长江口细颗粒悬沙浓度垂向分布

1、长江口细颗粒悬沙浓度垂向分布关键词： 长江口 细颗粒悬沙浓度 高时空分辨率 声散射 1 前言 Kirby 和 Parker1 首次用 LUTOCLINE( 泥跃层 ) 一词描述潮汐河口粘性细颗粒悬沙浓度垂向分布的不连续性，即垂向悬沙浓度出现明显的变化。此后，泥跃层和近底高含沙层被发现普遍存在于许多高浑浊的河口海湾 2 5 。 Ross 和 Mehta6 、 Smith 和 Kirby7 以及 Wolanski 等 5 9 详细地 研究 了泥跃层和近底高含沙层的动力特性，并建立了相应的数学模型。这些研究加深了我们对潮汐河口近底水泥相互作用的认识，这种相互作用控制整个潮汐河口细颗粒泥沙的输移过程。

2、 在海岸工程 应用 上，如河口航道、港口、码头和系船池，需要对细颗粒泥沙运动定量化。由于河口悬沙浓度随深度迅速变化，因此，悬沙浓度的精确观测是一个关键。至今，为了获得近瞬时的悬沙浓度的垂向分布，已 发展 了许多新的技术。特别是声学技术被广泛应用于海洋中悬沙浓度的测量 10 13 ，使我们能得到高时空分辨率悬沙浓度垂向分布；但是声学技术尚未广泛应用于河口粘性细颗粒悬沙浓度的连续观测。国内，在河口细颗粒泥沙输移现场观测研究中，悬沙浓度资料大多依赖于野外水样的采集 14 16 。 Li 等 17 利用光学测沙系统研究了浙江椒江河口细颗粒泥沙输移。 本文作为“声学悬沙观测系统”在长江口北槽口外悬沙运动

3、研究应用的系列成果 18 20 ，其目的是为了解河口细颗粒悬沙浓度近瞬时垂向分布提供一种较好的途径。 2 研究的区域和 方法 长江口是一个中潮河口，平均潮差是 2.0m ，悬沙年平均达 4.9 108t 。许多科研 工作 者对长江口悬沙输移 问题 进行了研究 15 ， 16 ， 21 ，悬沙浓度资料大多依赖于野外水样的采集。在长江口的陆架地区水面悬沙浓度超过 0.02g/l ，在水底超过 0.1g/l22 。我们的现场观测是于 1994 年 5 月 28 29 日大潮时在长江口 9405 站 ( 东经 122 27 4 ，北纬 31 05 15 )( 图 1) 进行了 28h 连续观测 ( 图

4、 2) 。观测数据的采集工作是在东海舰队东调 221 军舰上完成的。用于测量悬沙浓度垂向分布的 ASSM 型声学悬沙观测系统是由 中国 科学 院东海研究站研制的，与 Libicki 等 12 叙述的观测系统相类似。整个系统 ( 图 3) 在 PC 计算 机控制下采集数据，并进行预处理，再储存。 ASSM 型系统发射声脉冲频率为 0.5MHz ，脉宽为 40 s 。从悬沙背向声散射测得的垂向分布其垂直 ( 深度 ) 分辨率为 10cm ，横向 ( 时间 ) 分辨率为 1.5s 。每小时记录 12min 数据，其采样频率为 75KHz 。每幅图是由 480 条海底 和换能器之间悬沙的背向声散射曲线

5、所组成。由泥沙背向声散射信号的强度转化为悬沙浓度的定标工作是在有机玻璃沉降圆筒内完成的。基于实验室定标，绝对悬沙浓度测量的误差约为 16% 。 ASSM 系统换能器工作时通常放置在水下 2m 处。同时，利用流速仪测量水流的流速和流向。每小时分别在 0.0D 、 0.2D 、 0.4D 、 0.6D 、 0.8D 、 1.0D 六个点采水样 (D 为水深 ) ，此法通称“六点法”。由采水器采集到的含悬沙水样，通过 63 微米滤纸，分离出粗的悬浮颗粒。通过过滤的水样留下来的悬浮物质用蒸馏水漂洗，并在 40 恒温箱内烘干，过滤器烘到 60 ，再称重量。悬沙浓度是从最后沉淀物重量 ( 包括粗颗粒 )

6、与被滤去总的水体积而换算出来的。 图 1 长江口 9405 站位 Location of station 9405 in the Changjiang Estuary 图 2 潮位和垂线平均悬沙浓度过程图 图 3 实验布设示意图 Hydrographs of tidal level and depth averaged suspension concentration hourly sampled at station 9405 Sketch of experiment 为进一步了解悬沙浓度垂线分布特征，将图 4(a d) 中每一个悬沙浓度声学图象等分成 7 段，悬沙浓度数值是按 10cm 水

7、深间隔绘图，由此可得到 7 条瞬时悬沙浓度的垂线分布曲线 ( 图 5) 。图 5(a d) 揭示了大潮四种典 型的悬沙浓度的垂线分布曲线。第类是在涨潮时呈 L 形 ( 图 5(a) ，近底悬沙浓度大于 2.5g/l ，大部分水体中悬沙浓度小于 1.0g/l 。平均悬沙浓度随水深从 0.43g/l 变化到 0.84g/l 。第类是在涨急时呈射流形 ( 图 5(b) ，近底悬沙浓度大于 2.0g/l ，悬沙浓度的垂向梯度大。第类是在落潮时从水面到水底悬沙浓度按指数增加 ( 图 5(c) 。近底悬沙浓度大于 6.0g/l 。平均悬沙浓度随水深从 0.86g/l 变化到 0.96g/l 。第类是在落急

8、时，悬沙浓度在水体中部呈射流形 ( 图 5(d) 。近底悬沙浓度大于 5.0g/l ，悬沙浓度的垂向变化梯度大，平均悬沙浓度从 0.77g/l 变化到 1.24g/l 。事实上，图 5(a d) 分别代表在涨潮、涨急、落潮和落急时细颗粒泥沙再悬浮 (resuspension) 过程的图像。 图 4 声学灰度图 Gray scale plots at (a) flood tide (1000h); (b)max.flood tide(1200h); (c)ebb tide (1500h); (d)max.ebb tide (1800h); 28 May 1994. 图 5 悬沙浓度垂线分布 Ve

9、rtical profiles of burst averaged suspension concentration over 12 min. period at (a) flood tide (1000h); (b)max.flood tide (1200h); (c)ebb tide (1500h); (d)max.ebb tide (1800h). 28 May 1994. 图 6 表示在涨潮 (1000h) 时最大流速为 1.17m/s ，流速和盐度垂向变化梯度均较大。在涨急时流速和盐度垂向变化梯度小。落潮 (1500h) 时最大流速为 1.03m/s ，盐度垂线分布表明底部有一盐水楔

10、，水底盐度为 26.0 。在落急 (1800h) 时，流速和盐度的垂向变化梯度渐缓。 4 讨论 4.1 悬沙浓度垂向分层结构 图 4 和图 5 中最明显的特征是悬沙浓度垂向呈分层结构，形成这种特征主要是由于紊流能量引起强烈而均匀混合，从而产生陡的密度梯度 23 。 图 6 流速、盐度的垂线分布 Vertical profiles of velocity and salinity at (a) flood tide (1000h); (b)max.flood tide (1200h); (c)ebb tide (1500h); (d)max.ebb tide (1800h), 28 May 19

11、94. 一个稳定的悬沙浓度分层结构意味着当河口保持盐度和温度充分混合时悬沙有强的分层现象 3 。图 4(a) 和图 5(a) 表示在涨潮时，由于物质扩散率较低形成稳定的泥跃层和在上面的水域有较低的泥沙浓度。图 4(b) 和图 5(b) 表示在涨急时形成一个浮泥层和二个稳定的泥跃层。图 4(c) 和图 5(c) 表示在落潮时形成一个浮泥层 ( 高含沙层 ) ，一个持续的泥跃层以及在上面水域很低的泥沙浓度。图 4(d) 和图 5(d) 表示在落急时迅速形成一个流动的浮泥层 ( 高含沙层 ) 和二个起伏不定的泥沙跃层 ( 分别在浮泥层上、下 ) 。图 5(d) 的瞬时悬沙浓度垂线分布表明有二个泥跃层

12、。 Mehta4 认为下泥跃层主要是由于泥沙沉降受阻引起的，上泥跃层形成与向上的紊流扩散的非线性有很大关系。上泥跃层和下泥跃层二者之间是最小的垂向混合区域 4 。 Wolanski 等 8 详细地 研究 了泥跃层混合的 问题 ，他们发现泥沙混合受浮力效应和在高浑浊底层里泥沙引起的紊流破裂二者控制，悬沙受到的浮力阻碍泥沙垂向扰动混合，扰动能够缓和悬沙的沉降速度，并且在扰动方式上有一反馈效应 9 。 在 1500h ，水体上部、中部悬沙浓度均低，近底部悬沙浓度高 ( 图 4(c) 和图 5(c) ；而且图 5(c) 反映了悬沙浓度随水深按指数增加。这可能是由于底床切应力使泥沙再悬浮和泥沙颗粒沉降保

13、持平衡所致，类似的特征在 文献 里有过报道 24 。这种悬沙浓度垂向分布代表恒定均匀流平衡条件，即垂线上泥沙上下交换质量守恒，并可用以下方程表示 C=C exp( z) (2) 式中是与半对数图的梯度成正比。公式 (1) 中对距离 z 及时间 t 的偏微分项均等于零，恒定均匀平衡条件下泥沙紊动扩散方程可表达为 S C+ S (dC/dz)=0 (3) 式中 S 为垂向泥沙扩散系数，它是随水深恒定的，并具有值 S = S / (4) 根据公式 (2) 计算 出的值平均为 0.58m-1 ，因此，由公式 (4) 可知，泥沙垂向扩散系数 S 在数值上大约是泥沙颗粒沉降速度 S 的两倍。图 6 中流速

14、垂线分布也表明水体上、中部流速变化梯度较小，可视为恒定均匀流；而近底高含沙层对应着盐水楔异重流 ( 图 6) 。 4.3 再悬浮过程 图 5(a d) 分别代表在涨潮、涨急、落潮和落急时细颗粒泥沙再悬浮 (resuspension) 过程的图像。这种泥沙的再悬浮过程是受近底紊流大小和速度密度分布结构的控制 23 。在长江口，由风激起的表面波，潮流、内波破裂和江苏沿岸流 ( 向南 ) 是造成泥沙再悬浮过程的原因。近底观测到大的流速梯度，从而可以认为底部存在大的切应力 ( 图 6) ，这些海底的切应力是泥沙再悬浮的动力。波浪诱导的河口淤泥再悬浮 问题 有人做了水槽试验 研究 25 以及现场观测研究 26 。在实验室水槽研究基础上， Maa 和 Mehta25 认为波引起的底床侵蚀是产生浮泥的原因。由波侵蚀的泥沙保留在近底处，占整个水深的 20% ，水流仅在水平方向迁移。在长江口，波浪和潮流的特性还需要进一步研究，由此可以估价它们在泥沙再悬浮中的作用和重要性。 Graber 等 27 在 中国 东海研究了风暴产生的表面波和泥沙的再悬浮问题。可以相信由风暴产生的