风暴过程中潮滩悬沙浓度和悬沙输运的变化及其动力机制——以长江三角洲南汇潮滩为例

苗丽敏，杨世伦 *，朱琴，史本伟，李鹏，吴创收

（1.华东师范大学河口海岸学国家重点实验室，上海200062；2.南京大学地理与海洋科学学院，江苏南京210093；3.国家海洋局东海预报中心，上海200136；4.浙江省水利河口研究院，浙江杭州310020）



风暴过程中潮滩悬沙浓度和悬沙输运的变化及其动力机制
——以长江三角洲南汇潮滩为例

苗丽敏1，杨世伦1 *，朱琴1，史本伟2，李鹏3，吴创收4

（1.华东师范大学河口海岸学国家重点实验室，上海200062；2.南京大学地理与海洋科学学院，江苏南京210093；3.国家海洋局东海预报中心，上海200136；4.浙江省水利河口研究院，浙江杭州310020）

摘要：悬沙浓度是淤泥质海岸重要的环境指标。为探讨潮滩悬沙浓度和悬沙输运对风暴事件的响应过程及其动力机制，于2014年9月“凤凰”台风过境前、中、后在长江三角洲南汇潮滩进行了现场观测，获得同步高分辨率的水深、波高、近底流速和浊度剖面时间序列（9个潮周期）。结果表明，风暴中平均和最大波高、波-流联合底床剪切应力、悬沙浓度和悬沙输运率可比平静天气高数倍；风暴期间高潮位低流速阶段悬沙沉降导致近底发育数十厘米厚的浮泥层（悬沙浓度大于10 g/L）。研究认为风暴事件中淤泥质海岸悬沙浓度和悬沙输运的剧烈变化其根本动力机制是风暴把巨大能量传递给近岸水体，进而显著增大波-流联合底床剪切应力，导致细颗粒泥沙再悬浮。

关键词：风暴；潮滩；悬沙浓度；悬沙输运；波-流联合剪切应力；浮泥；长江三角洲

1　引言

潮滩作为海陆交互作用的界面，是世界海岸的重要组成部分［1—3］。潮滩地貌、水动力与泥沙之间存在相互作用，泥沙在波浪与潮流联合作用下，发生沉降与再悬浮作用，水体中悬沙浓度随之发生变化。悬沙浓度是环境重要指标之一，悬沙浓度及悬沙输运变化在生态学、沉积地貌学和工程上都有重要意义［4—9］。

由于各种周期性（涨、落潮流，大、小潮，季节）与非周期性（风、波浪、生物、人类活动）动力因素及其组合不同，海岸悬沙浓度与悬沙输运的变化及其机制十分复杂［10—15］。尽管前人已对潮滩悬沙浓度及悬沙输运做过不少研究［16—22］，但大多涉及的是平静天气潮周期内或大、小潮的悬沙浓度或悬沙输运变化。由于风暴天气下现场观测难度大，已有的风暴事件中悬沙浓度及悬沙输运变化尤其是高分辨率变化的研究较少。W ang等研究了“格美”台风登陆前后福建泉州湾南部盐沼与光滩的沉积动力过程，发现台风过境时，附近水域悬沙浓度可达正常天气情况下的13～19倍［23］。

风暴往往是海岸沉积环境发生短期灾变的诱因［24］。本文选择长江三角洲南汇潮滩（图1）为研究区域，采用海底观测架固定自动观测仪器，进行贯穿风暴事件前、中、后高分辨率水动力和悬沙浓度的联合观测，探讨悬沙浓度及悬沙输运变化对风暴的响应过程及其动力机制，旨在深化对潮滩悬沙浓度及悬沙输运变化规律的认识，为相关研究和管理提供参考。

图1　研究区域Fig.1 Sketch map of study area

2　研究区概况

研究区位于长江三角洲前缘的南汇潮滩（图1b），属开敞型潮滩。长江口与杭州湾两大水系在外海潮波联合作用下交汇于此，是涨潮流辐散、落潮流汇聚、动力作用复杂、水沙交换频繁的地带。杭州湾是强潮河口湾，来自上游钱塘江的水沙分别只占来自长江口水沙的4 %和1 %［25］，所以研究区的水沙运动与长江口水沙扩散密切相关。

南汇潮滩附近水域的动力作用主要有潮汐、潮流、余流、波浪、风等。研究区属不正规半日浅海潮，平均潮差3.2 m，历史最大潮差5.14 m，属于强潮潮滩。南汇海域多年平均风速为5.8 m/s，最大风速为22.1 m/s；多年平均有效波高0.6 m，最大有效波高2.9 m（据欧洲中长期天气预报中心（EC M W F）2002-2013年资料统计）。南汇水域悬沙浓度的时间变化强烈，变化范围从＜0.1 g/L到＞2 g/L［22］。研究岸段潮滩沉积物主要由细颗粒组成，中值粒径具有明显的时间（季节、大小潮、风暴周期）变化，中值粒径变化范围10～170μm，平均56μm［26］。近年由于三峡工程等导致长江入海悬沙通量急剧下降，研究区悬沙浓度也出现下降趋势［14］。受长江入海泥沙减少及杭州湾自身演变的影响，研究区岸段近期处于蚀退之中［27］。目前研究断面发育约2 m高的侵蚀陡坎，陡坎之上为数十米宽的盐沼，陡坎之下为宽约300 m的光滩（图1c）。本研究观测点选择在离岸距离约300 m的低潮滩上，位于平均低潮位以上约0.5 m。

3　资料来源和方法

3.1现场观测

风速资料来源于芦潮港海洋站（国家海洋局东海预报中心），气压降水资料采用嵊泗菜园镇气象站（http：//envf.ust.hk/）。现场观测采用三脚架观测系统，观测系统装备用于采集潮滩近底部边界层内的波浪、流速、悬沙浊度剖面等数据。观测仪器放置及各参数设置详见图2与表1。其中，脉冲相干多普勒流速剖面仪H R-Profiler（挪威Nortek，2.0 M Hz高分辨率流速剖面仪）分辨率为0.5 cm/s；自容式波潮仪SBE-26plus SE A G A U G E（美国Sea-Bird）分辨率为0.4 m m。光学后向散射浊度计O BS-3 A（美国Campbell）量程为0～4 000 N T U，精度为0.5 N T U或1 %，激光边界层悬浮物剖面测量仪AS M（德国A R G U S）量程为0～4 000 N T U，测量精度为10 %。各仪器数据采用采样间隔内平均化处理。

图2　仪器放置图Fig.2 Schematic figure ofinstrument deployment

表1　观测仪器、采集参数及参数设置Tab.1 Observation instruments，parameters obtained and settings

3.2室内标定

将浊度计获取的浊度值转换为相应的悬沙浓度值需要通过标定实现，标定分为现场标定与室内标定，均已在国内外广泛使用［18—19，22］。本文O BS和AS M均采用室内标定，具体方法为：将现场采集水样（覆盖平静天气与风暴天气若干潮周期，总量约60 L）沉淀、浓缩，在标定槽内放入一定量的清水，依次加入适量浓缩泥浆水，充分搅动后将浊度传感器没入水中，读取稳定后的浊度数据，并取传感器附近水样600 m L水样经过滤、烘干、称重后计算悬沙浓度。针对每个O BS建立浊度与悬沙浓度之间的回归关系。本文对标定时同一浊度下AS M各探头的浊度进行标准偏差和均值计算，发现标准偏差与均值的比值非常小，只有3 %～5 %。于是本文参照AS M使用说明对96个探头建立统一的浊度（T）与悬沙浓度（C）之间的回归关系。标定结果表明，浊度与悬沙浓度之间的相关系数一般达0.99，最小0.97（图3）。

3.3数据处理

波浪产生的底床剪切应力τw（单位：N/m2）主要由波浪水质点峰值轨道速度Uw和底摩擦因数fw确定［28］：

式中，ρ为海水密度，取1 012 kg/m3，波浪水质点峰值轨道速度Uw为：

式中，H、T、h、k分别为SBE-26plus获得的波高、波周期、水深、波数。式（1）中fw为与波浪有关的底摩擦因数［29］：

式中，d50为底床沉积物中值粒径，Aw为波浪水质点最大轨迹位移。

近底流速剖面符合对数分布［30］：

式中，u（z）为H R-Profiler测得距滩面高度为z处的流速，κ是Von Karman常数，通常取0.4，z0是粗糙长度。通过对式（4）中的u（z）和ln（z）的线性回归，可得到截距A，摩阻流速u*=κA。流产生的底床剪切应力为：

通过式（1）和式（4）获得的τw和τc，经过Soulsby 和Clarke［31］浪流模型模型获得浪流联合底床剪切应力τcw：

图3　浊度（T）与悬沙浓度（C）的回归关系Fig.3 Regression between turbidity（T）and suspended sediment concentration（C）

据Taki［32］考虑黏性细颗粒沉积物，底床沉积物临界侵蚀剪切应力为：

式中，常数β= 0.3；s=ρs/ρ-1（ρs为底床沉积物密度，取2 650 kg/m3）为底床沉积物比重；含水量W为观测期间底床沉积物样品中水的质量与沉积物干质量之比，根据采集的底床沉积物分析所得结果，本研究中W取0.73。

本文瞬时悬沙输运率用近底0.5 m水层垂向平均悬沙输率代替，计算公式为：

4　结果

4.1气象因素

观测期间经历“凤凰”台风（2014年23号台风），台风路径如图1a所示。据中央气象台资料，“凤凰”台风于9月23号上午10时45分登陆上海，登陆时中心最大风速23 m/s。在本研究的连续9个潮周期（分别编号T1至T9）中，芦潮港海洋站平均风速从T1的6 m/s逐渐增大到T6的14 m/s，而后逐渐减小至3.0 m/s；1 h间隔整点最大风速为19.1 m/s，出现在T6。可见，风暴最强阶段的风速是平静天气风速的5倍左右。风向在T5开始由原来的东北风（离岸）转为偏南风（向岸），在T6以后再次转为离岸风（图4a）。

嵊泗菜园镇气象站气压由T1的最大值100 435 Pa逐渐降低至T3的最小值99 385 Pa，而后逐渐增加至T9的100 513 Pa。降水量在T1～T9呈现先增大后减小的趋势，24 h累积降水量在T6达最大值，为110 m m（图4b）。

4.2潮差和水深

天文潮差从T1的3.16 m增大至T9的4.26 m（图4c），属小潮后期向大潮变化的过程。由于台风引起的增减水效应，潮滩观测水深（水深为0表示测点露出）的变化与天文潮有所不同，实测最大水深出现在T5（图4c）。由于不正规半日潮性质，相邻两个潮周期的潮差和水深有一定差异（图4c）。

4.3波高、流速、波—流联合剪切应力

潮周期平均有效波高从T1的0.26 m递增至T6 的0.80 m，而后递减至T9的0.14 m；T6潮周期出现的最大有效波高达到1.4 m。潮周期内，波高一般随着水深增加而增大（图4c）。潮周期平均近底流速从T1和T2的约0.25 m/s增至T6的0.45 m/s，而后减至T8和T9的0.22 m/s；潮周期最大流速有类似的变化特点，在T6达到最大值0.74 m/s。流速流向在风浪较弱的T1、T2、T8和T9潮周期内的变化规律较清晰，而在风浪较大的T4、T5、T6和T7潮周期内的变化比较紊乱（图4d）。潮周期波浪剪切应力、潮流剪切应力、波-流联合剪切应力均呈现从T1至T6的递增，而后从T6至T9递减的趋势（图5a）。潮周期波-流联合剪切应力从T1的0.26 Pa递增至T6 的1.03 Pa，而后递减至T9的0.10 Pa；T6潮周期出现的最大波-流联合剪切应力达到2.01 Pa。波-流联合剪切应力在风浪较弱的T1、T2、T8和T9潮周期内既有大于底床临界侵蚀剪切应力的时段，也有小于底床临界侵蚀剪切应力的时段，而在风浪较大的T4、T5、T6和T7潮周期内，波-流联合剪切应力在整个潮周期内几乎全部大于底床临界侵蚀剪切应力（图5a）。

图4　近底（平均50 cm水层）悬沙浓度影响因子的变化过程Fig.4 Time series ofimpact factors to near-bed suspended sediment concentration

4.4盐度

风暴天气下的水体盐度明显小于平静天气的水体盐度。例如，T8、T9两个潮周期的平均盐度为4.9，而T4～T7四个潮周期的平均盐度只有2.0（图4e）。推测与风暴期间降水增多有关（图4b）。

4.5悬沙浓度

总体上潮周期内悬沙浓度有先增大后减小的规律，即最大悬沙浓度大致出现在高潮阶段（图5b、c）。风暴期间近底部出现明显的浮泥层（大于10 g/L）现象（图5b），浮泥层厚度在T5潮周期最大，可达36 cm，风暴期间不同高度浮泥层持续时间长达3～5 h。近底0.5 m层平均悬沙浓度的潮周期平均值和最大值均从T1～T5递增，而后从T5～T8递减；T5潮周期平均悬沙浓度（6.33 g/L）是T8（1.88 g/L）的3.4倍，最大悬沙浓度达到约11.7 g/L（图5c）。

风暴期间（T5）悬沙浓度的垂向变化与平静天气（T1，T9）一样呈两段式特点：下段为近底层，悬沙浓度随着距底床高度的增大而迅速减小；上段为主体水柱，悬沙浓度随着距底高度的增大而缓慢减小。但是，台风中（T9）两段的拐点位置明显高于台风前（T1）、台风后（T9）的拐点位置，例如，台风后T9潮周期的平均悬沙浓度剖面的拐点位置距底床约0.2 m，台风前T1潮周期的平均悬沙浓度剖面的拐点位置距底床约0.3 m，而风暴期间的T5潮周期平均悬沙浓度剖面的拐点位置升至距离底床约0.4 m（图6）。而且台风中（T9）最上层（1.04 m）处的悬沙浓度值高于台风前（T1）剖面拐点处与台风后（T9）剖面拐点处的悬沙浓度值（图6）。与平静天气相比，风暴期间的悬沙浓度垂向差异有所减弱。如图5所示，平静天气下T9距底0.1 m层的悬沙浓度是1.05 m层的3.8倍，而风暴天气下距底0.1 m层的悬沙浓度是1.05 m层的3.3倍。这反映风暴期间泥沙的再悬浮作用加强。台风中（T5）和台风后（T9）的O BS悬沙剖面与AS M悬沙剖面相似。

图5　波-流联合底床剪切力（a）、悬沙浓度剖面变化过程（b）、近底0.05～0.5 m高度内垂向平均O BS悬沙浓度（c）及悬沙输运率变化过程（d）Fig.5 Time series of bed shear stress under combined wave-current action（a），near-bed suspended sediment concentration（SSC）（obtained by AS M）（b），depth-averaged SSC（obtained by O BS）within 0.05 to 0.5 m above the bed（c），and depth averaged sediment transport rate within 0.5 m above the bed，with SSC obtained by O BS（d）

需要指出的是，尽管通过O BS观测结果与同步的AS M观测结果对比，发现两种仪器测量的悬沙浓度值在细节上有一定差异，但是两者展示的潮周期内悬沙浓度变化的模态基本相吻合（图7a），对典型潮周期T7内两者观测结果做线性相关分析发现，相关系数达0.91（图7b）。

4.6悬沙输运

图6　风暴和平静天气下潮周期平均悬沙浓度剖面对比Fig.6 Comparison between suspended sediment concentration profiles in storm and calm weathers

近底0.05～0.5 m水层悬沙输运率的分析结果表明，向-离岸分量明显小于平行岸（沿岸）分量（图5d）。平均而言，沿岸悬沙输运分量约是向-离岸分量的3倍。这表明研究区近底部边界层内悬沙输运方向以沿岸方向为主，反映了长江口与杭州湾的悬沙交换。悬沙输运的向-离岸分量表现为涨潮向陆、落潮向海的特点，其沿岸分量表现为涨潮向湾内、落潮向湾口的特点。风暴与平静天气下的悬沙输运平行岸分量过程线均表现出一定的涨、落潮不对称性，这种不对称性在风暴前（T1～T2潮周期）、风暴中（T4 ～T6）和风暴后（T7～T9）的特点有所不同（图5d），这可能反映了风速、风向在3个阶段的变化（图4a）。风暴期间的涨、落潮累积输运量明显大于平静天气。例如，T5的潮周期累积悬沙输运量分别是T1和T9 的3.2和3.9倍。风暴期间的悬沙输运具有大进（向湾内）大出（向湾口）的特点，潮周期净输运（相对于潮周期累积输运量而言）不十分明显（图5d）。

图7　典型潮周期（T7）O BS与AS M观测悬沙浓度结果对比Fig.7 Comparison of suspended sediment concentration obtained by O BS and AS M during typical tidal cycle（T7）

5　讨论

不同时间尺度的悬沙浓度与悬沙输运变化具有不同的控制因素［10—11，15］。悬沙浓度与悬沙输运率在潮周期内的变化主要受天文潮引起的水位波动和流速流向变化控制［19，21—22］。对比台风前（T1）、台风中（T5）与台风后（T9）典型潮周期水动力与悬沙浓度变化过程，潮周期平均悬沙浓度从T1向T5增大、继而向T9减小的显著变化主要受风浪控制（图8）。降雨过程（特别是暴雨）对潮间带（特别是光滩）滩面的侵蚀造成的冲刷形成的浊流对水边线浅水层（潮锋阶段）浊度的影响也不可忽视，对比图4b与图5c可以发现，T6涨潮初低水位阶段的高浊度可能与此阶段强降雨过程有关。

风暴期间底床沉积物与水体悬沙交换的剧烈程度明显大于平静天气。风暴期间近底0.5 m平均悬沙浓度以及悬沙输运率的增大反映海底大量细颗粒泥沙的再悬浮，而这种再悬浮是由于风把大量能量传递给了水体，增大有效波高，同时产生风生流增加水体流速，使浪-流联合底床剪切应力剧增且显著大于底床临界侵蚀剪切应力，进而导致底床侵蚀，大量细颗粒泥沙进入水体。本研究中利于风浪发育的向岸风则增强了这一过程。此外，由于测点位于强潮海岸，流速较大（图8c），风暴期间悬沙浓度及悬沙输运率的增大既有测点泥沙再悬浮的贡献，也有别处再悬浮的泥沙平流输送而来的贡献。风暴导致的水体能量剧增，还使得水体中沉积物在强烈的紊动混合作用下被卷入水体上部，表现为潮周期内平均悬沙浓度剖面显著高于平静天气，且风暴期间高潮位低流速时段，大量泥沙能够聚集在底部而不因重力作用沉降，形成数十厘米厚的浮泥层（图5b）。风暴期间潮周期悬沙输运的累积量显著大于平静天气，而悬沙没有明显的净输运趋势，主要原因是因为风暴期间流向变化较为频繁，各个方向的流速都有显著增大。

风暴过程中潮滩底床侵蚀深度可达数十厘米，观测中测得风暴期间研究区滩面有10～30 cm的刷低，这对底栖生物可造成致命打击［33］。Katrina飓风期间造成的美国路易斯安娜海底侵蚀泥沙达1.3亿吨，相当于密西西比河全年的入海泥沙量［24］。悬沙浓度是水质的重要指标。风暴期间悬沙浓度增大必然导致水体的透光性减弱，从而影响光合作用和水生态系统。风暴后的快速淤积往往不是发生在原来的侵蚀位置［24，33—34］。风暴后港口航道的快速淤积往往影响通航条件［35］；风暴后海岸盐沼湿地中的强淤通常会被永久地保留下来，有些盐沼的淤积主要来源于风暴期间带来的泥沙［36］。

图8　台风前（T1）、中（T5）、后（T9）典型潮周期水动力和悬沙浓度（O BS）过程对比Fig.8 Comparison of suspended sediment concentration （O BS）and impact factors before，during and after storm

由于本文获取风速的芦潮港海洋站与观测点有一定距离，以及气象站风速数据时间间隔为1 h，观测期间实际发生的最大风速很可能大于上述的19.1 m/s。不过，即便2014年“凤凰”台风经过长江三角洲时的风速超过20 m/s，也不算最强的风暴。国内外海岸曾经历过不少更强的风暴。例如，1997年11号台风在浙江海岸登陆时最大风速达54 m/s；2005年袭击美国路易斯安海岸的Katrina飓风最大风速超过50 m/s［34］；2000年“派比安”台风从上海南汇登陆时最大风速也达30 m/s［24］。因此，极端情况下风暴和平静天气悬沙浓度的悬殊差异有可能远远超过本文观测到的3～4倍。

研究区属于强潮海岸，在风况不变的条件下，悬沙浓度的大小潮变化较明显［14］。如上所述，本文观测期间的天文潮差从T1到T9潮周期增大了1.1 m（图8a）。换言之，本文风暴中悬沙浓度明显高于风暴前的悬沙浓度除了与风浪增大有关外，还与潮差增大有一定关系；而若没有潮差增大的影响，风暴中与风暴后悬沙浓度的差异将会更加悬殊。

6　结语

研究时段内天文潮差从T1潮周期的3.16 m逐渐增至T9潮周期的4.26 m，即“凤凰”台风期间（以T5～T6潮周期）的天文潮差介于台风前、后。“凤凰”台风期间与台风前、后相比，风速增大3～4倍左右，波高增大2～3倍，流速增大约1倍，波-流联合剪切应力增大3～4倍，悬沙浓度增大2～3倍，悬沙输运量增大3～4倍。悬沙浓度和悬沙输运的这种强烈变化其根本动力机制是风暴把巨大能量传递给近岸水体，形成大浪，进而显著增大波-流联合底床剪切应力，导致细颗粒泥沙再悬浮。

致谢：参加野外工作的还有研究生王如生、陆叶峰、朱强、杨天等，谨致谢忱！

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Variations of suspended sediment concentrations and transportin response to a storm and its dynamic mechanism——A study case of Nanhuitidalflat of the Yangtze River Delta

Miao Limin1，Yang Shilun1，Zhu Qin1，Shi Benwei2，Li Peng3，W u Chuangshou4
（1.State Key Laboratory of Estuarine and Costal Research，East China Normal University，Shanghai 200062，China；2.Geographicand Oceanographic Sciences，Nanjing University，Nanjing 210093，China；3.Forecasting Centers of East China Sea，State Oceanic Administration，Shanghai 200136，China；4.Zhejiang Institute of Hydraulics and Estuary，Hangzhou 310020，China）

Abstract：Suspended sediment concentration（SSC）is an important environ mentalindex of muddy coasts.To understand the response of the suspended sediment concentration and suspended sediment transport on tidal flat to a certain storm event，we carried outinsitu measurements of water depth，wave height，near-bed velocity and SSC profiles in high resolution on an intertidal mudflat of Nanhui Spit，which is on the delta front ofthe Yangtze River，China.The measurementslastfor 9 tidal cycles，covering pre-，intra-and post-“Fung-wong”typhoon.The results show that：（1）mean and max wave heights，bed shear stress，SSC and suspended sediment transport rate during storm condition were several times higher than those in calm weather；（2）in storm condition，a fluid mud layer （SSC＞10 g/L）in the thickness of tens of centimeters developed during slack water at high tides，resulting from settling of suspended sediment.W e conclude thatthe drastic variation of suspended sediment concentration in muddy coastal areasis caused by enhanced energy in the water colu mn caused by storm，leading to increasing combined wave-current bed shear stress，which leads to bed sediment resuspension.

Key words：storm；tidal flat；suspended sediment concentration；suspended sediment transport；bed shear stress under combined wave-current action；fluid mud；Yangtze River Delta

*通信作者：杨世伦，教授，博士生导师，主要从事河口海岸沉积动力学和地貌学研究。E-mail：slyang＠sklec.ecnu.edu.cn

作者简介：苗丽敏（1988-），女，山东省菏泽市人，主要从事潮滩沉积动力学研究。E-mail：miaolimin0820＠163.com

基金项目：国家自然科学基金项目（41576092，41130856）。

收稿日期：2015-07-28；

修订日期：2015-10-14。

中图分类号：T V148；P343.5

文献标志码：A

文章编号：0253-4193（2016）05-0158-10