长江口北槽下游河道悬沙浓度垂向分布特征研究

李 远,李占海,张 钊, 王智罡,姚弘毅

(华东师范大学河口海岸学国家重点实验室,上海 200062)

长江口北槽下游河道悬沙浓度垂向分布特征研究

李 远,李占海,张 钊, 王智罡,姚弘毅

(华东师范大学河口海岸学国家重点实验室,上海 200062)

根据2013年10月26日至11月9日在长江口北槽下游河道从小潮到大潮连续14 d的现场定点水沙观测数据,对北槽下游河道悬沙浓度的垂向分布特征进行了研究,并探讨了盐度梯度和流速大小潮变化对悬沙浓度分布的影响.结果表明,北槽下游河道的水动力条件存在显著的大小潮差异,小潮具有流速弱、悬沙浓度低、盐度梯度大、盐度分层显著的特点,而大潮则具有流速强、悬沙浓度高、盐淡水混合程度高、盐度分层弱的动力特点.受较大盐度梯度和弱流速的影响,小潮期间的悬沙浓度分布主要为阶梯型和L型,强盐度密度分层使悬沙难以扩散到水体表层,高浓度悬沙仅出现在水体中下部.在强流速和弱盐度分层的影响下,大潮期间的悬沙浓度分布主要为线性分布,悬沙能够扩散到水体表层,盐度密度分层对悬沙浓度分布的影响显著削弱,在落潮后期悬沙浓度分布表现为典型的垂线型分布,悬沙在水体中充分混合.研究表明,小潮和大潮的悬沙浓度分布基本偏离Rouse分布,仅在小潮落憩时刻符合.在大潮期间,实测的线性分布都很好地符合Soulsby公式,利用该公式能够很准确地预测这些浓度分布.

悬沙浓度分布; 盐度梯度;Rouse公式;Soulsby公式; 长江口

0 引 言

河口处于河流与海洋的交汇地带,在径流、潮汐以及盐水入侵和混合的共同作用下,河口区域的水动力过程复杂,泥沙运动剧烈,悬沙浓度沿垂向上的分布形态和时空变化复杂多变.研究河口悬沙的垂向分布特征与机理在揭示河口泥沙的运动扩散机制、科学预测悬沙输运通量、研究河槽冲淤过程及航道疏浚等方面具有重要的科学意义和应用价值.

在河口与海岸地区,关于不同沉积动力环境下的悬沙浓度垂向分布特征,国内外学者目前已开展了较多的研究工作.包括近底层高浓度悬沙成因[1-2],近底层高含沙层动力过程的数学模型[3-5],不同波浪类型作用下的悬沙浓度分布,对流和扩散共同作用下的悬沙浓度分布等[6-7].长江河口是我国最大的河口,也是世界上的著名河口.长江河口的泥沙运移机制一直是国内外学者研究和关注的重要内容,许多研究工作主要集中在长江口悬沙在不同时空尺度上的变化特点和输运机制,最大浑浊带的形成与维持机理,盐水入侵过程及其沉积动力影响,河口黏性细颗粒泥沙的絮凝和沉降特点等方面[8-13].然而,关于河口最大浑浊带区域悬沙浓度垂向分布特征的研究和观测目前却开展很少,对于盐水入侵和水动力大小潮变化下的悬沙浓度垂向分布特点缺乏深入认识.长江流域来沙锐减以及河口大型工程是否会对长江河口的动力泥沙过程产生重要影响,近年来备受关注.本文的目的是利用在北槽下游河道一个大小潮周期的连续水文泥沙观测资料,重点分析和探讨悬沙浓度的垂向分布特征和大小潮变化特点,以及盐淡水混合和潮流大小潮变化对悬沙浓度分布形态的影响,并对Rouse公式和Soulsby公式在观测区域的适用性进行分析.

1 研究区概况

长江口呈三级分汊、四口入海之势,河口段地形复杂,水流分汊,河床冲淤多变,河口区域的动力泥沙环境十分复杂.长江口属于中等强度的潮汐河口,多年平均潮差为2.66 m.根据大通水文站的统计资料,长江流域的多年平均年径流量为8.88×108m3/a(1953—2013年),径流量具有明显的洪枯季变化,对河口的动力过程和涨落潮流速不对称等具有重要影响[8].在三峡大坝修建之前,长江流域每年向海的输沙量巨大,多年平均输沙量为4.27×108t/a.但在三峡大坝完工之后,长江流域的输沙量锐减,近年来的平均输沙量仅为1.43×108t/a[14].北槽内建有大型深水航道工程,该工程始于1998年,在2010年3月通过12.5 m航道水深验收.深水航道工程改变了北槽的边界条件,对北槽内的动力过程、泥沙运动及河道冲淤演变等存在较大影响.北槽是长江水沙入海的重要通道,在径流、潮流以及航道工程的共同作用下,北槽内的水动力强,洪季大潮的实测最大流速超过3.0 m/s.受重力环流和潮汐变形的影响,北槽内的悬沙浓度高,盐水入侵显著,有最大浑浊带发育,实测最大悬沙浓度高达30～40 kg/m3[15].

2 数据来源

为了研究悬沙浓度垂向分布特征及其变化机理,2013年10月26日—11月9日在长江口北槽下游河道(东经122°13.05′,北纬31°9.90′)开展了一个大小潮周期的定点连续水文泥沙观测(见图1),获得了从小潮到大潮连续的流速、流向、盐度和悬沙浓度等资料.野外观测期间,使用声学多普勒流速仪ADCP(1200 kHz)进行流速和流向观测;在每个整点时刻使用光学后向散射浊度计OBS-3A进行浊度、盐度和水温的垂线观测,采集悬沙浓度、盐度和水温的垂向分布数据;使用横式采水器按六点法采集悬沙水样,即表层、0.2 H、0.4 H、0.6 H、0.8 H和底层(H为水深,表层指水体表面,底层指距底床高度0.4 m处),采样频率为每小时一次.在实验室内对采集到的水样进行盐度测试,然后对水样经过滤、烘干、称重后得到悬沙数据.

图1 研究区域及观测站位图Fig.1 Sketch of the study area and location of the observational station 1

3 研究结果

为了研究悬沙浓度的垂向分布特征,对北槽河道大、小潮期间流速、盐度和悬沙浓度的时间变化过程(见图2),以及涨、落潮阶段悬沙浓度、盐度和流速的垂向分布分别进行制图(见图3—6),整体来看都基本遵循大型潮汐河口水沙盐分布及变化规律.目前北槽受人造工程的控制和影响显著,加之不断实施的航槽浚深,由此改变了河槽地形地貌形态,并影响了水流和盐度尤其是悬沙浓度的垂向分布结构.

3.1 潮流基本特性

如图2所示,在一个潮周期里,落潮历时长于涨潮历时,落潮流速强于涨潮流速,潮流流向以平行主槽走向为主.在一个大小潮周期中,大潮流速显著强于小潮流速,前者平均为后者的2倍.小潮期间,涨急时刻出现在高潮位附近,垂向最大流速为0.63 m/s,出现在中上部水层,此时的表层流速则相对较小.落急时刻出现在低潮位附近,垂向最大流速为1.71 m/s,出现在水体表层,落潮期间流速强度从表层至底层不断减弱.在大潮时期,涨潮最大流速出现在中潮位附近,位于水体的中上层.落潮阶段的最大流速为2.39 m/s,出现在水体表层.涨、落憩一般发生在高、低潮位后1∼2 h.总之,在一个小潮至大潮周期过程中,涨潮与落潮在流速强度、历时和最大流速的出现位置等方面存在明显差异.

图2 小潮和大潮期间流速、盐度和悬沙浓度在潮周期内的变化过程Fig.2 Time series of current velocity,salinity and suspended sediment concentration at station 1 on a neap/spring tide

3.2 盐度基本特性

在小潮和大潮期间,盐度的潮周期平均值分别为21.2 psu、19.8 psu,小潮的平均盐度略高于大潮.在一个潮周期内盐度的涨落潮不对称性十分明显(见图2),落潮阶段的盐度明显低于涨潮阶段,盐度最大值出现在涨急时刻.小潮时期,表层盐度平均为8.3 psu,底层盐度平均为28.5 psu,垂向上由表层向底层盐度显著增加.小潮期间表底层盐度相差较大,由盐度导致的密度分层十分显著,强烈的盐度密度分层会对小潮期间悬沙的垂向扩散产生很强的抑制作用.大潮时期较强的潮流作用使盐淡水的垂向混合作用增强,在潮周期内的大部分时间里,表层与底层的盐度相差很小,盐度垂向梯度接近于零,对大潮悬沙的垂向扩散作用影响很小.小潮期间的盐淡水混合弱,在底部水层存在明显的盐淡水异重流,它对北槽内的水动力过程及悬沙垂向分布具有重要影响.

3.3 悬沙浓度基本特性

在涨落潮期间,泥沙在水动力作用下处于不断地悬浮、沉降、再悬浮的运动过程中.在观测站位所在的北槽下游河道,在科氏力作用下,北侧涨潮期间潮动力相对较强,因此出现了悬沙浓度涨潮大于落潮、大潮高于小潮的时间变化特点.小潮期间的悬沙浓度整体很低,潮周期平均浓度仅为0.17 kg/m3,近底最大浓度为0.73 kg/m3.大潮期间的潮周期平均浓度为0.78 kg/m3,悬沙浓度的峰值出现在涨潮初期,近底最大浓度达2.45 kg/m3,涨潮初期悬沙浓度峰的形成跟盐水入侵过程密切相关.从表1可知,在大潮和小潮期间,悬沙浓度均从表层至底层逐渐增大.在小潮的涨、落潮阶段,从表层至0.4 H层悬沙浓度很低且随时间变化较小,从0.6 H层开始浓度明显增加,并随深度向下增大.在大潮涨潮阶段,悬沙浓度从表层至底层呈均匀增加;在落潮阶段表层浓度较小,0.2 H层至底层的浓度相对较大,垂向上呈缓慢增加趋势.

表 1 涨、落潮平均悬沙浓度统计表Tab.1 Statistics of mean suspended sediment concentration during flood and ebb tides kg·m−3

3.4 悬沙浓度的垂向分布特征

在一个典型的小潮和大潮期间,悬沙浓度和相应的盐度、流速在涨落潮期间的垂向分布形态和时间变化过程如图3—6所示.从这些图可以看出,随着流速和盐度的变化,悬沙浓度分布曲线在涨、落潮阶段表现出不同的形态特征,主要有阶梯型、L型、斜线型和垂线型4种形态.

小潮涨潮阶段悬沙浓度的垂向分布形态如图3所示,悬沙浓度在垂向上呈阶梯型分布,该类型分布在小潮涨潮18:00最为典型,上部水层的悬沙浓度很低且随时间变化很小,中层为过渡层,悬沙浓度在该层显著增大,下部水层的悬沙浓度最高.该类型分布在垂向上存在明显的浓度拐点,其垂向分布形态与字母“h”相似.从图3可知,在整个涨潮阶段,浓度拐点的位置随时间不断变化,在涨潮初期位于0.7 H层,在涨急时上升到0.4 H层,之后又不断下降.在涨憇时段(21:00),由于流速较小和悬沙下沉,由表层至底层悬沙浓度呈指数增加,该分布形态与时钟[16]在北槽口外观测到的“指数型”分布相似.

小潮落潮阶段的悬沙浓度分布如图4所示,主要以L型分布为主,悬沙浓度在垂向上表现出明显的双层结构,下层悬沙浓度显著高于上层,悬沙浓度分布在垂向上也存在明显的浓度拐点.受流速增加及再悬浮的影响,从落潮初期至落急时刻,下层悬沙浓度不断增加,而上层悬沙浓度随时间变化很小,依然保持着较低水平,接近于背景浓度,悬沙浓度分布在垂向上表现为明显的双层结构.从图4可知,浓度拐点的位置随时间不断变化,在流速较小的落潮初期,浓度拐点出现在近底床的0.9 H层,之后随落潮流速增加而快速上升,在落急时刻浓度拐点上升到0.4 H层附近,该变化反映了悬沙在潮流作用下向上的扩散过程.在流速最小的落憩时段,悬沙浓度分布仍然表现为L型分布.

图3 小潮涨潮阶段(2013.10.2916:00—21:00)悬沙浓度、盐度和流速垂向分布图Fig.3 Vertical profiles of current velocity,salinity and suspended sediment concentration at the flood tide on a neap tide

图4 小潮落潮阶段(2013.10.2922:00—2013.10.304:00)悬沙浓度、盐度和流速垂向分布图Fig.4 Vertical profiles of current velocity,salinity and suspended sediment concentration at the ebb tide on a neap tide

在整个小潮期间,绝大多数的悬沙浓度分布都属于阶梯型和L型分布,二者的出现频率高达92%.阶梯型和L型分布的共同特点是悬沙浓度分布在垂向上具有明显的不连续性,上部水层与下部水层在浓度水平和浓度梯度上都存在显著差异(见图3和4).小潮的高浓度悬沙主要出现在0.5 H以下水层,在强盐度密度分层的影响下,较弱的水动力条件和扩散作用使下层高浓度悬沙难以扩散到上部水层,这是造成阶梯型和L型悬沙浓度分布出现的主要原因.

大潮期间,在涨潮大部分时间里悬沙浓度分布以线性分布为主,由水体表层至底层悬沙浓度呈线性增加(见图5).线性分布的出现说明在大潮强动力作用下悬沙能够扩散到水体表层,盐度密度分层对悬沙分布和扩散的影响大幅度减弱.在涨潮阶段的9:00和11:00,悬沙浓度分布以0.5 H为界表现出明显的双层分布(见图5),上层水体的悬沙浓度低、浓度梯度较大,下层水体的悬沙浓度高、浓度梯度很小.在上层和下层水体中,悬沙浓度分布都表现为明显的线性分布.另外,盐度分布在0.5 H处也出现了一定的变化(见图5),对于这两个时刻悬沙浓度分布的成因目前尚不太清楚,有待今后进一步研究.

图5 大潮涨潮阶段(2013.11.58:00—13:00)悬沙浓度、盐度和流速垂向分布图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内,除了表层水体外(0.0～0.2 H),由0.2 H至底层悬沙浓度分布整体上表现为斜线形态或垂线形态,悬沙浓度随深度趋于增加(见图6).在落潮后3 h内,由表层至底层悬沙浓度几乎保持一致,悬沙浓度分布呈一条垂线(见图6).斜线型和垂线型分布在大潮期间的出现频率分别约为50%和30%,前者的浓度梯度大于后者.垂线型分布的浓度梯度接近于零,说明悬沙颗粒在整个水层中充分混合.此外,在落潮后半时段盐度分布也呈垂线分布(见图6),盐度梯度几乎为零,这进一步表明在该时段水体的垂向混合作用很强.

垂线型悬沙浓度分布的产生机理除了跟强烈的悬沙垂向混合作用有关外,还跟底床上可侵蚀泥沙的数量不足有关.研究资料表明[17],北槽下部区域目前正发生着侵蚀作用,它导致底床上可侵蚀、易悬浮的表层泥沙数量较少.大潮期间北槽内的实测最大流速可达3.0 m/s[15],在强烈的水动力作用下,底床上的易悬浮泥沙快速悬浮并在水体中充分混合.在落潮中后期底床上可供悬浮的泥沙数量已经很少或消失,由水流与底床摩擦所产生的强紊动能量主要用于悬沙在水体中的扩散作用.近几年来,作者在北槽内的底质调查显示,在研究区附近采集的底质泥沙主要为固结较好的粘性泥沙,粘性固结泥沙的出现一方面表明该区域正在发生侵蚀,另一方面也说明底床上易悬浮泥沙的数量较少.

图6 大潮落潮阶段(2013.11.514:00–19:00)悬沙浓度、盐度和流速垂向分布图Fig.6 Vertical profiles of current velocity,salinity and suspended sediment concentration at the ebb tide on a spring tide

4 讨 论

4.1 流速对悬沙浓度分布的影响

潮流流速是影响河口悬沙浓度分布的重要动力因素.以往研究表明,底质泥沙的再悬浮作用和悬沙垂向扩散系数都与流速强度呈正比,流速越强,再悬浮强度和悬沙扩散系数就越大,反之二者就越小,同时流速强度也是影响水体分层强度的决定性因素[18].此外,潮流的加速或减速同样影响着河口悬沙颗粒的絮凝和沉降速度,从而对悬沙浓度分布产生影响[19].因此,流速强度及其时间变化过程对河口悬沙浓度分布有着十分重要的影响.在本次观测期间,流速具有明显的大小潮变化,它对大小潮期间悬沙浓度垂向分布存在显著影响.

从图3和图4可知,在小潮的涨落潮过程中,随着流速的增强,近底层悬沙浓度和单位面积水柱内含有的泥沙总量都不断增加,悬沙量这种变化主要是底床泥沙再悬浮的作用结果.泥沙悬浮以后,在潮动力作用下不断向上部水层扩散,其扩散过程十分明显.比如在落潮初期,浓度拐点处于近底0.9 H附近,到落急时段浓度拐点则上升到0.4 H附近,浓度拐点在水层中的位置变化反映了悬沙在潮流作用下的向上扩散过程.由于小潮期间的水动力整体偏弱,盐度密度分层在整个潮周期内始终存在,强密度分层致使小潮悬沙始终无法扩散到水体表层,大部分悬沙聚集在水体中下部,这是造成小潮悬沙浓度分布主要呈阶梯型和L型分布的重要机理.

大潮期间的潮流强度显著增加,水体扩散作用随之增强,盐淡水垂向混合均匀,图5和6显示盐度梯度在潮周期内的大部分时间里都很小,盐度分层作用微弱.因此,大潮期间的强流速显著削弱了盐度梯度,使盐度密度分层对悬沙浓度分布的影响变得很小.泥沙再悬浮通量跟流速的二次方呈正比[18],大潮期间的强流速使底质泥沙大量悬浮,造成大潮期间的悬沙浓度显著高于小潮.强潮流作用下的强烈水体紊动和扩散使悬沙颗粒能够顺利的扩散到水体表层,悬沙浓度分布表现出很强的连续性,不像小潮那样出现明显浓度拐点,浓度梯度沿垂向上变化很小(见图5和6).在大潮落潮后期,受可悬浮泥沙数量不足的影响,强烈的扩散作用使悬沙颗粒在水体中充分混合,使悬沙浓度分布表现出典型的垂线型分布.总之,大潮强流速引起的强悬沙扩散和弱盐度分层是造成斜线型和垂线型悬沙浓度分布形成的重要动力基础.

简而言之,潮流强度的显著大小潮变化使得北槽下部区域的盐淡水混合程度、再悬浮作用、悬沙垂向扩散强度和悬沙浓度分布形态等产生显著的大小潮差异.弱潮流动力是导致小潮期间悬沙浓度低、盐淡水混合弱、悬沙浓度分布呈阶梯型和L型分布的重要原因.强潮流流速是造成大潮盐淡水混合均匀、悬沙扩散作用强、盐度密度分层对悬沙浓度分布影响微弱,以及悬沙浓度分布主要呈线性分布(包括斜线型和垂线型分布)的主因.

4.2 盐度梯度对悬沙浓度分布的影响

本研究区位于北槽下游河道的北侧水域,受盐水入侵影响显著.为了分析观测期间盐淡水的混合程度,本文对大小潮期间的盐度分层系数进行了计算.盐度分层系数的表达分别为测点处水体底层和表层盐度,S为垂线平均盐度.当N ＞1时,水体属于弱混合型,即高度分层;当0.01＜N＜1时,水体属于缓混合型;N＜0.01时,水体为强混合型.测点处盐度分层系数的计算结果如图7所示.小潮期间的盐度分层系数平均为0.8,水体呈部分混合和弱混合状态;大潮期间的盐度分层系数平均为0.2左右,部分时段水体属于缓混合型,部分时段属于强混合型.图7揭示,在北槽下部区域盐淡水混合状态存在显著的大小潮差异,潮流流速的大小潮变化是导致这种差异的主要原因.在世界上的其他一些河口,受到潮流强度的大小潮变化所影响,盐淡水混合程度同样也存在着明显的大小潮差异.大、小潮悬沙浓度垂向分布曲线形态出现明显的差异性,与盐淡水混合程度不同及其产生的水体垂向密度分布密切相关.

小潮期间的盐度梯度较大,平均值为1.56 psu/m,并且盐度梯度沿垂向分布不均.盐度梯度的垂向分布情况对悬沙扩散和悬沙浓度分布形态存在重要影响.从图3可知,在小潮涨潮期间,从0.6 H层至底床盐度垂向混合均匀,盐度梯度接近于零,在该水层里盐度密度分层对悬沙浓度分布的影响较小.从0.6 H层至水体表层,盐度梯度显著增大,悬沙的垂向扩散受到强烈抑制,底部的高浓度悬沙难以穿越该层向上部扩散.在小潮落潮期间,盐度梯度的垂向变化情况与涨潮相似,以0.6 H为界,上部水层的盐度梯度明显大于下部,受其影响,高浓度悬沙主要集中在0.6 H以下水层,0.6 H以上水层的浓度则很低.总体而言,较大的盐度梯度对小潮期间悬沙的垂向扩散具有很强的抑制作用,盐度梯度的垂向变化对悬沙浓度分布形态有重要影响,是造成悬沙浓度分布在小潮期间呈阶梯型和L型分布的重要因素.

图7 小、大潮期间盐度分层系数N在潮周期内的变化Fig.7 Time series of calculated salinity stratification coefficient N on a neap/spring tide

受大潮期间的强流速所影响,大潮时的盐度梯度显著小于小潮,大潮盐度梯度的平均值仅为0.3 psu/m.盐度梯度跟水体分层强度成正比[21],盐度梯度越小,意味着它对悬沙垂向扩散的抑制作用越弱.从图5和6可知,在涨潮阶段和落潮前半时段,盐度梯度都较小且垂向分布均匀,在该条件下悬沙浓度分布在垂向上主要呈斜线分布.在落潮后半时段,盐度梯度几乎为零,此时悬沙浓度分布呈垂线型分布.总体而言,大潮期间的盐度梯度小,由其产生的密度分层弱,盐度梯度对悬沙垂向扩散和悬沙浓度分布形态的影响很小,并显著弱于小潮.

4.3 悬沙浓度垂向分布的经验预测

4.3.1 Rouse公式的大小潮适用性

定量分析和表达悬沙浓度的垂向分布是河口海岸沉积动力学面临的一个重要科学问题,国内外很多学者对此都非常关注[16,18].在二维恒定均匀流的情况下,当悬沙向下的沉降通量与向上的扩散通量相等时,悬沙浓度的垂向分布可用Rouse公式定量表达[22]:

式中,C为距底床z处的悬沙浓度,Ca为参考悬沙浓度,a为参考距离,h为水深,Z=w/kus定义为泥沙悬浮指标,k=0.4为Karman常数,us为底床的摩阻流速.

假定悬沙沉降速度沿垂向恒定,对Rouse公式等号两侧取自然对数,可得:

其中,A=lnCa+Zln[a/(h−a)].在野外环境下,当悬沙浓度分布符合Rouse公式时,lnC与ln[(h−z)/z]将具有很好的线性关系,二者的相关系数会很高,反之相关系数会很低.利用在北槽下部的大小潮实测水沙资料,对其进行线性回归分析.结果显示,在小潮和大潮的大部分时间里,lnC与ln[(h−z)/z]的线性相关系数为0.01∼0.58,相对较低,说明这些时段的悬沙浓度垂向分布明显偏离Rouse分布.仅在小潮的21:00和22:00,拟合的相关系数达到最大,其平均值为0.934,说明这些时段里实测悬沙浓度分布较为符合Rouse分布,这些分布占小潮分布总数的15%.

4.3.2 Soulsby公式的大小潮适用性

基于对实测资料的分析,Soulsby提出了一个利用表层和底层悬沙浓度来预测悬沙浓度分布的经验性公式[23],其表达式如下:其中,Cz为距底床高度为z处的悬沙浓度,Rc为近底悬沙浓度Cb与表层悬沙浓度的比值,h为水深.该表达式主要适用于悬沙浓度在垂向上呈线性分布的情况.利用本文实测的表底层悬沙浓度和式(3),对大潮期间的悬沙浓度分布进行预测.预测结果显示,在大潮的绝大部分时间里,式(3)计算出的悬沙浓度分布与实测分布非常一致,尤其是在悬沙浓度分布呈斜线和垂线分布时(见图8),式(3)预测的悬沙浓度分布与实测分布的相对误差仅为0.9%.仅在大潮期间的9:00和11:00,式(3)预测分布与实测分布的误差相对较大,平均为28.6%,与两个时段的悬沙分布呈两段式分布有关.总体来看,Soulsby公式对线性型和垂线型悬沙分布具有非常高的预测精度.

图8 Soulsby公式预测结果图Fig.8 Vertical suspended sediment concentrations profiles predicted by the Soulsby equation

5 结 论

本文基于在长江口北槽下游河道获得的水文泥沙定点观测资料,通过对悬沙浓度、盐度、流速的垂向分布进行分析,得到以下认识.

在北槽下游河道区域,大小潮期间的水动力环境差异显著,小潮流速弱、盐淡水混合程度弱、盐度梯度大且盐度分层显著,而大潮期间则有流速强、盐淡水混合程度高、盐度梯度很小及盐度分层微弱的特点.水动力环境的大小潮差异对研究区域内悬沙浓度的大小潮分布特征和变化机理具有决定性影响.

受弱流速和强盐度分层的影响,小潮期间的悬沙浓度分布主要表现为阶梯型和L型,前者主要出现在涨潮,后者出现在落潮,二者在潮周期内的出现频率大于90%.阶梯型和L型分布的共同特点是高浓度悬沙出现在水体中下层,上部水层浓度很低,由于强盐度密度分层的抑制作用,下部高浓度悬沙难以扩散到上部水层,浓度分布曲线上存在明显的浓度拐点.强盐度分层以及盐度梯度沿垂向上的分布对小潮悬沙浓度的垂向分布形态具有很强的影响.

在强流速和弱盐度分层的影响下,大潮期间的悬沙浓度分布主要为线性分布,包括斜线型分布和垂线型分布,二者的出现频率为80%.线性分布的特点是悬沙浓度梯度在垂向上保持不变,悬沙在强动力作用下能够顺利地扩散到水体表层.垂线型悬沙浓度分布出现在大潮落潮后半时段,该类型分布的出现跟水体的强混合作用以及底床可侵蚀泥沙数量不足有关.大潮期间,盐度密度分层对悬沙浓度分布的影响很弱.

对各实测悬沙浓度分布的统计分析表明,小潮和大潮期间lnC与ln[(h−z)/z]的线性关系较差,绝大多数的悬沙浓度分布都显著偏离Rouse分布.根据Soulsby公式和实测表底层悬沙浓度数据对悬沙浓度分布进行预测,结果表明在大潮期间Soulsby公式的模拟精度很高,与实测分布非常接近.

[1] SCHUBEL J R.Turbidity maximum of the northern Chesapeake bay[J].Science,1968,161:1013-1015.

[2] KIRBY R,PARKER W R.Distribution and behavior of fine sediment in the Severn Estuary and Inner Bristol Channel,VK[J].Canadian Journal of Fishery and Aquatic Sciences,1983,40:83-95.

[3] ROSS M A,MEHTA A J.On the Mechanics of Lutoclines and Fluid Mud[J].Journal of Coastal Research,1989,5(Special 5):51-62.

[4] SMITH T J,KIRBY R.Generation,stabilization and dissipation of layered fine sediment suspensions[J].Journal of Coastal Research,1989,27(1):63-73.

[5]WOLANSKI E,ASAEDE T,IMBERGER J.Mixing across a lutocline[J].Limnology and Oceanography,1989,34:931-938.

[6] WILLIAMS J J,ROSE C P,THORNE P D,et al.Field observations and predictions of bed shear stressesand vertical suspended sediment concentration profiles in wave-current conditions[J].Continental Shelf Research,1999,19(4):507-536.

[7] HILL P S,NOWELL A R M,JUMAR P A.Flume evaluation of the relationship between suspended sediment concentration and excess boundary shear stress[J].Journal of Geophysical Research,1988,93:12499-12509.

[8] LI Z,WANG Y,CHENG P,et al.Flood-ebb asymmetry in current velocity and suspended sediment transport in the Changjiang Estuary[J].Acta Oceanologica Sinica,2016,35(10):37-47.

[9] LI Z,LI M Z,DAI Z,et al.Intratidal and neap-spring variations of suspended sediment concentrations and sediment transport processes in the North Branch of the Changjiang Estuary[J].Acta Oceanologica Sinica,2015,34(1):137-147.

[10] 沈焕庭,李九发,朱慧芳,等.长江河口悬沙输移特性[J].泥沙研究,1986(1):1-13.

[11] 时钟.长江口细颗粒泥沙过程[J].泥沙研究,2000(6):72-80.

[12] 时钟,凌鸿烈.长江口细颗粒悬沙浓度垂向分布[J].泥沙研究,1999(2):59-64.

[13] 李九发,时伟荣,沈焕庭.长江河口最大浑浊带的泥沙特性和输移规律[J].地理研究,1994(1):51-59.

[14] 中华人民共和国水利部.中国河流泥沙公报[M].北京:中国水利水电出版社,2015.

[15] 王智罡.近期长江口北槽悬沙时空变化及输运过程研究[D].上海:华东师范大学,2016.

[16] SHI Z,REN L F,LIN H L.Vertical suspension profile in the Changjiang Estuary[J].Marine Geology,1996,130:29-37.

[17] 潘灵芝,丁平兴,葛建忠,等.长江口深水航道整治工程影响下北槽河床冲淤变化分析[J].泥沙研究,2011(5):51-59.

[18] DYER K R.Coastal and estuarine sediment dynamics[J].John Wileyamp;Sons Inc,1986(1):173.

[19] 时钟.河口海岸细颗粒泥沙物理过程[M].上海:上海交通大学出版社,2013.

[20] 茅志昌,沈焕庭,陈景山.长江口北支进入南支净盐通量的观测与计算[J].海洋与湖沼,2004,35(1):30-34.

[21] WANG X.Tide-induced sediment resuspension and the bottom boundary layer in an idealized estuary with a muddy bed[J].Journal of Physical Oceanography,2002,32(11):3113-3131.

[22] ROUSE H.Modern conceptins of the mechanics of turbulence[J].Trans Am Soc CivilEng,1937,102:436–505.

[23]WHITEHOUSE R,SOULSBY R,ROBERTS W,et al.5.Suspension of mud in the water column[J].Thomas Telford,2000:75-101.DOI:10.1680/doem.28647.0005.

(责任编辑:李万会)

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

国家重点研发计划项目(2016YFA0600904);国家自然科学基金(51479074,41176069)

李 远,女,硕士研究生,研究方向为河口海岸泥沙动力学.E-mail:ly910819@126.com.

李占海,男,副教授,研究方向为河口海岸沉积动力学.E-mail:zhli@sklec.ecnu.edu.cn.