齊富康，邊昌偉，徐景平

(1.中國海洋大學(xué) 海洋地球科學(xué)學(xué)院，山東 青島 266100；2.中國海洋大學(xué) 物理海洋教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東 青島266100；3.南方科技大學(xué) 海洋科學(xué)與工程系，廣東 深圳 518055；4.青島海洋科學(xué)與技術(shù)試點(diǎn)國家實(shí)驗(yàn)室 海洋地質(zhì)過程與環(huán)境功能實(shí)驗(yàn)室，山東 青島 266061)

1 引言

渤海海峽是連接渤海和黃海兩個(gè)陸架海區(qū)的唯一通道，其特殊的地理位置使其成為研究黃河入海物質(zhì)輸運(yùn)、渤、黃海之間物質(zhì)交換和泥質(zhì)體形成等重要科學(xué)問題的關(guān)鍵[1-3]。渤海海峽懸浮物的輸運(yùn)主要受風(fēng)和潮流的影響，輸運(yùn)方式包括平流輸運(yùn)和局地再懸浮[4-7]。水動(dòng)力強(qiáng)弱影響著懸浮物的動(dòng)力過程，當(dāng)波浪擾動(dòng)影響到海底時(shí)，波流耦合會(huì)增強(qiáng)底剪切應(yīng)力，從而更有可能造成海底沉積物的再懸浮[8]。受東亞季風(fēng)季節(jié)性變化的影響，渤海海峽冬季水動(dòng)力強(qiáng)度顯著大于夏季，即冬季沉積物再懸浮作用明顯，導(dǎo)致冬季懸浮物輸運(yùn)通量顯著高于夏季[5,9]。

目前對渤海海峽的沉積物輸運(yùn)研究主要是基于物理模型和現(xiàn)場觀測兩種手段。現(xiàn)場觀測研究開展稍晚而且觀測方式主要是集中于走航和大面站的觀測[1,6-7,10-11]，單點(diǎn)連續(xù)觀測資料較少[5,12]。Martin等[1]依據(jù)觀測數(shù)據(jù)得出渤海海峽南側(cè)水平懸浮物通量（Suspended Sediment Flux，SSF）約為 11.9 Mt/a。Bi等[5]依據(jù)MODIS遙感數(shù)據(jù)和定點(diǎn)連續(xù)觀測結(jié)果，計(jì)算的渤海海峽南側(cè)SSF約為40.0 Mt/a。此外，Wang等[7]指出渤海海峽夏季懸浮物濃度（Suspended Sediment Concentration，SSC）垂向分布不均勻，并將SSC視為上下兩層計(jì)算SSF，結(jié)果要比前人[5]結(jié)果大16%。綜上所述，以往的SSF計(jì)算使用幾個(gè)層位平均或全水深平均的SSC代表整個(gè)水體，忽略了底邊界層（Bottom Boundary Layer，BBL）流速和SSC在垂向上的劇烈變化對結(jié)果的影響。此外，由于缺乏實(shí)測數(shù)據(jù)，尤其是底邊界層沉積動(dòng)力學(xué)觀測資料，量化推移質(zhì)輸運(yùn)及其在渤海海峽沉積物通量中的貢獻(xiàn)存在困難。

利用基于觀測數(shù)據(jù)的參數(shù)化計(jì)算方法可以增進(jìn)對底邊界層沉積物輸運(yùn)過程和機(jī)制的認(rèn)識(shí)。以對流擴(kuò)散方程為基礎(chǔ)的垂向一維參數(shù)化模型在河口和海岸懸浮物剖面研究中有著廣泛的應(yīng)用[13-16]。以往一維參數(shù)化模型大多假設(shè)濃度剖面是Rouse分布或者其變異形式[8,17-18]，忽略了SSC的分層效應(yīng)和底質(zhì)泥沙顆粒粒度分級(jí)的影響。雖然沉積物濃度分層在河流或淺水地區(qū)不明顯，但是在較深水中忽略分層效應(yīng)會(huì)對模擬的濃度剖面產(chǎn)生重要影響[19-20]。此外，細(xì)顆粒泥沙的黏性作用會(huì)阻礙泥沙起動(dòng)。在黏性顆粒占到一定比例的區(qū)域，忽略底質(zhì)泥沙顆粒粒級(jí)多樣性而使用中值粒徑代表底質(zhì)進(jìn)行再懸浮濃度剖面計(jì)算的有效性有待驗(yàn)證。

綜上所述，為了探討底邊界層沉積物輸運(yùn)的重要性，本文結(jié)合觀測資料，確定了最優(yōu)的沉積物輸運(yùn)一維參數(shù)化方案，計(jì)算了渤海海峽冬季底邊界層SSC剖面分布，比較了參數(shù)化計(jì)算底邊界層SSC與用定值代替底邊界層SSC這兩種情況下底邊界層SSF計(jì)算結(jié)果的差異，最終量化了研究海區(qū)的SSF和推移質(zhì)輸運(yùn)。

2 研究區(qū)域概況

渤海海峽指遼東半島南端老鐵山西南角至山東半島蓬萊登州頭一帶水域，南北寬度約100 km，水深約20～80 m，是典型的陸架淺海區(qū)。廟島群島把渤海海峽分割成若干個(gè)水道，北端的老鐵山水道是最重要的水道，最大水深86 m；南端為登州水道，水深約20～30 m[21]。海峽北部底質(zhì)是礫石和裸露的基巖，中部和南部底質(zhì)是相對細(xì)顆粒的沉積物，包括砂、砂質(zhì)粉砂、粉砂、黏土質(zhì)粉砂[22]。

早期研究表明渤海海峽的水通量呈現(xiàn)“北進(jìn)南出”的格局，即黃海水流從渤海海峽北側(cè)進(jìn)入渤海，渤海的水流由南側(cè)流入黃海[23-25]。Zhang等[26]依據(jù)不同季節(jié)的觀測數(shù)據(jù)提出了渤海海峽海流運(yùn)動(dòng)的3種格局，“北進(jìn)南出”的格局只出現(xiàn)在秋季和冬季。渤海海峽潮汐由M2分潮占主導(dǎo)，此外還有K1、S2等分潮，最大潮流流速在0.7～2.0 m/s之間[9,27-28]。潮汐方向大致呈現(xiàn)與海岸平行的東西向，漲潮流向西，落潮流向東。

3 觀測數(shù)據(jù)與方法

3.1 數(shù)據(jù)資料

本文所用數(shù)據(jù)為2018年1月2-13日在渤海海峽T01和T02站（圖1）獲取的定點(diǎn)連續(xù)觀測資料（表1）。為了圖件時(shí)間的統(tǒng)一，本文將1月2日08:30定義為起始時(shí)刻，以1 h為間隔遞增。

觀測中使用包含波浪模塊的聲學(xué)多普勒流速剖面儀（ADCP）獲取水體的流速剖面和波浪參數(shù)（波高、波周期等）。ADCP發(fā)聲頻率是614 kHz，采樣間隔20 min，安裝在底基平臺(tái)上向上觀測，傳感器分別距底 1.55 m（T01）和 0.80 m （T02），層厚設(shè)置為 0.75 m。此外，于1月6日09:00到1月7日10:00，利用船基吊放的方式在兩個(gè)站位同時(shí)進(jìn)行了連續(xù)26 h、每小時(shí)一次的剖面觀測并分層采水，搭載儀器有：采水瓶3個(gè)和現(xiàn)場激光粒度分析儀（LISST-200X）1臺(tái)，采水層位分別是表層（水下1 m）、中層（0.4倍水深）和底層（距底約3 m），水樣經(jīng)抽濾、烘干、稱重后計(jì)算得到實(shí)測懸浮物質(zhì)量濃度（SSCp）。實(shí)驗(yàn)過程使用的濾膜直徑為47 mm、孔徑為0.45 μm。每個(gè)水樣使用上下兩層濾膜，下膜為對照組，用以校正實(shí)驗(yàn)過程中上膜的損失。

觀測期間使用抓斗取樣器獲取海底表層樣，并通過Malvern MS2000激光粒度儀進(jìn)行粒度分析測試，得到樣品的粒度頻率分布（圖1）。T01站中值粒徑為139.8 μm，T02站中值粒徑為91.2 μm。為了方便后續(xù)分粒級(jí)計(jì)算，本文將底質(zhì)粒度分為8個(gè)組（表2）。此外，分析過程使用的風(fēng)場數(shù)據(jù)來自NCEP氣候預(yù)測系統(tǒng)版本 2（CFSv2）模擬結(jié)果（https://rda.ucar.edu/datasets/ds094.1/），時(shí)間間隔為 1 h。

3.2 ADCP聲學(xué)信號(hào)反演懸浮物濃度

ADCP聲學(xué)信號(hào)可以用于反演SSC，反演得到的懸浮體質(zhì)量濃度SSCi與觀測獲得的反向散射等效電壓Vrms相互關(guān)系可以寫成如下形式[29]：

式中，Vrms=10Kc·E/20，Kc為轉(zhuǎn)換系數(shù)，將散射強(qiáng)度的單位由count轉(zhuǎn)化為dB，E為ADCP原始后散射強(qiáng)度；φ(r)為近場矯正因子，取決于測量點(diǎn)到換能器的距離、換能器的半徑和信號(hào)波長[30]；r為測量點(diǎn)到換能器的距離；Kt為傳感器靈敏度，是測量系統(tǒng)的固定參數(shù)；Ks為懸浮顆粒的散射特性參數(shù)，取決于顆粒粒徑、顆粒分布模式以及懸浮顆粒的反向散射形式函數(shù)[31-32]；αw為海水吸收導(dǎo)致的信號(hào)衰減系數(shù)[33]。如果取觀測期間海水各參數(shù)的平均值（溫度為7℃、鹽度為32、pH為8），計(jì)算得到的信號(hào)衰減系數(shù)為0.019 Np/m（1 dB=8.686 Np/m）。依據(jù)以上方法，本文在兩個(gè)研究站位分別建立SSCi與SSCp的擬合關(guān)系（圖2），發(fā)現(xiàn)均存在顯著的正線性相關(guān)關(guān)系，且斜率接近1。因此，由ADCP回聲強(qiáng)度反演得到的懸浮物質(zhì)量濃度可以代表實(shí)際懸浮物質(zhì)量濃度。

圖1 觀測站位（a）及其表層樣的粒度頻率分布（b，c）Fig.1 Observation stations (a) and particle size frequency distribution of bed sediments (b,c)

表1 兩個(gè)站位基本信息和現(xiàn)場觀測使用的儀器Table 1 The basic information of two stations and instruments used during in-situ investigation

表2 T01和T02站海底沉積物組分劃分Table 2 Fractions of bed sediments of stations T01 and T02

3.3 剪切應(yīng)力計(jì)算

顆粒的臨界起動(dòng)剪切應(yīng)力作為海床沉積物起動(dòng)的閾值，是表征沉積物抗侵蝕能力的重要指標(biāo)。當(dāng)?shù)准羟袘?yīng)力大于臨界起動(dòng)剪切應(yīng)力時(shí)海底沉積物發(fā)生再懸浮。

3.3.1 底剪切應(yīng)力的參數(shù)化計(jì)算

本文的底剪切應(yīng)力使用Soulsby[8]和Van Rijn[17]的模型分別計(jì)算并比較。

Soulsby[8]的底剪切應(yīng)力模型計(jì)算浪-流合致平均底剪切應(yīng)力（τm）和最大底剪切應(yīng)力（τmax），

圖2 ADCP回聲強(qiáng)度反演的懸浮體濃度（SSCi）與抽濾實(shí)驗(yàn)得到的懸浮體濃度（SSCp）擬合Fig.2 Linear fitting equations between suspended sediment concentration estimated from ADCP echo intensity (SSCi) and suspended sediment concentration measured from pumping experiment (SSCp)

式中，τc為流致底剪切應(yīng)力；τw為浪致底剪切應(yīng)力；φcw為浪和流之間的夾角，詳情見附錄1.1。

Van Rijn[17]的底剪切應(yīng)力模型計(jì)算時(shí)間平均的有效浪-流合致底剪切應(yīng)力為

3.3.2 不同粒級(jí)顆粒臨界起動(dòng)剪切應(yīng)力的參數(shù)化計(jì)算

考慮顆粒間黏性作用、底質(zhì)體積濃度變化的影響，得到改進(jìn)的臨界起動(dòng)剪切應(yīng)力（τcr）計(jì)算方程[34]，

式中，cgel為底質(zhì)沉積物的膠凝體積濃度；cgel,s為純砂質(zhì)沉積物最大體積濃度；Dsand取值62.5 μm；D表示顆粒粒徑；γ為經(jīng)驗(yàn)系數(shù)（取1.5）；τcr,o為非黏性顆粒臨界起動(dòng)剪切應(yīng)力（附錄 1.3）；ρcs為黏土組分（粒徑小于 8 μm）含量百分比。

除了黏性作用的影響，不同顆粒之間還會(huì)因隱藏-暴露效應(yīng)而相互影響。為了表征這種效應(yīng)，Egiazaroff[35]提出了一個(gè)校正系數(shù)ξi（i為組分編號(hào)），計(jì)算方程為

式中，D50為底質(zhì)的中值粒徑。

Kleinhans和Van Rijn[36]提出計(jì)算方程

式中，P為經(jīng)驗(yàn)系數(shù)，通常介于0～-1之間，本文取原文中推薦的均值-0.65。

校正后的臨界起動(dòng)剪切應(yīng)力(τcr,Di,corr)為

3.4 懸浮物濃度剖面分布的參數(shù)化計(jì)算

平衡狀態(tài)下的SSC的垂向分布總是表現(xiàn)為從底層到表層逐漸降低的趨勢，這一垂向分布形態(tài)取決于懸浮物沉降速度、底剪切應(yīng)力和理查森數(shù)[19]。假定懸浮顆粒的沉降與向上的擴(kuò)散達(dá)到平衡即處于穩(wěn)定狀態(tài)，再懸浮濃度剖面可以由對流擴(kuò)散方程的自由表面邊界條件表示[37]，

式中，C(z)為距底z處的SSC；Ca,i為組分i的參考濃度（附錄2.1），當(dāng)?shù)准羟袘?yīng)力小于組分i的臨界啟動(dòng)剪切應(yīng)力（τcr,Di）時(shí)，Ca,i=0；za為參考濃度對應(yīng)的高度；ws,i為組分i的沉降速度，本文ws,i的最小值取1 mm/s（附錄2.2），εs,i(z)為組分i在距底z處的擴(kuò)散系數(shù)（附錄2.3）。在不同的假設(shè)條件下，式（9）有不同的解。

（1）當(dāng)假設(shè)εs,i(z)隨著距底高度增加呈拋物線形態(tài)變化、ws,i為定值時(shí)，式（9）有解析解，即經(jīng)典的Rouse 分布剖面：c/c={[(h-z)/z][a/(h-a)]}ws/κu*，c為距a底z處的SSC，ca為參考濃度，h為水深，a表示參考濃度的距底高度，u*為總摩阻流速，κ為Von Karmen常數(shù)，取0.4。（2）當(dāng)假設(shè)ε(z)滿足 Van Rijn[17,19]s,i提出的考慮沉積物濃度分層效應(yīng)的計(jì)算方法（附錄2.3）時(shí)，式（9）沒有解析解，可以采用基于積分定義的方法求解。

懸浮物的來源主要包括兩種形式：局地再懸浮和平流輸運(yùn)。式（9）的計(jì)算結(jié)果只能反映再懸浮時(shí)刻觀測站位的SSC剖面分布，要得到與觀測數(shù)據(jù)相近的結(jié)果，還需考慮平流輸運(yùn)的影響。

本文假定觀測站位周圍區(qū)域在同一時(shí)刻有著相同的SSC，則隨著時(shí)間的推移SSC剖面呈現(xiàn)出近似于局地再懸浮濃度剖面逐漸沉降的形態(tài)，即

式中，t2=t1+1，C(z)t2表示t2時(shí)刻距底z處的SSC；C[z+ws]t1表示t1時(shí)刻距底[z+ws]處的SSC?；谶@一假定，求得時(shí)間序列的再懸浮濃度剖面。此外，再懸浮濃度剖面以同水深觀測濃度的最小值作為背景濃度，從而得到最終的模擬SSC剖面。

3.5 物質(zhì)輸運(yùn)的計(jì)算

3.5.1 推移質(zhì)輸運(yùn)的參數(shù)化計(jì)算

Van Rijn[38]提出了分粒級(jí)計(jì)算推移質(zhì)輸運(yùn)的公式，

式中，q b為推移質(zhì)輸運(yùn)速率；ρs為沉積物的密度；ρ為海水的密度（缺省值1 027 kg/m3）；pi為底質(zhì)中組分i占比；fi=Dsand/Di且大于等于1；為組分i的無量綱粒徑，g為重力加速度（缺省值9.8 m/s2），s=ρs/ρ，v為水的運(yùn)動(dòng)黏度（缺省值 1.36×10-6m2/s）；為浪-流合致底剪切應(yīng)力；為超過臨界值的剪切應(yīng)力。

3.5.2 水平方向懸浮物單寬通量的計(jì)算

SSF（單位：g/(m·s)）) 計(jì)算公式為

式中，h為水深；u和v分別為流速的東向和北向分量；SSFu(v)分別為SSF的東向和北向分量；t表示時(shí)間（單位：h），當(dāng)t=1時(shí)，計(jì)算結(jié)果為瞬時(shí)通量，當(dāng)t=25時(shí)，計(jì)算結(jié)果為周期平均的瞬時(shí)凈通量。由調(diào)和分析可知，研究區(qū)最主要分潮是M2和K1，因此時(shí)間平均的凈通量計(jì)算近似選取2倍的M2分潮周期，即25個(gè)小時(shí)為1個(gè)周期。

因?yàn)橛^測數(shù)據(jù)缺乏底層的流速分布，所以需要參數(shù)化方法求解。在海床底面以上數(shù)米的范圍內(nèi)，流速(u(z))與高度(z)之間滿足對數(shù)分布，

公式(14)的應(yīng)用范圍在淺水(水深數(shù)米)約為底面以上數(shù)厘米，在陸架海區(qū) (水深數(shù)十米)約為流致底邊界層厚度的20%～30%[8]。流致底邊界層的厚度為δU，δU=0.44u*/f，f為科氏參數(shù)[39]。經(jīng)計(jì)算，在約99.6%的觀測時(shí)間里，流致底邊界層的厚度大于等于5 m；在約83.5%的觀測時(shí)間里，底邊界層流速對數(shù)層的厚度大于等于5 m。所以本文將5 m定義為研究站位底邊界層厚度，并用公式(14)計(jì)算其流速剖面。

4 參數(shù)化方案的對比

4.1 剪切應(yīng)力分析

4.1.1 底剪切應(yīng)力計(jì)算模型對比

如圖3a所示，在兩個(gè)觀測站位，τc-Soulsby(Soulsby模型計(jì)算值)和(Van Rijn模型計(jì)算值)是基本一致的，但τw-Soulsby要略大于圖 3b中，τm-Soulsby、τmax-Soulsby 和在趨勢上一致，兩者更加接近，差異主要是浪致底剪切應(yīng)力差異造成的。因?yàn)楸疚牡暮罄m(xù)計(jì)算使用了Van Rijn提出的諸多經(jīng)驗(yàn)公式，所以剪切應(yīng)力使用Van Rijn模型的計(jì)算結(jié)果。

4.1.2 臨界起動(dòng)剪切應(yīng)力計(jì)算方法對比

圖4給出了T01站不同方法計(jì)算的τcr，在粒徑小于32 μm顆粒內(nèi)使用校正系數(shù)ξ1(公式(6)) 計(jì)算的τcr明顯大于其他3種方法，所以公式(6)在計(jì)算粒徑小于32 μm顆粒的τcr時(shí)可能偏大。本文使用的是公式(5)的計(jì)算結(jié)果，即計(jì)算過程考慮了顆粒間的黏性作用。

4.2 不同對流擴(kuò)散方程假設(shè)的對比

為了選取最優(yōu)的再懸浮濃度剖面參數(shù)化方案，本文挑選了不同假設(shè)條件下兩個(gè)站位若干再懸浮時(shí)刻的對流擴(kuò)散方程計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對比(圖5)。當(dāng)綜合考慮濃度分層效應(yīng)和底質(zhì)粒級(jí)多樣性時(shí)，模型結(jié)果與ADCP反演的SSC對應(yīng)最好。以中值粒徑代表底質(zhì)計(jì)算得到的濃度剖面顯著小于分粒級(jí)計(jì)算的濃度剖面，其主要原因是中值粒徑的起動(dòng)剪切應(yīng)力高于較細(xì)粒的顆粒，導(dǎo)致計(jì)算的總參考濃度相對較小，該現(xiàn)象說明在黏性顆粒占一定比例的海區(qū)，中值粒徑并不能完全代表底質(zhì)進(jìn)行再懸浮濃度剖面的計(jì)算。此外，忽略分層效應(yīng)會(huì)導(dǎo)致計(jì)算的濃度剖面在上下層幾乎一致，即隨距底高度的增加SSC變化不大。因此為了更準(zhǔn)確地表達(dá)再懸浮濃度剖面，本文后續(xù)計(jì)算使用了考慮濃度分層效應(yīng)和底質(zhì)粒級(jí)多樣性的方法。

5 結(jié)果與討論

依據(jù)月相、風(fēng)速（圖6）和水位（圖7a，圖7e）數(shù)據(jù)，將觀測數(shù)據(jù)分為3個(gè)階段（圖6）。S1: 1～142時(shí)為大潮階段；S2: 143～198時(shí)為大風(fēng)階段（風(fēng)速大于10.8 m/s定義為大風(fēng)天氣）；S3: 199時(shí)到觀測結(jié)束為小潮（伴隨短時(shí)大風(fēng)）階段。

5.1 風(fēng)和水動(dòng)力環(huán)境

觀測期間，研究海區(qū)風(fēng)速的平均值是7.9 m/s，最大風(fēng)速16.9 m/s。S1期間，風(fēng)向主要是在西北到東北之間擺動(dòng)，S2期間主要為西北風(fēng)，S3期間風(fēng)向在西到北之間擺動(dòng)（圖6）。

圖3 Soulsby[8]和Van Rijn[17]模型計(jì)算底剪切應(yīng)力的對比Fig.3 Comparison of bed shear stress calculated by Van Rijn's[17] and Soulsby's[8] models

圖4 T01站8種粒徑組分不同臨界啟動(dòng)剪切應(yīng)力(τcr)計(jì)算方法的結(jié)果對比Fig.4 Comparison of the results of different critical bed-shear stress (τcr) calculations for 8 particle size fractions at T01 Station

觀測流速反映了研究海區(qū)具有混合半日潮的特征（圖6），最大流速對應(yīng)著漲潮、落潮的中間時(shí)刻（圖7a,圖7e）。T01站的潮流方向?yàn)槲鞅?東南向，距底5 m最大流速（0.64 m/s）出現(xiàn)在S2期間。在S2期間，T01站東向流明顯增強(qiáng)，西向減弱（圖6）。T02站主要表現(xiàn)為規(guī)律的近東-西向的潮流，距底5 m最大流速 （0.76 m/s）出現(xiàn)在S1期間。T02的最大流速從S1到S3有明顯的減弱, S2期間并沒有出現(xiàn)類似于T01同時(shí)段的流速極大值。

圖5 T01和T02站在不同時(shí)刻的再懸浮濃度剖面與觀測濃度剖面的對比Fig.5 Comparison between modeled SSC profile and measured SSC profile at observation stations T01 and T02 at different time

T01站最大有效波高為3.44 m，最大波周期為7.5 s，S2期間平均有效波高為2.26 m，平均波周期為6.54 s（圖7b）。T02站最大有效波高為2.88 m，最大波周期為9.5 s（第137、138時(shí)），S2期間平均有效波高為1.98 m，平均波周期6.85 s（圖7f）。因?yàn)椴ɡ说哪芰侩S著水深增加而逐漸降低，所以T01站底層的波浪軌道流速（Uw）大于T02站。波浪軌道流速的趨勢由有效波高（Hs）和波周期（T）共同決定，且均為正相關(guān)關(guān)系。當(dāng)水深h＜0.1gT2或h＜10Hs時(shí)，波浪才會(huì)產(chǎn)生明顯作用于底質(zhì)的震蕩流速[8]。依據(jù)這一標(biāo)準(zhǔn)，T01站波浪作用的平均水深約為42 m，T02站波浪作用的平均水深約為46 m，所以T01站底質(zhì)再懸浮受到潮流和波浪（有效波高及波周期）的共同影響，T02站底質(zhì)再懸浮主要受潮流的影響。

圖6 觀測站位T01和T02的風(fēng)速和距底5 m的流速Fig.6 Wind speed and current velocity at 5 MAB at observation stations T01 and T02

5.2 剪切應(yīng)力和懸浮物濃度

T01站位的浪-流合致底剪切應(yīng)力范圍為0.003～0.429 N/m2（圖 7c）），在 S2 期間和 S3 的部分時(shí)刻浪致底剪切應(yīng)力貢獻(xiàn)明顯，最大浪-流合致底剪切應(yīng)力和最大浪致底剪切應(yīng)力對應(yīng)著同一時(shí)刻。T02站位的浪-流合致底剪切應(yīng)力范圍為0.001～0.365 N/m2（圖7g），大風(fēng)期間浪致底剪切應(yīng)力貢獻(xiàn)小，最大合致底剪切應(yīng)力和最大流致底剪切應(yīng)力對應(yīng)著同一時(shí)刻。

T01站的3個(gè)階段均有顯著的底質(zhì)再懸浮，再懸浮時(shí)刻（τcw＞τcr）占觀測時(shí)間的比例均超過 26%（圖 7c），最大值出現(xiàn)在S2期間達(dá)到58%。在S2期間受波浪作用的影響，再懸浮作用加強(qiáng)，T01站觀測SSC（以ADCP反演的距底5 m SSC為例）也有明顯的升高（圖7d）。T02站3個(gè)階段再懸浮時(shí)段占觀測時(shí)間的比例依次遞減，S3期間再懸浮時(shí)段占比只有6%。T02站在S1期間再懸浮作用較強(qiáng)（圖7g），平均觀測SSC明顯大于S2和S3（圖7h），而在S2期間SSC沒有明顯升高。

總體來看，觀測SSC對底質(zhì)再懸浮有很好的響應(yīng)，尤其是在T01站的S1、S2和T02站的S1期間（圖 7c, 圖 7d, 圖 7g, 圖 7h），說明在這些時(shí)間段內(nèi)觀測站位底邊界層SSC剖面分布主要受再懸浮控制。

5.3 模擬與觀測懸浮物濃度對比

T01站位距底5 m模擬SSC與觀測SSC的對比表明，在第115～124小時(shí)期間，T01站觀測SSC出現(xiàn)了持續(xù)約9個(gè)小時(shí)的高值，而模擬SSC高值僅與底剪切應(yīng)力高值對應(yīng)，只出現(xiàn)在第115個(gè)小時(shí)前后（圖7d）。這一現(xiàn)象可能是因?yàn)樵摃r(shí)段SSC空間分布不均，渤海一側(cè)的高濃度水體向東輸運(yùn)到觀測點(diǎn)形成持續(xù)的SSC高值[5,12]。觀測SSC較模擬SSC有滯后現(xiàn)象，在距底5 m的位置大約滯后2個(gè)小時(shí)。第175個(gè)小時(shí)前后模擬峰值明顯高于觀測峰值，其可能原因是在經(jīng)歷一次大風(fēng)事件后，再懸浮顆粒還未沉降，底質(zhì)沉積物供應(yīng)不足，所以實(shí)際濃度達(dá)不到理論值。第252個(gè)小時(shí)前后，模擬SSC突然出現(xiàn)了高值，這是因?yàn)樵摃r(shí)刻同時(shí)具備較大的擴(kuò)散系數(shù)（εs）和底剪切應(yīng)力（圖7c）。因?yàn)槟M過程使用的觀測波浪周期是間隔1 h的瞬時(shí)值，存在一定的偶然性。而該時(shí)刻波周期對應(yīng)著一個(gè)低谷（圖7b），導(dǎo)致擴(kuò)散系數(shù)計(jì)算值較大，造成了模擬與觀測SSC不一致的峰值。T02站觀測SSC與模擬SSC在S1期間對應(yīng)最好，觀測SSC較模擬SSC同樣有1～2 h的滯后（圖7h）。

通過兩個(gè)站位模擬與觀測SSC的對比發(fā)現(xiàn)，該計(jì)算模型更加適合潮流控制的海區(qū)，當(dāng)有明顯波浪作用時(shí)，模擬結(jié)果比單純考慮潮流作用時(shí)差，主要表現(xiàn)為觀測SSC的相對滯后以及觀測波浪參數(shù)瞬時(shí)值的變化導(dǎo)致的擴(kuò)散系數(shù)異常。

5.4 物質(zhì)輸運(yùn)的討論

5.4.1 參數(shù)化計(jì)算底邊界層懸浮物通量的重要性

圖7 T01和T02站位時(shí)間序列的數(shù)據(jù)Fig.7 Time series data of T01 and T02 stations

在T01站S1、S2和T02站S1的部分再懸浮時(shí)刻，參數(shù)化方案計(jì)算的底邊界層內(nèi)的水平方向懸浮物單寬通量（SSF_1h1）占全水深 SSF（SSFh）的比例 （SSF_1h1/SSFh）都顯著高于底邊界層內(nèi)水通量相對全水深水通量的比例（T01站約為 13%，T02站約為10%）（圖 8）。T01站再懸浮時(shí)刻SSF_1h1/SSFh的平均值約21%，最高值約49%；T02站再懸浮時(shí)刻SSF_1h1/SSFh的平均值約17%，最高值約47%。這表明在再懸浮時(shí)刻，底邊界層SSC的垂向變化對SSF有不可忽略的影響。

為了進(jìn)一步量化SSC的垂向變化對底邊界層SSF計(jì)算結(jié)果的貢獻(xiàn)，本文對比了參數(shù)化計(jì)算底邊界層SSC與用定值代替底邊界層SSC這兩種情況下，底邊界層SSF計(jì)算結(jié)果的差異。在T01站S1、S2和T02站S2的部分再懸浮時(shí)刻，SSF_1h1顯著高于將SSC 視為定值計(jì)算的底邊界層 SSF（SSF_2h1）（圖 8）。其中，T02站S1期間SSF_1h1/SSF_2h1的值比T01站S2期間相對更高，這主要是受擴(kuò)散系數(shù)的影響。擴(kuò)散系數(shù)表征沉積物擴(kuò)散的難易，擴(kuò)散系數(shù)越大，沉積物越容易發(fā)生擴(kuò)散。受到波浪混合作用的影響，T01站位S2、S3期間顆粒擴(kuò)散系數(shù)超過T02站S1期間1倍以上（圖7c, 圖7g），再懸浮物更加容易擴(kuò)散到上層水體，SSC在垂向上分布更加均勻，導(dǎo)致SSF_1h1/SSF_2h1相對減小，即波浪作用導(dǎo)致S2期間再懸浮時(shí)刻的SSF_1h1/SSF_2h1小于 S1。

圖8 比較參數(shù)化計(jì)算底邊界層（BBL）SSC與用定值代替底邊界層SSC這兩種情況下，底邊界層時(shí)間序列SSF計(jì)算結(jié)果的差異Fig.8 The differences of the calculation results of time-series SSF in BBL under the comparison between SSC calculated by parameterization scheme and SSC in BBL replaced by the constant

前人在計(jì)算SSF時(shí)總是忽略底邊界層SSC的垂向變化[5,7]，為了從定量角度比較差異，本文分別用SSF_1h1和SSF_2h1計(jì)算了全水深周期平均的SSF并計(jì)算相對誤差P(P=(SSF_1h1-SSF_2h1)/(SSF_2h1+SSFh-SSF_1h1)·100%)。計(jì)算結(jié)果為兩個(gè)站位S1期間的平均相對誤差P≈44%，S2期間平均相對誤差P≈10%，S3期間平均相對誤差P≈0%。參考前人的統(tǒng)計(jì)結(jié)果，研究海區(qū)冬季的平均大風(fēng)天氣數(shù)約為51 d[40]。假設(shè)大風(fēng)天氣發(fā)生在大潮或小潮期間的概率相當(dāng)，則依據(jù)本文參數(shù)化方案估算的渤海海峽冬季平均SSF比傳統(tǒng)方法計(jì)算結(jié)果高約16%。

5.4.2 懸浮物通量和推移質(zhì)輸運(yùn)量

兩個(gè)觀測站位在觀測期間總體的SSF趨勢是“北進(jìn)南出”，即T02站懸浮物由北黃海向渤海輸運(yùn)，T01站懸浮物由渤海向北黃海輸運(yùn)（表3）。T01站只有在S2期間的沉積物輸運(yùn)方向?yàn)橛晌飨驏|，S1、S3期間均為由東向西，但是S2期間平均SSF是其他兩個(gè)階段的4～12倍，這表明西北大風(fēng)對渤海海峽南側(cè)沉積物向北黃海輸運(yùn)有重要貢獻(xiàn)。

基于前人的研究結(jié)果，在底質(zhì)粒徑小于300 μm的條件下，懸浮物輸運(yùn)量遠(yuǎn)大于推移質(zhì)輸運(yùn)量（＜1%）[34]。本文在觀測期間計(jì)算的推移質(zhì)通量普遍比SSF低兩個(gè)數(shù)量級(jí)左右，與前人結(jié)果相近。這表明，推移質(zhì)輸運(yùn)在渤海海峽沉積物輸運(yùn)量研究中可以忽略（表3）。

表3 T01和T02站平均懸浮物通量（SSF）和推移質(zhì)通量分析對比Table 3 The comparison of mean SSF throughout the whole water column and bed-load transport

6 結(jié)論

依據(jù)渤海海峽冬季的定點(diǎn)連續(xù)觀測資料，本文描述了研究站位大潮、小潮和大風(fēng)階段的水動(dòng)力特征，并用實(shí)測數(shù)據(jù)說明了西北大風(fēng)對渤海海峽冬季物質(zhì)輸運(yùn)“北進(jìn)南出”格局的重要影響。

為了探討底邊界層沉積物輸運(yùn)的重要性，本文利用簡化的一維參數(shù)化方案，計(jì)算了研究站位底邊界層的SSF和推移質(zhì)輸運(yùn)量。為了驗(yàn)證不同參數(shù)化方法的可靠性，計(jì)算過程對比了不同的參數(shù)化方法：（1）Soulsby和Van Rijn提出的兩種計(jì)算底剪切應(yīng)力模型的計(jì)算結(jié)果相近；（2）不同臨界起動(dòng)剪切應(yīng)力計(jì)算方法的差異較大，臨界起動(dòng)剪切應(yīng)力的計(jì)算需考慮顆粒間黏性作用的影響；（3）垂向一維對流擴(kuò)散方程模型的不同解法與實(shí)測數(shù)據(jù)對比結(jié)果表明該模型可以用來定量計(jì)算研究區(qū)再懸浮時(shí)刻SSC，計(jì)算過程中要考慮沉積物濃度的分層效應(yīng)和底質(zhì)不同粒級(jí)顆粒臨界起動(dòng)剪切應(yīng)力的差異；具體來說，不考慮濃度分層效應(yīng)會(huì)導(dǎo)致SSC在水體上下層幾乎一致，而以中值粒徑代表底質(zhì)的粒徑分級(jí)計(jì)算得到的剖面SSC相對偏小。

沉積物輸運(yùn)的研究結(jié)果表明，在有顯著再懸浮作用的時(shí)段，底邊界層SSC是垂向變化的。受SSC垂向梯度的影響，渤海海峽冬季底層5 m的SSF占全水深SSF的比例（T01站約為21%，T02站約為17%）顯著高于相應(yīng)層位水通量占全水深水通量的比例。經(jīng)估算，如果不考慮SSC在底邊界層的垂向變化，水平懸浮物通量的平均相對誤差在大風(fēng)期間約為10%，大潮期間約為44%。依據(jù)本文參數(shù)化方案估算的渤海海峽冬季平均的SSF比傳統(tǒng)方法計(jì)算結(jié)果高約16%。此外，渤海海峽冬季推移質(zhì)比懸移質(zhì)輸運(yùn)低兩個(gè)數(shù)量級(jí)左右，在研究沉積物輸運(yùn)通量時(shí)可以忽略。

致謝：本研究海上觀測工作搭載了“東方紅2”號(hào)科考船執(zhí)行的黃、渤海共享航次。感謝中國海洋大學(xué)海洋地球科學(xué)學(xué)院王保鐸老師和諸位同門在現(xiàn)場觀測和室內(nèi)實(shí)驗(yàn)中提供的支持與幫助。