小議長(zhǎng)江口細(xì)顆粒懸沙濃度垂向分布-土建水利論文

1、小議長(zhǎng)江口細(xì)顆粒懸沙濃度垂向分布-土建水利論文摘要摘要：在長(zhǎng)江口利用“聲學(xué)懸沙觀測(cè)系統(tǒng)”觀測(cè)到大潮四種典型的高時(shí)空分辨率細(xì)顆粒懸沙濃度聲學(xué)垂向分布圖和垂線(xiàn)分布曲線(xiàn)。懸沙濃度垂線(xiàn)分布曲線(xiàn)表明摘要：(1)在漲潮時(shí)呈L形，懸沙濃度的垂向變化梯度小(濃度小于1.0g/l)。(2)在漲急時(shí)呈射流形，射流頂?shù)膽疑碀舛冗_(dá)10g/l，懸沙濃度的垂向變化梯度大。(3)在落潮時(shí)從水面到水底懸沙濃度按指數(shù)增加，可能代表恒定均勻流中懸沙處于平衡條件的分布，泥沙垂向擴(kuò)散系數(shù)S在數(shù)值上大約是泥沙顆粒沉降速度的兩倍。(4)在落急時(shí)是不連續(xù)，并且在水體中部呈射流形，懸沙濃度的垂向變化梯度大。 摘要：長(zhǎng)江口 細(xì)顆粒懸沙濃度 高

2、時(shí)空分辨率 聲散射 1 前言Kirby和Parker1首次用LUTOCLINE(泥躍層)一詞描述潮汐河口粘性細(xì)顆粒懸沙濃度垂向分布的不連續(xù)性，即垂向懸沙濃度出現(xiàn)明顯的變化。此后，泥躍層和近底高含沙層被發(fā)現(xiàn)普遍存在于很多高渾濁的河口海灣25。Ross和Mehta6、Smith和Kirby7以及Wolanski等59具體地探究了泥躍層和近底高含沙層的動(dòng)力特性，并建立了相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型。這些探究加深了我們對(duì)潮汐河口近底水泥相互功能的熟悉，這種相互功能控制整個(gè)潮汐河口細(xì)顆粒泥沙的輸移過(guò)程。在海岸工程應(yīng)用上，如河口航道、港口、碼頭和系船池，需要對(duì)細(xì)顆粒泥沙運(yùn)動(dòng)定量化。由于河口懸沙濃度隨深度迅速變化，因此，

3、懸沙濃度的精確觀測(cè)是一個(gè)關(guān)鍵。至今，為了獲得近瞬時(shí)的懸沙濃度的垂向分布，已發(fā)展了很多新的技術(shù)。非凡是聲學(xué)技術(shù)被廣泛應(yīng)用于海洋中懸沙濃度的丈量1013，使我們能得到高時(shí)空分辨率懸沙濃度垂向分布；但是聲學(xué)技術(shù)尚未廣泛應(yīng)用于河口粘性細(xì)顆粒懸沙濃度的連續(xù)觀測(cè)。國(guó)內(nèi)，在河口細(xì)顆粒泥沙輸移現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)探究中，懸沙濃度資料大多依靠于野外水樣的采集1416。Li等17利用光學(xué)測(cè)沙系統(tǒng)探究了浙江椒江河口細(xì)顆粒泥沙輸移。本文作為“聲學(xué)懸沙觀測(cè)系統(tǒng)”在長(zhǎng)江口北槽口外懸沙運(yùn)動(dòng)探究應(yīng)用的系列成果1820，其目的是為了解河口細(xì)顆粒懸沙濃度近瞬時(shí)垂向分布提供一種較好的途徑。2 探究的區(qū)域和方法長(zhǎng)江口是一個(gè)中潮河口，均勻潮差是2

4、.0m，懸沙年均勻達(dá)4.9108t。很多科研工作者對(duì)長(zhǎng)江口懸沙輸移新題目進(jìn)行了探究15，16，21，懸沙濃度資料大多依靠于野外水樣的采集。在長(zhǎng)江口的陸架地區(qū)水面懸沙濃度超過(guò)0.02g/l，在水底超過(guò)0.1g/l22。我們的現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)是于1994年5月2829日大潮時(shí)在長(zhǎng)江口9405站(東經(jīng)122274，北緯310515)(圖1)進(jìn)行了28h連續(xù)觀測(cè)(圖2)。觀測(cè)數(shù)據(jù)的采集工作是在東海艦隊(duì)東調(diào)221軍艦上完成的。用于丈量懸沙濃度垂向分布的ASSM型聲學(xué)懸沙觀測(cè)系統(tǒng)是由中國(guó)科學(xué)院東海探究站研制的，和Libicki等12敘述的觀測(cè)系統(tǒng)相類(lèi)似。整個(gè)系統(tǒng)(圖3)在PC計(jì)算機(jī)控制下采集數(shù)據(jù)，并進(jìn)行預(yù)處理，再

5、儲(chǔ)存。ASSM型系統(tǒng)發(fā)射聲脈沖頻率為0.5MHz，脈寬為40s。從懸沙背向聲散射測(cè)得的垂向分布其垂直(深度)分辨率為10cm，橫向(時(shí)間)分辨率為1.5s。每小時(shí)記錄12min數(shù)據(jù)，其采樣頻率為75KHz。每幅圖是由480條海底和換能器之間懸沙的背向聲散射曲線(xiàn)所組成。由泥沙背向聲散射信號(hào)的強(qiáng)度轉(zhuǎn)化為懸沙濃度的定標(biāo)工作是在有機(jī)玻璃沉降圓筒內(nèi)完成的?；趯?shí)驗(yàn)室定標(biāo)，盡對(duì)懸沙濃度丈量的誤差約為16%。ASSM系統(tǒng)換能器工作時(shí)通常放置在水下2m處。同時(shí)，利用流速儀丈量水流的流速和流向。每小時(shí)分別在0.0D、0.2D、0.4D、0.6D、0.8D、1.0D六個(gè)點(diǎn)采水樣(D為水深)，此法通稱(chēng)“六點(diǎn)法”。由

6、采水器采集到的含懸沙水樣，通過(guò)63微米濾紙，分離出粗的懸浮顆粒。通過(guò)過(guò)濾的水樣留下來(lái)的懸浮物質(zhì)用蒸餾水漂洗，并在40恒溫箱內(nèi)烘干，過(guò)濾器烘到60，再稱(chēng)重量。懸沙濃度是從最后沉淀物重量(包括粗顆粒)和被濾往總的水體積而換算出來(lái)的。圖1 長(zhǎng)江口9405站位Location of station 9405 in the Changjiang Estuary圖2 潮位和垂線(xiàn)均勻懸沙濃度過(guò)程圖圖3實(shí)驗(yàn)布設(shè)示意圖Hydrographs of tidal level and depth averaged suspension? concentration hourly sampled at station

7、9405Sketch of experiment3 結(jié)果在上述觀察區(qū)域內(nèi)，盛行半日大潮。垂線(xiàn)均勻懸沙濃度隨潮水位的變化而變化(圖2)。均勻懸沙濃度從0.45g/l變化到2.41g/l。圖4(ad)是每15min的懸沙濃度垂向分布的聲學(xué)灰度圖。圖4(a)表明整個(gè)水體中均有懸沙分布；圖4(b)中、下部有一高含沙層；圖4(c)中70%的水體有較低的懸沙濃度；在圖4(d)中的水體中部有較高的懸沙濃度。為進(jìn)一步了解懸沙濃度垂線(xiàn)分布特征，將圖4(ad)中每一個(gè)懸沙濃度聲學(xué)圖象等分成7段，懸沙濃度數(shù)值是按10cm水深間隔繪圖，由此可得到7條瞬時(shí)懸沙濃度的垂線(xiàn)分布曲線(xiàn)(圖5)。圖5(ad)揭示了大潮四種典型的

8、懸沙濃度的垂線(xiàn)分布曲線(xiàn)。第類(lèi)是在漲潮時(shí)呈L形(圖5(a)，近底懸沙濃度大于2.5g/l，大部分水體中懸沙濃度小于1.0g/l。均勻懸沙濃度隨水深從0.43g/l變化到0.84g/l。第類(lèi)是在漲急時(shí)呈射流形(圖5(b)，近底懸沙濃度大于2.0g/l，懸沙濃度的垂向梯度大。第類(lèi)是在落潮時(shí)從水面到水底懸沙濃度按指數(shù)增加(圖5(c)。近底懸沙濃度大于6.0g/l。均勻懸沙濃度隨水深從0.86g/l變化到0.96g/l。第類(lèi)是在落急時(shí)，懸沙濃度在水體中部呈射流形(圖5(d)。近底懸沙濃度大于5.0g/l，懸沙濃度的垂向變化梯度大，均勻懸沙濃度從0.77g/l變化到1.24g/l。事實(shí)上，圖5(ad)分別

9、代表在漲潮、漲急、落潮和落急時(shí)細(xì)顆粒泥沙再懸浮(resuspension)過(guò)程的圖像。圖4 聲學(xué)灰度圖Gray scale plots at (a) flood tide (1000h); (b)max.flood tide(1200h);? (c)ebb tide (1500h); (d)max.ebb tide (1800h); 28 May 1994.圖5 懸沙濃度垂線(xiàn)分布Vertical profiles of burst averaged suspension concentration over 12 min. period at (a) flood tide (1000h);?

10、(b)max.flood tide (1200h); (c)ebb tide (1500h); (d)max.ebb tide (1800h). 28 May 1994.圖6表示在漲潮(1000h)時(shí)最大流速為1.17m/s，流速和鹽度垂向變化梯度均較大。在漲急時(shí)流速和鹽度垂向變化梯度小。落潮(1500h)時(shí)最大流速為1.03m/s，鹽度垂線(xiàn)分布表明底部有一鹽水楔，水底鹽度為26.0。在落急(1800h)時(shí)，流速和鹽度的垂向變化梯度漸緩。4 討論4.1 懸沙濃度垂向分層結(jié)構(gòu)圖4和圖5中最明顯的特征是懸沙濃度垂向呈分層結(jié)構(gòu)，形成這種特征主要是由于紊流能量引起強(qiáng)烈而均勻混合，從而產(chǎn)生陡的密度梯度2

11、3。圖6 流速、鹽度的垂線(xiàn)分布Vertical profiles of velocity and salinity at (a) flood tide (1000h); (b)max.flood tide (1200h);?(c)ebb tide (1500h); (d)max.ebb tide (1800h), 28 May 1994.一個(gè)穩(wěn)定的懸沙濃度分層結(jié)構(gòu)意味著當(dāng)河口保持鹽度和溫度充分混合時(shí)懸沙有強(qiáng)的分層現(xiàn)象3。圖4(a)和圖5(a)表示在漲潮時(shí)，由于物質(zhì)擴(kuò)散率較低形成穩(wěn)定的泥躍層和在上面的水域有較低的泥沙濃度。圖4(b)和圖5(b)表示在漲急時(shí)形成一個(gè)浮泥層和二個(gè)穩(wěn)定的泥躍層。圖4(

12、c)和圖5(c)表示在落潮時(shí)形成一個(gè)浮泥層(高含沙層)，一個(gè)持續(xù)的泥躍層以及在上面水域很低的泥沙濃度。圖4(d)和圖5(d)表示在落急時(shí)迅速形成一個(gè)活動(dòng)的浮泥層(高含沙層)和二個(gè)起伏不定的泥沙躍層(分別在浮泥層上、下)。圖5(d)的瞬時(shí)懸沙濃度垂線(xiàn)分布表明有二個(gè)泥躍層。Mehta4以為下泥躍層主要是由于泥沙沉降受阻引起的，上泥躍層形成和向上的紊流擴(kuò)散的非線(xiàn)性有很大關(guān)系。上泥躍層和下泥躍層二者之間是最小的垂向混合區(qū)域4。Wolanski等8具體地探究了泥躍層混合的新題目，他們發(fā)現(xiàn)泥沙混合受浮力效應(yīng)和在高渾濁底層里泥沙引起的紊流破裂二者控制，懸沙受到的浮力阻礙泥沙垂向擾動(dòng)混合，擾動(dòng)能夠緩和懸沙的沉

13、降速度，并且在擾動(dòng)方式上有一反饋效應(yīng)9。4.2 懸沙平衡在河口最大渾濁帶，如不考慮平流影響，懸沙擴(kuò)散方程可簡(jiǎn)單表示為(1)式中 C是均勻懸沙濃度；t是時(shí)間；S是泥沙顆粒沉降速度；z是距底床的高度；S是紊動(dòng)擴(kuò)散系數(shù)。事實(shí)上，圖4中懸沙濃度的垂向分布表示了懸沙向下沉降和向上紊動(dòng)擴(kuò)散二者之間的平衡。在漲急和落急時(shí)，懸沙強(qiáng)烈地輸移，泥沙沉降少。在1500h，水體上部、中部懸沙濃度均低，近底部懸沙濃度高(圖4(c)和圖5(c)；而且圖5(c)反映了懸沙濃度隨水深按指數(shù)增加。這可能是由于底床切應(yīng)力使泥沙再懸浮和泥沙顆粒沉降保持平衡所致，類(lèi)似的特征在文獻(xiàn)里有過(guò)報(bào)道24。這種懸沙濃度垂向分布代表恒定均勻流平衡

14、條件，即垂線(xiàn)上泥沙上下交換質(zhì)量守恒，并可用以下方程表示C=Cexp(z)(2)式中是和半對(duì)數(shù)圖的梯度成正比。公式(1)中對(duì)間隔z及時(shí)間t的偏微分項(xiàng)均即是零，恒定均勻平衡條件下泥沙紊動(dòng)擴(kuò)散方程可表達(dá)為SC+S(dC/dz)=0(3)式中S為垂向泥沙擴(kuò)散系數(shù)，它是隨水深恒定的，并具有值S=S/(4)根據(jù)公式(2)計(jì)算出的值均勻?yàn)?.58m-1，因此，由公式(4)可知，泥沙垂向擴(kuò)散系數(shù)S在數(shù)值上大約是泥沙顆粒沉降速度S的兩倍。圖6中流速垂線(xiàn)分布也表明水體上、中部流速變化梯度較小，可視為恒定均勻流；而近底高含沙層對(duì)應(yīng)著鹽水楔異重流(圖6)。4.3 再懸浮過(guò)程圖5(ad)分別代表在漲潮、漲急、落潮和落急

15、時(shí)細(xì)顆粒泥沙再懸浮(resuspension)過(guò)程的圖像。這種泥沙的再懸浮過(guò)程是受近底紊流大小和速度密度分布結(jié)構(gòu)的控制23。在長(zhǎng)江口，由風(fēng)激起的表面波，潮流、內(nèi)波破裂和江蘇沿岸流(向南)是造成泥沙再懸浮過(guò)程的原因。近底觀測(cè)到大的流速梯度，從而可以以為底部存在大的切應(yīng)力(圖6)，這些海底的切應(yīng)力是泥沙再懸浮的動(dòng)力。波浪誘導(dǎo)的河口淤泥再懸浮新題目有人做了水槽試驗(yàn)探究25以及現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)探究26。在實(shí)驗(yàn)室水槽探究基礎(chǔ)上，Maa和Mehta25以為波引起的底床腐蝕是產(chǎn)生浮泥的原因。由波腐蝕的泥沙保存在近底處，占整個(gè)水深的20%，水流僅在水平方向遷移。在長(zhǎng)江口，波浪和潮流的特性還需要進(jìn)一步探究，由此可以估價(jià)它們?cè)谀嗌吃賾腋≈械墓δ芎椭匾?。Graber等27在中國(guó)東海探究了風(fēng)暴產(chǎn)生的表面波和泥沙的再懸浮新題目?？?/p>