孫劍雄,張文祥,史本偉

(華東師范大學(xué)河口海岸學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200241)

0 引言

底部切應(yīng)力是泥沙起動(dòng)、輸運(yùn)的主要驅(qū)動(dòng)力，是水動(dòng)力和泥沙輸移模型中的關(guān)鍵參數(shù)。底部切應(yīng)力的準(zhǔn)確計(jì)算對(duì)河口海岸地區(qū)的泥沙輸移、底床侵蝕淤積速率研究十分重要。通過(guò)直接測(cè)量法和理論公式計(jì)算法可得到底部切應(yīng)力。直接測(cè)量法是通過(guò)測(cè)量應(yīng)力板的形變量來(lái)獲得底部切應(yīng)力大小[1]，潮汐漲落變化引起的水面波動(dòng)會(huì)使正壓力發(fā)生改變，從而會(huì)影響應(yīng)力板的測(cè)量精度。國(guó)內(nèi)外學(xué)者將微型熱敏式切應(yīng)力儀應(yīng)用到底部切應(yīng)力的直接測(cè)量，并取得了一些突破[2-3]，但研究主要基于室內(nèi)水槽實(shí)驗(yàn)。由于野外現(xiàn)場(chǎng)水體環(huán)境復(fù)雜，難以通過(guò)直接測(cè)量法獲得準(zhǔn)確的底部切應(yīng)力，可通過(guò)測(cè)量水體底部邊界層內(nèi)脈動(dòng)流速大小[4-6]結(jié)合公式計(jì)算底部切應(yīng)力，理論公式有6種:(1)平均對(duì)數(shù)流速剖面法(Mean Log-profile Method, LP-mean)；(2)最大對(duì)數(shù)流速剖面法(Maximum Log-profile Method, LP-max)；(3)湍流動(dòng)能法(Turbulent Kinetic energy Method, TKE)；(4)垂向湍流動(dòng)能法(Modified Turbulent Kinetic energy Method, TKEW)；(5)雷諾應(yīng)力法(Reynolds Stress Method, RS)；(6)慣性耗散法(Inertial Dissipation Method, ID)。每一種理論方法都是盡可能地簡(jiǎn)化了現(xiàn)場(chǎng)條件：LP-mean法和LP-max法需滿足流速剖面在近底邊界層內(nèi)符合對(duì)數(shù)分布[7-9]；TKE法、TKEW法、RS法和ID法是根據(jù)湍流脈動(dòng)流速來(lái)確定底部切應(yīng)力[6,10-14]，因此和湍流紊動(dòng)有關(guān)。與深水環(huán)境相比，真實(shí)淺水環(huán)境水動(dòng)力條件復(fù)雜，波浪對(duì)水動(dòng)力的影響顯著，準(zhǔn)確計(jì)算底部切應(yīng)力很困難。前人雖已通過(guò)以上理論方法來(lái)計(jì)算底部切應(yīng)力[6,15-16]，但應(yīng)用這些方法計(jì)算河口海岸地區(qū)底部切應(yīng)力時(shí)，不同方法的計(jì)算值差異較大。如魏東運(yùn)[17]利用TKE法、TKEW法以及RS法分析了長(zhǎng)江口水下20 m處因水動(dòng)力引起的底部切應(yīng)力，結(jié)果表明：長(zhǎng)江水下三角洲和臨近海域在空間上處于侵蝕的狀態(tài)。該結(jié)論和前人的研究[18-19]結(jié)果明顯不符。本文以蘇北潮灘和崇明東灘等典型的淺水環(huán)境為例，先后布設(shè)了3個(gè)觀測(cè)站點(diǎn)連續(xù)采集現(xiàn)場(chǎng)流速、波浪信息，應(yīng)用6種理論方法分別計(jì)算底部切應(yīng)力，對(duì)不同方法得出的結(jié)果進(jìn)行對(duì)比與分析，以期選出相對(duì)適用于河口海岸潮間帶淺水環(huán)境下底部切應(yīng)力的公式。

1 數(shù)據(jù)與方法

1.1 樣品采集與處理

江蘇斗龍港地處長(zhǎng)江口和廢黃河口之間，面對(duì)著世界范圍內(nèi)非常獨(dú)特的輻射沙脊群(圖1a)。斗龍港現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)站點(diǎn)為N，該地區(qū)屬于不規(guī)則半日潮，多年平均潮差為2.42 m[20]，坡度平緩(僅為0.18‰～0.22‰)[21-22]，底床沉積物由50%以上的淤泥(中值粒徑范圍 8～63 μm)和 30%～40%的細(xì)砂混合物(中值粒徑范圍 63～125 μm)組成[21]。

圖1 研究區(qū)域測(cè)站布設(shè)圖Fig.1 Station layout map in study area

崇明東灘鄰近東海(圖1b)，同屬于不規(guī)則半日潮，多年平均潮差為2.67 m，最大潮差為 4.6～6.0 m[23]，-5 m以上平均坡度為0.24‰。崇明東灘兩側(cè)以往復(fù)流為主，中部以旋轉(zhuǎn)流為主，崇明東灘底床沉積物中值粒徑為 10～45 μm[24]。向海方向植被帶(海三棱藨草)與光灘分界明顯。M1觀測(cè)點(diǎn)布設(shè)在植被帶與光灘的交界處，M2觀測(cè)點(diǎn)布設(shè)在潮間帶下半部光灘，M1與M2直線距離2 km。

在各觀測(cè)站位直徑3 m范圍內(nèi)現(xiàn)場(chǎng)采集5個(gè) 1 cm 層厚的底質(zhì)樣品進(jìn)行均勻混合，室內(nèi)利用激光粒度儀進(jìn)行粒度分析，用于LP法計(jì)算底部剪切應(yīng)力和臨界侵蝕剪切應(yīng)力。依據(jù)文獻(xiàn)[25] 中的沉積物粒度測(cè)量前處理方法，在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)將現(xiàn)場(chǎng)采集的底質(zhì)樣品混合均勻后，稱(chēng)取0.5 g樣品放置于試管內(nèi)。向試管內(nèi)加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)為30%的過(guò)氧化氫(H2O2)，靜置 24 h，去除樣品中的有機(jī)質(zhì)，將試管放入高速離心機(jī)(Avanti J-15)分離液體和固體顆粒(3 000 r/min，10 min)后倒出上清液。向試管內(nèi)加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)為 10% 的稀鹽酸(HCL)，使其充分去除樣品中的碳酸鹽，靜置24 h后，再次離心并倒去上清液。加入實(shí)驗(yàn)用超純水對(duì)樣品反復(fù)潤(rùn)洗至pH為7，再向試管內(nèi)加入0.05 mol/L的六偏磷酸鈉(NaPO3)6溶液并進(jìn)行超聲振蕩5 min，用于分散樣品顆粒。使用一次性塑料滴管吸取攪拌均勻的樣品，加入到馬爾文2000型激光粒度儀進(jìn)樣槽內(nèi)進(jìn)行分析測(cè)試。經(jīng)過(guò)粒徑分析測(cè)定，N測(cè)站、M1測(cè)站和M2測(cè)站的底質(zhì)樣品中值粒徑分別為68.56、12.89和45.02 μm。

1.2 數(shù)據(jù)采集與處理

測(cè)量?jī)x器安裝在自制門(mén)型觀測(cè)架上。聲學(xué)三維高頻流速儀ADV(Acoustic Doppler Velocimetry, Nortek,1～64 Hz)用于獲取高頻流速時(shí)間序列(包括水流的三維時(shí)均流速和脈動(dòng)流速)，并記錄探頭距離底部床面的高度。波潮儀(RBR-wave, RBR, 1～16 Hz)用于獲取波浪數(shù)據(jù)(包括有效波高、最大波高和有效波周期)和水深。數(shù)據(jù)采集信息、儀器布設(shè)高度以及參數(shù)設(shè)置如表1所示。

表1 數(shù)據(jù)采集信息以及儀器安裝、設(shè)置詳情T(mén)ab.1 Data collection information and instrument installation and setting information

由于ADV在測(cè)量過(guò)程中會(huì)受到儀器姿態(tài)、水體氣泡以及湍流脈動(dòng)強(qiáng)度等因素影響，數(shù)據(jù)的有效性需要進(jìn)行分析與判斷[26]。首先對(duì)ADV原始數(shù)據(jù)質(zhì)量進(jìn)行控制，剔除回聲強(qiáng)度≤20 dB和相關(guān)系數(shù)≤70%的無(wú)效數(shù)據(jù)；其次采用相空間閾值法[27](Phase-space-thresholding, PST)尋找毛刺點(diǎn)并剔除，再根據(jù)前后數(shù)據(jù)進(jìn)行多項(xiàng)式擬合替代毛刺點(diǎn)；最后進(jìn)行濾波處理，采用正反傅立葉變換進(jìn)行高通濾波，通過(guò)相位法分離波浪的影響。

1.3 底部切應(yīng)力計(jì)算方法

底部切應(yīng)力τc通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量的平均流速和湍流脈動(dòng)流速結(jié)合經(jīng)驗(yàn)或者半經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算獲得，前人已經(jīng)研究出多種利用現(xiàn)場(chǎng)流速數(shù)據(jù)計(jì)算底部切應(yīng)力的理論方法。在本研究中，運(yùn)用以下6種方法計(jì)算底部切應(yīng)力。

1.3.1 平均對(duì)數(shù)流速剖面法(LP-mean)

對(duì)數(shù)流速法作為經(jīng)典理論之一被廣泛運(yùn)用于計(jì)算底部切應(yīng)力，該方法基于對(duì)數(shù)流速剖面的存在來(lái)計(jì)算底部切應(yīng)力，假設(shè)垂線流速符合對(duì)數(shù)分布：

(1)

由于潮間帶地區(qū)水深較淺，根據(jù)VOULGARIS et al[28]的研究對(duì)底部剪切應(yīng)力進(jìn)行水深校正：

(2)

式中：ub*為經(jīng)過(guò)水深校正后的摩阻流速，h為研究區(qū)域的水深。

摩阻流速u(mài)*作為回歸參數(shù)可以通過(guò)流速擬合求解，再根據(jù)公式(2)進(jìn)行水深校正，切應(yīng)力τc和經(jīng)過(guò)水深校正后的摩阻流速u(mài)b*的表達(dá)式為

(3)

式中：ρ為流體密度。

1.3.2 最大對(duì)數(shù)流速剖面法(LP-max)

1.3.3 湍流動(dòng)能法(TKE)

τc=Cρq

(4)

式中：C為常系數(shù)(C=0.19)；q為湍流動(dòng)能，q=

1.3.4 垂向湍流動(dòng)能法 (TKEW)

為了減小波浪軌道流速對(duì)TKE法計(jì)算底部切應(yīng)力的影響，HUNTLEY et al[31]建議計(jì)算湍流動(dòng)能q時(shí)使用受波浪軌道運(yùn)動(dòng)影響較小的垂向脈動(dòng)流速w′，當(dāng)僅使用垂向脈動(dòng)分量計(jì)算底部切應(yīng)力時(shí)，常系數(shù)C取值為0.9[6]。因此TKEW法計(jì)算公式為

(5)

1.3.5 雷諾應(yīng)力法 (RS)

雷諾應(yīng)力法計(jì)算公式為

(6)

式中：u′和w′分別為水平脈動(dòng)流速分量和垂向脈動(dòng)流速分量，上標(biāo)“—”表示取其平均值。

1.3.6 慣性耗散法 (ID)

慣性耗散法是利用湍流脈動(dòng)能譜估算湍流應(yīng)力，最初是由DEACON[32]提出用于估算大氣邊界層的底部壓力，后來(lái)被CHAMPAGNE et al[33]修正后用于河流及河口地區(qū)的研究。前人運(yùn)用該方法對(duì)大陸架上的底部切應(yīng)力進(jìn)行了計(jì)算[31]。如果湍流能譜的測(cè)量是在恒定應(yīng)力層內(nèi)進(jìn)行的，那么該方法行之有效。在對(duì)數(shù)層內(nèi)，湍流動(dòng)能的產(chǎn)生和耗散之間存在平衡，在慣性子區(qū)間內(nèi)產(chǎn)生和消散的湍流能量的波數(shù)能被很好地分開(kāi)，在該區(qū)間內(nèi)沒(méi)有能量的吸收和耗散，從低波數(shù)到高波數(shù)的能量通量就等于耗散率ε，三維慣性區(qū)間的能譜就表示為

(7)

式中：E(k)為波數(shù)譜，k表示慣性子區(qū)間內(nèi)的波數(shù)，α為三維Kolmogorov常數(shù)。在慣性子區(qū)間內(nèi)一維波數(shù)譜表示成：

(8)

(9)

湍流的測(cè)量通常呈現(xiàn)出時(shí)間序列的形式，提供的是頻率譜而不是波數(shù)譜。為了將波數(shù)譜轉(zhuǎn)換成頻率譜，需要引用泰勒“凍結(jié)湍流”理論[34]，該理論認(rèn)為波數(shù)譜?ii(k)和頻率譜?ii(f)存在下述關(guān)系：

(10)

摩阻流速u(mài)*的表達(dá)式為

(11)

式中：z為采樣點(diǎn)距離底床高度，?ww(f)為垂向紊動(dòng)頻率譜，α3(≈0.68)為常系數(shù)。

按照公式(2)對(duì)摩阻流速u(mài)*進(jìn)行水深校正，可以計(jì)算出底部切應(yīng)力τc：

(12)

1.4 臨界侵蝕剪切應(yīng)力計(jì)算方法

臨界侵蝕剪切應(yīng)力作為底床沉積物起動(dòng)的閾值，對(duì)判斷沉積物是否起動(dòng)有著指示性作用。GUO[35]提出了一種利用沉積物粒徑計(jì)算臨界侵蝕剪切應(yīng)力τce的方法：

τce=τ*cD(γs-γ)

(13)

式中：τ*c為無(wú)量綱的臨界剪切應(yīng)力或臨界希爾茲參數(shù)，γs為沉積物比重(取值2 650 N·m-3)，γ為水的比重(取值1 000 N·m-3)。

(14)

式中：D*為無(wú)量綱的沉積物直徑；D為沉積物直徑，單位：m；v為水的運(yùn)動(dòng)粘度系數(shù)(取值1.36×10-6m2·s-1)；g為重力加速度(取值9.81 m·s-2)；Δ為沉積物與水的比重之比(Δ=γs/γ)。

(15)

(16)

式中：R*c為顆粒臨界雷諾數(shù)。

2 結(jié)果

2.1 斗龍港N測(cè)站

2018年6月26日—6月29日野外觀測(cè)期間在N測(cè)站共采集到6個(gè)完整的漲落潮周期數(shù)據(jù)。該測(cè)站觀測(cè)到最大水深為1.4 m，有效波高在 0.1～0.2 m之間，在各個(gè)潮周期內(nèi)有效波高存在隨著水深增大而增大的趨勢(shì)，達(dá)到最大水深時(shí)有效波高值最大(圖2a)。漲潮與落潮平均流速相當(dāng)(≈0.15 m/s)(圖2b)；u、v方向上的流速波動(dòng)明顯，u方向上的流速大小為 0～0.25 m/s，v方向上的流速大小為 0～0.2 m/s，w方向上的流速則較為穩(wěn)定，為 0～0.002 4 m/s(圖2c)。圖2d～2i 為6種不同方法計(jì)算底部切應(yīng)力的結(jié)果：LP-mean法切應(yīng)力均值為 0.040 8～0.072 9 N/m2；LP-max法切應(yīng)力均值為 0.356 7～0.572 9 N/m2；TKE法切應(yīng)力均值為 0.596 1～1.037 1 N/m2；TKEW法切應(yīng)力均值為 0.097 1～0.219 9 N/m2；RS法切應(yīng)力均值為0.066 2～0.121 7 N/m2；ID法切應(yīng)力均值為0.065 8～0.210 3 N/m2(表2)。N測(cè)站臨界侵蝕剪切應(yīng)力τce=0.160 0 N/m2，LP-max法和TKE法計(jì)算結(jié)果大于τce。在整個(gè)觀測(cè)期間，N測(cè)站底部床面高度變化不大，T1潮周期內(nèi)底床在緩慢淤積，淤積量在 4 mm 之內(nèi)；T3潮周期后段以及T4潮周期底床在緩慢侵蝕，侵蝕量也在4 mm之內(nèi)，底部床面高度較為穩(wěn)定。

圖2 江蘇斗龍港N測(cè)站現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)數(shù)據(jù)及剪切應(yīng)力圖Fig.2 Field observation data and shear stress diagram at N site in Doulong Port, Jiangsu Province

2.2 崇明東灘M1測(cè)站

2021年6月20日—6月22日野外觀測(cè)期間在M1測(cè)站共采集到5個(gè)完整的漲落潮周期數(shù)據(jù)。該測(cè)站位于潮間帶上部，淹沒(méi)時(shí)間短、水深淺，觀測(cè)到最大水深為1.1 m，有效波高主要處于0.05～0.24 m之間，與N測(cè)站觀測(cè)到的波高數(shù)據(jù)基本一致，T2潮周期內(nèi)有效波高較大，超過(guò)0.2 m(圖3a)。M1測(cè)站平均流速小于N測(cè)站，整個(gè)觀測(cè)期間平均流速變化范圍小(<0.08 m/s)(圖3b)；u、v方向上的流速小于N測(cè)點(diǎn)，u方向上的流速大小為0～0.15 m/s，v方向上的流速大小為0～0.05 m/s，w方向上的流速穩(wěn)定，為 0～0.009 m/s(圖3c)。圖3d～3i為6種不同方法計(jì)算底部切應(yīng)力的結(jié)果：LP-mean法底部切應(yīng)力均值為0.005 3～0.018 1 N/m2；LP-max法底部切應(yīng)力均值為0.469 8～0.945 8 N/m2；TKE法底部切應(yīng)力均值為0.769 5～2.649 7 N/m2；TKEW法底部切應(yīng)力均值為0.135 8～0.530 3 N/m2；RS法底部切應(yīng)力均值為0.292 9～1.024 7 N/m2；ID法底部切應(yīng)力均值為0.247 1～1.728 5 N/m2(表2)。M1測(cè)站平均流速小于N測(cè)站，但湍流脈動(dòng)能量較高，LP-mean 法計(jì)算結(jié)果小于N測(cè)站，TKE法、TKEW法、RS法、ID法計(jì)算結(jié)果則高于N測(cè)站。M1測(cè)站臨界侵蝕剪切應(yīng)力τce=0.048 5 N/m2，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于N測(cè)站，除了LP-mean法計(jì)算結(jié)果小于τce之外，其余各方法計(jì)算結(jié)果均遠(yuǎn)大于τce。在整個(gè)觀測(cè)期間，M1測(cè)站儀器探頭距離底部床面高度穩(wěn)定在278 mm，前后波動(dòng)不超過(guò)4 mm。

圖3 崇明東灘M1測(cè)站現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)數(shù)據(jù)及剪切應(yīng)力圖Fig.3 Field observation data and shear stress diagram at M1 site in the Eastern Chongming Shoal

2.3 崇明東灘M2測(cè)站

2021年7月26日—7月28日野外觀測(cè)期間在M2測(cè)站共采集到4個(gè)完整的漲落潮周期數(shù)據(jù)。該測(cè)站位于潮間帶下部，淹沒(méi)時(shí)間長(zhǎng)于M1測(cè)站、淹沒(méi)水深更大，觀測(cè)到最大水深為2.5 m，有效波高主要處于0.2～1.0 m之間，約為M1測(cè)站的4倍(圖4a)。平均流速變化范圍為0.3～0.7 m/s，約為M1測(cè)站的9倍(圖4b)；u方向上的流速大小為0～0.4 m/s，v方向上的流速大小為0～0.6m/s，w方向上的流速穩(wěn)定，為0～0.008 m/s(圖4c)。圖4d～4i為6種不同方法計(jì)算底部切應(yīng)力的結(jié)果：LP-mean法底部切應(yīng)力均值為 0.215 6～0.451 7 N/m2；LP-max法底部切應(yīng)力均值為2.568 1～3.877 4 N/m2；TKE法底部切應(yīng)力均值為9.971 2～14.148 6 N/m2；TKEW法底部切應(yīng)力均值為1.404 5～2.752 4 N/m2；RS法底部切應(yīng)力均值為0.785 0～2.476 0 N/m2；ID法底部切應(yīng)力均值為 0.389 5～0.808 7 N/m2(表2)。M2測(cè)站平均流速以及湍流脈動(dòng)能量遠(yuǎn)大于M1測(cè)站，各方法計(jì)算結(jié)果均大于M1測(cè)站，TKE法最大值甚至達(dá)到 24.909 0 N/m2。M2測(cè)站臨界侵蝕剪切應(yīng)力τce=0.127 4 N/m2，各方法計(jì)算結(jié)果均遠(yuǎn)大于τce。M2測(cè)站ADV未能記錄到有效的底部床面高度變化數(shù)據(jù)。

圖4 崇明東灘M2測(cè)站現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)數(shù)據(jù)及剪切應(yīng)力圖Fig.4 Field observation data and shear stress diagram at M2 site in the Eastern Chongming Shoal

表2 各個(gè)潮周期底部切應(yīng)力平均值Tab.2 Average values of bottom shear stress in different tide periods

3 討論

本文利用6種理論方法計(jì)算底部切應(yīng)力，其中LP-mean法是基于平均流速，LP-max法是基于最大瞬時(shí)流速，其余方法是基于湍流脈動(dòng)(TKE法、TKEW法、RS法和ID法)。

M1測(cè)站底部床面較為穩(wěn)定，除了LP-mean法之外，其余各方法計(jì)算結(jié)果均遠(yuǎn)大于臨界侵蝕剪切應(yīng)力τce。由于τce是通過(guò)沉積物粒徑計(jì)算而來(lái)，其不僅與沉積物粒徑有關(guān)，還與沉積物的形狀、電化學(xué)性質(zhì)以及湍流脈動(dòng)相關(guān)[36]。M1測(cè)站沉積物中值粒徑為 12.89 μm，屬于黏性細(xì)顆粒，該測(cè)站τce計(jì)算值過(guò)小，不具備參考價(jià)值。在M1測(cè)站，LP-mean法相比其它方法而言，不能很好地估算底部切應(yīng)力，計(jì)算結(jié)果和其它方法沒(méi)有很好的相關(guān)性，計(jì)算的切應(yīng)力比其它方法要低得多(表2)。SALEHI et al[10]利用LP-mean法同樣也產(chǎn)生了較低的估值。從計(jì)算公式上分析，LP-mean法利用平均流速求解底部切應(yīng)力，受控于平均流速的變化，尤其是 M1測(cè)站，平均流速變化僅為0.01～0.08 m/s，這是造成LP-mean法計(jì)算結(jié)果偏低的主要原因。此外，LP法與采樣點(diǎn)距離底部床面高度z相關(guān)，理論上z不能夠隨著時(shí)間發(fā)生變化[12]，而實(shí)際上，潮間帶底部床面高度是變化的。由SHI et al[37]實(shí)測(cè)潮間帶底部床面高度變化可知，在一個(gè)潮周期內(nèi)，底部床面高度的變化在厘米級(jí)，對(duì)于極端事件而言(如臺(tái)風(fēng)、風(fēng)暴潮等)，底部床面高度變化甚至有可能達(dá)到10～20 cm。其次，LP法的應(yīng)用需要假設(shè)流速呈現(xiàn)對(duì)數(shù)分布，但是現(xiàn)場(chǎng)流速狀態(tài)并非如此，非穩(wěn)定流、水體的層化、風(fēng)應(yīng)力加強(qiáng)后的波浪效應(yīng)以及地形影響引起的二次流均會(huì)造成底部流速不符合對(duì)數(shù)分布。M1測(cè)站位于崇明東灘植被帶與光灘交界處，植被帶起到了緩流的作用，細(xì)顆粒沉積物容易在附近沉降，不僅會(huì)造成底部床面高程變化，還會(huì)影響底部邊界層流速的對(duì)數(shù)分布規(guī)律。但是對(duì)于本研究中底部床面高度而言，M1測(cè)站底部床面前后變化穩(wěn)定在4 mm之內(nèi)，N測(cè)站底部床面侵蝕淤積總量在8 mm之內(nèi)，對(duì)LP法計(jì)算影響有限。

M2測(cè)站觀測(cè)的有效波高最大，在所有觀測(cè)潮周期內(nèi)都能達(dá)到0.6 m，最高超過(guò)1.2 m。TKEW法采用受波浪影響較小的垂向脈動(dòng)流速w′計(jì)算底部切應(yīng)力，減小了波浪對(duì)計(jì)算結(jié)果的影響，在M2測(cè)站有效波高持續(xù)高于0.2 m的情況下，計(jì)算結(jié)果依然穩(wěn)定。這與SALEHI et al[10]的研究發(fā)現(xiàn)一致，他們認(rèn)為在有波浪的情況下，TKEW法是最合適的方法。N測(cè)站T4潮周期后半段底部床面緩慢侵蝕，TKEW法、RS法以及ID法計(jì)算結(jié)果在T4潮周期后半段均大于τce，在其它潮周期均略小于τce，符合底部床面高度變化規(guī)律。但是RS法在M2測(cè)站不適用，波浪作用會(huì)打破底部床面存在恒定應(yīng)力層的假設(shè)條件。此外RS法對(duì)儀器探頭的姿態(tài)較為敏感，在波浪和水流分別占主導(dǎo)地位時(shí)，儀器探頭每1°的傾斜將分別導(dǎo)致156%和10%的誤差[38]。M2測(cè)站的強(qiáng)烈波浪作用會(huì)引起儀器探頭位置發(fā)生輕微偏移，可能會(huì)引起底部切應(yīng)力結(jié)果誤差。在較大波浪的環(huán)境下，ID法計(jì)算結(jié)果比RS法更加可信。HUNTLEY et al[31]利用ID法描述了加拿大大陸架底部切應(yīng)力，認(rèn)為在波流共存且水深條件充足的情況下，通過(guò)湍流波動(dòng)譜來(lái)計(jì)算底部切應(yīng)力是非常實(shí)用的。本研究得出了相近的結(jié)果，在水深充足的條件下，ID法計(jì)算結(jié)果不受有效波高波動(dòng)的影響，計(jì)算結(jié)果十分穩(wěn)定，不過(guò)在漲潮初期和落潮末期水深條件不足時(shí)，ID法計(jì)算結(jié)果偏大。總之，在潮間帶淺水環(huán)境中底部切應(yīng)力的計(jì)算存在著復(fù)雜性和不確定性，各方法在以波浪為主導(dǎo)的淺水環(huán)境中的應(yīng)用還不盡完善。

4 結(jié)論

本文通過(guò)3個(gè)不同環(huán)境的野外站點(diǎn)獲取現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)數(shù)據(jù)，根據(jù)6種不同的理論方法計(jì)算底部切應(yīng)力并進(jìn)行對(duì)比與分析，主要結(jié)論如下。

(1)潮間帶淺水環(huán)境條件復(fù)雜，受到平均流速、儀器探頭距離底部床面高度以及波浪強(qiáng)弱變化的影響，LP-mean法會(huì)低估底部切應(yīng)力。

(2)潮間帶淺水環(huán)境波浪作用明顯，流速變化幅度較大，LP-max法和TKE法會(huì)高估底部切應(yīng)力。

(3)通過(guò)對(duì)TKE法進(jìn)行改進(jìn)，TKEW法利用受波浪影響較小的垂向脈動(dòng)流速計(jì)算底部切應(yīng)力，更適用于波浪作用強(qiáng)烈環(huán)境下底部切應(yīng)力的計(jì)算。

(4)波浪作用會(huì)造成RS法計(jì)算結(jié)果產(chǎn)生誤差，存在較大波浪時(shí)，ID法計(jì)算結(jié)果比RS法計(jì)算結(jié)果更加可信，但是在水深條件不足時(shí)，ID法會(huì)高估底部切應(yīng)力。

本文只對(duì)3個(gè)不同環(huán)境潮間帶淺水區(qū)域底部切應(yīng)力進(jìn)行了研究，對(duì)于近岸河口區(qū)以及潮下帶區(qū)域，由于受水深、流速、波浪等多種因素的影響，不同方法計(jì)算結(jié)果會(huì)產(chǎn)生差異，各種理論方法在不同環(huán)境中的適應(yīng)性還有待進(jìn)一步研究。