劉建華，陳沈良，楊世倫，朱 琴

（華東師范大學 河口海岸學國家重點實驗室，上海 200062）

潮流和波浪是影響河口海岸地區(qū)懸沙質(zhì)量濃度變化的主要動力因素。在英格蘭東部威爾士海岸發(fā)現(xiàn)流速的uz－lnz線性關(guān)系漲潮大于落潮［1］。Dufois研究了萊昂灣波浪和潮流作用下底床剪切應(yīng)力的分布［2］。Soulsby和Van Rijn分別給出了計算浪流聯(lián)合剪切應(yīng)力參數(shù)化模型［3－4］。曹祖德、孔令雙等也對波流聯(lián)合剪切應(yīng)力的計算進行了探討［5－6］。在崇明東灘潮間帶進行了近底浪流聯(lián)合作用下灘面的沖淤演變的研究［7］。有學者在河口潮間帶、鹽沼等地區(qū)進行了大量泥沙動力沉積過程和浪流聯(lián)合作用的研究［8－12］。

長江河口作為國內(nèi)高濁度河口之一，泥沙沉降和再懸浮作用顯著。許多學者對長江口附近海域的懸沙質(zhì)量濃度時空特征進行了大量研究［13－16］，Yu和Tian根據(jù)懸沙一維模型研究了長江口懸沙沉速和垂向變化［17］。但很少從剪切應(yīng)力的角度探討懸沙質(zhì)量濃度變化的動力機制。研究長江口懸沙質(zhì)量濃度變化及動力機制與泥沙沉降和再懸浮對近岸底床沖淤演變、港口建設(shè)等方面具有重要理論價值和現(xiàn)實意義。我們通過對懸沙質(zhì)量濃度變化和流、浪動力作用變化的關(guān)聯(lián)分析，探討近岸和開敞海域潮周期內(nèi)懸沙質(zhì)量濃度變化以及泥沙沉降和再懸浮動力機制。

1 研究區(qū)概況

長江口是我國的最大河口，具有三級分叉、四口入海的特點。長江口及鄰近海域潮汐是不正規(guī)半日潮，河口附近平均潮差約2.7m，大潮潮差4m，年平均鹽度為5～15［13］，峰值流速可達2m／s［18］。崇明東灘中部和南北兩側(cè)的潮流流向有一定差異，中部以旋轉(zhuǎn)流為主，南北兩側(cè)以往復流為主。長江口門地區(qū)的風向以南南東、北北東為主，多年平均風速為7.2m／s；波浪以風浪為主，常浪向為北東北，頻率為17%；其次為東向浪，頻率為13%；強浪向為北東北，頻率為9%［19］。研究區(qū)波浪活動屬于中等范圍，平均波高約1.0m，冬季的波浪和沉積物懸浮遠大于其它季節(jié)［20－21］。口門地區(qū)存在最大渾濁帶，懸沙質(zhì)量濃度變化范圍為0.1～2.0 g／L［13，22］。長江三角洲前緣的大陸架坡度＜1‰［23］。本研究區(qū)域位于長江口門北港以北崇明東灘以東海域（圖1）。

圖1 研究區(qū)概況圖Fig.1 Sketch map of the study area

2 資料和方法

2010－04－23—25，28—30（測點B和C）和2011－01－13—14，21—22（測點 A）在長江口門附近海域進行定點動力泥沙觀測（圖1）。使用手持風速風向儀測量風速。利用ADCP（600kHz）進行流速流向觀測，Valeport－106測量水體表層流速流向。在整點時刻上下垂向移動OBS－3A獲取從表層到近底層（距離底床0.5 m）水體濁度，同時根據(jù)6層水深法獲取水樣，每瓶600mL。利用0.45μm濾紙過濾烘干水樣，得出懸沙質(zhì)量濃度數(shù)據(jù)，根據(jù)濁度－懸沙質(zhì)量濃度擬合公式計算出整點時刻垂向懸沙質(zhì)量濃度。利用激光粒度儀測量沉積物樣品和水樣懸沙粒徑。在測點A拋放三腳架，然后安置浪潮儀SBE26plus和OBS－3A。測點B和C的波浪周期數(shù)據(jù)由佘山島水文站提供，有效波高數(shù)據(jù)由風速和周期反演得到。懸沙質(zhì)量濃度時間變化序列利用克里金方法進行插值。

2.1 剪切應(yīng)力

2.1.1 臨界侵蝕應(yīng)力

針對研究區(qū)底床沉積物主要是細顆粒泥沙的特征，用公式（1）計算底床沉積物的臨界侵蝕應(yīng)力（τcr，N／m2），適用于粘性泥沙（粒徑小于20μm）［24］：

式中，β＝0.3；S＝（ρs／ρ）－1；ρs為沉積物顆粒密度，取2 650kg／m3；ρ為海水密度1 028kg／m3；W為含水量。

Van Rijn從沉積動力學原理分析［4］，提出臨界侵蝕應(yīng)力的另一種算法，此公式可以適用于顆粒中值粒徑大于20μm的非粘性沉積物臨界侵蝕應(yīng)力的計算：

式中，θcr＝0.14D－0.64＊，D＊為無量綱粒徑；d50為中值粒徑。

2.1.2 波浪，潮流和浪流聯(lián)合剪切應(yīng)力

根據(jù)Airy波理論，波長L可用水深表示：

莆田公式中周期、波高和風速的關(guān)系：

式中，vo為風速；Tm為平均波周期；hm為平均波高，一般hm＝0.65hs；hs為有效波高。

波浪水質(zhì)點峰值軌道速度Uw：

式中，Uw，k，h，H，T分別代表波浪水質(zhì)點峰值軌道速度、波數(shù)、水深、波高、波周期。

波浪底床剪切應(yīng)力：

式中，fws＝B，當Rw≤5×105時B＝2，N＝0.5；當Rw＞5×105時，B＝0.052 1，N＝0.187。

根據(jù)流速對數(shù)分布公式［4］，對距離底層高度為z的流速uc（z）和高度z的對數(shù)進行線性擬合公式（7），得到斜率A。

式中，u＊c＝κA為摩阻流速（m／s）；κ為 Von Karman常數(shù)，通常取0.4；z0為水力粗糙度或糙率長度（m）；z為流速剖面距離灘面的高度（m）。

水流的底床剪切應(yīng)力：

流－浪聯(lián)合作用下的底床剪切應(yīng)力使用Soulsby［3］模型表示：

式中，τw表示波浪剪切應(yīng)力；τc表示潮流剪切應(yīng)力；τcw表示流－浪聯(lián)合作用下底床剪切應(yīng)力。

Van Rijn模型：

2.2 沉降速度

在前人關(guān)于長江口懸浮泥沙沉降速度研究的基礎(chǔ)上，我們選用適合長江口地區(qū)的公式（11）進行計算懸沙沉降速度［13］：

式中，c1＝0.06；c2＝4.6；m1＝0.75；m2＝0.6；U為流速；C為懸沙質(zhì)量濃度；ω50為單顆粒懸沙中值粒徑沉降速度；＝3.8。用斯托克斯公式表達：

式中，υ＝1×10－6m2／s，為運動粘滯系數(shù)。

3 結(jié)果分析

3.1 水動力特征

3.1.1 潮流特征

3個測點流速變化為0.01～2.26m／s（圖2）。測點A處小潮流速為0.01～1.30m／s（圖2a），垂向平均流速為0.45m／s，近底平均流速為0.33m／s（圖3c）。漲潮表底層均為西南流向，落潮流向較紊亂，但基本為東北向，大潮最大流速達2.20m／s，垂向和近底平均流速均約為小潮2倍（圖3c）。漲落潮流向為西南–東北向（圖2b）。大小潮表底急流和憩流時刻基本相同。

測點B處最大流速為1.95m／s（圖2d），小潮垂向平均流速為0.53m／s，而近底平均流速為0.35m／s。大潮垂向和近底平均流速是小潮的1.6倍。垂向上表底層流速變化一致，在落轉(zhuǎn)漲過程，表層憩流會滯后底層約1h。大小潮漲落流向為西北－東南向。

測點C處小潮平均流速為0.59m／s，表層漲憩滯后底層約1～2h（圖2e）。近底平均流速為0.43m／s（圖3c）。最大流速2.28m／s出現(xiàn)在中潮，平均流速是小潮的1.4倍。而在中潮的落轉(zhuǎn)漲過程，表層會滯后于底層約3h，在垂向易形成鹽水楔。

3個測點流速大潮大于小潮，垂向從表層至底層遞減。近岸海域漲落潮為西南－東北流向，開敞海域則為西北－東南流向。

圖2 觀測點流速流向矢量圖Fig.2 Time series of the vectors of the velocity and direction of current at each observation site

圖3 測點水動力條件和剪切應(yīng)力時間變化序列Fig.3 Time－series of the changes in hydrodynamic conditions and shear stresses at each observation site

3.1.2 風和波浪

在測點A風速為0.5～6.4m／s，小潮時為偏東風，平均風速為3.9m／s；大潮則為偏北風，平均風速為2.2m／s（圖4a）。測點B小潮最大風速為6.2m／s，平均風速是3.3m／s，風向為偏北風；大潮風速為0～8.2m／s，平均風速為4.9m／s，風向為南風（圖4b）。測點C小潮時為東南風，風速為1.3～7.4m／s。中潮時風向從北向變成南向，風速從8m／s減小到1.3m／s再增大到5.8m／s（圖4c）。

測點A處有效波高最小值為0.04m，最大值為0.81m，小潮和大潮時平均有效波高均為0.13m，大潮時出現(xiàn)2個峰值（圖3a）。測點B處小潮時有效波高約為0.60m，大潮時最大值和最小值相差0.30m。測點C處有效波高平均值為0.88m，小潮時數(shù)值大于大潮時數(shù)值。總之，風速和有效波高均為開敞海域大于近岸海域。

圖4 測點風速風向矢量圖Fig.4 Time series of the vectors of wind at each observation site

3.1.3 剪切應(yīng)力變化特征

小潮觀測期間，測點 A處τc最大值（0.410N／m2）遠大于最小值（0.002N／m2）（圖3d），平均值為0.080 N／m2（表1）。τw范圍從0.030～0.250N／m2，平均值0.100N／m2，波浪作用比潮流作用稍強（圖3e），τcw平均值為0.130N／m2（表1）。大潮τcw是小潮的2.2倍，而τc和τw平均值分別為0.270和0.050N／m2（表1）。利用Van Rijn模型計算的平均值比Soulsby模型大0.070N／m2（圖3f）。

表1 測點剪切應(yīng)力特征值Table 1 Character values of shear stresses at each observation site

小潮觀測期間，測點B處τc最大值為0.62N／m2，平均值小于τcr（表1）。τw最大值是0.11N／m2（表1），盡管該點波浪數(shù)據(jù)部分缺失，但因為觀測期間無大風天氣（圖4b），水深遠大于波高，可以認為觀測期間波浪對底床沉積物的作用很小（圖3e）。大潮平均τcw為0.31N／m2，是小潮的1.5倍（表1）。Van Rijn模型計算值比Soulsby模型的結(jié)果稍大（圖3f）。

測點C小潮觀測時段，τc最大值和平均值分別為0.67和0.19N／m2，τcw最大值為0.31N／m2，平均值約為最大值的1／3（表1）。中潮時，τc最小值和最大值分別為0.01和0.85N／m2，平均值是τcr的2倍多，τcw的最大值為0.85N／m2（圖3f），為平均值的2.6倍。不論小潮還是中潮，τw的最大值是0.002N／m2（圖3e），遠小于τcr，說明波浪作用極其微弱。Soulsby模型和van Rijn模型的τcw值和趨勢基本一致（圖3f）。

總之，測點近底層流剪切應(yīng)力（τc）和流－浪聯(lián)合剪切應(yīng)力（τcw）時間上大潮大于小潮，空間上近岸海域小于開敞海域。波浪剪切應(yīng)力（τw）為近岸海域大于開敞海域。兩種流－浪聯(lián)合剪切應(yīng)力計算模型的結(jié)果差別很小，均可用于計算流－浪聯(lián)合剪切應(yīng)力。

3.2 泥沙特征

3.2.1 底床沉積物特征

在測點A底床沉積物中值粒徑為7.5μm，含水量為52%，用公式（1）計算出底床臨界侵蝕應(yīng)力（τcr）為0.098N／m2。測點B和測點C的中值粒徑分別為178.3和108.5μm，用公式（2）計算出τcr分別為0.153和0.128N／m2（圖3f）。

3.2.2 懸沙質(zhì)量濃度

圖5 垂向懸沙質(zhì)量濃度時間變化序列Fig.5 Time series of vertical changes of suspended sediment concentration（SSC）at each observation site

研究區(qū)懸沙質(zhì)量濃度變化為0.07～1.61g／L（圖5）。例如，測點A在小潮時垂向平均懸沙質(zhì)量濃度為0.12g／L（圖5a），大潮比小潮僅大0.05g／L（圖5b），表底層垂向變化不明顯。測點B在小潮時垂向平均懸沙質(zhì)量濃度是0.25g／L（圖5c），在落轉(zhuǎn)漲過程（14～16h）底層出現(xiàn)極大值，約為表層的3倍。大潮時垂向平均懸沙質(zhì)量濃度是小潮時的2倍，底層最大懸沙質(zhì)量濃度約為表層的10倍（圖5d）。在測點C小潮時垂向平均懸沙質(zhì)量濃度和中潮基本一致，約為0.18g／L（圖5e和圖5f）。潮周期內(nèi)底層懸沙質(zhì)量濃度比表層大，大潮大于小潮，測點B懸沙質(zhì)量濃度大于東西兩側(cè)測點A和C。大潮期間，測點B和C處的懸沙沉降速度分比為0.61和0.24mm／s，小潮期間分別為0.42和0.08mm／s。所以說懸沙沉降速度是大潮大于小潮，測點B大于測點C。

4 討 論

4.1 潮流在流－浪聯(lián)合作用中的優(yōu)勢地位

Simons和MacIver在實驗室中測量出底部剪切應(yīng)力，τcw的范圍從0.2～3.2N／m2，同時發(fā)現(xiàn)底摩擦的損耗對浪流相互作用有顯著的影響［10，25－26］。Lou計算了澳大利亞克利夫蘭灣海域浪流聯(lián)合作用下底部剪切應(yīng)力，流底部剪切應(yīng)力范圍從0.04～0.56N／m2，但最大τcw范圍0.4～5.6N／m2［27］。3個測點的τcw計算結(jié)果為0.004～0.850N／m2，大部分在Simons和Lou計算結(jié)果范圍內(nèi)，最大值較小的可能原因是長江口屬于中等潮差河口，潮流作用較強，但波浪作用可能比克利夫蘭灣海域小。由表2知，3個測點的浪剪切應(yīng)力比流剪切應(yīng)力小，τc與τcw的比值最小為0.81，最大為0.95，自近岸海域向開敞海域逐漸增大。說明τc在τcw的計算中貢獻比例大，流－浪聯(lián)合作用的變化趨勢主要是受到了潮流作用的影響。因此，在海況較好的情況下，流作用在底床沉積物起動和懸沙質(zhì)量濃度時空變化過程中起著決定性的作用。在波浪數(shù)據(jù)不完整的情況下，可用τc替代τcw討論懸沙沉降和底床沉積物再懸浮過程。

表2 平均流致剪切應(yīng)力的貢獻率Table 2 Contribution rate of the average current－induced shear stress at each observation site

研究區(qū)海流的性質(zhì)包括很多方面，例如潮流，徑流，沿岸流，風海流，密度流等。在計算τc的過程中，發(fā)現(xiàn)有1～2個數(shù)量級的波動，而在除潮流之外的海流中一般不會出現(xiàn)這么大的波動，因此可以認為研究區(qū)的水流動力主要受到潮流控制，潮流作用在τc中貢獻最大。

4.2 泥沙沉降和再懸浮

有學者認為底床表層沉積物臨界侵蝕應(yīng)力為0.016～0.150N／m2［2］，3個測點τcr的計算結(jié)果與之相比基本吻合。小潮觀測期間，測點A處τc小于τcr的出現(xiàn)頻率為71%，潮流作用較弱，底床表層沉積物無法被起動。大潮時，τc大于τcr的時段占75%，潮流作用強烈，底床泥沙在潮流作用下易起動再懸浮（圖3d）。測點B小潮觀測期間，τc小于τcr的出現(xiàn)頻率為55%，潮流無法起動底床表層沉積物再懸?。▓D3d）。大潮時，τc大于τcr的時間段占81%，同樣說明大潮泥沙再懸浮作用比較強烈。但在時間上，比測點A多6%，可推測潮流對底床沉積物的作用比測點A強烈。測點C小潮時，τc大于τcr占觀測時段的61%。大潮有68%的時間τc大于τcr（圖3d）。

長江口門附近海域懸沙變化主要受潮流控制。測點A小潮10～14h時段，0.8H和底層的懸沙質(zhì)量濃度相差微小，同時τc均大于0.1N／m2，潮流作用使底床泥沙再懸浮近底泥沙混合所致（圖6a）。隨著τc變小，泥沙沉降，但懸沙質(zhì)量濃度反而升高，主要是受到異地平流作用影響，τc和懸沙質(zhì)量濃度的變化趨勢屬于Ⅱ型（τc和懸沙質(zhì)量濃度變化趨勢不一致）。大潮5～6h時段，隨著τc減小至0.03N／m2（低于τcr），泥沙沉降，0.8H和近底懸沙質(zhì)量濃度均降低；在8～9h時段隨著再次τc增大至大于τcr值，底床沉積物再懸浮作用明顯，τc和懸沙質(zhì)量濃度的變化趨勢屬于Ⅰ型（τc和懸沙質(zhì)量濃度變化趨勢一致）（圖6b）。

測點B小潮7～8h時段，τc減小，而懸沙質(zhì)量濃度基本保持不變，說明平流作用在此時段發(fā)生作用，τc和懸沙質(zhì)量濃度的變化趨勢屬于Ⅱ型（圖6c）。大潮時，泥沙再懸浮作用顯著（4～6h；16～17h），在21h時τc減小，泥沙沉降，懸沙質(zhì)量濃度變小，τc和懸沙質(zhì)量濃度的變化趨勢屬于Ⅰ型（圖6d）。測點C小潮時，泥沙沉降和再懸浮較明顯（11～13h），而在19～21h落轉(zhuǎn)漲過程，懸沙質(zhì)量濃度由0.21g／L降至0.11g／L（圖6d）。原因除τc小于τcr外，漲潮時來自外海的低濃度水團平流經(jīng)過此處所致。中潮憩流時（圖2f），τc小于τcr（4h），泥沙沉降，0.8H 和底層懸沙質(zhì)量濃度均降低（圖6f）。而τc變大時段（10～11h），底層泥沙再懸浮，0.8H層懸沙質(zhì)量濃度升高。11h之后盡管τc較大，但懸沙質(zhì)量濃度并未升高，和小潮漲潮過程有相似的原因。

總之，τc大于τcr的時間占60%，而小于τcr的時間約占40%，說明潮流剪切應(yīng)力明顯作用于底床沉積物。測點A小潮τw的平均值稍大于τcr，可以擾動底床表層沉積物，而大潮平均值為小潮1／2，不足以起動底床表層沉積物。測點B和C的τw平均值均小于τcr，無法單獨起動底床沉積物。因此，研究區(qū)域底床沉積物受潮流作用顯著；近岸海域波浪作用可擾動底床沉積物，促進再懸浮過程，而開敞海域波浪作用微乎其微。

圖6 潮流剪切應(yīng)力與懸沙質(zhì)量濃度時間變化序列Fig.6 Time series of the changes in tidal current shear stress and SSC at each observation site

4.3 懸沙質(zhì)量濃度變化動力機制中平流作用的影響

通過對3個測點表層、中層、底層和垂向平均懸沙質(zhì)量濃度與τc之間進行相關(guān)性分析，發(fā)現(xiàn)不論近岸海域還是開敞海域，上述4個懸沙質(zhì)量濃度系列和τc的相關(guān)系數(shù)均很小，相關(guān)性不顯著。表明水體懸沙質(zhì)量濃度的變化雖然受到浪－流剪切應(yīng)力的影響但程度不深。除了局地水動力條件引起的底床剪切應(yīng)力能夠?qū)疑迟|(zhì)量濃度變化產(chǎn)生影響之外，平流作用在懸沙質(zhì)量濃度的變化中起到重要作用［28－29］。因此，可推斷，在本研究區(qū)域內(nèi)平流作用在泥沙沉降和再懸浮過程，以及垂向懸沙質(zhì)量濃度變化中具有主導地位。

5 結(jié) 語

正常風況條件下長江口門附近海域的水動力主要受潮流控制。潮周期內(nèi)的流－浪聯(lián)合剪切應(yīng)力既有大于底床沉積物臨界侵蝕剪切應(yīng)力（τcr）的時段（約60%），也有小于τcr的時段（40%），說明研究區(qū)底床和水體之間存在頻繁的泥沙交換過程。但是，每小時觀測到的剪切應(yīng)力與懸沙質(zhì)量濃度之間的統(tǒng)計相關(guān)性不顯著，說明基于每小時觀測的研究區(qū)域懸沙質(zhì)量濃度變化主要反映平流作用而不是局地動力條件變化引起的泥沙沉降－再懸浮過程的影響。

致謝：參加野外觀測的還有張文祥高工和史本偉、羅向欣、何海豐等研究生。

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