潮滩表层沉积物临界起动切应力研究

2022-12-21张孝严

绿色科技 2022年22期

张孝严

(上海勘测设计研究院有限公司，上海 200335)

1 引言

潮滩位于海洋与陆地的交界地带，是海陆动力相互作用的敏感区域[1]。潮滩近岸高滩区生长有多种滨海植被，外海侧光滩区沉积物富含营养物质，为鸟类等生物提供了良好的生境，在海岸生态系统中起着重要的作用。潮滩与盐沼带共同作用，在削弱波浪、潮流能量，形成了一套天然的海岸防御体系的同时，其沉积过程也很大程度上受到了潮汐和波浪引起的水动力的控制，从而使得潮滩具有高度动态的特点[2]。伴随着海平面上升和人类活动的加剧，世界上几乎所有的淤泥质海岸都遭受不同程度的侵蚀[3,4]。潮滩对外在条件的变化呈现出的这种脆弱性，引发了人们对这一敏感生态系统未来可能退化的担忧。

潮滩稳定性的研究内容主要有垂向潮滩高程和平面潮滩沉积物2种。对垂向潮滩高程的研究主要是针对潮滩地形地貌的演变，在潮滩地形地貌演变过程中水动力和沉积动力过程起到了重要的作用，两者相互作用，在潮流动力的作用下沉积物产生悬浮、搬移、输运和沉积，进而促进了潮滩地形地貌的变化。对平面潮滩沉积物的研究主要关注沉积物输移和沉积物抗侵蚀能力，沉积物的净输移决定了潮滩所处的状态，侵蚀状态、淤积状态还是平衡状态，而潮滩表层沉积物落淤后的理化特性对随后施加于其上的外动力作用、潮滩的进一步发育有着不可忽视的影响，暗含了潮滩的内在稳定性(抗侵蚀能力)。目前，国内外学者们描述沉积物抗侵蚀性时主要用到两个参数：临界起动切应力和侵蚀速率[5]。在未达到侵蚀发生阈值范围内，临界起动切应力越大，沉积物抗侵蚀性越强，沉积物越不易发生侵蚀，而一旦水流或者波浪所产生的起动切应力超过临界侵蚀起动切应力，侵蚀现象便会发生[6, 7]。因此，研究潮滩表面沉积物抗剪强度对认识潮滩的地貌演变、沉积过程等具有重要意义。

徐元等[8]根据有效应力理论，选择沉积物抗剪强度作为潮滩稳定性指标分析潮滩稳定性，并提出潮滩内在稳定性(抗冲刷能力)概念。潮滩滩面沉积物临界起动切应力的测量主要有直接测量和间接测量两种方法。直接测量装置主要有黏结力仪[9]、直冲式冲刷水槽[10]、声学多普勒速度计[11]与循环水槽[12]。间接测量就是分析临界起动切应力的影响因素，建立影响因素与临界起动切应力的关系模型进行临界起动切应力计算。尽管直接测量方法可以对临界起动切应力进行原位测定，但是其操作流程繁琐、测量效率较低，只能做到点测量，不能反映临界起动切应力在空间上的分布状态。因此，学者们更加关注沉积物基本性质(如沉积物粒度组分、容重、含水量、液塑限、孔隙比、黏聚力、内聚力等)与临界起动切应力之间的关系，希望通过简单易测的基本性质指标计算获得临界剪切应力。

不同研究区，沉积物性质不同，临界起动切应力的主要影响因子不同。Bale等[11]的研究表明，沉积物容重与临界起动切应力有较好的正相关关系，沉积物的历经、含水量等对临界起动切应力的影响相对较弱；Wilbert等[13]的研究表明沉积物临界起动切应力和沉积物干容重之间近似渐近线关系；但是，Houwing[14]指出沉积物的临界起动切应力与容重和含水量之间均没有明确的关系；Tolhurst等[15]的研究中发现，在硅藻发育旺盛的区域，沉积物的临界起动切应力与沉积物干容重呈现负相关关系；Stevenes等[16]的研究表明，粗颗粒砂在沉积物中含量增加时，沉积物的临界起动切应力将会降低；Mitchener等[17]通过室内实验发现，细颗粒泥沙含量的增加将会提高临界起动切应力；郑杰文等[18]在黄河三角洲的研究结果表明沉积物组分与临界起动切应力具有较好的相关性。此外，也有一些学者指出生物活动也会对临界起动切应力产生较大影响。Yallop[19]、Paterson等[19]的研究表明生物因素对临界起动切应力具有显著的影响。Amos[21]、Grant[22]等通过现场实验得到结论：生物因素对潮滩临界起动切应力的影响不容忽视，其影响程度比沉积物组分含量、含水量等因素大。由于各研究区沉积物源及沉积环境不同，控制临界起动切应力的主要因素也不同，因此需要通过现场试验确定特定地区临界剪切应力的主要量化参数。

基于以上背景，本文以江苏沿海淤泥质潮滩为研究对象，通过野外现场土样采集和临界起动切应力原位观测数据，以探讨沉积物组分与临界起动切应力之间的关系，构建临界起动切应力的反演模型，丰富潮滩稳定性的研究方法。

2 材料与方法

2.1 研究区与采样

研究区位于江苏盐城斗龙港东南侧潮滩(图1)，研究区潮滩滩面平坦，坡度为0.01%～0.03%，平均宽度3～4 km，潮汐为不规则半日潮，近岸潮差2～4 m。滩面沉积物由陆向海颗粒逐渐变粗，潮间带上部和中部多为黏土和粉砂，潮间带下部和潮下带主要以砂为主。

于2019年9月13日，在研究区无植被覆盖的光滩区域采集了表层(<3 cm)沉积物样本，并同步进行临界起动切应力观测，共采集8组次沉积物样本及对应的原状沉积物临界起动切应力(图1)。

图1 研究区位置及采样点分布

2.2 沉积物颗粒分析

目前沉积物粒度测量多采用马尔文激光粒度分析仪，该测试方法具有样品需求少、测量速度快、精度高、结果重复性好、数据丰富、再编辑能力较强的优点。本研究在每次野外采样返回实验室后，采用实验室配备的马尔文3000激光粒度分析仪器(图2)对沉积物样品进行颗粒分析，颗分实验操作流程参考仪器指南和前人粒度测量前预处理方法[23]。

图2 马尔文3000激光粒度分析仪器

2.3 沉积物临界起动切应力原位观测

本研究采用英国Partrac公司生产的黏结力仪(CSM)进行潮滩临界起动切应力的原位测量，其测量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(图3)。

图3 临界起动切应力原位观测

3 结果与分析

3.1 临界起动切应力计算

剪切力作用于潮滩沉积物表面，沉积物悬浮使仪器探头舱内透光率T产生变化，冲刷水流产生的剪切应力计算公式为：

τ=67×[1-e(-P/310)]-195×[1-e(-P/1623)]

(1)

式(1)中，τ为喷射水流产生的剪切应力(Pa)，P为喷射强度(kPa)。

按照公式(1)将仪器喷射强度换算为水流的水平剪切应力，绘制透光率随水平剪切应力的变化曲线，图4为其中一个测量结果。随喷射强度的增加(水平剪切应力增加)，悬浮泥沙浓度增加，透射率逐渐降低。剪切应力与透射率关系曲线可以分为A、B、C 3个部分，A部分为测量之初，喷射强度较小，仪器探头舱内泥沙未起动，透射率较高，且基本无变化；B部分为泥沙起动过程阶段，随着喷射强度的增加，泥沙起动，透射率逐渐降低；C部分为泥沙完全起动后，舱内悬浮泥沙浓度达到饱和，透射率基本为0。

临界起动切应力位置处于A和B之间过度的临界点，Tolhurst以透射率降低至90%时对应的喷射强度为临界喷射强度[24]，但是实际测量中仪器本身存在电信号误差，透射率初始值可能在90%以下，因此本研究采用趋势线方法确定临界起动切应力的位置。分别做A和B部分的数据趋势线1和趋势线2，取2个趋势线的交点位置对应的水平剪切应力为临界起动切应力值(图4)。

图4 临界起动切应力计算

3.2 临界起动切应力与沉积物组分关系

沉积物临界起动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应力的典型临界阈值，由沉积物物理力学性质与成分共同控制。不同沉积物属性参数对沉积物临界起动切应力的影响程度不同，本研究基于斗龙港潮滩沉积物临界起动切应力现场原位观测数据与对应测点的沉积物物理性质指标的测量数据，分别建立了沉积物D50、黏土含量、粉砂含量，以及砂含量与临界起动切应力的统计回归分析。

如图5所示，沉积物临界起动切应力与沉积物D50、黏土含量、粉砂含量和砂含量的相关性相对良好，临界起动切应力与砂含量相关性最高，与D50和黏土含量的相关性较低。临界起动切应力与沉积物D50和砂含量呈线性负相关关系，与沉积物黏土含量和粉砂含量呈线性正相关关系。以上沉积物参数与其临界起动切应力的统计关系表明具有高粉砂、高黏土含量的沉积物，具有较高的临界起动切应力，而具有高砂含量的沉积物，则具有较低的临界起动切应力。建立沉积物临界起动切应力反演模型，依据拟合优度最大值选择反演模型，选取砂含量作为临界起动切应力的反演指标，反演模型为y=-0.0292x+1.822。