长江口沉积物再悬浮与沉降的时空分布

长江口沉积物再悬浮与沉降的时空分布

丰富的来水和沙资源的共同作用在长江和东海的交汇处形成了典型的三角洲平原河口。长江口是一个典型的三角洲河口，有三个潮汐强度在三个层面和四个海盗中传播，产水量大，季节变化显著。同时，受海洋潮汐和海岸周边地区循环的影响，动力学条件非常复杂。这项研究的内容包括：由于海拔高度的变化对长江三角洲沉积物的影响、物质和物质特征的性质、底边界层的粘土沙量、沙量的动态特征和输运模式以及不同的海拔高度。水的动力条件和水体的含沙量是影响现代长江河口地形形状的主要因素。在河流的顶部，沉积物在时间和空间上的分布可以再次分布，这是水体和土壤之间的物质交换速度。这是形成最大的浑浊带、改变冲积带和影响初级生产力的重要因素之一[8.11]。长江口枯季径流影响相对较小,潮流动力较强,可以更好地研究潮流作用下的细颗粒沉积物运动状况.南京大学海岸与海岛开发教育部重点实验室与华东师范大学河口海岸国家重点实验室于2004年2月13～22日的大、小潮期间,在长江口北港及口外的3个站点进行了流速、悬沙浓度和盐度等项目的观测,本文研究了观测期间水动力、悬沙以及盐度的时空分布特征,以及该地区底部沉积物的再悬浮作用,并计算了再悬浮与沉降通量,以获得对长江口门区域再悬浮与沉降特征的认识.1材料和方法1.1温度、流速测定2004年2月13日～15日(小潮)在长江口K0407、K0412站位,20日～22日(大潮)在K0413、K0412站位,进行了潮周期连续观测(图1).观测方法包括:1)使用直读式流速仪,在分别距海面0.5m,以及0.2H、0.4H、0.6H、0.8H(H为水深)和距海底0.5m处,测流速、流向,每个位置连续测三组数据后取平均值;2)使用采水器,在上述层位采集水样,其中K0407站每小时采集一个水样,其余站位每两小时采集一个水样;3)使用美国SeaBird公司SBE-25型CTD(温盐深),进行温度、导电率剖面观测,数据采集频率为1Hz;4)在K0407站每两小时用蚌式采样器采集底质样,其余站位零星采集底质样.1.2样品分析与积累动力学参数的计算1.2.1水样及皮质粒级测量将野外采集的水样使用0.45μm孔径的滤膜进行室内抽滤、在烘箱中40℃下烘干,称重,计算悬沙浓度(kgm-3).上述水样以及底质样品均采用英国Malvern公司Mastersizer2000型激光粒度仪(测量范围为0.01～2000μm,粒级分辨率为0.1Υ,重复测量的相对误差<3%)进行测量,并按照0.5Υ间距输出样品各粒级的百分含量,再采用矩值法计算粒度参数,包括平均粒径、分选系数、偏态系数和峰态.1.2.2长江口拦门沙地区上地壳沉积的流体特征对于非粘性沉积物-水界面,底床上可发生再悬浮的沉积物的数量与剩余剪切应力的大小成比例.但对于粘性沉积物-水界面的物质交换通常用侵蚀和沉降通量来表示,侵蚀通量可表示为:沉降通量表达式为:式中:分别为侵蚀和沉降通量(kgm-2s-1),τ0和τcr分别为底部切应力和侵蚀临界切应力(kgm-1s-1),Cb为近底部悬沙浓度(kgm-3),ws为悬沙沉降速度(ms-1),E是再悬浮常数.长江口是深受人类活动影响的地区,水体中以有机性颗粒物为主因此更适合用粘性悬浮颗粒的沉降速度公式计算悬沙的沉降浓度.对于粒径小于1mm絮团,其在海水中的沉降速度可表示为:D50为底部沉积物的中值粒径(m).在近岸和浅海区域,在浪流共同作用下使近底部流速超过沉积物临界起动流速时,沉积物处于活动状态.在海洋环境中,距离底床100cm处的流速μ100被认为对沉积物搬运有重要的作用,故采用μ100作为近底部流速.根据冯卡门-普朗特(vonKarmanPrandtl)流速对数分布剖面公式:可以计算出u100的数值.上式中κ是vonKarman常数,海洋环境中可取值0.4,u*为底床摩阻流速(m/s),z为距底床高度(m),z0为粗糙长度(m).长江口拦门沙地区底部沉积物的临界起动流速为0.4～0.5m/s,本文取值为0.45m/s.因此,可得:2结果2.1潮周期内流速特征在长江口外海区(K0407站位)小潮期间的观测结果表明,涨潮历时与落潮历时基本相同,为规则的半日潮.在涨憩和落憩期间,流速相对较小,在落急和涨急过程中流速增大,出现了两个高流速分布区.自海面向下,流速呈减小趋势.上层流速变化剧烈,涨憩期表层流速减小至0.4m/s以下,最高潮至落急期上层流速增大至1.4m/s.中层流速在潮周期内变化趋势与下层流速一致,变化幅度较小.底层流速较小,变化不明显.最大实测流速为1.41m/s(距表0.5m),于最高潮3h后出现.最小实测流速为0.2m/s(距底0.5m),于最高潮4h后出现(图2、3).涨急时刻垂线平均流速流向为256°,落急时刻为72°.同样处于小潮期间,长江口北港内(K0412站位)则表现出了不同的潮汐特征,落潮历时大于涨潮历时,为不规则的半日潮,应为径流作用及潮波传入河口后的变形效应所致.两个潮周期内,最低潮及最高潮时流速较大,转流时流速较小.流速变化比较均匀,流速自海面向海底略有减小;涨急期流速也有所增大,但略小于落急期的流速.最大实测流速为1.71m/s(0.2H),于最低潮时刻出现.最小实测流速为0.04m/s(距底0.5m),于最高潮3h后出现(图2、3).涨急时刻垂线平均流向为271°,落急时刻为88°.此外,该站位大潮期落潮历时仍大于涨潮历时,再次表明该区域受径流影响较为显著.流速潮周期内变化也与小潮期间类似,但在数值上显著大于小潮期的流速在落急时期出现最大流速(最低潮2h前),其值为2.88m/s(0.2H);最小实测流速为0.11m/s(距底0.5m),于最高潮1h后出现(图2、3).潮周期内,流速垂线分布自表向底减小.涨急时刻垂线平均流速流向为232°,落急时刻为76°.在北港口门(K0413站位)大潮期间,落潮历时与涨潮历时相同,为规则的半日潮.潮周期内,流速在垂线上分层现象明显,流速自上至下逐渐减小,底部流速的变化不大.落潮流速大于涨潮流速,最大实测流速为2.21m/s(距海面0.5m),于最低潮2h前出现.最小实测流速为0.12m/s(0.8H),于最高潮2h后出现(图2、3).涨急时刻垂线平均流向为258°,落急时刻为83°.2.2潮周期内悬沙分布长江口外(K0407站位)在小潮期间的观测结果表明,悬沙浓度在潮周期内变化,除转流时期有一个较明显的增大,出现最大悬沙浓度分布区外,其余时期悬沙浓度变化不明显.潮周期内,悬沙浓度垂线分布为自表至底增大.上层悬沙浓度很小,涨潮时变化不大,落急时浓度增大.中层和底层悬沙浓度在低平潮时达到峰值,涨潮后减小,至高平潮时达到最小值,落潮后又逐渐增大.最大实测悬沙浓度为1.429kgm-3(距底0.5m),于最低潮1h后出现.最小实测悬沙浓度为0.007kgm-3(距表0.5m),于最高潮1h后出现(图4).长江口北港内(K0412站位),小潮期间上部悬沙浓度极小,底部悬沙浓度在潮周期内变化剧烈,在两个转流时期悬沙浓度较大.最大实测悬沙浓度为1.689kgm-3(距底0.5m),于最高潮2h前出现.最小实测悬沙浓度为0.017kgm-3(0.6H),于最低潮时刻出现(图4).在大潮期间,潮周期内,悬沙浓度分层较明显,垂线分布自表至底增大,在低平潮至涨潮阶段,底部悬沙浓度出现一个最大分布区;在高平潮至落潮过程中则出现一个悬沙浓度最小分布区.最大实测悬沙浓度为2.457kgm-3(距底0.5m),于最低潮2h后出现.最小实测悬沙浓度为0.123kgm-3(距表0.5m),于最低潮2h前出现(图4).同为大潮期间,在北港口门(K0413站位),低平潮和开始落潮时期存在两个悬沙浓度最大分布区,涨潮时期悬沙浓度相对较小.最大实测悬沙浓度为1.266kgm-3(0.6H),于最高潮时刻出现.最小实测悬沙浓度为0.199kgm-3(距表0.5m),于最低潮2h前出现(图4).2.3涨闲期内的盐度分布在小潮期间观测周期内,长江口外(K0407站位)在涨潮过程中,盐度的垂线变化自海底向海面减小,随水位升高,上层盐度逐渐增大.落潮过程中,在垂线和时间过程中盐度无变化从盐度剖面上可以看出盐度存在显著的分层现象,在涨潮时期盐度的变化较大,高平潮时期中下层存在一个峰值盐度分布区;在落潮期间盐度分布比较均一.实测的盐度最大值为30.85,出现在涨憩期的底部(14∶00);最小值为15.69,出现在涨憩期的表层(13:00)(图5).长江口北港内(K0412站位)在小潮期间观测周期内的盐度变化与口外站位差别很大,在高潮位期,中下层盐度较大,落潮过程中,中下部盐度变小,至落急期盐度减小至与表层盐度相等,此后除底部盐度略有变化外,垂线上盐度一致,数值较小.说明落潮后期至涨潮初期本站位以径流作用为主.实测的盐度最大值为19.27,出现在落潮初期的底部(6:00);最小值为1.18,出现在低平潮时的表层(14:00)(图5).该站位在大潮观测期内的盐度分布与小潮又有所不同,与小潮期相比,底部盐度有所增大.实测的盐度最大值为25.55,出现在落潮初期的底部(14:00);最小值为2.67,出现在涨潮初期的表层(21:00)(图5).在长江口北港口门(K0413站位),在落潮初期盐度在垂线方向下部盐度较大,上部较小.其余时刻,盐度在垂线方向上的变化较小(图5).潮周期内,落潮初期的盐度较大,涨潮初期的盐度较小.实测的盐度最大值为25.22,出现在落潮初期的底部(13:00);最小值为10.09,出现在涨潮初期的表层(20:00)(图5).2.4沉积物颗粒的时空分布特征2.4.1潮期间沉积物的细化底质样品粒度参数见表1,沉积物基本属于粉砂.长江口外(K0407站位),高平潮和低平潮期间,存在较显著的沉积物细化趋势,可能与悬沙沉降有关;沉积物的分选在涨/落急时较好,峰态值也较小.北港口门处(K0413站位)沉积物较其他站位略粗.北港内(K0412站位)在小潮期间落急时刻,沉积物较粗,涨急时刻沉积物变细(与大潮期间涨潮初期大致相当).2.4.2沉沙中值粒径观测期间,悬沙基本为粉砂.长江口外(K0407站位)小潮观测期内,悬沙中值粒径为6.205Υ～7.315Υ,涨、落急时中值粒径值减小(图6).分选系数0.741～1.336,高潮时期分选中等,低潮时期分选较差.偏态系数除高平潮期上层为0.36～0.61(正偏)外,多呈负偏.峰态数0.941～1.705,高潮期峰态中等,低潮期峰态宽.长江口北港内(K0412站位)在小潮观测期内,中值粒径为6.167Υ～7.357Υ,涨、落急期中值粒径减小,平潮期中值粒径增大(图6).平均粒径6.21Υ～7.309Υ.分选系数0.842(中等)～1.3(较差).偏态系数-0.079～-1.088,除少数样品近对称,基本上为负偏.峰态1.065～1.718,除高潮位时期底层4个样品峰态宽,其它峰态中等.北港内该站位在大潮观测期内,中值粒径为4.976Υ～6.905Υ,明显大于小潮的中值粒径,落急期中值粒径减小到最小值,平潮时增大到最大值(图6).平均粒径5.246Υ～6.84Υ.分选较差,系数为1.027～1.605.偏态系数落潮过程-0.896～-0.234(负偏),涨潮过程0.232～1.2(正偏).峰态1.293～1.976,基本上峰态宽.大潮期间,在长江口北港口门(K0413站位),中值粒径为4.703Υ～6.665Υ,中下层悬沙中值粒径变化较大,涨急时期出现最小值,平潮时期急剧增大到最大值(图6).平均粒径5.09Υ～6.627Υ.分选系数1.005～1.674(分选较差).偏态系数-1.057～1.31,分布不规则.峰态宽(1.274～2.013).沉积物类型低平潮和高平潮为砂质粉砂,其余为粉砂.2.5径流分布特征在长江口北港内(K0412站位),大小潮期间的沉积动力过程有一定差异,主要表现在潮差、流速、悬沙浓度与盐度等方面.小潮时观测期间的潮差为1.91m,大潮时为3.17m.大小潮时都是落潮后期至平流和涨潮后期至平流两个阶段流速较大,且落潮的流速略大于涨潮的流速.在大小潮时期站位均是在涨潮期间流速的较大的时候底部悬沙浓度较大,而其他时候悬沙浓度较小,大潮的悬沙浓度要高于小潮.大潮时高潮位时期盐度较高,盐度分布比较均匀,小潮时盐度一直较低,只有在观测初期底部盐度变化较大,说明小潮时径流的作用占主导.大潮的底部悬沙平均粒径值比小潮时要显著偏粗.从空间分布上看,小潮时长江口外(K0407)潮差为2.56m,比北港内K0412站位小潮期间的潮差大0.45m,流速分层较明显,下部流速在潮周期内变化不大,上部流速在涨急和落急时刻的表层流速有所增大,而北港内站位在小潮期间流速分布出现明显的“四高三低”,说明口外站位受到径流作用的影响不大.口外小潮期间悬沙浓度分布有明显的成层现象,高平潮时期底部悬沙浓度较小,落急至落憩低水位时期底部悬沙浓度有所增大,北港内(K0412)则是在高潮位时期底部悬沙浓度较大,其最大值(1.68kgm-3)大于长江口外站位(1.43kgm-3).口外涨潮时盐度大于落潮,盐度范围在15.69～30.85,说明口外海洋动力占优,以潮流作用为主,但受径流作用影响,所以盐度分布有差异.而北港内观测周期内大部分盐度小于6,说明该站位主要受到径流的作用.大潮时,北港口门潮差为3.5m,流速分布为“两高两低”,与北港内K0412站位相似,但最大流速2.21m/s小于北港内最大流速2.88m/s.北港口门K0413站位悬沙浓度分布与北港内K0412站位不同,在转流期间底部悬沙浓度相对较大,与之相比较,北港内在大潮期间在涨潮初期流速较小时底部出现一个高悬沙浓度分布区,可能与水柱中的悬沙沉降有关.北港口门处在落潮期间盐度高于涨潮期间,观测期间的盐度大于北港内K0412站位,说明北港口门处受潮流影响比北港内大.2.6小潮观测周期内悬沙分布根据公式(1)、(2)可知,当时,发生再悬浮现象,反之,当时,则有沉降现象发生.图7反映出4个站位在观测周期内的的变化.结果显示,长江口外(K0407站位)在小潮期间没有再悬浮现象发生,在观测期间主要以沉降作用为主,但沉降通量很小,为1.02×10-11～2.40×10-9kgm-2s-1(表2).该站位的底部悬沙中值粒径平均比底质样品中值粒径大1Υ,即较细.而长江口北港内(K0412站位),在小潮观测周期内对应于出现悬沙浓度值较大分布的时期出现了3个再悬浮期,分别为观测周期内两个落急期和一个涨急期,再悬浮作用较强;在大潮观测周期内,再悬浮通量较大,其中以落急和涨急时期最为显著,落急时期较涨急时期又更大一些,尤其是再悬浮发生最剧烈的时期对应于一个底部流速最大分布区,表明底部悬沙浓度的变化主要由再悬浮作用控制.长江口北港口门站位处落急时期和落潮初期出现明显的再悬浮现象,对应于两个高悬沙浓度分布区.综上所述,北港内