畢云天,胡日軍,2,陳娟娟,李毅,伊兆晗,陳曉磁,朱龍海,2,尹硯軍,劉波
1. 中國(guó)海洋大學(xué)海洋地球科學(xué)學(xué)院,青島 266100
2. 中國(guó)海洋大學(xué)海底科學(xué)與探測(cè)技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,青島 266100
3. 華能霞浦核電有限公司,寧德 352100
粒度是懸浮泥沙研究的重要參數(shù),它與泥沙搬運(yùn)、沉積等過(guò)程關(guān)系密切[1-2]。懸沙粒度特征一直是海岸、河口地區(qū)沉積動(dòng)力研究的重要內(nèi)容之一,研究者們主要關(guān)注懸沙粒徑及組分特征[3-4]、懸沙粒度與懸沙鋒[5]、懸沙粒度與濃度的關(guān)系[6]、懸沙粒度與再懸浮[7-9]、懸沙絮凝體粒徑及絮凝沉速等[10-13],認(rèn)為懸沙粒度變化與泥沙來(lái)源、底質(zhì)再懸浮及水動(dòng)力環(huán)境關(guān)系密切,含沙量和絮凝作用也會(huì)對(duì)懸沙粒度產(chǎn)生影響。研究懸沙粒度的變化對(duì)于分析泥沙再懸浮和沉降作用[14]、追溯沉積物的來(lái)源及其形成過(guò)程[15-16],理解生物地球化學(xué)循環(huán)具有重要意義[17-18],同時(shí)懸沙粒徑還是影響絮凝沉降的重要因子[19]。因此,了解懸沙粒度及其變化是進(jìn)一步研究泥沙再懸浮、沉降和輸運(yùn)規(guī)律的基礎(chǔ)。
東海屬寬廣陸架海,地勢(shì)平坦,岸線蜿蜒曲折,沿岸發(fā)育有長(zhǎng)江及眾多中小型河流[],為東海提供了豐富的陸源沉積物質(zhì)供應(yīng)[20]。東海陸架沉積物在復(fù)雜動(dòng)力因素(沿岸流、臺(tái)灣暖流和潮流等)的作用下不斷分異,形成了東海內(nèi)陸架泥質(zhì)沉積區(qū)[21],主要分布在60 m 等深線以淺的浙閩沿岸海域[22-23]。受地形地貌、水動(dòng)力條件、物質(zhì)來(lái)源等因素的影響,在浙閩沿岸地區(qū)發(fā)育了一系列淤泥質(zhì)海灣,這些淤泥質(zhì)海灣由于其獨(dú)特的沉積動(dòng)力環(huán)境吸引了眾多學(xué)者的關(guān)注[24-28]。
福寧灣屬浙閩沿岸典型的淤泥質(zhì)海灣,沉積物顆粒較細(xì)[29]。受長(zhǎng)江及浙閩沿岸眾多中小型河流的物源影響,泥沙來(lái)源復(fù)雜;岸線曲折,岬角突出,島嶼眾多,近岸地形多變;近年來(lái)海灣開(kāi)發(fā)活動(dòng)日益加劇,人類(lèi)活動(dòng)影響頻繁,沉積動(dòng)力環(huán)境復(fù)雜。此前對(duì)于福寧灣海域沉積動(dòng)力環(huán)境的研究主要集中在潮流場(chǎng)與沖淤特征、表層沉積物粒度組成與分布、懸浮泥沙輸運(yùn)特征等方面[30-32],對(duì)于懸沙粒度的研究涉及的內(nèi)容較少。本文基于2019 年12 月(冬季)和2020 年6 月(夏季)在閩北福寧灣及附近海域獲得的水文泥沙實(shí)測(cè)數(shù)據(jù),從不同時(shí)間尺度分析懸沙粒度特征,探討影響懸沙粒度季節(jié)差異的主要因素以及懸沙粒度與濃度的關(guān)系,以加深對(duì)浙閩淤泥質(zhì)海灣沉積動(dòng)力環(huán)境的理解。
研究區(qū)(26°36'~26°57'N、120°05'~120°31'E)位于福建東北部福寧灣附近海域(圖1),灣內(nèi)水深不足12 m,灣外水深最大不超過(guò)30 m[32]。沉積物類(lèi)型主要為粉砂和黏土質(zhì)粉砂,中值粒徑大于6.5 Ф。潮汐類(lèi)型為規(guī)則半日潮,以M2分潮為主,平均潮差大于4 m[33]。灣內(nèi)潮流往復(fù)性明顯,漲潮流向多為NWW 向,落潮流向多為SEE 向,由灣內(nèi)向?yàn)惩獬绷鞯男D(zhuǎn)性逐漸加強(qiáng)[31]。研究區(qū)附近無(wú)大型河流注入,僅發(fā)育有羅漢溪、長(zhǎng)溪三河等源短流小的山溪性小河。研究區(qū)季風(fēng)特征明顯,冬季盛行強(qiáng)而穩(wěn)定的偏北風(fēng),夏季則以偏南風(fēng)為主,受季風(fēng)的影響,冬季波高明顯大于夏季[34]。低溫低鹽的閩浙沿岸流主要分布在長(zhǎng)江口以南的浙閩沿岸,在冬季偏北風(fēng)期間為一支較強(qiáng)的南向流;夏季偏南風(fēng)期間,閩浙沿岸流流速很小,甚至消失[35]。高溫高鹽的臺(tái)灣暖流在閩浙沿岸流的東側(cè)海域終年向北流動(dòng),位置穩(wěn)定,年際變化不大[36]。
圖1 研究區(qū)附近流系(a)及調(diào)查站位分布(b)附近流系改自文獻(xiàn)[37],MZCC:閩浙沿岸流,TWC:臺(tái)灣暖流。Fig.1 Distributions of current systems and stations in the study areaNearby current systems are modified from the reference [37], MZCC: Min-Zhe Coastal Current, TWC: Taiwan Warm Current.
浙江省水利河口研究院在閩北福寧灣及附近海域布設(shè)了8 個(gè)同步觀測(cè)站(圖1),分別在冬、夏季大小潮共進(jìn)行了4 次連續(xù)26 h 的水文泥沙觀測(cè)(表1),4 次觀測(cè)站位均相同。觀測(cè)內(nèi)容包括水深、海流(流速、流向)、含沙量、溫度、鹽度、懸沙和底質(zhì)粒度、海面基本氣象參數(shù)(氣溫、海況、風(fēng)速風(fēng)向)。
表1 各測(cè)次觀測(cè)時(shí)間統(tǒng)計(jì)Table 1 Time statistics of four observations
水深和海流的觀測(cè)使用美國(guó)RDI 公司的剖面流速儀ADCP,觀測(cè)間隔為30 min,盲區(qū)0.5 m,層寬根據(jù)水深情況設(shè)置成0.25~1.0 m 不等,水深直接采用經(jīng)過(guò)吃水改正的ADCP 水深。按照6 點(diǎn)法(表層、0.2H、0.4H、0.6H、0.8H、底層)提取流速、流向數(shù)據(jù)。
與測(cè)流同步使用XCL 橫式取樣器在上述層位采集含沙量水樣,每小時(shí)(整點(diǎn))取樣一次,每次采水量不少于1 L;水溫和鹽度的觀測(cè)使用SST CTD75型溫鹽深儀,觀測(cè)時(shí)間、觀測(cè)層位均與含沙量觀測(cè)同步;另外,在白天潮的4 個(gè)潮流特征時(shí)段(漲急、漲憩、落急、落憩)各取一個(gè)懸沙粒度分析樣品,取樣層位為0.6H層(中下層),單個(gè)水樣體積為10 L。采用抓斗式取樣器在每個(gè)調(diào)查站位各取一個(gè)底質(zhì)粒度分析樣品。
2.2.1 含沙量及粒度測(cè)試
含沙量的室內(nèi)分析采用烘干稱(chēng)重法,具體步驟如下:① 烘干烘杯,先將烘杯洗凈,放入溫度為100~110℃烘箱中烘2 h,后移入干燥器內(nèi)冷卻至室溫,再用1/10 000 電子天平稱(chēng)重,得到烘杯重。②水樣經(jīng)過(guò)48 h 沉淀后,抽取部分樣品上層清液(一般為漲憩時(shí))進(jìn)行氯化物分析,根據(jù)氯化物濃度決定是否對(duì)樣品進(jìn)行洗鹽處理。凡氯化物濃度超過(guò)250 mg/L 的,均作洗鹽處理。③ 用少量清水將濃縮水樣全部沖入燒杯中,加熱至無(wú)流動(dòng)水時(shí),移入烘箱,在溫度為100~110℃烘箱中烘干,烘干所需時(shí)間由試驗(yàn)確定。④ 烘干后的沙樣,及時(shí)移入干燥器中冷卻至室溫,用1/10 000 電子天平稱(chēng)重后減去烘杯重,得到每個(gè)樣品的含沙量。
懸沙及底質(zhì)粒度測(cè)試采用英國(guó)Malvern 公司的Mastersizer 3000 激光粒度儀。測(cè)量范圍為0.02~2 000 μm,中值粒徑測(cè)量誤差不超過(guò)1%,實(shí)際測(cè)量中校正系數(shù)、平均粒徑、分選系數(shù)的內(nèi)檢誤差均滿(mǎn)足要求。粒度參數(shù)采用McManus 公式[38]計(jì)算,各個(gè)粒度參數(shù)評(píng)價(jià)采用McManus 矩值法粒度參數(shù)等級(jí)表。沉積物命名采用Shepard[39]分類(lèi)方法。
2.2.2 水體層化指標(biāo)
梯度Richardson 數(shù)[40](Ri)可以用來(lái)判斷水體的層化與湍流混合狀態(tài),如式(1):
式中,z為水深(m),ρ為水體密度(kg/m3),u為流速北分量(m/s),v為流速東分量(m/s),g 為重力加速度(取9.8 m/s2)。一般認(rèn)為當(dāng)Ri>0.25 時(shí),水體處于穩(wěn)定的層化狀態(tài),湍流被抑制;當(dāng)Ri<0.25 時(shí),層化效應(yīng)隨著Ri 減小而減小,流速剪切更容易誘發(fā)湍流混合。
2.2.3 懸沙輸運(yùn)通量計(jì)算
根據(jù)泥沙輸運(yùn)通量公式[41],分別計(jì)算冬、夏兩季8 個(gè)站位26 h(兩個(gè)潮周期)單寬面積上的潮平均縱向凈輸沙率Ts(g/s),如式(2)、(3):
式中,k=1,…,6,為各層位編號(hào),Uk(m/s)為各水層內(nèi)流速u(mài)的深度平均值,Ck(g/m3)為各水層懸沙濃度的深度平均值,Δzk(m)為各層位高度,T為潮周期(h),Tr(k)(g)為潮周期內(nèi)穿過(guò)每一個(gè)水層單位寬度面積的凈輸沙量。
冬季觀測(cè)期間,研究區(qū)平均風(fēng)速一般不超過(guò)6 m/s,常風(fēng)向?yàn)镹E 向,以二級(jí)海況為主,波高小于0.5 m,屬于較平靜天氣;夏季觀測(cè)期間,研究區(qū)平均風(fēng)速一般不超過(guò)4 m/s,常風(fēng)向?yàn)镾W 向,以一級(jí)海況為主,波高小于0.1 m,屬于平靜天氣。與冬季相比,夏季觀測(cè)期間天氣狀況較好。
3.1.1 潮流
觀測(cè)期間潮流流速整體不大(表2),冬季研究區(qū)平均流速,大潮期為0.32 m/s,小潮期為0.28 m/s;夏季研究區(qū)平均流速,大潮期為0.33 m/s,小潮期為0.22 m/s,流速的季節(jié)變化不大,大小潮差異明顯。潮流在灣內(nèi)較弱,在灣外較強(qiáng),冬、夏季最大流速均出現(xiàn)在灣外7#站,分別為0.74 m/s 和0.92 m/s。
表2 研究區(qū)流速特征值Table 2 Characteristic value of current velocity in the study area m/s
3.1.2 懸沙濃度
研究區(qū)冬季懸沙濃度為0.020~0.897 kg/m3,夏季為0.060 kg/m3~0.178 kg/m3;各站位垂線平均懸沙濃度,冬季為0.060~0.178 kg/m3,夏季為0.009~0.032 kg/m3。與冬季同時(shí)期相比,夏季懸沙濃度大幅減少(圖2),據(jù)統(tǒng)計(jì),各站位冬季大潮懸沙濃度是夏季大潮的5.6~11.6 倍,冬季小潮懸沙濃度是夏季小潮的3.9~13.2 倍。大小潮變化上,大潮懸沙濃度大于小潮懸沙濃度。
圖2 不同潮周期、不同季節(jié)懸沙濃度對(duì)比Fig.2 Comparison of suspended sediment concentration (SSC) in different tides and seasons
3.1.3 水體層化
本文利用取對(duì)數(shù)后的梯度Richardson 數(shù)(lg(Ri/0.25))來(lái)表征水體層化狀態(tài)。當(dāng)lg(Ri/0.25)<0,表明層化較弱,水體處于湍流混合狀態(tài);當(dāng)lg(Ri/0.25)>0,表明層化較強(qiáng),水體湍流混合受到抑制。本文在冬、夏季大潮期各取典型站位(2#、4#、7#)進(jìn)行分析,并給出了lg(Ri/0.25)與懸沙濃度隨時(shí)間變化的剖面圖(圖3)。圖3 顯示,研究區(qū)水體層化具有明顯的季節(jié)差異,冬季水體垂向混合較強(qiáng),lg(Ri/0.25)>0 的區(qū)域僅出現(xiàn)在個(gè)別觀測(cè)時(shí)間段的某一層位;夏季水體層化明顯,lg(Ri/0.25)>0 的區(qū)域由水體表層向下延伸至近底層,并在潮周期內(nèi)幾乎呈連續(xù)分布。
圖3 大潮期2#、4#、7#站lg(Ri/0.25)與懸沙濃度時(shí)間序列Fig.3 lg(Ri/0.25) and SSC time series of 2#, 4# and 7# stations in spring tide
夏季水體受層化結(jié)構(gòu)的影響,泥沙在垂向上的擴(kuò)散受到抑制。如圖3 所示,夏季各站位強(qiáng)層化區(qū)(lg(Ri/0.25)>0)基本與懸沙濃度低值區(qū)相對(duì)應(yīng),0.01 kg/m3等值線隨著層化邊界的變化上下移動(dòng),層化區(qū)域內(nèi)并未觀察到懸沙濃度的潮周期變化,底層泥沙基本不能穿過(guò)水體層化邊界進(jìn)入中、上層。相反,冬季水體基本不存在層化結(jié)構(gòu),懸沙在垂向上的擴(kuò)散較為充分,整個(gè)剖面上懸沙濃度的潮周期變化顯著。
3.2.1 懸沙粒度的時(shí)空分布
受現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)條件的限制,本文所分析的懸沙粒度數(shù)據(jù),均取自水體0.6H層(中下層)。粒度分析結(jié)果顯示,正常天氣下,研究區(qū)懸沙粒度較細(xì),中值粒徑普遍大于6.5 Ф(表3)。粒度組成以粉砂為主,黏土次之,兩者含量之和達(dá)90%,基本不含砂或砂含量很小,分選較差—差,峰態(tài)呈很寬平分布,偏態(tài)以近對(duì)稱(chēng)為主(表4)。
表3 研究區(qū)懸沙中值粒徑變化范圍Table 3 Variation range of suspended sediment median grain size in the study area Φ
表4 懸沙粒度參數(shù)Table 4 Suspended sediment grain size parameters
(1)平面分布
懸沙粒徑平面分布見(jiàn)表3,冬季各站位中值粒徑差異較小,平均中值粒徑為7.36~7.53 Ф。灣內(nèi)和灣口中值粒徑較為接近,平均中值粒徑分別為7.48 Ф和7.45 Ф,灣外平均中值粒徑為7.36 Ф,與灣口和灣內(nèi)相比略有增大。夏季各站位中值粒徑差異較大,平均中值粒徑為6.45~7.31Ф,中值粒徑最大值出現(xiàn)在灣外8#站,最小值出現(xiàn)在灣口6#站。
(2)季節(jié)變化
懸沙粒度季節(jié)變化明顯(表4),表現(xiàn)為冬季細(xì)、夏季粗的季節(jié)分布特征。冬季中值粒徑為7.1~7.7 Φ,均值為7.45 Φ。4~8 Φ(4~63 μm)的粉砂含量最豐富,為57.2%~71.0%,并且含有一定量8~12 Φ(<4 μm)的黏土,為26.8%~42.6%,砂含量最少,不超過(guò)10%。夏季,中值粒徑為5.7~7.5 Φ,均值為6.97 Φ。粉砂、黏土、砂含量分別為53.1%~79.2%、12.6%~37.4%、0.8%~20.8%。與夏季相比,冬季懸沙中的黏土含量明顯增加,從25.9%增加到34.6%,粉砂和砂含量分別從68.7%和5.5%減少到64.1%和1.3%。
與夏季相比,冬季懸沙中增加的細(xì)粒級(jí)部分主要為粒徑>7 Ф(<8 μm)的極細(xì)粉砂和黏土,粒徑為6~7 Ф(8~16 μm)的細(xì)粉砂含量變化不大,粒徑<6 Ф(>16 μm)的粒級(jí)部分顯著減少。從8#站冬、夏季大潮期懸沙粒徑分布來(lái)看(圖4),冬季懸沙粒徑分布整體向細(xì)粒方向移動(dòng),懸沙分選變好,峰態(tài)變窄。
圖4 大潮期8#站懸沙粒徑分布Fig.4 Suspended sediment grain size distribution of 8# station in spring tide
(3)大小潮變化
受潮動(dòng)力變化的影響,大潮懸沙中值粒徑明顯大于小潮(表4)。冬季大、小潮期間中值粒徑均值分別為7.37 Φ 和7.53 Φ,大潮約為小潮的1.1 倍;夏季大、小潮期間中值粒徑均值分別為6.77 Φ 和7.17 Φ,大潮約為小潮的1.3 倍。冬季大潮期間由于粗顆粒物質(zhì)的加入,砂、粉砂含量增加,黏土含量相應(yīng)減少,懸沙粒度變粗,與小潮相比懸沙分選變差,峰態(tài)變寬。
夏季則表現(xiàn)出不同的規(guī)律,大潮期間粉砂組分增加尤為明顯,含量平均增加約為8%,黏土和砂組分均有不同程度的減少,懸沙粒徑分布與小潮相比更為集中,懸沙分選變好,峰態(tài)變窄。粉砂組分具有起動(dòng)流速小、沉降速度大的特征,在潮流和波浪作用下,泥沙運(yùn)動(dòng)活躍,易于懸浮和沉降[42]。夏季大潮期間流速增加明顯,水體挾沙力增強(qiáng),“易懸易沉”的粉砂組分大量進(jìn)入水體,對(duì)含沙量的貢獻(xiàn)顯著;對(duì)于粒徑較粗的砂組分,不僅起動(dòng)需要較高的流速,而且在搬運(yùn)過(guò)程中,由于流速減小也易于沉降,所以很難長(zhǎng)時(shí)間保持懸浮狀態(tài),多數(shù)是處于間歇性的懸浮狀態(tài);黏土組分的黏聚力強(qiáng),難以起動(dòng),因此懸沙中黏土組分的含量也較少[5]。
(4)潮周期變化
由于本文在潮周期尺度上只在白天潮的4 個(gè)特征時(shí)段(漲急、漲憩、落急、落憩)獲得了懸沙粒度數(shù)據(jù),懸沙粒徑在時(shí)間上精度較低,如果對(duì)每個(gè)站位單獨(dú)分析,則很難觀察到明顯的變化規(guī)律,因此,本文將所有站位作為一個(gè)整體分析。
考慮到潮周期內(nèi)懸沙粒徑變化可能與水動(dòng)力有關(guān),本文對(duì)中值粒徑與流速進(jìn)行相關(guān)性分析(圖5),結(jié)果表明,冬季大、小潮期間,隨著流速的增大,中值粒徑只表現(xiàn)出微弱增大的趨勢(shì),夏季兩者的趨勢(shì)性關(guān)系更為復(fù)雜。無(wú)論冬季還是夏季,中值粒徑與流速的對(duì)應(yīng)關(guān)系較為散亂,兩者并沒(méi)有表現(xiàn)出顯著的相關(guān)性。懸沙粒徑變化與泥沙的再懸浮和沉降過(guò)程有關(guān)[43],流速雖然是重要的影響因素,但在多數(shù)情況下它并不是主導(dǎo)因素[44]。本次懸沙粒度取樣層位位于0.6H層,泥沙從底床向上擴(kuò)散需要一定的時(shí)間,當(dāng)流速?gòu)臉O大值開(kāi)始減小,但還沒(méi)有低于再懸浮的臨界流速,泥沙也不會(huì)立刻發(fā)生沉降,這可能會(huì)造成懸沙粒徑的變化滯后于流速變化,同時(shí),這一過(guò)程還會(huì)受到水體混合狀態(tài)的影響,較為復(fù)雜的動(dòng)力過(guò)程可能是導(dǎo)致懸沙粒徑與流速?zèng)]有明顯相關(guān)關(guān)系的重要原因。
圖5 懸沙中值粒徑與流速的相關(guān)性Fig.5 Relationship between suspended sediment median grain size and current velocity
3.2.2 粒級(jí)-標(biāo)準(zhǔn)偏差曲線
從全部樣品各粒級(jí)含量的粒級(jí)-標(biāo)準(zhǔn)偏差曲線可以清楚地看出粒度組成的變化,其理論研究基于歷史上沉積環(huán)境變化引起顆粒物的粒度差異,這種差異在受沉積動(dòng)力和物質(zhì)來(lái)源顯著影響的現(xiàn)代沉積環(huán)境中理應(yīng)存在[45]。標(biāo)準(zhǔn)偏差大的粒級(jí)組分,其在各樣品中的含量變化大,可以作為指示海洋環(huán)境變化的敏感粒級(jí)[46]。
本文對(duì)冬、夏季懸沙樣品的粒度數(shù)據(jù)分析后得出粒級(jí)-標(biāo)準(zhǔn)偏差曲線(圖6),可以看出,冬季粒級(jí)-標(biāo)準(zhǔn)偏差曲線呈現(xiàn)明顯的雙峰分布,對(duì)環(huán)境最為敏感的兩個(gè)高峰值粒級(jí)分布范圍分別為2.8~3.4 μm和21.1~25.1 μm,其中2.8~3.4 μm 粒級(jí)成分為粗黏土,21.1~25.1 μm 粒級(jí)成分為中粉砂。低峰值粒級(jí)分布范圍為10.8~13.2 μm,對(duì)環(huán)境的敏感度最差,粒級(jí)成分為細(xì)粉砂。這種分布特征與前人在浙閩沿岸泥質(zhì)沉積區(qū)柱狀樣以及表層沉積物中獲得的敏感粒級(jí)分布十分接近[47-48]。與冬季不同的是,夏季每一粒級(jí)的標(biāo)準(zhǔn)偏差都要大于冬季,粒級(jí)-標(biāo)準(zhǔn)偏差曲線雖然變化趨勢(shì)與冬季基本一致,但雙峰分布特征并不明顯,在細(xì)敏感粒級(jí)處表現(xiàn)為一個(gè)不明顯的次峰,這意味著控制此粒級(jí)的海洋環(huán)境要素可能發(fā)生了變化。
圖6 懸沙的粒級(jí)-標(biāo)準(zhǔn)偏差曲線Fig.6 The standard deviation curve of suspended sediment grain size
為探究研究區(qū)泥沙凈輸運(yùn)趨勢(shì),本文利用同步得到的懸沙濃度和流速剖面計(jì)算了兩個(gè)半日潮周期(26 h)內(nèi)各站位單寬面積上的潮平均縱向凈輸沙率。結(jié)果表明,冬季大、小潮期間,由灣內(nèi)向?yàn)惩鈨糨斏陈什粩嘣龃螅▓D7a、圖7b),灣內(nèi)1#、2#站凈輸沙率較小,量值均在35 g/s 以下,方向總體指向近岸;灣口3#、4#、5#、6#站凈輸沙率與灣內(nèi)相比有明顯增大,量值為42.9~137.9 g/s,大致沿岸由東北指向西南;灣外7#、8#站凈輸沙率最大,量值均超過(guò)100 g/s,方向與灣口站位基本一致。這一特征顯示,冬季研究區(qū)懸沙總體輸運(yùn)趨勢(shì)為由東北向西南,這與冬季閩浙沿岸流的方向基本一致。薛碧穎等[21]在閩北近岸海域冬季懸浮體輸運(yùn)通量的研究中也得到了類(lèi)似的結(jié)果,認(rèn)為冬季閩浙沿岸流受東北風(fēng)的驅(qū)動(dòng),沿岸向西南方向流動(dòng),使得近岸懸浮體的輸運(yùn)方向總體指向西南。
圖7 各站位觀測(cè)26 h 懸沙凈單寬輸運(yùn)通量Fig.7 Sediment fluxes at 8 stations based on 26-hour observations
夏季大、小潮期間,凈輸沙率與冬季相比顯著減?。▓D7c、7d),各站位量值均在10 g/s 以下,由灣內(nèi)向?yàn)惩鈨糨斏陈手饾u增大,方向總體由東南指向西北。這與薛碧穎等[21]在夏季的研究結(jié)果存在一定的出入,這可能與夏季閩浙沿岸流強(qiáng)度減弱有關(guān),所計(jì)算的凈輸沙率在近岸主要受潮流作用的影響。
研究區(qū)懸沙粒度具有冬季細(xì)、夏季粗的季節(jié)差異,冬季由于懸沙中細(xì)顆粒物質(zhì)(主要指極細(xì)粉砂和黏土組分)的相對(duì)增加,粒度細(xì)于夏季。底質(zhì)再懸浮和泥沙來(lái)源是造成懸沙粒度季節(jié)差異的重要因素[49],本文著重對(duì)這兩個(gè)影響因素進(jìn)行分析,探討其對(duì)懸沙粒度季節(jié)變化的影響。
4.1.1 底質(zhì)再懸浮
據(jù)本文統(tǒng)計(jì),冬季研究區(qū)平均流速約為0.30 m/s,夏季約為0.28 m/s,潮流動(dòng)力的季節(jié)變化很小。研究區(qū)水深較淺,冬季在偏北風(fēng)的作用下波浪成長(zhǎng)迅速,據(jù)相關(guān)研究統(tǒng)計(jì),福寧灣灣口長(zhǎng)表島附近海域冬季H1/10波高平均值約為1.10 m,夏季約為0.87 m[50],冬季波浪動(dòng)力強(qiáng)于夏季。
研究區(qū)沉積物類(lèi)型以黏土質(zhì)粉砂為主(表5),粒度較細(xì),中值粒徑均值約為7 Ф(16 μm),粒徑<30 μm 的黏性泥沙,累計(jì)含量占比為84.6%~94.0%,并含有相當(dāng)比例的黏土組分(<4 μm),含量普遍超過(guò)25%,屬于淤泥質(zhì)泥沙的范疇[42,51]。不同粒徑的泥沙在潮流和波浪作用下的起動(dòng)遵循Shields 曲線[52-53],即當(dāng)粒徑大于100 μm 時(shí),起動(dòng)流速隨粒徑增大而增大;當(dāng)粒徑小于100 μm 時(shí),由于細(xì)顆粒間的黏聚力作用,起動(dòng)流速隨粒徑減小而增大。由于黏土物質(zhì)的黏聚力強(qiáng),其再懸浮需要較強(qiáng)的水動(dòng)力條件。由本文3.1.3 節(jié)可知,夏季水體普遍存在層化結(jié)構(gòu),同時(shí)在較弱的波浪作用下沉積物再懸浮微弱,研究區(qū)平均懸沙濃度低于0.020 kg/m3。冬季水體湍流混合和波浪作用與夏季相比均明顯增強(qiáng),動(dòng)力增強(qiáng)并克服黏聚力,再懸浮了更多的細(xì)顆粒物質(zhì),懸沙粒度整體變得更細(xì)[54]。
表5 研究區(qū)底質(zhì)粒度特征Table 5 Characteristics of sediment grain size in the study area
此外,波浪作用深度還與波高呈正相關(guān)[55],冬季更強(qiáng)的波浪可以作用于更深的海床。研究區(qū)表層沉積物中值粒徑隨著水深的增加而減?。ū?),當(dāng)波浪增強(qiáng)時(shí),其作用深度增大,海底深處粒度更細(xì)的沉積物就會(huì)懸浮起來(lái),這是冬季懸沙粒度細(xì)于夏季的另一個(gè)重要原因。
4.1.2 泥沙來(lái)源
研究表明,浙閩沿岸諸河、長(zhǎng)江以及海岸基巖都是福寧灣附近海域沉積物的潛在物源[56-57]。福建地區(qū)多發(fā)育侵蝕型海岸[58-60],研究區(qū)范圍內(nèi)較粗的砂質(zhì)粉砂和粉砂等沉積物,主要來(lái)源于在較強(qiáng)波浪作用下海岸基巖風(fēng)化產(chǎn)生的粗顆粒物質(zhì)[50]。福寧灣沿岸還有羅漢溪、長(zhǎng)溪三河等源短流少的山溪性小河,以及東沖半島幾條季節(jié)性小溪流,流量變化大,每遇洪水季節(jié),有大量泥沙沖入灣內(nèi),這些泥沙一般顆粒較粗,以細(xì)砂、中砂為多,搬運(yùn)距離不遠(yuǎn),主要在灣頂局部區(qū)域堆積。沉積物中的細(xì)顆粒物質(zhì)主要為外來(lái)輸入物質(zhì),系長(zhǎng)江入海泥沙與浙閩沿岸諸河的泥沙經(jīng)搬運(yùn)后在此沉積[61]。粒級(jí)-標(biāo)準(zhǔn)偏差曲線顯示,懸沙中對(duì)環(huán)境最為敏感的兩個(gè)粒級(jí)組分分布范圍分別為2.8~3.4 μm 和21.1~25.1 μm,這兩種主要敏感粒級(jí)的出現(xiàn),應(yīng)是受上述粗細(xì)不同的物質(zhì)影響,其中粗敏感粒級(jí)組分可經(jīng)落潮流由岸邊帶入灣內(nèi),后經(jīng)再懸浮進(jìn)入水體;細(xì)敏感粒級(jí)組分為黏土,來(lái)源于異地河流輸入物質(zhì)(長(zhǎng)江與浙閩沿岸諸河沉積物),東海懸浮體“夏儲(chǔ)冬輸”的季節(jié)性輸運(yùn)格局決定了到達(dá)本海域異地河流來(lái)源物質(zhì)的輸入強(qiáng)度與閩浙沿岸流的強(qiáng)度有關(guān),具有明顯的季節(jié)性變化[47,62]。
閩浙沿岸流是東海內(nèi)陸架泥沙輸運(yùn)的重要?jiǎng)恿63-64],起源于長(zhǎng)江口一帶,主要分布在長(zhǎng)江口以南浙閩沿岸50 m 以淺的海域[65]。冬季,長(zhǎng)江口與杭州灣附近海域受潮流、波浪作用顯著,源于洪季就近沉積下來(lái)的細(xì)顆粒泥沙發(fā)生強(qiáng)烈的再懸浮,懸沙濃度急劇升高,部分區(qū)域表層懸沙濃度可達(dá)3 kg/m3[66-67];大量細(xì)顆粒泥沙被閩浙沿岸流夾帶南下[68-70],同時(shí),沿岸流在南下過(guò)程中還能攜帶浙閩沿岸諸河沉積物,最遠(yuǎn)能到達(dá)泉州灣附近[71]。這些泥沙在搬運(yùn)過(guò)程中由于重力分異作用逐漸細(xì)化,曾有研究統(tǒng)計(jì),在杭州灣附近,懸沙中值粒徑為9.9 μm,當(dāng)被搬運(yùn)到福寧灣北側(cè)的沙埕港附近,懸沙中值粒徑已減小至3.7 μm[72],達(dá)黏土級(jí)范疇,與粒級(jí)-標(biāo)準(zhǔn)偏差曲線上的細(xì)敏感粒級(jí)基本對(duì)應(yīng),呈現(xiàn)出明顯的峰值。夏季,閩浙沿岸流勢(shì)弱,臺(tái)灣暖流勢(shì)強(qiáng),研究區(qū)南部閩江入海的細(xì)顆粒物質(zhì)也會(huì)隨著終年北上的臺(tái)灣暖流到達(dá)研究區(qū)附近,但其量值大大減少[56],在粒級(jí)-標(biāo)準(zhǔn)偏差曲線上只呈現(xiàn)出一個(gè)不明顯的峰值。泥沙凈輸運(yùn)通量的計(jì)算結(jié)果也顯示(圖7),冬季研究區(qū)附近海域懸沙輸運(yùn)總體趨勢(shì)與閩浙沿岸流方向基本一致,懸沙由東北向西南,由灣外向?yàn)硟?nèi)輸運(yùn),而在夏季懸沙輸運(yùn)方向轉(zhuǎn)為由東南向西北,輸運(yùn)通量與冬季相比顯著減小。
從冬、夏季細(xì)粒級(jí)組分的級(jí)配(<63 μm)差異來(lái)看(圖8),冬季總細(xì)粒級(jí)懸沙中平均有65.7%的<8 μm 粒級(jí)的顆粒,夏季<8 μm 粒級(jí)的顆粒只占總細(xì)粒級(jí)懸沙量的53.1%,同時(shí)冬季含沙量也遠(yuǎn)高于夏季,因此<8 μm 粒級(jí)的細(xì)顆粒較夏季增加非??捎^。其中,除本地再懸浮的物質(zhì)外,閩浙沿岸流向研究區(qū)輸送的黏土級(jí)顆粒(<4 μm)也占重要組成部分,進(jìn)一步加大了懸沙粒度“冬細(xì)夏粗”的季節(jié)差異。
圖8 研究區(qū)懸沙細(xì)粒級(jí)部分(<63 μm)級(jí)配Fig.8 Percentage of fine suspended sediment (<63 μm) in the study area
4.2.1 中值粒徑與懸沙濃度
就單個(gè)站位而言,懸沙粒徑和懸沙濃度易受天氣狀況和波浪等因素的影響,兩者趨勢(shì)性關(guān)系不明顯,而將多個(gè)站位整體分析,兩者能表現(xiàn)出較好的相關(guān)關(guān)系[73],因此本文將研究區(qū)作為一個(gè)系統(tǒng)整體進(jìn)行分析。相關(guān)性分析結(jié)果顯示(圖9),夏季大潮期,中值粒徑與懸沙濃度在0.99 的置信水平上呈顯著的線性相關(guān),懸沙粒徑隨懸沙濃度的增加而減小,小潮期這種線性關(guān)系依舊存在。相反,冬季中值粒徑與懸沙濃度的相關(guān)性較差,隨著懸沙濃度的增加,懸沙粒徑只呈現(xiàn)出微弱增大的趨勢(shì),這種季節(jié)差異可能與懸沙來(lái)源和混合作用有關(guān)[6]。如前所述,冬季懸沙部分來(lái)自較強(qiáng)的底質(zhì)再懸浮,部分來(lái)自閩浙沿岸流向研究區(qū)的輸送,懸沙粒度組成較為復(fù)雜;同時(shí)懸沙在垂向上的混合較為劇烈(圖3),懸沙濃度在潮周期內(nèi)的相對(duì)變化較大,增加了懸沙粒度組成變化的復(fù)雜性,導(dǎo)致中值粒徑與懸沙濃度沒(méi)有顯著的相關(guān)關(guān)系。夏季,由于閩浙沿岸流強(qiáng)度大大減弱,其向研究區(qū)的泥沙輸送基本中斷,水體中的懸沙主要來(lái)自本地沉積物的弱再懸浮作用,懸沙粒度組成相對(duì)單一;同時(shí)夏季懸沙在垂向上的混合較弱(圖3),懸沙濃度在潮周期內(nèi)的相對(duì)變化較小,懸沙粒度組成變化相對(duì)簡(jiǎn)單,中值粒徑與懸沙濃度存在顯著的線性關(guān)系。
圖9 懸沙中值粒徑與濃度的相關(guān)性Fig.9 Relationship between suspended sediment median grain size and SSC
值得注意的是,夏季無(wú)論大小潮,懸沙粒徑均隨懸沙濃度的減小而增大(圖9b)。通常認(rèn)為,當(dāng)水動(dòng)力減小,懸沙以單顆粒的形式發(fā)生重力分選沉降時(shí),由于較粗的顆粒首先沉降,懸沙粒徑將逐漸減小,以響應(yīng)動(dòng)力條件的改變[74]。相反的是,夏季懸沙中值粒徑隨著懸沙濃度的減小而增大。研究表明,在以黏性細(xì)顆粒(<30 μm)為主的懸沙中會(huì)發(fā)生動(dòng)水絮凝沉降,且表現(xiàn)為粒徑越細(xì),絮凝越強(qiáng)[75-76]。研究區(qū)懸沙中約有90%的顆粒集中在30 μm 以下,當(dāng)挾沙水流小于某一臨界流速時(shí),懸沙發(fā)生動(dòng)水絮凝沉降,與重力分選沉降(以單顆粒的形式由粗到細(xì)依次沉降)不同,懸沙中的細(xì)顆粒組分相互結(jié)合在一起,大小混雜同時(shí)落淤[77]。由于沉降的主體物質(zhì)是細(xì)顆粒,懸沙粒徑會(huì)隨著這些細(xì)顆粒的沉降而增大[78]。
4.2.2 組分與懸沙濃度
懸沙濃度發(fā)生變化,懸沙組分必然會(huì)發(fā)生改變,不同組分對(duì)懸沙濃度變化的響應(yīng)程度也會(huì)有所差異。研究區(qū)懸沙以粉砂為主,含量高達(dá)70%,對(duì)懸沙濃度的貢獻(xiàn)度最大,但相關(guān)性分析結(jié)果表明(圖10),在夏季大潮期,粉砂組分含量與懸沙濃度的相關(guān)性較差,粉砂并非是響應(yīng)懸沙濃度變化的敏感組分;相反,砂和黏土在懸沙中的含量雖然較少,但與懸沙濃度的相關(guān)性較好,砂與懸沙濃度在0.99 的置信水平上呈顯著負(fù)相關(guān),其含量隨著懸沙濃度的減小而增加,而黏土與懸沙濃度在0.99 的置信水平上呈顯著正相關(guān),其含量隨著懸沙濃度的減小而減少,這種現(xiàn)象在小潮期依舊存在。黏土組分顆粒較細(xì),絮凝較強(qiáng),比其他組分更容易結(jié)合形成絮凝體而沉降[76]。當(dāng)沉降發(fā)生時(shí),由于黏土組分作為細(xì)顆粒絮凝沉降的重要部分,隨著沉降的進(jìn)行其含量趨于減少。相反,砂組分隨著沉降的進(jìn)行含量卻趨于增加,推測(cè)砂組分可能并沒(méi)有參與細(xì)顆粒絮凝沉降過(guò)程,其含量變化是由懸沙中其他組分含量變化引起的。
圖10 夏季懸沙各組分與濃度的相關(guān)性Fig.10 Relationship between suspended sediment populations and SSC in summer
(1)正常天氣下,研究區(qū)懸沙粒度較細(xì),中值粒徑普遍大于6.5 Φ。懸沙粒度具有冬細(xì)夏粗的季節(jié)分布特征,冬季>7 Ф(<8 μm)粒級(jí)部分與夏季相比增加明顯;受潮動(dòng)力影響,懸沙粒度大小潮變化明顯;潮周期內(nèi)懸沙粒徑變化規(guī)律不明顯。懸沙粒級(jí)-標(biāo)準(zhǔn)偏差曲線顯示兩種主要的敏感粒級(jí)分布范圍為2.8~3.4 μm 和21.1~25.1 μm。
(2)底質(zhì)再懸浮和泥沙來(lái)源是造成懸沙粒度季節(jié)差異的主要原因。冬季較強(qiáng)的波浪和水體垂向混合導(dǎo)致大量細(xì)粒沉積物的再懸浮,以及閩浙沿岸流攜帶的細(xì)顆粒泥沙的輸入共同造成了研究區(qū)懸沙“冬細(xì)夏粗”的季節(jié)差異。
(3)冬季懸沙粒徑與濃度不存在相關(guān)性,夏季兩者存在顯著的線性關(guān)系,懸沙粒徑隨懸沙濃度的增加而減小,這種季節(jié)差異可能與懸沙來(lái)源和混合作用有關(guān)。夏季懸沙粒徑的粗化可能與細(xì)顆粒發(fā)生絮凝沉降有關(guān)。不同組分對(duì)懸沙濃度變化的響應(yīng)程度不同,夏季,黏土組分與懸沙濃度呈顯著正相關(guān),砂組分與懸沙濃度呈顯著負(fù)相關(guān),粉砂組分對(duì)懸沙濃度變化的響應(yīng)最差。