于上，謝衛(wèi)明*，何青，王憲業(yè)，趙中豪，郭磊城，徐凡

( 1. 華東師范大學(xué) 河口海岸學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200041)

1 引言

絮凝是泥沙的重要特性，小顆粒泥沙會(huì)團(tuán)聚成為大的絮凝體，進(jìn)而改變沉降速度等特性[1–6]。在河口海岸區(qū)域，超過90%的泥沙都是以絮凝體的形式運(yùn)輸[7]。研究泥沙絮凝特性及影響因素，對(duì)深化認(rèn)識(shí)河口海岸泥沙輸運(yùn)規(guī)律有重要意義。已有諸多研究對(duì)天然水體中的絮凝特性與影響因素進(jìn)行了探討：陳錦山等[8]、程江等[9–10]和唐建華[11]利用LISST 觀測(cè)了長(zhǎng)江口細(xì)顆粒泥沙的絮凝特性，發(fā)現(xiàn)長(zhǎng)江口絮團(tuán)平均粒徑為86.3 μm，受水動(dòng)力影響明顯；Xia 等[12]、鄧智瑞等[13]、林建良等[14]對(duì)珠江口絮凝體特性也進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)珠江口絮團(tuán)粒徑略大于長(zhǎng)江口，絮團(tuán)粒徑受鹽度影響較小但受動(dòng)力影響較大；長(zhǎng)江中下游淡水環(huán)境中也發(fā)現(xiàn)有絮凝現(xiàn)象的存在，淡水絮團(tuán)的粒徑略低于河口絮團(tuán)[15–16]。綜合現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)與室內(nèi)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，影響絮凝的因素包括水體紊動(dòng)剪切強(qiáng)度、懸沙濃度、鹽度、泥沙粒徑、泥沙級(jí)配以及生物作用等[8,13,17–20]。

過往對(duì)絮凝的現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)研究主要集中在河流與河口區(qū)域，對(duì)潮灘區(qū)域絮凝特性的研究相對(duì)較少。但是另一方面，潮灘上存在明顯的絮凝現(xiàn)象，且絮凝對(duì)潮灘泥沙運(yùn)移與沖淤變化有明顯影響[21–23]。因此，研究潮灘區(qū)域泥沙絮凝對(duì)進(jìn)一步揭示河口海岸區(qū)域泥沙運(yùn)動(dòng)規(guī)律有重要意義。近年來，已經(jīng)有一些研究者在美國、荷蘭的潮灘上進(jìn)行了絮凝觀測(cè)研究，但是這些研究普遍集中于中潮（潮差在2～4 m 之間）或強(qiáng)潮河口（潮差大于4 m），鮮見在弱潮河口潮灘進(jìn)行的泥沙絮凝觀測(cè)[21,23–24]。

基于以上背景，本文選取黃河口南部潮灘開展絮凝研究。黃河是著名的高含沙量河流，2019 年黃河口利津站實(shí)測(cè)輸沙量為2.71×108t，大量泥沙在河口輸移沉降。黃河口屬于弱潮河口，潮差在0.7～1.7 m 之間[25]。因此，黃河口區(qū)域適于開展泥沙絮凝研究。通過現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)獲取黃河口絮團(tuán)粒徑、懸沙濃度、波浪、潮流動(dòng)力等數(shù)據(jù)，可以研究弱潮河口波流共同作用下潮灘泥沙的絮凝規(guī)律與控制因素，豐富對(duì)我國河口海岸地區(qū)水沙運(yùn)動(dòng)規(guī)律的認(rèn)識(shí)。

2 數(shù)據(jù)和方法

2.1 研究區(qū)域概況

研究區(qū)域選定在黃河口南部、萊州灣西岸的潮灘上，觀測(cè)點(diǎn)位于墾東大堤外側(cè)，屬于中國山東省東營(yíng)市（圖1a）[26]。該區(qū)域潮灘坡度較小，退潮時(shí)有大片潮間帶露出水面。研究區(qū)域的波浪主要受季風(fēng)控制，全海區(qū)的風(fēng)浪以波浪為主[25]。潮汐類型屬于不正規(guī)混合半日潮，平均高潮位為1.6 m，平均低潮位為0.6 m（理論深度基準(zhǔn)面）。該區(qū)域沉積物來源既包括黃河攜帶的陸相泥沙，也包括漲潮流攜帶的海相泥沙[27–28]。對(duì)采集觀測(cè)架附近表層沉積物于實(shí)驗(yàn)室內(nèi)進(jìn)行粒度測(cè)量，測(cè)得中值粒徑為64.66 μm。

圖1 研究區(qū)域及儀器布置示意圖Fig. 1 Sketch of study area and instrument layout

2.2 觀測(cè)方法與過程

實(shí)施現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)的時(shí)間為2019 年11 月18–23 日。觀測(cè)點(diǎn)位于黃河口南部、萊州灣西岸潮灘上，距墾東大堤垂線距離約2 400 m，經(jīng)緯度坐標(biāo)為37°34′40″N，118°57′01″E。觀測(cè)儀器被固定于觀測(cè)架上，安置儀器前將觀測(cè)架錘入泥灘約1 m 以盡可能減小振動(dòng)，避免對(duì)儀器觀測(cè)產(chǎn)生影響（圖1b）。

觀測(cè)架上儀器布置情況如下：ADV，測(cè)定觀測(cè)期間的水體紊動(dòng)數(shù)據(jù)及灘面高程變化；OBS，測(cè)定濁度與水深數(shù)據(jù)；LISST-200（Laser In Situ Scattering and Transmissometry），采集現(xiàn)場(chǎng)懸浮體粒徑及體積濃度數(shù) 據(jù)；RBRsolo3 D|wave16（示 意 圖 中 簡(jiǎn) 記 為RBR），采集波浪數(shù)據(jù)。以上儀器數(shù)量均為1 臺(tái)。OBS、RBRsolo3 D|wave16 及LISST-200 探 頭 距 床 面 高 程 均為5 cm；ADV 探頭距床面高程為15 cm，該儀器的水動(dòng)力采樣點(diǎn)被設(shè)置為探頭下方10 cm，即測(cè)量距床面高程為5 cm 處的水體紊動(dòng)數(shù)據(jù)。4 臺(tái)儀器時(shí)間同步，采樣間隔均為5 min。各儀器探頭位置接近，可以認(rèn)為反映同一點(diǎn)的水沙特征。

安置及回收儀器時(shí)，均同步采集了觀測(cè)站附近的表層沉積物，用于分析床沙粒徑組成及對(duì)OBS 進(jìn)行標(biāo)定。研究時(shí)間內(nèi)風(fēng)速、風(fēng)向收集自山東東營(yíng)墾利氣象站（37°34.8′N ，118°33′E）實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)。

2.3 數(shù)據(jù)處理與計(jì)算方法

2.3.1 懸沙濃度

觀測(cè)期間的懸沙濃度（SSC）根據(jù)OBS 測(cè)定的濁度（NTU）數(shù)據(jù)反演后獲得。在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)使用現(xiàn)場(chǎng)獲取的表層沉積物配置不同濃度的懸沙濁液并測(cè)定對(duì)應(yīng)的濁度，獲得濁度與含沙量間的相關(guān)關(guān)系[29]。標(biāo)定結(jié)果顯示懸沙濃度與濁度間關(guān)系可以用關(guān)系式SSC=0.006 9 NTU–0.240 8 表 示， 相 關(guān) 系 數(shù) 的 平 方R2=0.89（數(shù)據(jù)點(diǎn)數(shù)量N=13）表示。

2.3.2 表層沉積物粒度

安置及回收儀器時(shí)各采集觀測(cè)站附近的表層沉積物樣品2 份，在實(shí)驗(yàn)室中每份樣品測(cè)驗(yàn)2 次，共測(cè)驗(yàn)8 次。測(cè)驗(yàn)時(shí)隨機(jī)從樣品袋中取出5 g 左右泥沙，加入分散劑六偏磷酸鈉之后超聲波震蕩30 min，使絮團(tuán)充分破碎之后，使用Coulter LS-100Q 激光粒度儀測(cè)定[30–31]。計(jì)算8 次測(cè)驗(yàn)所得的中值粒徑平均值，作為觀測(cè)站處表層沉積物中值粒徑，計(jì)算結(jié)果為64.66 μm。

2.3.3體積濃度及中值粒徑

本研究使用美國Sequoia 公司的現(xiàn)場(chǎng)激光粒度儀LISST-200來觀測(cè)天然水體中的絮團(tuán)。射入水中的激光束會(huì)被懸浮顆粒所散射，顆粒物粒徑不同，對(duì)激光的散射角度也不同。大顆粒以小角度散射、小顆粒以大角度散射[1]。LISST-200 將向前散射的角度分為36 級(jí)，分別對(duì)應(yīng)1～500 μm 之間的36 個(gè)粒級(jí)。運(yùn)用Mie 散射理論，可以反推得到36 個(gè)粒級(jí)的懸浮體的體積濃度，并計(jì)算得到懸浮體中值粒徑[1,9]。綜合前人研究發(fā)現(xiàn)，潮灘環(huán)境中約80%的泥沙以絮團(tuán)的形式輸運(yùn)[1,9]。綜合郭超和何青[16]利用LISST-100 在荷蘭Scheldt 河口Kapellebank 潮灘、鄧智瑞等[13]在珠江口磨刀門海域、程江等[10]在長(zhǎng)江口海域、Guo 和He[15]在長(zhǎng)江流域的觀測(cè)實(shí)踐方法，以上在不同水體環(huán)境中開展的絮凝研究將LISST 觀測(cè)到的懸浮體視為絮團(tuán)。因此在本研究中，也將LISST-200 的觀測(cè)數(shù)據(jù)整體上視為絮團(tuán)進(jìn)行處理。

2.3.4有效密度

有效密度是反映絮團(tuán)結(jié)構(gòu)的重要參數(shù)，且對(duì)沉降速度有明顯影響[4,17]。本研究采用Fettweis 方法計(jì)算有效密度[3]，公式為

式中，ρw與ρs分別為水與組成絮團(tuán)的分散態(tài)泥沙顆粒密度（單位：kg/m3），分別取為1 030 kg/m3與2 650 kg/m3；SSC 為懸沙濃度（單位：kg/m3）；TVC 為顆?？傮w積濃度，即36 個(gè)粒級(jí)組的絮團(tuán)體積濃度之和（單位：μL/L）。

2.3.5沉速

沉速可以認(rèn)為是絮團(tuán)重力W與下沉過程中受到的阻力F達(dá)到平衡時(shí)等速沉降的值，采用Stokes 公式計(jì)算[5]：

式中，Dm為絮團(tuán)平均粒徑（單位：μm）；μ為水的動(dòng)力黏滯系數(shù)，根據(jù)水溫選取相應(yīng)的值（單位：Pa·s）；g為重力加速度，取為9.8 m/s2。

2.3.6紊動(dòng)剪切率

在泥沙絮凝研究中，通常使用紊動(dòng)剪切率G（s-1）來描述水體的紊動(dòng)強(qiáng)度，其計(jì)算方法為[17,32]

式中，u*為摩阻流速（單位：m/s-1）；z和H分別為距離床面高程與水深（單位：m）；ν為水體運(yùn)動(dòng)黏度，根據(jù)水溫選取相應(yīng)的值（單位：m2/s）；κ為卡門常數(shù)，取為0.4。水流與波浪共同引起的床面切應(yīng)力τcw（單位：N/m2）為[21,33]

式中，τc為水流引起的切應(yīng)力，使用改進(jìn)的湍流動(dòng)能法（Turbulent Kinetic Energy，TKE）計(jì)算[34]：

τw為風(fēng)浪引起的底部剪切力，計(jì)算方法為[35–36]

式中Aδ為波質(zhì)點(diǎn)軌道流速（單位：m/s）；Hs為有效波高；k為波數(shù)；Ts為波浪有效周期（單位：s）；L為波長(zhǎng)（單位：m）；fw為波浪摩擦系數(shù)；Rew與r分別為波浪雷諾數(shù)（無量綱）與相對(duì)糙率（無量綱），分別由下式求得[35–36]：

式中，ks為床面粗糙高度，取2.5d，d為潮灘表層沉積物中值粒徑。根據(jù)實(shí)驗(yàn)室測(cè)驗(yàn)結(jié)果，觀測(cè)期間天氣較為平靜，潮灘表層沉積物粒度沒有明顯變化。d取觀測(cè)前、后的表層沉積物中值粒徑平均值，為64.66 μm。根據(jù)式（4）至式（13）計(jì)算得到床面剪切力τcw之后，可由式（14）求得摩阻流速，并代入式（3）得到紊動(dòng)剪切率[5]。

2.3.7臨界侵蝕切應(yīng)力及臨界沉降剪切應(yīng)力

根據(jù)前人在黃河口潮灘的研究，李華國等[37]提出的模型能夠較好地預(yù)測(cè)潮灘表面沉積物的臨界剪切應(yīng)力：

式中，c為黏結(jié)力系數(shù)，取2.9×10-5kg/m；γd、γdc分別為表層沉積物的干容重及穩(wěn)定干容重（單位：kg/m3）；其余符號(hào)含義同前[37]。γd的值通過“環(huán)刀法”采樣之后在實(shí)驗(yàn)室中測(cè)量，為1 490 kg/m3；穩(wěn)定干容重γdc指經(jīng)過長(zhǎng)期的一般壓密后的沉積物干容重，根據(jù)張耀哲和王敬昌[38]提出的經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算為

式中，γs為泥沙顆粒干容重（單位：kg/m3），取2 650 kg/m3；其余符號(hào)含義同前。計(jì)算得γdc的值為1 373.85 kg/m3，計(jì)算結(jié)果接近前人的實(shí)測(cè)值，結(jié)果可信[38–39]。根據(jù)式（15）、式（16），計(jì)算得觀測(cè)架附近表層沉積物臨界侵蝕切應(yīng)力τe為0.086 N/m2。

實(shí)驗(yàn)室分析結(jié)果顯示，研究區(qū)表層沉積物成分為黏土（8.13%）、粉砂（46.95%）和砂（44.92%）。根據(jù)Lumborg[40]實(shí)驗(yàn)結(jié)果，研究區(qū)表層沉積物懸沙臨界沉降剪切應(yīng)力τd取0.05 N/m2。也有研究表明，τd約為臨界侵蝕切應(yīng)力τe的0.5 倍[41]。兩種方法得到的值接近，證明結(jié)果可信。

2.3.8相關(guān)性檢驗(yàn)

本文選用適用性較強(qiáng)的Spearman 秩相關(guān)系數(shù)ρ來檢測(cè)水文變量之間的相關(guān)關(guān)系，這里的“秩”指的是順序或者排序。所以，計(jì)算時(shí)先對(duì)由n個(gè)樣本組成的時(shí)間序列x1，x2，…，xn，和由n個(gè)樣本組成的時(shí)間序列y1，y2，…，yn進(jìn)行排序（同時(shí)為升序或者降序），得到排序后的集合X和Y，Xi、Yi分別是xi、yi在X、Y中的排行，i=1，2，3…，n，則ρ的計(jì)算公式為

計(jì)算所得的相關(guān)系數(shù)ρ值，一般取小數(shù)點(diǎn)后兩位來表示，取值范圍在–1.00～1.00 之間，負(fù)數(shù)表示負(fù)相關(guān)，正數(shù)表示正相關(guān)。ρ值對(duì)應(yīng)的兩變量之間的相關(guān)程度為：

ρ= ±0～±0.30 時(shí)，不相關(guān)；

ρ= ±0.30～±0.50 時(shí)，微相關(guān)；

ρ= ±0.50～±0.80 時(shí)，顯著相關(guān)；

ρ= ±0.80～±1.00 時(shí)，高度相關(guān)。

3 水沙動(dòng)力特性與變化過程

3.1 潮流變化過程

研究區(qū)域潮型為不正規(guī)混合半日潮，只有高潮情況下才會(huì)淹沒觀測(cè)架，觀測(cè)時(shí)段內(nèi)觀測(cè)架一共被淹沒4 次，漲落潮歷時(shí)大致相等。11 月19–22 日，分別記作T1–T4，最大水深分別為0.19 m、0.62 m、0.53 m與0.72 m（圖2a）。T2–T4 潮位接近，且均顯著大于T1。觀測(cè)期間的潮流呈現(xiàn)明顯的旋轉(zhuǎn)流特性。漲潮階段由約N100°順時(shí)針旋轉(zhuǎn)至約N50°，落潮階段由約N50°順時(shí)針旋轉(zhuǎn)至約N200°（圖2b）。

研究區(qū)域流速存在兩種不同的隨時(shí)間變化模式。T1、T2 流速呈現(xiàn)“單峰型”，潮周期內(nèi)只出現(xiàn)一次流速極值，漲潮平均流速約為落潮平均流速的4 倍，最大流速出現(xiàn)在漲潮中期，分別為0.52 m/s 與0.46 m/s。T3、T4 流速呈現(xiàn)“雙峰型”，漲潮、落潮各出現(xiàn)一次流速極值，漲落潮平均流速接近，漲落潮中期均存在明顯的流速峰值。T3 漲潮最大流速為0.49 m/s，落潮最大流速為0.50 m/s；T4 漲潮最大流速為0.60 m/s，落潮最大流速為0.53 m/s（圖2c）。

3.2 風(fēng)浪變化過程

T1 期間波浪動(dòng)力較弱，有效波高Hs低于0.05 m。T2–T4 期間波浪動(dòng)力較強(qiáng)，有效波高Hs最大值分別為0.24 m、0.21 m 及0.27 m。T2–T4 期間，漲落潮初期流速、流向波動(dòng)較大，這是因?yàn)椴ɡ藙?dòng)力較強(qiáng)，在水深較淺的情況下，波浪對(duì)流速流向的影響較顯著（圖2d）。T1 期間有效波浪周期Ts在1.24～3.21 s 之間，平均為2.32 s。T2–T4 期間有效波浪周期Ts在1.16～2.11 s 之間，平均為1.68 s，高于T1 期間。

T1 期間平均風(fēng)速為1.33 m/s，最低為0.5 m/s，最高為2.1 m/s，風(fēng)向由向岸（328°）轉(zhuǎn)變?yōu)殡x岸（73°）。T2–T4 期間平均風(fēng)速為2.67 m/s，最高為4.60 m/s，最低為0.10 m/s，風(fēng)向?yàn)殡x岸風(fēng)，平均風(fēng)向?yàn)?53.94°（圖2e）。

圖2 觀測(cè)期間水動(dòng)力、波浪與風(fēng)速隨時(shí)間變化序列Fig. 2 Time series of hydrodynamic force, wave and wind during the observation period

3.3 床面剪切力及紊動(dòng)剪切率變化過程

T1 期間，波流共同引起的床面剪切力（τcw）平均為0.09 N/m2，τcw最大達(dá)到0.34 N/m2，中潮期間τcw平均為0.23 N/m2，最大可以達(dá)到0.99 N/m2。T1 期間潮流引起的床面切應(yīng)力τc平均為0.05 N/m2，最大達(dá)到0.21 N/m2；T2–T4 期間τc平均為0.14 N/m2，最大達(dá)到0.68 N/m2。觀測(cè)期的4 d 中，總床面剪切力τcw與潮流引起的床面剪切力τc的變化趨勢(shì)接近，峰值都出現(xiàn)在落潮中期（圖3a）。

黃河口為弱潮河口，研究區(qū)屬于開敞性海岸，波浪沒有遮蔽，波浪引起的床面剪切力τw較高[42]。T1 期間τw在0.90～1.19 N/m2之間，平均為0.98 N/m2；T2–T4 期間τw在0.99～1.30 N/m2之間，平均為1.11 N/m2，T2–T4 期間τw高于T1。波浪引起的床面剪切力變化圖線呈“U”形，漲潮初期與落潮后期τw較高，水深較大時(shí)的τw反而較小。說明水深較淺時(shí)，波浪對(duì)床面切應(yīng)力的影響會(huì)明顯增加（圖3a）。

紊動(dòng)剪切率G的變化規(guī)律與床面切應(yīng)力大致相同，在落潮中期出現(xiàn)峰值。T1 期間紊動(dòng)剪切率在1.88～9.63 s-1之間，平均為3.33 s-1；T2–T4 期間紊動(dòng)剪切率在2.51～28.48 s-1之間，平均為9.00 s-1，T2–T4期間水體紊動(dòng)剪切率大于T1（圖3b）。

3.4 懸沙濃度變化過程

研究區(qū)域水體懸沙濃度較低，T1 期間水體平均懸沙濃度為0.08 kg/m3，最大可以達(dá)到0.26 kg/m3。T2–T4 期間，落潮中后期水體懸沙濃度會(huì)明顯增加，出現(xiàn)一個(gè)明顯的懸沙濃度峰。T3–T4 期間水體平均懸沙濃度為0.10 kg/m3，最大可以達(dá)到0.40 kg/m3。懸沙濃度峰出現(xiàn)的時(shí)間與床面切應(yīng)力峰值出現(xiàn)的時(shí)間接近，且出現(xiàn)懸沙濃度峰時(shí)，床面切應(yīng)力顯著高于臨界剪切應(yīng)力τe（0.086 N/m2），說明這一懸沙濃度峰的出現(xiàn)源于泥沙再懸?。▓D3c）。

圖3 觀測(cè)期間床面切應(yīng)力與懸沙濃度（SSC）隨時(shí)間變化序列Fig. 3 Time series of bed shear stress, bottom turbulent shear rate and suspended sediment concentration (SSC) during the observation period

T2 期間水體懸沙濃度顯著高于T3 和T4，水體平均懸沙濃度為0.38 kg/m3，最大可以達(dá)到0.62 kg/m3。T2 期間，懸沙濃度隨漲潮不斷增加，在最高潮位前后保持峰值，后隨水深降低而不斷減小，在落潮中后期出現(xiàn)第2 個(gè)懸沙濃度峰。T2 期間兩個(gè)懸沙濃度峰值出現(xiàn)的時(shí)間與床面切應(yīng)力峰值出現(xiàn)的時(shí)間不一致，懸沙濃度變化過程與床面切應(yīng)力變化過程不同步。但是T2 期間懸沙濃度增加的階段，與流速峰值出現(xiàn)的時(shí)間基本吻合。推測(cè)T2 期間的懸沙濃度峰值并不是來源于泥沙再懸浮?？赡苁怯捎跐q潮水流從附近攜帶大量泥沙，并在高水位期間沉降造成的[43]（圖3c）。

觀測(cè)中發(fā)現(xiàn)，研究區(qū)潮灘存在大量的“泥丸”型結(jié)構(gòu)，即大型的泥沙聚集體（圖4）。這種聚集體呈球狀，可以隨潮汐運(yùn)動(dòng)在灘面遷移滾動(dòng)，但又容易破壞，一旦分散會(huì)導(dǎo)致所在局部懸沙濃度大幅上升。T2 期間出現(xiàn)懸沙濃度峰值，可能是發(fā)生了“泥丸”的遷移與分散。

圖4 研究區(qū)域的“泥丸”型泥沙聚合體Fig. 4 The “pill-like” sediment aggregates in the study area

4 絮凝特性與變化

4.1 絮團(tuán)粒徑

T1 期間絮團(tuán)粒徑先增大后減小，在最高潮位階段達(dá)到最大，為264.44 μm。T2–T4 期間絮團(tuán)粒徑呈現(xiàn)緩慢遞減趨勢(shì)，中潮超過60%的時(shí)間內(nèi)，絮團(tuán)中值粒徑都低于100 μm。但是在T2–T4 每個(gè)落潮的中后期絮團(tuán)中值粒徑會(huì)出現(xiàn)一個(gè)峰值，最大可達(dá)到203.83 μm。小潮期間絮團(tuán)平均粒徑為123.90 μm，大于中潮期間的91.81 μm（圖5a）。

4.2 絮團(tuán)體積濃度

T1 期間絮團(tuán)總體積濃度平均為221.05 μL/L，最大為810.22 μL/L；T2–T4 期間絮團(tuán)總體積濃度平均為390.77 μL/L，最大為1 100.29 μL/L。在T1 最高潮位及T2、T3 的落潮中期，絮團(tuán)總體積濃度均出現(xiàn)一個(gè)峰值（圖5b）。

圖5 觀測(cè)期間絮團(tuán)粒徑、體積濃度、有效密度與沉速隨時(shí)間變化序列Fig. 5 Time series of floc size, volume concentration, effective density and settling velocity during the observation period

4.3 絮團(tuán)有效密度與沉速

T1 期間黃河口潮灘絮團(tuán)有效密度在56.55～452.44 kg/m3之間，平均為257.03 kg/m3。T2–T4 期間絮團(tuán)有效密度逐日遞減，T2 期間平均有效密度為427.77 kg/m3，T3 期 間 絮 團(tuán) 平 均 密 度 為319.38 kg/m3，T4 期間平均有效密度為166.32 kg/m3（圖5c）。T1 期間，絮團(tuán)沉速在0.99～1.86 mm/s 之間，平均為1.41 mm/s。T2–T4 期間，絮團(tuán)沉速在0.17～4.07 mm/s之間，平均為0.94 mm/s?？傮w來看，中潮期T2–T4 期間絮團(tuán)的沉速大于小潮期T1（圖5d）。

5 分析與討論

5.1 絮團(tuán)粒徑變化的影響因素

從泥沙運(yùn)動(dòng)學(xué)的角度，天然水體中的絮凝主要受到懸浮泥沙粒徑、水動(dòng)力環(huán)境、懸沙濃度的控制[17]。本研究期間受交通與天氣條件限制，未采集懸沙樣品，無法分析懸浮泥沙粒徑對(duì)絮凝的影響，但可分析水動(dòng)力與懸沙濃度與絮凝的相關(guān)性。采用相關(guān)性分析方法，分別計(jì)算各個(gè)潮周期內(nèi)水體紊動(dòng)剪切、流速及懸沙濃度與絮團(tuán)粒徑之間的Spearman 系數(shù)，計(jì)算結(jié)果及對(duì)應(yīng)的相關(guān)性如表1。絮團(tuán)粒徑與流速的關(guān)系主要為不相關(guān)，與懸沙濃度及底部紊動(dòng)剪切率則存在著較明顯的相關(guān)關(guān)系，說明黃河口潮灘絮團(tuán)粒徑主要受到底部紊動(dòng)剪切率與懸沙濃度的影響，與流速關(guān)系不大。

表1 各個(gè)潮周期絮團(tuán)粒徑與紊動(dòng)剪切率、懸沙濃度及流速的Spearman 系數(shù)Table 1 Spearman correlation coefficient of floc particle size and bottom turbulent shear rate, suspended sediment concentration and flow velocity

5.2 水體紊動(dòng)剪切促進(jìn)絮凝的上限

研究發(fā)現(xiàn)，不同潮周期中，黃河口潮灘絮團(tuán)粒徑與紊動(dòng)剪切率的關(guān)系不盡相同。T1 期間，絮團(tuán)粒徑與紊動(dòng)剪切率變化趨勢(shì)基本一致，粒徑隨紊動(dòng)剪切率增大而增大，紊動(dòng)剪切率減小時(shí)粒徑也隨之減小。但是T2–T4 各個(gè)潮周期內(nèi)，水體紊動(dòng)剪切率與絮團(tuán)粒徑呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)趨勢(shì)，紊動(dòng)強(qiáng)度較大時(shí)對(duì)應(yīng)粒徑較小。

在影響絮凝的外部因素中，水體紊動(dòng)是最重要的因素之一，水體紊動(dòng)強(qiáng)度的增大可以增加顆粒的碰撞頻率，促進(jìn)顆粒聚合；但當(dāng)紊動(dòng)強(qiáng)度增大到一定程度時(shí)，反而會(huì)增加絮團(tuán)破碎頻率抑制絮凝[2,44]。T1 期間為小潮，水動(dòng)力較弱，底部紊動(dòng)剪切率平均僅為3.33 s–1。T2–T4 期間底部紊動(dòng)剪切率較高，平均為9.00 s–1，最高可達(dá)到28.48 s–1。在T1 期間紊動(dòng)剪切較弱的情況下，水體紊動(dòng)增加對(duì)絮凝起促進(jìn)作用；T2–T4 期間紊動(dòng)強(qiáng)度較高，水體紊動(dòng)增加抑制絮凝。

為了進(jìn)一步探究黃河口潮灘水體紊動(dòng)影響絮凝的上限，首先對(duì)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行等距分箱以體現(xiàn)規(guī)律性，分箱間距為4[22–23]。發(fā)現(xiàn)絮團(tuán)粒徑隨紊動(dòng)強(qiáng)度增加先增后減。選擇不同的臨界紊動(dòng)剪切率值（Gl），將觀測(cè)結(jié)果分為“絮團(tuán)粒徑隨紊動(dòng)強(qiáng)度增加而增大”與“絮團(tuán)粒徑隨紊動(dòng)強(qiáng)度增加而減小”階段，并對(duì)兩個(gè)階段分別使用冪函數(shù)擬合（圖6）。

圖6 絮團(tuán)粒徑與底部紊動(dòng)剪切率關(guān)系Fig. 6 Variation of floc size with bottom turbulent shear rate

結(jié)果發(fā)現(xiàn)，當(dāng)Gl=3.76 s-1時(shí)，取得的擬合結(jié)果最為理想（表2）。T1 期間，水體紊動(dòng)剪切率低于3.76 s-1，T2–T4 期間則高于這一值，統(tǒng)計(jì)分析得到的結(jié)果與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)能夠相互驗(yàn)證。因此可以認(rèn)為，黃河口當(dāng)?shù)厮w紊動(dòng)促進(jìn)絮凝的上限為Gl=3.76 s-1，水體紊動(dòng)強(qiáng)度低于這一數(shù)值時(shí)水體紊動(dòng)促進(jìn)絮凝，高于這一數(shù)值時(shí)水體紊動(dòng)破壞絮凝。

表2 不同Gl 對(duì)應(yīng)擬合結(jié)果對(duì)比Table 2 Fitting results of different Gl

5.3 懸沙濃度對(duì)絮凝影響

懸沙濃度對(duì)絮凝的影響尚未有確切定論，一些實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，懸沙濃度增加增大了顆粒碰撞概率，對(duì)絮凝起促進(jìn)作用[2,20,45]；但也有研究認(rèn)為，懸沙濃度增加導(dǎo)致絮團(tuán)碰撞更頻繁，造成絮團(tuán)破壞[17,20,45–46]。參考郭超[17]的研究方法，對(duì)黃河口潮灘絮團(tuán)粒徑與懸沙濃度之間的關(guān)系整體采用冪函數(shù)擬合，發(fā)現(xiàn)二者呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)為R2=0.778 8。說明在黃河口潮灘，懸沙濃度增加對(duì)絮凝起抑制作用（圖7）。

圖7 絮團(tuán)粒徑與懸沙濃度（SSC）關(guān)系Fig. 7 Variation of floc size with suspended sediment concentration

在5.1 節(jié)的討論中，發(fā)現(xiàn)T2–T4 期間懸沙濃度與絮團(tuán)粒徑呈負(fù)相關(guān)，但是T1 期間懸沙濃度與絮團(tuán)粒徑?jīng)]有明顯相關(guān)性。這是因?yàn)樾跄瑫r(shí)受到懸沙濃度與水動(dòng)力共同控制，T1 期間水體紊動(dòng)強(qiáng)度先增后減，懸沙含量則緩慢降低。絮團(tuán)粒徑的變化趨勢(shì)與水體紊動(dòng)強(qiáng)度類似，也是先增后減。這說明相比于懸沙含量變化造成的影響，水體紊動(dòng)剪切對(duì)絮凝的影響更大。懸沙含量降低對(duì)絮凝的促進(jìn)作用，不足以抵償水體紊動(dòng)強(qiáng)度變化對(duì)絮凝的影響，水體紊動(dòng)剪切才是絮團(tuán)粒徑變化的主導(dǎo)因素。因此在T1 期間，絮團(tuán)粒徑與水體紊動(dòng)剪切強(qiáng)度顯著相關(guān)，但是與懸沙濃度幾乎沒有相關(guān)性。

5.4 絮團(tuán)有效密度與沉速變化規(guī)律

黃河口潮灘絮團(tuán)粒徑與有效密度呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，粒徑更大的絮團(tuán)對(duì)應(yīng)的有效密度更小。過往研究中，通常使用 Δp=·Dam的關(guān)系來描述絮團(tuán)粒徑與有效密度的關(guān)系，a值在–0.46（Sternberg 等[6]在美國加利福尼亞海域測(cè)得）到–1.58（Xia 等[12]在中國珠江口測(cè)得）之間[5,10,19]。郭超[17]、Guo 等[21]在荷蘭Kapellebank 潮灘常態(tài)天氣下測(cè)得a=–0.53，風(fēng)暴天氣下測(cè)得a=–1.28。

分別對(duì)黃河口潮灘小潮（T1）與中潮（T2–T4）期間的絮凝特性進(jìn)行研究，計(jì)算得小潮期間a=–1.52，中潮期間a=–0.79，屬于上述文獻(xiàn)中所列的取值范圍（圖8）。無論在何種動(dòng)力條件下，有效密度都與絮團(tuán)粒徑成反比，粒徑越大的絮團(tuán)對(duì)應(yīng)的有效密度越低。在水體紊動(dòng)剪切促進(jìn)絮凝的情況下，泥沙聚合體在由小變大的過程中，先由易絮凝的細(xì)顆粒泥沙發(fā)生絮凝，而后捕獲粒度相對(duì)更大的泥沙，形成的絮凝體越高階，其孔隙率越大，有效密度越低[10]。在水體紊動(dòng)剪切抑制絮凝的情況下，結(jié)構(gòu)疏松、有效密度低的大絮團(tuán)更容易受到紊動(dòng)影響破碎，形成粒徑更小但是有效密度更高的小泥沙聚合體[10,17,19]。

圖8 絮團(tuán)粒徑與有效密度關(guān)系Fig. 8 Variation of floc size with effective density

由于絮凝受到泥沙特性、當(dāng)?shù)厣锘瘜W(xué)特性等多方面影響，a值與水動(dòng)力強(qiáng)弱的關(guān)系目前尚無定論。Guo 等[21]在荷蘭Kapellebank 潮灘的研究中，水動(dòng)力較強(qiáng)的風(fēng)暴天氣下計(jì)算得的a值低于水動(dòng)力相對(duì)弱的常態(tài)天氣；但是本研究與其他觀測(cè)結(jié)果中，也發(fā)現(xiàn)了相反的結(jié)論[9,16]。本研究在黃河口觀測(cè)的結(jié)果顯示，小潮期間a值低于中潮；程江等[9]在長(zhǎng)江口徐六涇的觀測(cè)結(jié)果也類似，小潮期間的a值（–0.646）低于大潮期間（–0.368）。

根據(jù)式（2），絮團(tuán)的沉速與絮團(tuán)粒徑及有效密度有關(guān)。過往研究發(fā)現(xiàn)，沉速與粒徑之間的關(guān)系與“有效密度-粒徑”關(guān)系類似，可以用 ωs=c·Ddm的形式來表示。c取值在0.290～1.632 之間；d取值在0.000 022 8～0.008 20 之 間[5–6,10,12]。黃 河 口 潮 灘 絮 團(tuán)沉速與粒徑之間相關(guān)性較好，沉速與粒徑間關(guān)系可以用ωs=0.0028·D1m.2679表示，屬于過往文獻(xiàn)中所列取值范圍（圖9）。但是對(duì)有效密度與沉速關(guān)系進(jìn)行分析時(shí)發(fā)現(xiàn)，二者之間不存在明顯相關(guān)性。說明黃河口潮灘絮團(tuán)沉速主要受到絮團(tuán)粒徑的影響，與有效密度的關(guān)系不明顯。

圖9 絮團(tuán)粒徑與沉速關(guān)系Fig. 9 Variation of floc size with settling velocity

6 結(jié)論

本文通過研究黃河口南部潮灘絮團(tuán)特征的變化，得到如下幾點(diǎn)認(rèn)識(shí)：

（1）黃河口潮灘絮團(tuán)粒徑在25.42～264.44 μm 之間，平均為95.20 μm。小潮潮周期T1 期間絮團(tuán)總體積濃度平均為221.05 μL/L，平均有效密度為257.03 kg/m3，平均沉速為1.41 mm/s；中潮潮周期T2–T4期間絮團(tuán)總體積濃度平均為390.77μL/L，平均有效密度為304.49 kg/m3，平均沉速為0.94 mm/s。

（2）水體紊動(dòng)較低時(shí)對(duì)黃河口潮灘絮凝起促進(jìn)作用，較高時(shí)則抑制絮凝。隨紊動(dòng)強(qiáng)度增加，黃河口潮灘絮團(tuán)粒徑先增后減。分析得底部紊動(dòng)剪切率促進(jìn)絮凝的上限值為Gl=3.76 s-1。

（3）懸沙濃度增加對(duì)黃河口潮灘泥沙絮凝起抑制作用，但是懸沙濃度變化對(duì)絮凝的影響低于水體紊動(dòng)剪切變化對(duì)絮凝的影響。

（4）黃河口潮灘絮團(tuán)有效密度與粒徑呈現(xiàn)Δp=b·Dam的關(guān)系。T1 潮周期a值為–1.52，T2–T4 潮周期a值為–0.79。

（5）黃河口潮灘絮團(tuán)沉速主要受到泥沙粒徑影響。絮團(tuán)沉速與粒徑之間相關(guān)性較好，但與有效密度之間不存在明顯相關(guān)關(guān)系。

致謝：本文野外觀測(cè)工作得到水利部黃河水利委員會(huì)黃河水利科學(xué)研究院黃河河口研究所、山東黃河三角洲國家級(jí)自然保護(hù)區(qū)等單位的大力支持，在此表示誠摯的感謝！