垂向盐度的潮周期变化图Eig .4 Tidal variations of the vertical salinity at Station A

3 .3 含沙量

水体中的细颗粒泥沙是发生絮凝的基本物质条件。总体上,近期北槽含沙量的潮周期变化特征和流速基本一致,大潮含沙量高、小潮含沙量低、涨落急含沙量高、涨落憩含沙量低。小潮潮周期平均含沙量为0.20 kg/m3,其中涨潮平均含沙量为0.24 kg/m3,落潮平均含沙量为0.18 kg/m3,垂向上含沙量由表层至底层逐渐增高（图5）。大潮流速相对较大,含沙量远高于小潮,潮周期平均为0.83 kg/m3,其中涨、落潮平均含沙量分别为0.96 kg/m3和0.76 kg/m3。垂向上表、底层含沙量相差很大,落憩时表、底层含沙量分别为0.29 kg/m3和1.12 kg/m3,涨急时表、底层含沙量分别为0.18 kg/m3和2.73 kg/m3（图5）。可知,总体上北槽水体具有较高的含沙量,可为细颗粒泥沙絮凝提供物质基础［8,14］。

图5 A测站垂向含沙量的潮周期变化图Eig .5 Tidal variations of the vertical suspended sediment concentration at Station A

3 .4 悬沙颗粒粒径

悬沙颗粒越细,其比表面积越大,悬沙颗粒之间的吸力越大,就越容易发生絮凝。由表1可知,长江河口北槽近期悬沙颗粒中值粒径在5.8～10.6μm之间,平均中值粒径约为7.8μm。大潮时流速较大,较粗颗粒泥沙容易被再悬浮,因此大潮悬沙中值粒径必然大于小潮。A、B两站悬沙颗粒粒径相比差异较小,表明北槽中游河道悬沙粒径组成的空间分布较一致。总体而言,北槽悬沙颗粒很细,为细粉砂和黏土类泥沙,属于非常适宜絮凝的粒径组成［8］。

表1 A、B测站悬沙颗粒粒径Tab .1 Particle size of suspended sediment at Station A and B

4 悬沙絮团形态结构和粒径组成

4 .1 悬沙絮团形态结构

长江河口北槽河道位于陆海动力相互作用区域,在周期性潮流、盐度和含沙量等主要物理因素相互作用下,实测细颗粒泥沙絮团形态结构存在多样性,主要归纳为松散状絮团、蜂窝状絮团和密实状絮团等。图6所示为松散状絮团,该类絮团主要由粗细不均的悬沙颗粒絮凝而成,多为细粉砂类泥沙,少量较粗的中粉砂类颗粒。絮团的外表极为粗糙,形状极不规则,结构比较松散。图7所示为蜂窝状絮团,该类絮团的悬沙颗粒组成均较细,主要包括极细粉砂和黏土类泥沙。絮团的轮廓比较明显,形状略不规则,结构比较紧密,但存在很多孔隙。图8所示为密实状絮团,该类絮团主要由黏性极细颗粒泥沙与有机质组成。絮团轮廓明显,而且呈准圆形状,几乎无孔隙,密实性好。

由此可知,利用高倍数高精度扫描电镜所获得的大量原始泥沙絮团图片资料,反映出长江河口北槽在复杂的水沙环境下呈现多样性絮团的必然结果。

4 .2 悬沙絮团粒径组成

同时,利用Lisst-100激光粒度分析仪现场连续测量悬沙絮团粒径。由表2可知,长江河口北槽实测悬沙絮团较大,平均絮团粒径为59.4μm,约为分散悬沙颗粒粒径的6倍,其中涨、落憩平均絮团粒径分别为105.6μm和83.9μm,涨、落急平均絮团粒径分别为29.5μm和18.7μm；实测悬沙絮团最大粒径为181.6μm,最小粒径为12.9μm,两者相差14倍之多。小潮平均絮团粒径为74.7μm,大潮平均絮团粒径为44.3μm。垂向上,憩流时实测表层絮团粒径为32.4～90.6μm,底层为92.1～154.2μm,平均粒径由表层至底层逐渐增大（图9）。可知,在不同的潮流、盐度和含沙量等条件下,长江河口北槽水体存在大小不同的悬沙絮团。

图6 松散状絮团Eig .6 Loose floccules

图7 蜂窝状絮团Eig .7 Porous floccules

图8 密实状絮团Eig .8 Dense floccules

表2 A测站絮团粒径和悬沙颗粒粒径统计表Tab .2 Floccule size and particle size of suspended sediment at Station A

图9 A测站絮团粒径垂向分布图Eig .9 Vertical distributions of floccule size at Station A

5 悬沙絮团的变化及其影响因素分析

长江河口北槽河道悬沙絮团的形成及变化受多种因素影响［21］,其絮凝过程极其复杂而又属于河口最基本的自然现象。由于河口潮流、盐度、含沙量和悬沙颗粒组成等影响因素存在潮周期变化,必然导致悬沙絮团粒径和形态发生变化。

5 .1 悬沙絮团的涨落潮变化

图10所示为絮团粒径和平均流速潮周期变化图。由图可知,不论大、小潮,絮团粒径存在明显的周期性变化规律,一个潮周期内出现两次峰值和两次谷值,涨、落憩时絮团粒径较大,而涨、落急时絮团粒径较小。小潮涨、落憩时刻絮团粒径分别为120.2μm和88.3 μm,涨憩时刻絮团粒径大于落憩；涨、落急时刻絮团粒径分别为35.6μm和13.2μm,涨急时刻絮团粒径大于落急。大潮涨、落憩时刻絮团粒径分别为93.8μm和67.2μm,涨憩时刻絮团粒径大于落憩；涨、落急时刻絮团粒径分别为17.9μm和16.0μm,差异不大。

图10 A测站絮团粒径和平均流速潮周期变化图Eig .10 Tidal variations of floccule size and average current speed at Station A

图11所示为大、小潮絮团粒径和平均流速的回归分析图,结合图10可知,絮团粒径和平均流速总体呈较明显的负相关关系,流速大时絮团粒径小,流速小时絮团粒径大,表明细颗粒泥沙在具备絮凝基本条件下形成絮团后,潮流流速对絮团粒径变化起到了控制作用。研究表明,潮流流速是影响细颗粒泥沙絮凝的主要水动力因素。在中低流速条件下,水流紊动促进泥沙絮凝成团的同时剪切作用又不至于破碎絮团,容易形成并保持较大絮团的存在［21］。因此,实测絮团粒径总是在憩流之后的中低流速条件下达到峰值（图10）。由图11得出大、小潮有利于形成最大絮团的流速分别为0.56 m/s和0.41 m/s。而在高流速条件下,水流剪切作用很强,絮团很容易被破坏［14］。所以,大潮涨、落急时的絮团粒径和分散悬沙颗粒粒径较一致,表明高流速时絮团被彻底破碎并接近分散泥沙中值粒径（表2）。

图11 A测站絮团粒径和平均流速回归分析图Eig .11 Regression of floccule size and average current speed at Station A

除流速外,盐度也是影响细颗粒泥沙絮凝的重要因素。一定的盐度范围内,细颗粒泥沙的絮凝作用随着盐度的增大而增强［6］。图12所示为絮团粒径和平均盐度潮周期变化图。由图可知,涨潮时盐度逐渐增大,并在涨憩前后达到峰值,而涨憩时的盐度峰值正好与潮周期内较大的絮团粒径峰值对应,说明盐度可促进悬沙絮凝成团。

图12 A测站絮团粒径和平均盐度潮周期变化图Eig .12 Tidal variations of floccule size and average salinity at Station A

同时,絮团形态结构与涨落潮流速变化有关。表3所示为实测样品组中各类絮团出现的概率以及相关因素统计表。其中样品组1和2多为松散状絮团,取样时间分别为涨急和落急之后2 h,代表较大流速时河床较粗颗粒泥沙被掀起后,在流速递减与相关絮凝因素综合作用下形成的松散状絮团（图6）。样品组3、4和5多为蜂窝状絮团,取样时间为憩流之前0.5 h,此时流速较小,较粗颗粒泥沙已经下沉,细颗粒泥沙快速絮凝则形成蜂窝状絮团（图7）,实测样品中此类絮团最多。样品组6多为密实状絮团,取样时间为涨憩时刻,此时流速很小,极细颗粒泥沙容易发生絮凝,并在水体静压强作用下常常形成密实状絮团（图8）,实测样品中此类絮团最少。可见,涨落潮流速变化对絮团形态结构特征具有一定的影响。

表3 絮团形态结构类型及相关因素统计表Tab .3 Floccule types and the relevant factors

5.2 悬沙絮团的大小潮变化

由表2可得,小潮平均絮团粒径为74.7μm,大潮平均絮团粒径为44.3μm,小潮絮团粒径大于大潮,这主要与大潮和小潮流速、盐度和悬沙颗粒粒径等主要影响因素有关。实测小潮平均流速为0.60 m/s,盐度为4.18,悬沙颗粒粒径为5.9μm；大潮平均流速为0.99 m/s,盐度为2.95,悬沙颗粒粒径为10.2 μm。如前所述,中低流速条件更有利于絮团形成,因此小潮流速更有利于形成较大的絮团。悬沙颗粒越细,泥沙颗粒之间的吸力越大,就越容易发生絮凝,而小潮悬沙颗粒粒径约为大潮的一半,所以小潮悬沙颗粒粒径同样有利于形成并保持较大絮团。所以,就大、小潮水沙环境条件而言,长江河口北槽小潮期水沙环境更有利于细颗粒泥沙发生絮凝,其絮团粒径明显大于大潮。

图9所示为大、小潮絮团粒径的垂向分布图。小潮憩流时表、底层絮团粒径分别为37.7～90.6μm和139.5～154.2μm,且絮团粒径垂向波动变化相对较大。大潮憩流时表、底层絮团粒径分别为32.4～55.2 μm和92.1～122.3μm,而絮团粒径垂向波动变化相对较小。因此,不论大、小潮,平均絮团粒径由表层至底层逐渐增大,这主要与底层流速小于表层,而盐度和含沙量高于表层等表、底层细颗粒泥沙絮凝环境差异,以及中上层絮团不断向底层沉降聚集有关。

6 结论

本研究所得主要结论:

（1）长江口北槽河道位于最大浑浊带区域,具有非常适宜细颗粒泥沙絮凝的潮流流速、盐度、含沙量和泥沙颗粒粒径等环境条件。

（2）北槽河道悬沙絮团形态结构多样,主要包括松散状絮团、蜂窝状絮团和密实状絮团,主要由细粉砂和粘土类细颗粒泥沙组成。絮团或呈准圆形、或呈椭圆形、或形状不规则,表面多粗糙不平,结构密实或疏松。

（3）北槽河道悬沙絮团粒径普遍较大,平均絮团粒径为59.4μm,约为分散悬沙颗粒粒径的6倍。涨、落憩时平均絮团粒径分别为105.6μm和83.9 μm,而涨、落急时平均絮团粒径分别为29.5μm和18.7μm。

（4）北槽河道悬沙絮团粒径变化与潮周期动力过程密切相关,具有周期性变化特征。涨、落憩时絮团粒径较大,涨、落急时絮团粒径较小。絮团粒径涨憩大于落憩,小潮大于大潮。垂向上,絮团粒径由表层至底层逐渐增大。

（5）北槽河道周期性潮流流速对悬沙絮团粒径变化起到了控制作用,中低流速更有利于形成并保持较大絮团。和大潮相比,小潮流速较低,悬沙颗粒粒径较小,因此絮团粒径小潮大于大潮。

致谢:华东师范大学电镜中心的倪兵老师在电镜观测过程中给予了指导,上海河口海岸科学研究中心提供了部分相关数据,课题组成员参与了实地观测取样工作,在此一并致谢！

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中图分类号:T V148

文献标志码:A

文章编号:0253-4193（2016）03-0088-10

收稿日期:2015-06-03；

修订日期:2015-07-17。

基金项目:国家自然科学基金项目（51479074）。

作者简介:朱文武（1985—）,男,安徽省六安市人,博士,主要从事河口海岸泥沙输运及环境研究。E-mail:zhuwenwu @ yeah .net

*通信作者:李九发,男,教授,主要从事河口海岸泥沙运动和河床演变研究。E-mail:jfli@ re .ecnu .edu .cn

朱文武,李九发,姚弘毅,等.长江河口北槽河道悬沙絮团特性及其影响因素研究［J］.海洋学报,2016,38（3）:88 - 97,doi: 10.3969/j.issn .0253-4193.2016.03.009

Zhu W enwu,Li Jiufa,Yao H ongyi,et al.Study on sediment floccules and the influence factors in the North Passage of the Changjiang Estuary［J］. Haiyang Xuebao,2016,38（3）:88 - 97,doi:10.3969/j.issn .0253-4193.2016.03.009

Study on sediment floccules and the influence factorsin the North Passage of the Changjiang Estuary

Zhu W enwu1,2,Li Jiufa1,Yao H ongyi1,Zhang Xiaohe1
（1 .State Key Laboratory of Estuarineand Coastal Research,EastChina Normal University,Shanghai200062,China；2 .Collegeof Ocean Science and Engineering,Shanghai Maritime University,Shanghai 201306,China）

Abstract:Based on the field observations in April 2012 in the North Passage of the Changjiang Estuary,as well as the data measured with scanning electron microscope,the characteristics offlow and sediment,the micromorphology and size of floccules and the main influence factors in the North Passage were investigated in this paper . The results show thatthe tidal current velocity,the salinity,the suspended sediment concentration and the sediment particle size in the North Passage are very suitable forflocculation . There are varied forms offloccules,mainly including loose floccules,porous floccules and dense floccules . They are mainly composed of fine silts and clays,with rough surfaces,loose or dense structures . The variations of floccule size are highly related to the flood - ebb process, showing periodic features . The floccule sizeis big during slacks,but small during peak currents . Usually,the floccule size during high water slacksis bigger than that during low water slacks；the floccule size during neap tidesis bigger than that during spring tides . Additionally,the floccule size is gradually increased from the surface to the bottom . The tidalcurrent velocity controls the variations offloccule size . The flocculation of suspended sedimentis one of the main reasons for the siltation in the navigation channel of North Passage .

Key words:Changjiang Estuary；North Passage；tidal current；suspended sediment；flocculation；floccule size