林紀(jì)江，胡日軍，王平，宋卓利，張文靜，牛建偉，伊善堂，丁小雨

1.國(guó)家海洋局南海信息中心，廣州 510310

2.自然資源部海洋環(huán)境探測(cè)技術(shù)與應(yīng)用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣州 510310

3.中國(guó)海洋大學(xué)海洋地球科學(xué)學(xué)院，青島 266100

4.國(guó)家海洋局北海海洋工程勘察研究院，青島 266061

5.中國(guó)科學(xué)院南海海洋研究所，廣州 510301

6.廣州海洋地質(zhì)調(diào)查局，廣州 510075

表層沉積物再懸浮是影響水體中懸浮泥沙濃度的一個(gè)重要因素，懸浮泥沙濃度的變化過(guò)程及運(yùn)移趨勢(shì)指示了不同的水動(dòng)力環(huán)境，對(duì)海洋沉積、生態(tài)環(huán)境、岸線沖淤以及物質(zhì)循環(huán)具有重要意義。前人對(duì)廟島海峽周邊海域開(kāi)展了大量的研究工作，主要集中于大尺度的渤黃海懸浮體季節(jié)性分布、變化及運(yùn)移和沉積動(dòng)力、地質(zhì)地貌等方面，認(rèn)為渤海懸浮泥沙濃度分布的主要影響因素是水動(dòng)力條件（海浪、海流等），懸浮泥沙輸運(yùn)主要?jiǎng)恿π问桨ㄆ搅鬏斶\(yùn)、潮泵效應(yīng)等[1-2]，底質(zhì)類(lèi)型對(duì)水體含沙量影響較大，細(xì)顆粒物質(zhì)更易發(fā)生再懸浮[3-4]。廟島群島周邊沉積物分布及沉積動(dòng)力格局主要受潮流控制[5]，冬季是渤黃海海域懸浮體輸運(yùn)的主要季節(jié)，山東半島沿岸在強(qiáng)動(dòng)力下的再懸浮是水體懸浮體的主要來(lái)源[6-8]。對(duì)廟島海峽周邊小尺度海域懸浮泥沙輸運(yùn)機(jī)制與趨勢(shì)的研究較少。研究區(qū)受到廟島群島和廟島海峽的雙重影響，其懸浮泥沙的分布和輸運(yùn)必然具有獨(dú)特的性質(zhì)，本文基于連續(xù)實(shí)測(cè)水文泥沙資料，利用不同數(shù)理公式和物質(zhì)通量分解方法，分析探討廟島海峽周邊懸浮泥沙分布、沉降及表層沉積物再懸浮特性，揭示懸浮泥沙輸運(yùn)的動(dòng)力機(jī)制和運(yùn)移特性，不僅可以豐富廟島海峽海域沉積動(dòng)力過(guò)程的相關(guān)研究?jī)?nèi)容，加深對(duì)黃渤海泥沙交換過(guò)程的理解，而且可以為周邊海域生態(tài)修復(fù)、環(huán)境保護(hù)等提供科學(xué)參考。

1 區(qū)域概況

廟島海峽位于渤海海峽的南部，北側(cè)是廟島群島，南側(cè)是山東半島，是渤黃海水沙交換的主要通道。研究區(qū)海域?qū)儆诤Ｑ笈瘽窦撅L(fēng)性氣候，年平均氣溫13℃，累年平均降水量為586.7 mm，多年平均風(fēng)速4.2 m/s，常風(fēng)向?yàn)镾SW向[9]，最大水深約37 m[10]。潮汐類(lèi)型屬于不規(guī)則半日潮，平均潮差1 m左右，最大潮差2.9 m[11]；潮流屬于不規(guī)則半日潮，以往復(fù)流為主，落潮流向西，漲潮流向東，落潮平均歷時(shí)略小于漲潮平均歷時(shí)；波浪以風(fēng)浪為主，涌浪次之，強(qiáng)浪向?yàn)镹E向，最大波高4.1 m，常浪向?yàn)镹NE向，次常浪向?yàn)镋NE向[12]。廟島海峽周邊海底有登州淺灘和登州水道兩個(gè)重要的地貌元素。登州淺灘位于蓬萊的西北側(cè)，主要由4個(gè)沙洲組成，地形復(fù)雜，大致位于10 m等深線以外，登州水道位于登州淺灘的東北側(cè)，是渤黃海水沙交換的主要通道，蓬萊西海岸近岸海底與登州淺灘之間有一條EN—WS向的海底洼地，比兩側(cè)區(qū)域深約1～2 m，坡度較緩，并無(wú)明顯的邊緣陡坎，近岸海底區(qū)域在2 m等深線附近一般發(fā)育有水下沙壩[9]。表層沉積物類(lèi)型多樣，以砂質(zhì)粉砂分布最廣，其次為粉砂，礫與砂質(zhì)礫集中分布在登州水道內(nèi)[5]。

2 資料與方法

2.1 資料來(lái)源與處理

2.1.1 海流

2011年7 月天津水運(yùn)工程勘察設(shè)計(jì)院在廟島海峽及其兩側(cè)海域布設(shè)9個(gè)站位（圖1），進(jìn)行大、小潮期的27 h海流連續(xù)觀測(cè)，2015年10月中國(guó)海洋大學(xué)在廟島群島海域布設(shè)3個(gè)站位進(jìn)行大潮期的27 h海流連續(xù)觀測(cè)，采集流速、流向、水深等，測(cè)流間隔為1 h，單次測(cè)流歷時(shí)2.5 min，2011年數(shù)據(jù)按“六點(diǎn)法”進(jìn)行處理（即表層、0.2H、0.4H、0.6H、0.8H和底層（H為取樣點(diǎn)的水深）），2015年數(shù)據(jù)按表層、中層、底層進(jìn)行處理，對(duì)海流資料進(jìn)行準(zhǔn)調(diào)和分析，得出研究區(qū)的海流性質(zhì)、余流的特征。

圖1 研究區(qū)水深地形及調(diào)查站位Fig.1 Topography of the study area and survey stations

2.1.2 懸浮泥沙

懸浮泥沙采用CTD（日本）與測(cè)流同步進(jìn)行測(cè)定，為保證含沙量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，在測(cè)量過(guò)程中使用豎式采水器同步采取現(xiàn)場(chǎng)水樣，經(jīng)實(shí)驗(yàn)室處理（抽濾、烘干、稱重）后，用其率定同步獲取的濁度數(shù)據(jù)。2011年數(shù)據(jù)按“六點(diǎn)法”進(jìn)行處理（即表層、0.2H、0.4H、0.6H、0.8H和底層（H為取樣點(diǎn)的水深））。2015年數(shù)據(jù)按表層、中層、底層進(jìn)行處理。懸浮泥沙粒度的測(cè)定采用Mastersizer2000型激光粒度儀，測(cè)量范圍為0.02～2000 μm，重復(fù)試驗(yàn)的相對(duì)誤差＜3%，粒級(jí)分辨率為0.1Φ，粒徑間距為0.25 Φ。由于濾膜中粘附的懸浮泥沙樣品不等量，僅對(duì)9個(gè)站位中粘附量大的部分濾膜進(jìn)行測(cè)定，測(cè)定步驟同常規(guī)激光粒度儀粒徑測(cè)定。

2.1.3 表層沉積物

2011年6—7 月天津水運(yùn)工程勘察設(shè)計(jì)院在廟島海峽周邊海域通過(guò)蚌式取樣器獲取了107個(gè)表層沉積物樣品，沉積物粒度測(cè)定采用NSY-Ⅲ型寬域粒度分析儀（河海大學(xué)）和SFY-B2000音波振動(dòng)式半自動(dòng)篩分粒度儀（中科院南京地理與湖泊研究所）。

2.2 研究方法

2.2.1 懸浮泥沙沉降速度

懸浮泥沙沉降速度計(jì)算公式參考Camenen[13]的半經(jīng)驗(yàn)公式，通過(guò)A、B和m3個(gè)參數(shù)將泥沙顆粒的形狀因子（csf）和圓度（P）引入泥沙沉降公式中，公式如下：

式（1）中，Ws－沉降速度；Re－雷諾數(shù)；v－流體動(dòng)粘滯系數(shù)；d－顆粒直徑；A，B，m－阻力系數(shù)方程中的系數(shù)；d*－無(wú)量綱的粒子直徑。

2.2.2 泥沙起動(dòng)流速

泥沙起動(dòng)流速計(jì)算采用竇國(guó)仁1999年提出的泥沙起動(dòng)流速公式[14]，各參數(shù)及含義見(jiàn)文獻(xiàn)[14]。

2.2.3 再懸浮通量與沉降通量

再懸浮通量采用Partheniades提出的公式[15]:

沉降通量采用Krone提出的公式[16]:

式（5）中E是再懸浮常數(shù)，其范圍一般為5×10-5～2×10-4[17]，再懸浮常數(shù)對(duì)再懸浮通量的計(jì)算影響較大，本文選取再懸浮常數(shù)的最小和最大值分別進(jìn)行估算； τ0為底切應(yīng)力； τcr為臨界切應(yīng)力；Cb為近底部懸浮泥沙濃度； ωs為懸浮泥沙的沉降速度。

2.2.4 懸浮泥沙單寬通量

懸浮泥沙單寬通量機(jī)制分解依據(jù) Ingram[18]和Uncles 等[19]提出的用相對(duì)水深進(jìn)行分解瞬時(shí)的物質(zhì)輸運(yùn)量。潮周期Tt平均瞬時(shí)單寬懸沙輸移通量T的計(jì)算式為：

式（7）中：T1－歐拉余流貢獻(xiàn)項(xiàng)；T2－Stokes漂移輸移量；T1+T2－平流輸移；T3－潮汐與懸沙潮變化相關(guān)項(xiàng)；T4－懸沙與潮流變化相關(guān)項(xiàng)；理論上，，，ht各自潮周期平均值為零，但三者的相關(guān)產(chǎn)生了泥沙凈輸移，即潮汐捕集作用；T5－垂向流速變化和含沙量變化的相關(guān)項(xiàng)，為垂向凈環(huán)流的貢獻(xiàn)；T6，T7－時(shí)均量和潮汐振動(dòng)切變引起的剪切擴(kuò)散；T8－垂向潮振蕩切變作用。

其中，垂線平均含沙量采用黃才安和梅小文[20]推薦的流量法計(jì)算：

式（8）中，垂線平均含沙量用S1表示，h代表垂線水深，s代表距底床y處的當(dāng)?shù)睾沉浚瑄代表距底床y處的當(dāng)?shù)亓髁俊?/p>

3 結(jié)果與討論

3.1 海流與底質(zhì)特征

研究區(qū)海域潮流性質(zhì)以不規(guī)則半日潮流性質(zhì)為主，實(shí)測(cè)潮流最大流速值為1.84 m/s，流向?yàn)?84°，出現(xiàn)在大潮期A5站位的表層，潮流最小流速值為0.04 m/s，流向?yàn)?64°，出現(xiàn)在小潮期A9站位的底層，垂線平均最大1.53 m/s，潮流流速值呈現(xiàn)自廟島海峽至周邊海域、自表層至底層遞減的趨勢(shì)。大、小潮期潮流流向基本一致（A8站位除外），A3站位潮流流向最為復(fù)雜，表現(xiàn)出旋轉(zhuǎn)流的性質(zhì)，A2、A5、B3站位受地形影響明顯，潮流流向較單一，往復(fù)流特征顯著（圖2）。

圖2 各站位垂向平均潮流矢量[22]Fig.2 The vector of vertical-averaged current of each station

各站各層余流流速相差較小，大、小潮期最大值分別為26.4、16.2 cm/s，均出現(xiàn)在A3站位表層，A2、A5站位自表層至底層余流逐漸增大，其余各站位余流大致自表層至底層逐漸減??；大、小潮期垂線平均余流方向A1、A2、A8站位不一致，其余站位基本一致（圖3）?；贛ike-21數(shù)值模擬軟件模擬的研究區(qū)海域余流場(chǎng)見(jiàn)圖4[21]，由圖4可見(jiàn)，廟島海峽南側(cè)余流由渤海指向黃海方向，廟島海峽北側(cè)余流由黃海指向渤海方向，并在中部產(chǎn)生小環(huán)流。

圖3 各站位垂向平均余流矢量Fig.3 Vector of vertical-averaged residual current at each station

圖4 研究區(qū)余流場(chǎng)數(shù)值模擬結(jié)果[21]Fig.4 The numerical simulation results of residual current field in the study area

根據(jù)Folk分類(lèi)命名，研究區(qū)表層沉積分為礫（G）、砂質(zhì)礫（sG）、礫質(zhì)砂（gS）、含礫砂（(g)S）、砂質(zhì)粉砂（sZ）、粉砂（Z）、砂質(zhì)泥（sM）和泥（M）8種類(lèi)型（圖5），含礫樣品中砂的含量較高（其中4個(gè)樣品為礫（G），直徑最大3 cm，最小0.5 cm），不含礫樣品中粉砂含量較高（圖6）。

圖5 研究區(qū)沉積物類(lèi)型分布Fig.5 Distribution of sediment types in the study area

圖6 各類(lèi)型沉積物粒級(jí)頻率曲線N為樣品數(shù)，不同顏色曲線表示不同站位。Fig.6 Grain size frequency curve of various types of sedimentsN is the number of samples, different color curves represent different stations.

3.2 懸浮泥沙分布及變化特征

3.2.1 時(shí)空分布特征及變化

實(shí)測(cè)最大懸浮泥沙濃度為155 mg/L，出現(xiàn)在A4站位的底層，研究區(qū)海域垂向平均懸浮泥沙濃度整體上較低，最大值為37.04 mg/L（大潮期A4站位）；廟島群島北側(cè)海域表、中、底層懸浮泥沙濃度差別不大（圖7），群島中部表、中層差別不大，遠(yuǎn)低于底層懸浮泥沙濃度，其他海域自表層至底層遞增明顯；落潮段懸浮泥沙高于漲潮段（A6、B3站位除外），廟島海峽、廟島群島海域懸浮泥沙濃度高于周邊開(kāi)闊海域，呈現(xiàn)自岸向海懸浮泥沙濃度遞減趨勢(shì)，這可能是海峽處、近岸處底部泥沙發(fā)生再懸浮所致。

圖7 懸浮泥沙漲落潮段(左圖)與表中底各層(右圖)平均濃度分布[22]Fig.7 Distribution of suspended sediment concentration averaged during ebb and flow period (left) and in each layer (right) [22]

懸浮泥沙濃度隨時(shí)間變化呈現(xiàn)出周期性波動(dòng)，9～16 h尺度的周期變化在整個(gè)分析時(shí)段表現(xiàn)的非常穩(wěn)定，具有全域性[22]，通過(guò)對(duì)比各站位懸沙濃度時(shí)間序列剖面（圖8）發(fā)現(xiàn)，潮周期內(nèi)廟島海峽懸浮泥沙濃度峰值形態(tài)較平滑，高值持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)，其他區(qū)域懸浮泥沙濃度峰值曲線形態(tài)較尖銳，高值持續(xù)時(shí)間較短。

3.2.2 潮周期內(nèi)懸沙濃度變化特征

根據(jù)相關(guān)經(jīng)驗(yàn)，潮流流速的變化直接影響水體懸浮泥沙濃度的變化，當(dāng)流速增大時(shí)，海底表層沉積物受到的剪切應(yīng)力相應(yīng)變大，海底受到?jīng)_刷，細(xì)顆粒的泥沙物質(zhì)進(jìn)入水體，懸浮泥沙濃度增高；當(dāng)流速減小到一定程度時(shí)，海底表層沉積物受到的剪切應(yīng)力小于臨界剪切應(yīng)力，水體中的懸浮泥沙發(fā)生沉降，懸浮泥沙濃度也相應(yīng)降低。對(duì)比潮流流速與懸沙濃度時(shí)間序列剖面（圖8）發(fā)現(xiàn)，懸浮泥沙濃度潮周期變化與潮流流速周期變化相關(guān)性較好，潮流流速超過(guò)40 cm/s時(shí)，研究區(qū)海域發(fā)生明顯的再懸浮現(xiàn)象，并且潮流流速越大，底部懸浮泥沙濃度越高，懸浮泥沙濃度峰值整體上滯后于潮流流速峰值0.5～2 h。潮周期內(nèi)各站位的懸浮泥沙濃度隨流速出現(xiàn)高低值的更迭，且存在分層現(xiàn)象。懸沙濃度高低值更迭表現(xiàn)為底層變化對(duì)高流速響應(yīng)明顯，表層變化對(duì)低流速響應(yīng)明顯，底層懸浮泥沙濃度大于表層。分層現(xiàn)象可能是研究區(qū)海域存在躍層的影響：當(dāng)流速較高時(shí)，底質(zhì)沉積物再懸浮，底層濃度增加，因躍層影響，表層接受自底部向上擴(kuò)散的懸沙很少；當(dāng)流速處于低值時(shí)，表層的懸浮泥沙會(huì)發(fā)生落淤，使表層懸浮泥沙濃度明顯降低，因此表層變化對(duì)低流速反應(yīng)明顯。

3.3 泥沙沉降及再懸浮特性

3.3.1 懸浮泥沙沉降特征

研究區(qū)懸浮泥沙沉降速度計(jì)算結(jié)果表明，單顆粒沉降速度整體上不大，最大為0.030 6 mm/s，出現(xiàn)在研究區(qū)西部的A9站位；最小值為0.024 6 mm/s，出現(xiàn)在研究區(qū)中部的A6站位（表1）。有學(xué)者研究結(jié)果表明，泥沙絮凝沉降速度是單顆粒懸浮泥沙沉降速度的幾十倍至上百倍[23-26]，在懸浮泥沙絮凝沉降中起主導(dǎo)作用的有懸浮泥沙粒徑、鹽度、水體流速、含沙量4個(gè)因子[27]，懸浮泥沙粒徑＜16 μm絮凝沉降現(xiàn)象明顯，懸浮泥沙粒徑8 μm左右，絮凝沉降現(xiàn)象最為強(qiáng)烈[28]，水體中細(xì)顆粒物質(zhì)發(fā)生絮凝沉降的必要條件是陽(yáng)離子濃度為60～500 mmol/L[29]，研究區(qū)懸浮泥沙粒徑為10.4～11.6 μm、鹽度值30.87～31.21（其對(duì)應(yīng)的水溶液陽(yáng)離子濃度在前述區(qū)間內(nèi)），均適宜懸浮泥沙的絮凝沉降。有學(xué)者[26,30]基于控制變量的室內(nèi)試驗(yàn)證明，基于同等其他條件，在較低懸浮泥沙濃度（0～1 000 mg/L）情況下，亦可發(fā)生絮凝沉降，絮凝平均沉降速率與懸浮泥沙濃度正相關(guān)，但此時(shí)懸浮泥沙濃度對(duì)沉降速率影響較小。在水體流速小于30 cm/s的情況下，粒徑為8～32 μm的懸浮泥沙可以絮凝沉降[31]，由圖9可見(jiàn)，A4、A5站位流速小于30 cm/s的持續(xù)時(shí)間較短，其余站位表層流速小于30 cm/s的持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)，表明研究區(qū)除廟島海峽外其他海域水動(dòng)力條件適合懸浮泥沙絮凝沉降，并以中、底層絮凝沉降為主。

圖9 單日內(nèi)各站位表中底層流速小于30 cm/s的持續(xù)時(shí)間（h）Fig.9 Duration of flow velocity less than 30 cm / s in a single day in the each layer of each station (h)

表1 A1—A9各站懸浮泥沙沉降速度Table 1 The settling velocity of suspended sediment at stations A1-A9

3.3.2 沉積物再懸浮特征

表層沉積物起動(dòng)流速計(jì)算結(jié)果表明（表2），研究區(qū)內(nèi)自廟島海峽向渤海、黃海、廟島群島海域表層沉積物起動(dòng)流速遞減，研究區(qū)東側(cè)表層沉積物起動(dòng)流速自岸向海遞減，西側(cè)自岸向海先增大后減小，對(duì)比各站位流速時(shí)間序列剖面圖（圖8），A2、A4、B3站位最大底層潮流流速均達(dá)不到表層沉積物起動(dòng)流速。根據(jù)同期獲取的底質(zhì)資料發(fā)現(xiàn)，A2站位表層沉積物主要為泥，顆粒粒級(jí)細(xì)，顆粒組分中黏土含量較高，顆粒間黏性大，需要的起動(dòng)流速較大；A4站位表層沉積物主要為礫，顆粒粒級(jí)粗，自身的重力較大，需要的起動(dòng)流速亦增加，B3站位位于廟島群島內(nèi)部且水深較淺，潮流流速較小，動(dòng)力不足。A6、A7、A8 3個(gè)站位底層最大流速超過(guò)起動(dòng)流速的時(shí)間較久，指示其潮流流速容易使表層沉積物再懸浮。其余站位底層最大流速超過(guò)起動(dòng)流速的時(shí)間較短，短暫的時(shí)段內(nèi)不足以使表層沉積物再懸浮太久。

表2 各站位表層沉積物起動(dòng)流速Table 2 The critical motion velocity of surface sediment at each station

圖8 各站位潮流流速、含沙量時(shí)間序列剖面Fig.8 The current velocity and the variation of sediment concentration with time in each station

3.3.3 再懸浮通量與沉降通量

為了加深對(duì)研究區(qū)懸浮泥沙特性的理解，對(duì)研究區(qū)表層沉積物再懸浮通量與懸浮泥沙沉降通量進(jìn)行了計(jì)算、對(duì)比分析，以求尋得二者對(duì)研究區(qū)懸浮泥沙濃度分布及運(yùn)移的影響。為了更為直觀地分析出二者單日內(nèi)對(duì)水體中懸浮泥沙濃度的影響，將計(jì)算得到的再懸浮通量與沉降通量區(qū)間進(jìn)行了算術(shù)平均計(jì)算，同時(shí)將單日24 h按照再懸浮與沉降特點(diǎn)劃分為再懸浮時(shí)間與沉降時(shí)間，進(jìn)而求出單日每平方米的再懸浮量與沉降量（表3）。研究區(qū)再懸浮通量整體較小，廟島海峽最小，分區(qū)差異不顯著，沉降通量明顯小于再懸浮通量；單日表層沉積物再懸浮量最大為43.47 kg/m2，出現(xiàn)在A2站位，最小為2.30 kg/m2，出現(xiàn)在A5站位，懸浮泥沙沉降量較小，遠(yuǎn)小于再懸浮通量，表層沉積物再懸浮量、懸浮泥沙沉降量平面變化規(guī)律與再懸浮通量的平面變化具有較高的一致性。

表3 A1—A9各站位再懸浮通量與沉降通量Table 3 Resuspension and sedimentation fluxes of stations A1-A9

有學(xué)者認(rèn)為，登州淺灘細(xì)顆粒的粉砂、黏土級(jí)物質(zhì)被潮流帶走同時(shí)輸入較粗的細(xì)砂物質(zhì)，但峽道地貌形成之后，海區(qū)地貌形態(tài)基本趨于穩(wěn)定，海底侵蝕量已極為有限[4]。張偉[32]發(fā)現(xiàn)蓬萊西海岸沿岸泥沙呈離岸方向運(yùn)移的趨勢(shì)，并有可能成為登州淺灘泥沙來(lái)源的一部分，同時(shí)也有學(xué)者通過(guò)衛(wèi)星遙感反演大面積海域，認(rèn)為渤海中部和渤海海峽海域表層懸浮泥沙主要來(lái)源于表層沉積物再懸浮及其輸運(yùn)[33]。還有學(xué)者認(rèn)為自20世紀(jì)80年代以來(lái)，西莊至欒家口一帶黃土質(zhì)海岸遭受?chē)?yán)重侵蝕[12]，季節(jié)性河流徑流將數(shù)量可觀的以黃土為主的侵蝕物帶入海中[34]，海岸侵蝕來(lái)沙、河流輸沙、鄰近海域搬沙及微弱的海底侵蝕供沙共同構(gòu)成廟島海峽周邊海域的主要泥沙來(lái)源[5]。據(jù)以上計(jì)算結(jié)果及討論分析，大致可以認(rèn)為研究區(qū)除廟島海峽以外的其他海域，表層沉積物再懸浮對(duì)水體中懸浮泥沙的影響較顯著，尤其研究區(qū)東南側(cè)的泥質(zhì)分布區(qū)和西部登州淺灘的西南側(cè)細(xì)顆粒物質(zhì)區(qū)，在廟島海峽的峽道效應(yīng)及廟島群島的群島效應(yīng)雙重影響下，加之山東半島北部沿岸流的周期性推動(dòng)，表層沉積物再懸浮與底層水體水沙交換的現(xiàn)象更加顯著。

3.4 懸浮泥沙輸移特征

3.4.1 懸浮泥沙輸運(yùn)機(jī)制

本文所提到的懸浮泥沙輸運(yùn)通量計(jì)算均是指在正常天氣潮流作用下的計(jì)算結(jié)果（表4—6、圖10—11），未考慮波浪、風(fēng)暴潮的影響因素。結(jié)果顯示，各站位中單寬懸沙凈輸運(yùn)率（T）只有A9站位小潮期大于大潮期，其余站位均是大潮期大于小潮期，大、小潮期T最大值均出現(xiàn)在A4站位，T最小值均出現(xiàn)在A9站位。大、小潮期A1、A2、A9 3個(gè)站位T與（T1+T2）的方向差別較大，其余站位T與（T1+T2）的方向基本一致。潮周期平均輸運(yùn)率由T1—T8決定，但各分項(xiàng)貢獻(xiàn)值差別較大，在廟島群島海域（T1+T2）平流輸運(yùn)項(xiàng)主導(dǎo)著懸浮泥沙的輸運(yùn)，其余各項(xiàng)均較小，在其他海域內(nèi)（T1+T2）平流輸運(yùn)項(xiàng)在研究區(qū)懸浮泥沙輸運(yùn)過(guò)程中起了主導(dǎo)作用，T5垂向凈環(huán)流貢獻(xiàn)項(xiàng)對(duì)研究區(qū)懸浮泥沙輸運(yùn)的影響也較大，（T3+T4）和（T6+T7+T8）對(duì)研究區(qū)懸沙輸運(yùn)貢獻(xiàn)值很小，本文討論分析時(shí)（T3+T4）和（T6+T7+T8）貢獻(xiàn)項(xiàng)忽略不計(jì)。大潮期的A3—A6、A8、B1、B2站位和小潮期的A3站位T2貢獻(xiàn)值大于其他站位，表明這幾個(gè)站位斯托克斯漂移效應(yīng)明顯，這與登州水道漲落潮流作用增強(qiáng)相關(guān)，實(shí)測(cè)資料亦顯示，此處潮流流速大于研究區(qū)內(nèi)的其他海區(qū)。A7站位T2貢獻(xiàn)值較小，主要是因?yàn)榈侵轀\灘的存在，地形影響使A7站位處漲落潮流作用減弱。登州淺灘和登州水道之間的泥沙交換、潮周期不對(duì)稱輸沙以及表層沉積物再懸浮導(dǎo)致了垂向流速變化和懸浮泥沙濃度變化的相關(guān)項(xiàng)（T5）的增大。

圖10 大潮期各站位懸沙輸運(yùn)項(xiàng)與平均余流疊置圖注：A9的T放大10倍，A4的T1+T2和T縮放為1/2，B1的T1+T2和T放大4倍，B3的T1+T2和T放大20倍，B2放大2倍。Fig.10 The superimposition of suspended sediment transport term and average residual current at each station during spring tideNote: T of A9 is magnified 10 times, T1+T2 and T of A4 are zoom 1/2, T1+T2 and T of B1 are magnified 4 times, T1+T2 and T of B3 are magnified 20 times, and B2 is magnified 2 times.

表4 A1—A9各站懸沙輸運(yùn)項(xiàng)及單寬懸沙凈輸運(yùn)率（大潮）Table 4 Items of suspended sediment transport and the net transport rate of single-width suspended sediment at stations A1-A9 (spring tide)

表5 A1—A9各站懸沙輸運(yùn)項(xiàng)及單寬懸沙凈輸運(yùn)率（小潮）Table 5 Items of suspended sediment transport and the net transport rate of single-width suspended sediment at stations A1-A9 (neap tide)

表6 B1—B3各站懸沙輸運(yùn)項(xiàng)及單寬懸沙凈輸運(yùn)率（大潮）Table 6 Items of suspended sediment transport and the net transport rate of single-width suspended sediment at stations B1-B3 (spring tide)

對(duì)于平流輸運(yùn)項(xiàng)（T1+T2）與垂向凈環(huán)流項(xiàng)（T5）在大、小潮期對(duì)各個(gè)站位的貢獻(xiàn)又有所不同，總體來(lái)講，平流輸運(yùn)項(xiàng)（T1+T2）在懸浮泥沙輸運(yùn)中占主導(dǎo)作用，除了A5站位平流輸運(yùn)項(xiàng)（T1+T2）與垂向凈環(huán)流項(xiàng)（T5）懸浮泥沙輸運(yùn)方向差別較大外，其余各站懸浮泥沙輸運(yùn)方向基本一致。廟島海峽（T1+T2）貢獻(xiàn)項(xiàng)要大于東、西兩側(cè)海域，從實(shí)測(cè)資料的分析中也可以發(fā)現(xiàn)（圖8），垂向懸浮泥沙濃度和潮流流速的梯度變化，廟島海峽小于東、西兩側(cè)海域，廟島海峽東、西兩側(cè)海域余流作用相對(duì)減弱。研究區(qū)懸浮泥沙輸運(yùn)整體以（T1+T2）貢獻(xiàn)項(xiàng)為主，T5貢獻(xiàn)項(xiàng)為輔，自廟島海峽至東、西兩側(cè)海域T5貢獻(xiàn)項(xiàng)的作用逐漸增加。研究區(qū)懸浮泥沙運(yùn)移的主要?jiǎng)恿?lái)源于潮流的周期性變化，潮流對(duì)懸浮泥沙的搬運(yùn)以往復(fù)搬運(yùn)為主，落潮流在懸浮泥沙輸運(yùn)中發(fā)揮了更大的作用。

平面上研究區(qū)大、小潮期垂向平均懸浮泥沙凈輸運(yùn)方向和垂向平均余流方向基本一致，懸浮泥沙凈輸運(yùn)量大小變化趨勢(shì)與垂向平均余流大小變化趨勢(shì)亦基本一致。研究區(qū)內(nèi)對(duì)懸浮泥沙凈輸運(yùn)貢獻(xiàn)最大的是余流，凈輸運(yùn)率不大，主要由水道向兩側(cè)淺灘輸沙。A3、A6站位凈輸沙方向指向長(zhǎng)山尾附近的淺灘，A5、A7站位凈輸沙方向指向登州淺灘，A5、A6站位凈輸沙方向相反，峽道效應(yīng)起了關(guān)鍵性作用。水深地形的復(fù)雜變化，島嶼對(duì)潮流場(chǎng)的制約作用，致使懸浮泥沙在廟島海峽北側(cè)淺灘與登州淺灘沉降堆積。

圖11 小潮期各站位懸沙輸運(yùn)項(xiàng)與平均余流疊置圖注：A7、A9各項(xiàng)放大2倍。Fig.11 The superimposition of suspended sediment transport term and average residual current at each station during neap tideNote: A7 and A9 are magnified 2 times.

3.4.2 懸浮泥沙輸運(yùn)趨勢(shì)

廟島群島海域懸浮泥沙輸移方向表現(xiàn)為自北向南，穿過(guò)廟島群島淺灘又分為兩個(gè)方向，一是沿著廟島群島西側(cè)岸線向北輸運(yùn)，另一方向則是沿著廟島海峽北側(cè)淺灘輸運(yùn)至黃海方向；廟島海峽西側(cè)則表現(xiàn)出遠(yuǎn)海向近岸輸沙、近岸海域向廟島海峽方向輸沙的特點(diǎn)；廟島海峽東側(cè)懸浮泥沙輸運(yùn)相對(duì)簡(jiǎn)單，沿山東半島北岸向東南方向輸沙的同時(shí)，自近岸向遠(yuǎn)海輸沙。廟島海峽懸浮泥沙輸運(yùn)相對(duì)復(fù)雜，通過(guò)圖10、11，并結(jié)合數(shù)值模擬的余流場(chǎng)（圖4）和計(jì)算的表層沉積物通量（A4、A6、A7站位凈輸運(yùn)方向?yàn)闈q潮，即向東輸沙，A5凈輸運(yùn)方向?yàn)槁涑?，即向西輸沙）的結(jié)果，發(fā)現(xiàn)在廟島海峽的南側(cè)由渤海向黃海方向輸運(yùn)物質(zhì)，在廟島海峽的北側(cè)亦有明顯的自黃海向廟島海峽方向的物質(zhì)輸移，并且廟島海峽內(nèi)部也有小環(huán)流進(jìn)行物質(zhì)交換。北黃海懸浮泥沙通過(guò)廟島海峽北側(cè)進(jìn)入渤海，一部分向登州淺灘方向輸運(yùn)，另一部分在長(zhǎng)山島渦旋的作用下通過(guò)廟島海峽北側(cè)進(jìn)入黃海；渤海懸浮泥沙通過(guò)廟島海峽南側(cè)進(jìn)入北黃海，并沿著山東半島向東和東北向輸運(yùn)；廟島群島北側(cè)懸浮泥沙沿著長(zhǎng)山島與大黑山島之間狹道向登州水道輸運(yùn)，穿過(guò)峽道淺灘后一部分懸浮泥沙加入小環(huán)流進(jìn)行物質(zhì)交換（圖12）。

圖12 研究區(qū)懸浮泥沙輸運(yùn)方向示意圖Fig.12 The transportation direction of suspended sediment in the study area

根據(jù)以上探討，初步認(rèn)為研究區(qū)懸浮泥沙運(yùn)移趨勢(shì)整體如下：① 研究區(qū)西南側(cè)懸浮泥沙沿著蓬萊西海岸經(jīng)廟島海峽南側(cè)進(jìn)入黃海，到達(dá)趙格莊北側(cè)海域分為兩部分，一部分懸浮泥沙繼續(xù)沿著山東半島沿岸向前運(yùn)移，另一部分懸浮泥沙垂直岸線向北黃海深處運(yùn)移；② 來(lái)自黃海的少量懸浮泥沙，經(jīng)廟島海峽北側(cè)進(jìn)入，在南長(zhǎng)山島西南側(cè)海域與來(lái)自渤海的水體碰撞產(chǎn)生小環(huán)流，部分懸浮泥沙進(jìn)入廟島群島海域，部分懸浮泥沙繼續(xù)跟隨環(huán)流運(yùn)移；③ 來(lái)自渤海的懸浮泥沙由于東來(lái)的黃海水體的干擾，部分南下運(yùn)移與西部區(qū)西南側(cè)懸浮泥沙一起經(jīng)廟島海峽南側(cè)運(yùn)往黃海；④ 廟島群島北側(cè)懸浮泥沙為群島內(nèi)懸浮泥沙輸運(yùn)提供了來(lái)源，輸運(yùn)至廟島群島內(nèi)部的懸浮泥沙，大部分會(huì)沉降淤積在廟島群島內(nèi)，小部分隨落潮流輸運(yùn)至群島外側(cè)；⑤ 廟島海峽懸浮泥沙輸運(yùn)最為復(fù)雜，不只是將渤海懸浮物質(zhì)輸往黃海，亦有黃海懸浮物質(zhì)經(jīng)廟島海峽向渤海運(yùn)移，如本文的A4、A7站位凈輸運(yùn)方向指向黃海，A3、A5站位凈輸運(yùn)方向指向渤海。

4 結(jié)論

（1）研究區(qū)海域懸浮泥沙濃度潮周期變化與潮流流速周期變化相關(guān)性較好，底層懸沙濃度變化對(duì)高流速的響應(yīng)比較明顯，表層懸沙濃度變化對(duì)低流速響應(yīng)比較明顯，懸沙濃度存在垂向分層現(xiàn)象，底層大于表層，懸浮泥沙濃度峰值整體上滯后于潮流流速峰值0.5～2 h。

（2）研究區(qū)懸浮泥沙單顆粒沉降現(xiàn)象不明顯，除廟島海峽外其他海域較適合懸浮泥沙絮凝沉降，并以中、底層絮凝沉降為主，且表現(xiàn)出自表層至底層絮凝沉降作用逐漸加強(qiáng)趨勢(shì)；表層沉積物再懸浮對(duì)近岸淺水區(qū)、廟島群島周邊海域水體懸浮泥沙濃度的影響要強(qiáng)于研究區(qū)其他海域，廟島群島南、北兩側(cè)表層沉積物再懸浮供沙作用強(qiáng)于中部；表層沉積物再懸浮量、懸浮泥沙沉降量平面變化規(guī)律與再懸浮通量的平面變化具有較高的一致性。

（3）研究區(qū)懸浮泥沙輸運(yùn)整體以平流輸運(yùn)為主，垂向凈環(huán)流為輔；潮流對(duì)懸浮泥沙的搬運(yùn)以往復(fù)搬運(yùn)為主，落潮流在懸浮泥沙輸運(yùn)中發(fā)揮了更大的作用；懸浮泥沙凈輸運(yùn)方向與余流方向大致相同，凈輸運(yùn)率不大，主要由水道向兩側(cè)淺灘輸沙。

（4）研究區(qū)西部懸浮泥沙經(jīng)廟島海峽南側(cè)輸運(yùn)至黃海，東部懸浮泥沙經(jīng)廟島海峽北側(cè)輸運(yùn)至渤海，二者同時(shí)進(jìn)行，部分懸浮物質(zhì)經(jīng)海峽內(nèi)的小環(huán)流進(jìn)行物質(zhì)間的交換，廟島群島北側(cè)懸浮泥沙為群島內(nèi)懸浮泥沙輸運(yùn)提供了來(lái)源。