長江口細(xì)顆粒懸沙濃度垂向分布

1、長江口細(xì)顆粒懸沙濃度垂向分布關(guān)鍵詞： 長江口 細(xì)顆粒懸沙濃度 高時空分辨率 聲散射 1 前言 Kirby 和 Parker1 首次用 LUTOCLINE( 泥躍層 ) 一詞描述潮汐河口粘性細(xì)顆粒懸沙濃度垂向分布的不連續(xù)性，即垂向懸沙濃度出現(xiàn)明顯的變化。此后，泥躍層和近底高含沙層被發(fā)現(xiàn)普遍存在于許多高渾濁的河口海灣 2 5 。 Ross 和 Mehta6 、 Smith 和 Kirby7 以及 Wolanski 等 5 9 詳細(xì)地 研究 了泥躍層和近底高含沙層的動力特性，并建立了相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型。這些研究加深了我們對潮汐河口近底水泥相互作用的認(rèn)識，這種相互作用控制整個潮汐河口細(xì)顆粒泥沙的輸移過程。

2、 在海岸工程 應(yīng)用 上，如河口航道、港口、碼頭和系船池，需要對細(xì)顆粒泥沙運(yùn)動定量化。由于河口懸沙濃度隨深度迅速變化，因此，懸沙濃度的精確觀測是一個關(guān)鍵。至今，為了獲得近瞬時的懸沙濃度的垂向分布，已 發(fā)展 了許多新的技術(shù)。特別是聲學(xué)技術(shù)被廣泛應(yīng)用于海洋中懸沙濃度的測量 10 13 ，使我們能得到高時空分辨率懸沙濃度垂向分布；但是聲學(xué)技術(shù)尚未廣泛應(yīng)用于河口粘性細(xì)顆粒懸沙濃度的連續(xù)觀測。國內(nèi)，在河口細(xì)顆粒泥沙輸移現(xiàn)場觀測研究中，懸沙濃度資料大多依賴于野外水樣的采集 14 16 。 Li 等 17 利用光學(xué)測沙系統(tǒng)研究了浙江椒江河口細(xì)顆粒泥沙輸移。 本文作為“聲學(xué)懸沙觀測系統(tǒng)”在長江口北槽口外懸沙運(yùn)動

3、研究應(yīng)用的系列成果 18 20 ，其目的是為了解河口細(xì)顆粒懸沙濃度近瞬時垂向分布提供一種較好的途徑。 2 研究的區(qū)域和 方法 長江口是一個中潮河口，平均潮差是 2.0m ，懸沙年平均達(dá) 4.9 108t 。許多科研 工作 者對長江口懸沙輸移 問題 進(jìn)行了研究 15 ， 16 ， 21 ，懸沙濃度資料大多依賴于野外水樣的采集。在長江口的陸架地區(qū)水面懸沙濃度超過 0.02g/l ，在水底超過 0.1g/l22 。我們的現(xiàn)場觀測是于 1994 年 5 月 28 29 日大潮時在長江口 9405 站 ( 東經(jīng) 122 27 4 ，北緯 31 05 15 )( 圖 1) 進(jìn)行了 28h 連續(xù)觀測 ( 圖

4、 2) 。觀測數(shù)據(jù)的采集工作是在東海艦隊東調(diào) 221 軍艦上完成的。用于測量懸沙濃度垂向分布的 ASSM 型聲學(xué)懸沙觀測系統(tǒng)是由 中國 科學(xué) 院東海研究站研制的，與 Libicki 等 12 敘述的觀測系統(tǒng)相類似。整個系統(tǒng) ( 圖 3) 在 PC 計算 機(jī)控制下采集數(shù)據(jù)，并進(jìn)行預(yù)處理，再儲存。 ASSM 型系統(tǒng)發(fā)射聲脈沖頻率為 0.5MHz ，脈寬為 40 s 。從懸沙背向聲散射測得的垂向分布其垂直 ( 深度 ) 分辨率為 10cm ，橫向 ( 時間 ) 分辨率為 1.5s 。每小時記錄 12min 數(shù)據(jù)，其采樣頻率為 75KHz 。每幅圖是由 480 條海底 和換能器之間懸沙的背向聲散射曲線

5、所組成。由泥沙背向聲散射信號的強(qiáng)度轉(zhuǎn)化為懸沙濃度的定標(biāo)工作是在有機(jī)玻璃沉降圓筒內(nèi)完成的?；趯嶒炇叶?biāo)，絕對懸沙濃度測量的誤差約為 16% 。 ASSM 系統(tǒng)換能器工作時通常放置在水下 2m 處。同時，利用流速儀測量水流的流速和流向。每小時分別在 0.0D 、 0.2D 、 0.4D 、 0.6D 、 0.8D 、 1.0D 六個點(diǎn)采水樣 (D 為水深 ) ，此法通稱“六點(diǎn)法”。由采水器采集到的含懸沙水樣，通過 63 微米濾紙，分離出粗的懸浮顆粒。通過過濾的水樣留下來的懸浮物質(zhì)用蒸餾水漂洗，并在 40 恒溫箱內(nèi)烘干，過濾器烘到 60 ，再稱重量。懸沙濃度是從最后沉淀物重量 ( 包括粗顆粒 )

6、與被濾去總的水體積而換算出來的。 圖 1 長江口 9405 站位 Location of station 9405 in the Changjiang Estuary 圖 2 潮位和垂線平均懸沙濃度過程圖 圖 3 實驗布設(shè)示意圖 Hydrographs of tidal level and depth averaged suspension concentration hourly sampled at station 9405 Sketch of experiment 為進(jìn)一步了解懸沙濃度垂線分布特征，將圖 4(a d) 中每一個懸沙濃度聲學(xué)圖象等分成 7 段，懸沙濃度數(shù)值是按 10cm 水

7、深間隔繪圖，由此可得到 7 條瞬時懸沙濃度的垂線分布曲線 ( 圖 5) 。圖 5(a d) 揭示了大潮四種典 型的懸沙濃度的垂線分布曲線。第類是在漲潮時呈 L 形 ( 圖 5(a) ，近底懸沙濃度大于 2.5g/l ，大部分水體中懸沙濃度小于 1.0g/l 。平均懸沙濃度隨水深從 0.43g/l 變化到 0.84g/l 。第類是在漲急時呈射流形 ( 圖 5(b) ，近底懸沙濃度大于 2.0g/l ，懸沙濃度的垂向梯度大。第類是在落潮時從水面到水底懸沙濃度按指數(shù)增加 ( 圖 5(c) 。近底懸沙濃度大于 6.0g/l 。平均懸沙濃度隨水深從 0.86g/l 變化到 0.96g/l 。第類是在落急

8、時，懸沙濃度在水體中部呈射流形 ( 圖 5(d) 。近底懸沙濃度大于 5.0g/l ，懸沙濃度的垂向變化梯度大，平均懸沙濃度從 0.77g/l 變化到 1.24g/l 。事實上，圖 5(a d) 分別代表在漲潮、漲急、落潮和落急時細(xì)顆粒泥沙再懸浮 (resuspension) 過程的圖像。 圖 4 聲學(xué)灰度圖 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. 圖 5 懸沙濃度垂線分布 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. 圖 6 表示在漲潮 (1000h) 時最大流速為 1.17m/s ，流速和鹽度垂向變化梯度均較大。在漲急時流速和鹽度垂向變化梯度小。落潮 (1500h) 時最大流速為 1.03m/s ，鹽度垂線分布表明底部有一鹽水楔

10、，水底鹽度為 26.0 。在落急 (1800h) 時，流速和鹽度的垂向變化梯度漸緩。 4 討論 4.1 懸沙濃度垂向分層結(jié)構(gòu) 圖 4 和圖 5 中最明顯的特征是懸沙濃度垂向呈分層結(jié)構(gòu)，形成這種特征主要是由于紊流能量引起強(qiáng)烈而均勻混合，從而產(chǎn)生陡的密度梯度 23 。 圖 6 流速、鹽度的垂線分布 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. 一個穩(wěn)定的懸沙濃度分層結(jié)構(gòu)意味著當(dāng)河口保持鹽度和溫度充分混合時懸沙有強(qiáng)的分層現(xiàn)象 3 。圖 4(a) 和圖 5(a) 表示在漲潮時，由于物質(zhì)擴(kuò)散率較低形成穩(wěn)定的泥躍層和在上面的水域有較低的泥沙濃度。圖 4(b) 和圖 5(b) 表示在漲急時形成一個浮泥層和二個穩(wěn)定的泥躍層。圖 4(c) 和圖 5(c) 表示在落潮時形成一個浮泥層 ( 高含沙層 ) ，一個持續(xù)的泥躍層以及在上面水域很低的泥沙濃度。圖 4(d) 和圖 5(d) 表示在落急時迅速形成一個流動的浮泥層 ( 高含沙層 ) 和二個起伏不定的泥沙躍層 ( 分別在浮泥層上、下 ) 。圖 5(d) 的瞬時懸沙濃度垂線分布表明有二個泥躍層

12、。 Mehta4 認(rèn)為下泥躍層主要是由于泥沙沉降受阻引起的，上泥躍層形成與向上的紊流擴(kuò)散的非線性有很大關(guān)系。上泥躍層和下泥躍層二者之間是最小的垂向混合區(qū)域 4 。 Wolanski 等 8 詳細(xì)地 研究 了泥躍層混合的 問題 ，他們發(fā)現(xiàn)泥沙混合受浮力效應(yīng)和在高渾濁底層里泥沙引起的紊流破裂二者控制，懸沙受到的浮力阻礙泥沙垂向擾動混合，擾動能夠緩和懸沙的沉降速度，并且在擾動方式上有一反饋效應(yīng) 9 。 在 1500h ，水體上部、中部懸沙濃度均低，近底部懸沙濃度高 ( 圖 4(c) 和圖 5(c) ；而且圖 5(c) 反映了懸沙濃度隨水深按指數(shù)增加。這可能是由于底床切應(yīng)力使泥沙再懸浮和泥沙顆粒沉降保

13、持平衡所致，類似的特征在 文獻(xiàn) 里有過報道 24 。這種懸沙濃度垂向分布代表恒定均勻流平衡條件，即垂線上泥沙上下交換質(zhì)量守恒，并可用以下方程表示 C=C exp( z) (2) 式中是與半對數(shù)圖的梯度成正比。公式 (1) 中對距離 z 及時間 t 的偏微分項均等于零，恒定均勻平衡條件下泥沙紊動擴(kuò)散方程可表達(dá)為 S C+ S (dC/dz)=0 (3) 式中 S 為垂向泥沙擴(kuò)散系數(shù)，它是隨水深恒定的，并具有值 S = S / (4) 根據(jù)公式 (2) 計算 出的值平均為 0.58m-1 ，因此，由公式 (4) 可知，泥沙垂向擴(kuò)散系數(shù) S 在數(shù)值上大約是泥沙顆粒沉降速度 S 的兩倍。圖 6 中流速

14、垂線分布也表明水體上、中部流速變化梯度較小，可視為恒定均勻流；而近底高含沙層對應(yīng)著鹽水楔異重流 ( 圖 6) 。 4.3 再懸浮過程 圖 5(a d) 分別代表在漲潮、漲急、落潮和落急時細(xì)顆粒泥沙再懸浮 (resuspension) 過程的圖像。這種泥沙的再懸浮過程是受近底紊流大小和速度密度分布結(jié)構(gòu)的控制 23 。在長江口，由風(fēng)激起的表面波，潮流、內(nèi)波破裂和江蘇沿岸流 ( 向南 ) 是造成泥沙再懸浮過程的原因。近底觀測到大的流速梯度，從而可以認(rèn)為底部存在大的切應(yīng)力 ( 圖 6) ，這些海底的切應(yīng)力是泥沙再懸浮的動力。波浪誘導(dǎo)的河口淤泥再懸浮 問題 有人做了水槽試驗 研究 25 以及現(xiàn)場觀測研究 26 。在實驗室水槽研究基礎(chǔ)上， Maa 和 Mehta25 認(rèn)為波引起的底床侵蝕是產(chǎn)生浮泥的原因。由波侵蝕的泥沙保留在近底處，占整個水深的 20% ，水流僅在水平方向遷移。在長江口，波浪和潮流的特性還需要進(jìn)一步研究，由此可以估價它們在泥沙再懸浮中的作用和重要性。 Graber 等 27 在 中國 東海研究了風(fēng)暴產(chǎn)生的表面波和泥沙的再懸浮問題?？梢韵嘈庞娠L(fēng)暴產(chǎn)生的