余 丹，于之鋒，竇文潔，雷 惠，2，潘玉良，凌在盈，周 斌

(1.杭州師范大學(xué)遙感與地球科學(xué)研究院,浙江 杭州311121；2. 衛(wèi)星海洋環(huán)境動(dòng)力學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(國家海洋局第二海洋研究所)，浙江 杭州 310012)

水中懸浮泥沙是最重要的水質(zhì)參數(shù)之一, 其含量的多少直接影響水體透明度、渾濁度、水色等光學(xué)性質(zhì)[1].懸沙質(zhì)量濃度變化是水動(dòng)力作用下泥沙輸移、沉積和再懸浮等運(yùn)動(dòng)過程的直接表現(xiàn)[2]，近岸懸沙質(zhì)量濃度(SSC)的變化對底床沖淤、營養(yǎng)鹽和污染物的輸送、生物初級(jí)生產(chǎn)力、旅游業(yè)等具有重要影響，是多學(xué)科關(guān)注的焦點(diǎn)[3].因此研究水體懸浮泥沙質(zhì)量濃度對于確定水流挾沙能力和研究河口水流泥沙運(yùn)動(dòng)規(guī)律具有重要作用，掌握其濃度變異可以為河口區(qū)的潛在地貌演變等提供分析依據(jù)[4].

在漲落潮流、風(fēng)浪、沿岸流、地形等的共同作用下, 沿海水體懸浮泥沙的含量呈現(xiàn)出復(fù)雜的時(shí)空變化特征[5].影響河口懸浮泥沙質(zhì)量濃度的因素很多,不同的區(qū)域存在著不同的特征, 即使同一區(qū)域也存在表層和底層的差異以及各個(gè)時(shí)間尺度上的差異[6].國內(nèi)外在對于河口水體由潮流引起懸浮泥沙的短周期變異的研究中，多數(shù)是針對由大小潮和漲落潮過程中流速的變化引起懸浮泥沙質(zhì)量濃度變異的研究.Kreeke等[7-9]對相應(yīng)河口的懸浮泥沙質(zhì)量濃度的漲落潮變化進(jìn)行了研究，他們的觀測數(shù)據(jù)表明懸浮泥沙質(zhì)量濃度存在潮內(nèi)、大小潮變化，并且和流速大小存在很強(qiáng)的正相關(guān)關(guān)系.對于杭州灣懸浮泥沙質(zhì)量濃度的短周期變異同樣有相關(guān)分析.早期學(xué)者陳沈良等[10]得出大小潮周期流速變化和水位變化是杭州灣海區(qū)各站懸沙質(zhì)量濃度變化的主要影響因素.時(shí)鐘[11]對在杭州灣深水航道的站點(diǎn)處觀測到的水文泥沙數(shù)據(jù)進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)該處的表層懸沙質(zhì)量濃度隨時(shí)間、空間變化有一定的規(guī)律:懸浮泥沙質(zhì)量濃度一般在漲急、落急附近達(dá)到最大值.但也有研究者不僅針對由潮流引起的流速水位變化對懸浮泥沙質(zhì)量濃度的影響進(jìn)行了分析，同時(shí)結(jié)合風(fēng)浪因素，對懸浮泥沙質(zhì)量濃度的變化進(jìn)行了相關(guān)研究.例如張明等[12-14]對相應(yīng)海域懸浮泥沙時(shí)空變化研究時(shí)提出不同風(fēng)況對于懸沙質(zhì)量濃度的變化會(huì)造成一定影響.而對于長江口和杭州灣海域的懸浮泥沙質(zhì)量濃度變化的研究中，諸多學(xué)者[2,15-19]也提到風(fēng)浪會(huì)引起該海域懸沙質(zhì)量濃度的季節(jié)性變化，并且指出由于冬季盛行北風(fēng)且風(fēng)速較大，導(dǎo)致冬季的懸沙質(zhì)量濃度明顯高于夏季.

屬于半日潮地區(qū)的杭州灣海域因長期受到長江口南下渾濁水的輸沙影響[20-21], 水動(dòng)力條件變化非常復(fù)雜，具有潮大、流急的特點(diǎn)[15]，由于其水深較淺，平均水深一般在7～10 m，因此水動(dòng)力條件的變化對懸浮泥沙質(zhì)量濃度的影響很大.本研究將綜合流速和風(fēng)速等因素，通過在3個(gè)代表性站位的日內(nèi)連續(xù)觀測對杭州灣地區(qū)的懸浮泥沙質(zhì)量濃度分布差異進(jìn)行研究，分析不同的潮時(shí)、潮型以及風(fēng)速等因素對懸浮泥沙質(zhì)量濃度變化的影響，從而可以更加全面直觀地了解杭州灣水域水體表層懸浮泥沙質(zhì)量濃度的逐時(shí)變異特征.

1 數(shù)據(jù)和方法

1.1 研究區(qū)概況

杭州灣是一東西走向的典型喇叭型強(qiáng)潮河口灣.東西長85 km, 灣口寬100 km, 灣頂澉浦?jǐn)嗝鎸捈s21 km, 灣內(nèi)水深最大約10 m, 總水域面積約5000 km2,河床起伏不大, 但是平面收縮強(qiáng)烈,沿程潮差急劇增大, 在長江口南下水、錢塘江徑流和東海潮波共同影響下, 具有潮強(qiáng)流急、懸浮泥沙質(zhì)量濃度高的特點(diǎn)[10].杭州灣海域潮流受正規(guī)半日潮控制, 常年平均潮差約5.0～6.0 m, 由于潮流垂向掀沙作用強(qiáng)烈, 水體中泥沙顆粒的懸浮-絮凝沉降規(guī)律明顯, 水體懸浮泥沙質(zhì)量濃度隨漲落潮的日變化表現(xiàn)出很強(qiáng)的周期性.

1.2 采樣時(shí)間與點(diǎn)位

圖1 杭州灣定點(diǎn)觀測站位分布圖

研究主要以2011年12月2日-13日的杭州灣水體現(xiàn)場定點(diǎn)觀測數(shù)據(jù)為依據(jù)，所選擇的3個(gè)代表性觀測站位分別是乍浦(S01)、庵東(S02)和金山(S03)，如圖1所示.S01號(hào)站點(diǎn)的觀測日期為2011年12月2日、6日和13日，S02號(hào)為2011年12月3日和12日，S03號(hào)為2011年12月4日和11日.其中，12月2日—5日為小潮，12月6日—9日為中潮，12月10日—13日為大潮.各站位的觀測時(shí)間為7:00-17:30，每隔一小時(shí)采樣一次.

1.3 測定方法

1.3.1 懸浮泥沙質(zhì)量濃度測量

實(shí)驗(yàn)中濾膜采集的總顆粒物包括無機(jī)顆粒物和有機(jī)顆粒物，而無機(jī)顆粒物主要指懸浮泥沙.為保證實(shí)驗(yàn)的科學(xué)性和精確性，水樣全部采用現(xiàn)場過濾.總懸浮物濃度測定使用0.45 μm的GF/F濾膜，先進(jìn)行燒膜處理(去除膜上原附有的有機(jī)質(zhì)及水分).將冷卻后的膜進(jìn)行稱量，用來過濾水樣.量取一定體積的水樣，利用過濾器和真空泵過濾水樣，殘留在膜上的物質(zhì)即為總懸浮物.將過濾后的總懸浮物濾膜放入馬弗爐，經(jīng)過550 ℃高溫煅燒，去除有機(jī)懸浮物，然后將煅燒好的濾膜冷卻并稱量，用含有無機(jī)懸浮物的膜的質(zhì)量減去膜質(zhì)量，得到無機(jī)懸浮物質(zhì)量(此處將得到的無機(jī)懸浮物質(zhì)量近似為懸浮泥沙的質(zhì)量)，利用無機(jī)懸浮物的質(zhì)量除以水樣的體積即可得到懸浮泥沙質(zhì)量濃度(單位mg/L).

1.3.2 流速與風(fēng)速數(shù)據(jù)的測定

多普勒流速剖面儀(ADCP)利用發(fā)射出固定頻率的聲波，再接收水中散射體的后向散射信號(hào)，根據(jù)多普勒效應(yīng)，計(jì)算水體流速.本次杭州灣數(shù)據(jù)采集，采用Teledyne RD ADCP儀器進(jìn)行流速、流向的測量，利用船沿的鋼桿將儀器固定并伸入水下約50 cm深處，在儀器測量開始之前對儀器進(jìn)行校正和調(diào)試.利用WinADCP軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)查看和提取，流速單位為m/s.另外，整個(gè)現(xiàn)場觀測中各觀測站位所采集的風(fēng)速數(shù)據(jù)由手持式氣象站NK4000所測，風(fēng)速單位為m/s.

2 結(jié)果和分析

2.1 杭州灣表層水體懸浮泥沙質(zhì)量濃度概況

表1顯示了杭州灣各站位所采集的懸浮泥沙質(zhì)量濃度統(tǒng)計(jì)結(jié)果，由表1可得所有站位表層水體懸浮泥沙質(zhì)量濃度的最大值、最小值、平均值和標(biāo)準(zhǔn)差分別為2102.8、110.0、764.8、497.3 mg/L.

表1 杭州灣各站位表層水體實(shí)測的懸浮泥沙質(zhì)量濃度統(tǒng)計(jì)結(jié)果

圖2 乍浦港大、中、小潮潮高對比

2.2 懸浮泥沙質(zhì)量濃度影響因素分析

杭州灣表層水體懸浮泥沙質(zhì)量濃度分布差異較大，即使在同一個(gè)站位，不同的潮型、潮時(shí)以及風(fēng)力等因素都會(huì)對懸浮泥沙質(zhì)量濃度的變化構(gòu)成影響.除海面風(fēng)速外，影響懸浮泥沙質(zhì)量濃度的水動(dòng)力環(huán)境還包括潮高和流速.

2.2.1 潮高

以乍浦1號(hào)站點(diǎn)為例，對比潮高圖(圖2)可以看出，大潮時(shí)的潮高變化幅度要比小潮大，大潮時(shí)期的最大潮差為597 cm，而小潮期為448 cm.

2.2.2 流速

由ADCP得出的流速數(shù)據(jù)(圖3)可以看出，大潮的流速要顯著高于小潮，大潮時(shí)乍浦1號(hào)點(diǎn)的最大流速為2.45 m/s，而中潮和小潮時(shí)分布為1.45 m/s和1.83 m/s.漲急和落急時(shí)刻對應(yīng)的流速最大，而流速最小時(shí)則為漲落潮交接的時(shí)刻.

圖3 乍浦(S01)站位ADCP流速(1 m深處)時(shí)間序列(左：不同潮型；右：流速與潮高)

圖4 杭州灣乍浦(S01)站位大潮期間(2011.12.13)表層水體懸浮泥沙質(zhì)量濃度與流速時(shí)間變化序列

選擇2011年12月13日乍浦(S01)在大潮期間的現(xiàn)場實(shí)測數(shù)據(jù)為例進(jìn)行分析.由現(xiàn)場觀測可知，當(dāng)日全天風(fēng)速小且較穩(wěn)定，平均風(fēng)速僅為0.7 m/s，最大風(fēng)速也只有1.7 m/s.因此，表層水體懸浮泥沙質(zhì)量濃度變化受風(fēng)速的影響較小.圖4為乍浦(S01)站位表層水體懸浮泥沙質(zhì)量濃度與流速時(shí)間變化序列圖，從中可以看出，8:16和13:16這2個(gè)觀測點(diǎn)對應(yīng)了2個(gè)濃度峰值，濃度值分別為699.0、669.4 mg/L.根據(jù)潮位數(shù)據(jù)，這個(gè)時(shí)間段分別處在流速較快的落急和漲急期.而11:16和16:16分別對應(yīng)著2個(gè)濃度谷值，分別為303.4、110.0 mg/L，所處潮位為漲平和落平期，此時(shí)流速較慢.因此，通過在風(fēng)速較小且穩(wěn)定時(shí)的實(shí)測數(shù)據(jù)分析表明，漲落潮引起的流速差異是杭州灣表層水體懸浮泥沙質(zhì)量濃度變化的重要因素，并且濃度曲線相對于流速曲線有一定的延遲效應(yīng)，這是由于泥沙再懸浮由潮流驅(qū)動(dòng)引起，泥沙運(yùn)動(dòng)總是要落后水流運(yùn)動(dòng)，而泥沙的起動(dòng)、再懸浮擴(kuò)散都需要一個(gè)時(shí)間過程.

2.2.3 風(fēng)速

圖5 杭州灣乍浦(S01)站位小潮期間(2011.12.02)表層水體懸浮泥沙質(zhì)量濃度時(shí)間變化序列

選擇2011年12月2日乍浦(S01)在小潮期間的現(xiàn)場實(shí)測數(shù)據(jù)為例進(jìn)行分析.由現(xiàn)場記錄可得，當(dāng)日海面風(fēng)速較大，平均風(fēng)速為3.5 m/s，最大風(fēng)速達(dá)6.4 m/s，最小風(fēng)速為1.8 m/s.圖5為當(dāng)日乍浦(S01)站位表層水體懸浮泥沙質(zhì)量濃度時(shí)間變化序列圖，從中可以看出，圖中出現(xiàn)了3個(gè)波峰.從12月13日的數(shù)據(jù)分析結(jié)果來看，在風(fēng)速不大且穩(wěn)定的時(shí)候，不同漲落潮時(shí)引起的流速變化是懸浮泥沙質(zhì)量濃度變化的主要原因，一般出現(xiàn)2個(gè)波峰和2個(gè)波谷，分別出現(xiàn)在漲、落急和漲落交接的時(shí)候.此處出現(xiàn)3個(gè)波峰，而且最后幾個(gè)樣點(diǎn)的濃度差異較小.由現(xiàn)場記錄分析，16:16時(shí)該站位處在漲落交接時(shí)刻，應(yīng)該是流速較緩的時(shí)刻，而此時(shí)的風(fēng)速達(dá)到最大6.4 m/s，產(chǎn)生的大風(fēng)浪能引起懸浮泥沙的再懸浮，可能是導(dǎo)致此時(shí)懸浮泥沙質(zhì)量濃度變大的主要原因之一.所以在風(fēng)力較大且不穩(wěn)定時(shí)，風(fēng)力作用引起的泥沙再懸浮，可能是懸浮泥沙質(zhì)量濃度變化異常的主要原因.

2.3 相同站點(diǎn)不同潮型懸浮泥沙質(zhì)量濃度對比分析

乍浦(S01)站位于12月2日、6日和13日進(jìn)行的采樣分別對應(yīng)著小潮、中潮和大潮數(shù)據(jù).由圖6可以看出，該站位小潮的懸浮泥沙質(zhì)量濃度最高，其次是大潮，中潮最低.小潮期間的平均懸沙質(zhì)量濃度為738.58 mg/L，大潮為427.27 mg/L，中潮為321.02 mg/L.由于小潮(12月2日)該站位風(fēng)速較大，平均風(fēng)速為3.54 m/s，最大風(fēng)速達(dá)6.4 m/s，而大潮(12月13日)的平均風(fēng)速僅為0.7 m/s，最大風(fēng)速也只有1.7 m/s，中潮(12月6日)平均風(fēng)速為3.23 m/s，最大風(fēng)速為4.1 m/s，故風(fēng)引起波浪造成泥沙的再懸浮，可能是小潮懸浮泥沙質(zhì)量濃度顯著高于大潮的主要原因.

圖6 杭州灣乍浦(S01)站位大、中、小潮期間風(fēng)速和表層水體懸浮泥沙質(zhì)量濃度對比

由于12月8日風(fēng)力太大，所以庵東(S02)站位的中潮數(shù)據(jù)沒有采集，只有大潮和小潮數(shù)據(jù).從圖7中可以看出，該站位小潮懸浮泥沙質(zhì)量濃度要顯著高于大潮，小潮平均懸浮泥沙質(zhì)量濃度為1485.00 mg/L，大潮為889.55 mg/L.其中大潮12:16時(shí)的質(zhì)量濃度要略高于小潮，主要是由于大潮(12日)12:16為漲急，流速很快，而小潮(3日)12:16為漲落交接時(shí)段，流速較慢，所以導(dǎo)致該時(shí)刻大潮質(zhì)量濃度要高于小潮質(zhì)量濃度.由現(xiàn)場記錄表得出，庵東2號(hào)點(diǎn)小潮(3日)的平均風(fēng)速達(dá)到4.96 m/s，最大風(fēng)速為6.1 m/s，而大潮(12日)平均風(fēng)速僅為1.82 m/s.強(qiáng)風(fēng)引起較大的海面波浪，從而導(dǎo)致了泥沙再懸浮作用劇烈，可能是該站位小潮懸沙質(zhì)量濃度顯著高于大潮的原因.

圖7 杭州灣庵東(S02)站位大、小潮期間風(fēng)速和表層水體懸浮泥沙質(zhì)量濃度對比

金山(S03)站位采集了大潮(11日)和小潮(4日)的懸浮泥沙質(zhì)量濃度數(shù)據(jù)(圖8).11日該站位實(shí)測時(shí)間從上午10:16開始到18:16結(jié)束，較4日實(shí)測時(shí)段短.大潮平均懸沙質(zhì)量濃度為812.13 mg/L，小潮為513.95 mg/L，圖8可見，除了13:16，14:16和15:16這3個(gè)時(shí)刻之外，該站位大潮的懸沙質(zhì)量濃度都要高于小潮，即使當(dāng)日平均風(fēng)速要比小潮期間小得多，說明在金山站位與乍浦和庵東不同，其表層水體懸沙質(zhì)量濃度受風(fēng)速本身的影響不大.由于該站位所處的灣口區(qū)域平均水深要大于乍浦和庵東所處的灣頂?shù)貐^(qū)，因此風(fēng)浪導(dǎo)致的底質(zhì)再懸浮效果并不明顯，而潮汐引起的懸沙水平運(yùn)移則可能是該區(qū)域懸沙質(zhì)量濃度變異的更主要因素.

圖8 杭州灣金山(S03)站位大、小潮期間風(fēng)速和表層水體懸浮泥沙質(zhì)量濃度對比

綜上所述，大風(fēng)浪對于庵東和乍浦站位懸浮泥沙質(zhì)量濃度的變化影響較大，導(dǎo)致2個(gè)站位小潮懸沙質(zhì)量濃度均明顯高于大潮，而金山站位懸沙質(zhì)量濃度的變化受大風(fēng)浪影響不明顯，這是由于金山站位所處的灣口區(qū)域平均水深要大于乍浦和庵東所處的灣頂?shù)貐^(qū)，致使風(fēng)浪所引起的底質(zhì)再懸浮作用不明顯，因而潮汐作用對金山站位懸沙質(zhì)量濃度變化的影響可能更為顯著，并且其大潮懸浮泥沙的質(zhì)量濃度要高于小潮.

2.4 相同潮型不同站位的懸浮泥沙質(zhì)量濃度對比分析

3個(gè)站位都有小潮的記錄.由圖9可以看出，庵東(S02)站位要顯著高于乍浦(S01)和金山(S03)站位，乍浦(S01)比金山(S03)質(zhì)量濃度要高一些.3個(gè)站位小潮平均懸浮泥沙質(zhì)量濃度分別為1485.00 mg/L(S02)，738.58 mg/L(S01)和513.95 mg/L(S03).小潮期間3個(gè)采樣站點(diǎn)的風(fēng)速都比較大，平均風(fēng)速分別達(dá)到了4.96 m/s(S02)，3.54 m/s(S01)和4.6 m/s(S03)，所以3個(gè)站位的風(fēng)浪都對表層水體懸沙質(zhì)量濃度產(chǎn)生了較大影響.懸浮泥沙差異的原因主要與3個(gè)站位的地理位置有關(guān).S02處于庵東淺灘地區(qū)，S01處于乍浦河口中心地帶，而S03位于金山灣口附近.

圖9 3個(gè)站位小潮期間的風(fēng)速和表層水體懸浮泥沙質(zhì)量濃度對比

圖10 3個(gè)站位大潮期間的表層水體懸浮泥沙質(zhì)量濃度對比

大潮期間3個(gè)站位的懸浮泥沙平均濃度由高到低依次為889.55 mg/L(S02)，812.13 mg/L(S03)和427.27 mg/L(S01)(圖10).大潮期間的質(zhì)量濃度變化要比小潮劇烈很多，S01、S02和S03站位在小潮期間的質(zhì)量濃度標(biāo)準(zhǔn)差分別為189.27、281.135 mg/L(去除前2次采樣)和161.95 mg/L，而大潮期間的標(biāo)準(zhǔn)差分別為227.07、409.05和471.67 mg/L，都要顯著大于小潮時(shí)期.除此之外，3個(gè)站位之間的質(zhì)量濃度差異可能主要受流速和風(fēng)速的綜合影響(圖11).乍浦懸沙質(zhì)量濃度較低可能與該站位當(dāng)日的風(fēng)速相對較小有關(guān).

圖11 3個(gè)站位大潮期間的風(fēng)速和流速對比

總體而言，由每個(gè)站位數(shù)據(jù)分析對比可知，影響其總體質(zhì)量濃度變化的主要因素為潮型和風(fēng)浪的變化，影響其短時(shí)間內(nèi)質(zhì)量濃度變化的主要因素為潮時(shí)不同而引起的流速差異.

3 結(jié) 論

以杭州灣水體現(xiàn)場定點(diǎn)觀測數(shù)據(jù)為依據(jù)，通過在3個(gè)代表性站位的日內(nèi)連續(xù)觀測，研究了不同潮型、潮時(shí)以及風(fēng)速情況下杭州灣表層水體懸浮泥沙質(zhì)量濃度的逐時(shí)變異特征，結(jié)果表明：1)風(fēng)速較小且穩(wěn)定時(shí)，不同漲落潮時(shí)引起的流速變化是杭州灣懸浮泥沙質(zhì)量濃度變化的主要原因，一般出現(xiàn)2個(gè)波峰和2個(gè)波谷，分別出現(xiàn)在漲、落急和漲落交接的時(shí)候，且懸浮泥沙濃度相較于流速變化有延遲效應(yīng).2)大風(fēng)浪能引起懸浮泥沙的再懸浮，因此在風(fēng)力較大且不穩(wěn)定時(shí)，風(fēng)力作用引起的泥沙再懸浮，可能會(huì)導(dǎo)致懸浮泥沙質(zhì)量濃度變化異常(如乍浦、庵東站位小潮懸浮泥沙濃度顯著大于大潮).3)風(fēng)速和潮汐引起的懸沙水平運(yùn)移會(huì)共同作用于同一站點(diǎn)不同潮型懸浮泥沙質(zhì)量濃度.4)地理位置的差異以及風(fēng)速流速的綜合作用是同一潮型的不同站點(diǎn)懸浮泥沙質(zhì)量濃度差異的主要因素.

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