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。

1 研究區(qū)概況

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.

2 數(shù)據(jù)與方法

2.1 數(shù)據(jù)來(lái)源

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 分析方法

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。

3 結(jié)果

3.1 水文泥沙特征

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 懸沙粒度特征

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

3.3 泥沙輸運(yùn)通量

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。

4 討論

4.1 懸沙粒度季節(jié)變化的影響因素

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 懸沙粒度與濃度的關(guān)系

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

5 結(jié)論

（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。