椒江河口最大渾濁帶懸沙粒徑分布及其對(duì)潮動(dòng)力的響應(yīng)

1、椒江河口最大渾濁帶懸沙粒徑分布及其對(duì)潮動(dòng)力的響應(yīng)    摘要：以枯水季節(jié)大、小潮期3個(gè)時(shí)間連續(xù)(25h)站和1條縱剖面10個(gè)瞬時(shí)觀測(cè)站的懸沙粒徑資料為基礎(chǔ)，通過(guò)對(duì)懸沙不同粒級(jí)，中值粒徑及粒度參數(shù)的計(jì)算和統(tǒng)計(jì)，本文討論了懸沙粒徑分布的區(qū)域變化和潮汐周期變化，并表明其主要受物質(zhì)來(lái)源、底部沉積物再懸浮物質(zhì)和絮凝沉降3個(gè)因素影響，其中第二個(gè)因素的作用大潮期比小潮期顯著，第三個(gè)因素的作用小潮期則較大潮期明顯。 關(guān)鍵詞：椒江河口 最大渾濁帶 懸沙粒徑 響應(yīng)  1 前言潮汐河口普遍存在著懸沙濃度明顯

2、高于其上、下游的最大渾濁帶。它因受洪、枯季徑流和潮汐周期變化的作用經(jīng)常發(fā)生向海或向陸遷移13，并對(duì)港口、航道的淤積產(chǎn)生深刻影響4，5。因此，近20年來(lái)，國(guó)內(nèi)外許多水文學(xué)、沉積學(xué)家和海岸工程師們對(duì)最大渾濁帶的水動(dòng)力結(jié)構(gòu)、懸沙濃度分布規(guī)律、懸沙輸移機(jī)制以及懸沙絮凝沉降等方面進(jìn)行了大量的調(diào)查和研究611。但是，除了Schubel對(duì)切薩皮克灣最大渾濁帶1個(gè)測(cè)站的懸沙粒徑的漲落潮周期變化研究外12，很少對(duì)潮汐河口最大渾濁帶懸沙粒徑分布的動(dòng)力過(guò)程進(jìn)行報(bào)道。對(duì)于椒江河口最大渾濁帶的懸沙粒徑分布變化， 雖然符寧平等采用某些代表性潮時(shí)的懸沙粒徑參數(shù)曾探討過(guò)懸沙沉降作用13，可是，到目前為止尚未有過(guò)系統(tǒng)

3、的報(bào)道。圖1 研究區(qū)域與站位Location of studied area and station positions本文主要根據(jù)枯水季節(jié)(1994年11月)，大、小潮期不同河段的時(shí)間連續(xù)站的潮流，懸沙資料，將較系統(tǒng)地討論最大渾濁帶的懸沙粒徑分布及其對(duì)潮汐動(dòng)力變化的響應(yīng)。2 方法根據(jù)最大渾濁帶分布變化范圍，在其向陸側(cè)、核部、向海側(cè)分別設(shè)置1個(gè)潮流泥沙時(shí)間連續(xù)(25h)觀測(cè)站和1個(gè)縱剖面(圖1)。各連續(xù)站的垂線按相對(duì)水深分6層，采用ZX-直讀式流速儀和橫式采水器間隔1h同時(shí)記錄流速流向和取水樣，縱剖面測(cè)站只取水樣。

4、水樣過(guò)濾、懸沙含量按常規(guī)方法處理和計(jì)算。選表、中(0.6H)，底3層共481個(gè)懸沙樣品，用T-庫(kù)爾特計(jì)數(shù)器測(cè)定懸沙粒徑。然后，按Inman分類法統(tǒng)計(jì)不同粒徑組分，中徑和計(jì)算粒度參數(shù)17。3 懸沙粒徑的基本特征圖2 椒江河口懸沙粒徑分布Particle size distributions of suspended sediment from 481 samples椒江河口懸沙主要由粉砂和粘土兩粒級(jí)組成，其中粉砂含量隨水深增加而升高，粘土含量則與粉砂的垂向變化相反。粉砂含量表、底層的平均值分別約5

5、4%和65%，粘土含量表、底層各約46%和34%(圖2)。粘土(<4m)和極細(xì)粉砂(48m)兩組分含量的平均值達(dá)71%，說(shuō)明椒江懸沙已屬粘性細(xì)顆粒泥沙范圍。4 懸沙粒徑的區(qū)域變化由圖3(a)與圖3(b)和圖3(c)比較可知，椒江河口懸沙粒徑分布具有區(qū)段變化，粘土組分沿河口往下游遞增，粉砂組分則與粘土組分變化的趨勢(shì)相反。粘土組分的平均值在最大渾濁帶向陸側(cè)(C1站)，核部(C2站)，及向海側(cè)(C3站)分別為36%、38%和48%，粉砂組分的平均值C1站，C2站和C3站各為63%，61%和51%。另一方面，懸沙的優(yōu)勢(shì)粒徑沿程變化比粘土和粉砂兩組分的變化更清楚，C1站以極細(xì)粉砂(48m

6、)組分為優(yōu)勢(shì)粒徑，平均值約37%，C3站以粗粘土(24m)組分為優(yōu)勢(shì)粒徑，平均值約33%，C2站的優(yōu)勢(shì)粒徑似乎比C1和C3兩站變寬，由粗粘土和極細(xì)粉砂組成，它們的平均值各占29%左右。圖3 椒江河口各測(cè)站(C1、C2、C3)懸沙粒徑分布Particle size distributions of suspended sediment at each anchored station懸沙中徑、平均粒徑及標(biāo)準(zhǔn)偏差的區(qū)域分布比粉砂和粘土兩組分變化復(fù)雜。沿河口方向，懸沙中徑、平均粒徑的平均值C1站表層稍

7、大于C2、C3兩站，而中、底兩層C2站分別大于C1和C3兩站；標(biāo)準(zhǔn)偏差平均值C2站的各層分別均大于C1和C3兩站(表1)。垂直方向上，懸沙中徑、平均粒徑和標(biāo)準(zhǔn)偏差的平均值各測(cè)站均隨水深增加而變大，說(shuō)明懸沙粒徑底層粗于表層，分選底層差于表層。表1 懸沙粒徑主要參數(shù)沿程為變化Principal parameters of suspended sediment particles along estuary 站號(hào)層位樣品數(shù)(個(gè))中徑(m)平均粒徑(m)標(biāo)準(zhǔn)偏差C1表513.985.833.44 中52

8、4.387.084.50 底524.517.704.99 表513.625.443.59C2中525.087.344.92 底525.508.035.45 表453.555.473.58C3中453.735.984.03 底454.056.724.655 懸沙粒徑的潮周期變化5.1 懸沙粒徑的半月潮周期變化懸沙中徑、平均粒徑和標(biāo)準(zhǔn)偏差的變化相對(duì)一致，它們的平均值各站層大潮均大于小潮期(表2)，說(shuō)明懸沙粒徑大潮期粗于小潮期，分選程度大潮期差于小潮期。這表明潮流對(duì)懸沙粒徑分布起著重要作用。表2 各測(cè)站懸沙粒徑主要參數(shù)統(tǒng)

9、計(jì)值Principal parameter statistics of suspended sediment sizes   大   潮   小  潮  站號(hào) 層位樣品數(shù)(個(gè))中徑(m)平均粒徑(m)標(biāo)準(zhǔn)偏差樣品數(shù)(個(gè))中徑(m)平均粒徑(m)標(biāo)準(zhǔn)偏差C1表254.336.813.95263.484.892.95 中264.778.405.32263.995.773.69 底2

10、64.868.975.88264.286.434.10 表263.765.663.75253.475.213.35C2中265.588.165.68264.586.524.16 底265.718.566.07265.297.524.84 表263.655.483.53193.615.463.65C3中263.876.054.12193.805.893.92 底264.207.024.98194.176.324.215.2 懸沙粒徑的半日潮周期變化從圖4和圖5看出，懸沙不同粒徑組分的半日潮周期變化主要反映在<4m(粘土)和>4m(粉砂

11、)兩粒級(jí)組分的增減，并隨著潮汛、區(qū)段和層次的不同存在著一定的差異性。大潮期間，最大渾濁帶向陸側(cè)(C1站)表、底層懸沙<4m粒級(jí)組分漲潮時(shí)段比落潮時(shí)段相對(duì)增加，而>4m粒級(jí)組分則反之(圖4(a)、(b)、(d)、(e)。向海側(cè)(C3站)懸沙粒徑分布變化，底層與C1站的性質(zhì)相反，懸沙<4m粒級(jí)組分漲潮時(shí)段比落潮時(shí)段有所減少，>4m粒級(jí)組分則反之(圖4(g)，(h)；表層與潮流強(qiáng)弱變化密切相關(guān)，在漲落潮流憩流前后約1h時(shí)，懸沙<4m粒級(jí)組分增加，>4m粒級(jí)組分則減少，在漲落潮流速較強(qiáng)時(shí)，<4m粒級(jí)組分相對(duì)減少，懸沙>4m粒級(jí)組分則相應(yīng)增加，這種關(guān)系在顆

12、粒組分中越粗越清晰(圖4(j),(k)。而最大渾濁帶(C2站)懸沙粒徑分布底層屬于另一種性質(zhì)，<4m粒級(jí)組分在漲末落初時(shí)相對(duì)增加，在落末漲初時(shí)則相對(duì)減少，>4m粒級(jí)組分則反之，這兩組組分在落潮時(shí)段保持相對(duì)穩(wěn)定，漲潮時(shí)段因持續(xù)時(shí)間短暫無(wú)明顯的變化規(guī)律(圖5(a)，(b)；表層<4m和>4m兩粒級(jí)組分變化相對(duì)活躍，其中<4m組分在漲落潮最大流速后約1h和落潮流憩流附近明顯減少，而>4m組分則相應(yīng)增加，在漲潮流憩流前后它們?cè)鰷p不定。應(yīng)該指出的是懸沙粒徑分布變化與懸沙濃度增減十分一致，懸沙濃度高值時(shí)，粉砂組分含量一般相應(yīng)增加，粘土組分含量相應(yīng)減少，懸沙濃度低值時(shí)則反

13、之(圖5(d)、(e)。這種特征較底層明顯。圖4 最大渾濁帶向陸側(cè)(C1站)，向海側(cè)(C3站)大潮期懸沙粒度參數(shù)、濃度和潮流速的漲落潮變化過(guò)程圖5 最大渾濁帶(C2站)大潮期懸沙粒度參數(shù)、濃度和潮流速全潮變化過(guò)程Changes in current velocity, suspended sedimentconcentraton, particle size, mean diameter at C0 and C3 stations

14、60;during spring tideChanges in current velocity, suspended sediment concentration, particle size,mean diameter at C2 station during spring tide 小潮期間，從C2站來(lái)看，懸沙<4m粒徑組分底層在漲潮流時(shí)段相對(duì)高于落潮流時(shí)段，表層在漲潮最大流速時(shí)刻顯示出相對(duì)較高值，漲落潮

15、流憩流附近則出現(xiàn)相對(duì)較低值；>4m粒徑組分底、表層與<4m粒徑組分的變化性質(zhì)相反(圖6(a)、(b)、(e)、(f)。其中表層懸沙<4m和>4m兩組粒徑分布變化與懸沙濃度的增減相匹配，即懸沙濃度較高時(shí)，>4m粒徑組分相對(duì)增加，<4m粒徑組分相應(yīng)減少，懸沙濃度較低時(shí)則反之。應(yīng)該指出，無(wú)論大潮期或小潮期，懸沙平均粒徑和標(biāo)準(zhǔn)偏差的半日潮周期變化具有相似的性質(zhì)。當(dāng)懸沙平均粒徑粗化時(shí)，標(biāo)準(zhǔn)偏差變大，當(dāng)懸沙平均粒徑細(xì)化時(shí)，標(biāo)準(zhǔn)偏差變小(圖4(c)、(f)、(i)、(l)；圖5(c)、(f)；圖6(c)、(f)。這說(shuō)明懸沙粒徑變粗，分選趨差，懸沙粒徑變細(xì)，分選趨好。從圖4

16、、圖5和圖6可以看出，懸沙最大平均粒徑和標(biāo)準(zhǔn)偏差雖然與最大流速有著一定的相關(guān)，但主要受制于>16m和<4m兩組粒徑的變化。當(dāng)懸沙>16m粒徑組分增加和<4m粒級(jí)組分減少時(shí)，平均粒徑粗化，標(biāo)準(zhǔn)偏差變大，說(shuō)明懸沙粒徑分布相對(duì)分散；當(dāng)懸沙>16m粒徑組分減少和<4m粒徑組分增加時(shí)，平均粒徑細(xì)化，標(biāo)準(zhǔn)偏差變小，說(shuō)明懸沙粒徑分布趨于集中。圖6 最大渾濁帶(C2站)小潮期懸沙粒度參數(shù)、濃度和潮流速全潮變化過(guò)程    Changes in current velocity, susp

17、ended sediment concentration,particle size,mean diameter at C2 station during neap tide6 懸沙粒徑分布對(duì)潮流動(dòng)力的響應(yīng)河口懸沙粒徑分布主要受制于物質(zhì)來(lái)源和水動(dòng)力條件變化。椒江河口懸沙粒徑分布是物質(zhì)來(lái)源，潮流強(qiáng)度及咸淡水混合等因素綜合作用的結(jié)果。*椒江水文測(cè)驗(yàn)報(bào)告。杭州大學(xué)地理系河口港灣室，1977.6.1 懸沙粒徑分布對(duì)物質(zhì)來(lái)源的響應(yīng)椒江多年平均輸沙量為1.23×106t，其中細(xì)

18、砂占27%，粉砂和粘土分別占27%和46%18。它們主要集中在汛期(49月)向海輸送14，但部分細(xì)顆粒泥沙隨漲落潮流可往返于河口區(qū)。調(diào)查資料表明海門斷面大潮期一個(gè)漲、落潮輸沙量可達(dá)1.28×106t，相當(dāng)于椒江上游一年的來(lái)沙總量。另外，椒江河口高度混濁，懸沙垂線時(shí)均濃度510kg/m3，且以細(xì)顆粒泥沙為主，粘土級(jí)和粉砂級(jí)含量各約占40%和58%，與陸域來(lái)沙極不相稱，這說(shuō)明椒江河口泥沙主要來(lái)源于口外海域。但是椒江河口不同區(qū)段的懸沙粒徑分布受上述兩種泥沙來(lái)源的影響程度不盡相同。位于最大渾濁帶向陸側(cè)(C1站)的懸沙優(yōu)勢(shì)粒徑，平均粒徑和>4m或<4m粒級(jí)組分的分布變化具有表、底兩

19、層相同性質(zhì)，優(yōu)勢(shì)粒徑表、底兩層均為極細(xì)粉砂(48m)組分，各約占36%和37%(圖3(a)；平均粒徑落潮時(shí)段幾乎粗于漲潮時(shí)段，>4m粒級(jí)組分落潮時(shí)段大于漲潮時(shí)段，<4m粒級(jí)組分則反之(圖4(b)、(c)、(e)、(f)。這表明C1站的懸沙粒徑分布明顯受河流上游來(lái)沙的影響。最大渾濁帶向海側(cè)(C3站)表、底兩層的懸沙優(yōu)勢(shì)粒徑也相同，但細(xì)于C1站，均為粗粘土(24m)組分，各約占34%和33%(圖3(c)。懸沙平均粒徑落潮時(shí)段幾乎細(xì)于漲潮時(shí)段，>4m粒徑含量落潮時(shí)段也低于漲潮時(shí)段，<4m粒級(jí)含量則反之(圖4(h)、(i)、(k)、(l)。由此可見，C3站的懸沙粒徑分布與C1的

20、性質(zhì)幾乎不同，說(shuō)明主要受海域來(lái)沙的影響。最大渾濁帶核部(C2站)表、底層的懸沙優(yōu)勢(shì)粒徑變化與C1、C3兩站的性質(zhì)有所不同，表層為粗粘土(24m)組分，與C3站性質(zhì)相同，約占32%，底層則為細(xì)粉砂(48m)組分，與C1站相同，約占37%(圖3(b)。懸沙平均粒徑在漲落潮周期中變化與C3站性質(zhì)相似，落潮時(shí)段多數(shù)細(xì)于漲潮時(shí)段，>4m粒徑含量落潮時(shí)段也多低于漲潮時(shí)段，<4m粒徑含量則反之(圖5(b)、(c)、(e)、(f)。該站的懸沙粒徑分布似乎受海域和河流上游雙向來(lái)沙的共同作用。6.2 懸沙粒徑分布對(duì)潮流的響應(yīng)懸沙中值粒徑、平均粒徑和標(biāo)準(zhǔn)偏差大潮期均大于小潮期，并隨水深增加而變

21、大(表2)，表明懸沙粒徑大潮期粗于小潮期，底層大于表層；懸沙分選大潮期差于小潮期，底層差于表層。這意味著椒江河口懸沙粒徑分布除物質(zhì)來(lái)源影響外，深受底部沉積物再懸浮的作用。從圖4、圖5和圖6可以看出，這種作用大潮期比小潮期明顯，尤以最大渾濁帶核部測(cè)站(C2)最為清楚。圖5顯示出底層漲初(或最大漲潮流速時(shí)刻)，懸沙平均粒徑趨粗，標(biāo)準(zhǔn)偏差變大，>16m粒級(jí)組分相應(yīng)增加；表層因沖刷滯后效應(yīng)作用漲落潮時(shí)段懸沙最大平均粒徑，標(biāo)準(zhǔn)偏差一般發(fā)生在漲落潮最大流速后約12h，>4m粒級(jí)組分明顯增加，它們與懸沙濃度峰值幾乎同時(shí)出現(xiàn)。這說(shuō)明潮流對(duì)椒江河口最大渾濁帶的懸沙粒徑分布起著重要作用。6.3

22、0;懸沙粒徑分布對(duì)懸沙絮凝沉降的響應(yīng)潮汐河口區(qū)由于潮流運(yùn)動(dòng)往往引起咸淡水混合，在這種混合過(guò)程中，粘性細(xì)顆粒泥沙在適當(dāng)?shù)慕橘|(zhì)環(huán)境中可以發(fā)生絮凝沉降。椒江河口鹽度分布雖然具有明顯的洪枯季變化，但除洪季河口上端(C1站)幾乎受淡水控制外，其余基本上均在粘性細(xì)顆粒泥沙絮凝最適宜鹽度324范圍內(nèi)16。在洪季，顯微鏡現(xiàn)場(chǎng)觀察水樣發(fā)現(xiàn)椒江河口有致密和松散兩種結(jié)構(gòu)的絮團(tuán)。前者主要為粘土粒級(jí)組分，在潮流作用下不易破碎，后者由粘土和粉砂組成，明顯受潮流強(qiáng)度，懸沙濃度和鹽度的控制，主要出現(xiàn)在最大渾濁帶底部潮流速小于50cm/s的水體中，中值粒徑一般可比致密狀絮團(tuán)粒徑大610倍，但在水流作用下易破碎分離20。由表2和

23、表3比較可知，河口上端(C1)和口外(C3)兩測(cè)站各層懸沙濃度，中值粒徑和表3 各測(cè)站全潮懸沙濃度平均值 單位(kg/m3)Average suspended sediment concentration during spring and neap tides 站 號(hào)潮汛表 層中 層底 層潮汛表 層中 層底 層C1大潮5.42412.41816.661小潮1.8346.55810.563C22.65410.7221

24、3.7960.8346.73824.948C33.5595.1926.9500.2311.9544.758表4 各測(cè)站全潮鹽度平均值 單位()Average salinity during spring and neap tides 站號(hào)潮汛表層中層底層潮汛表層中層底層C1大潮7.17.67.6小潮7.98.18.0C213.213.914.112.112.912.5C320.820.820.818.420.321.0平均粒徑的平均值大潮期均大于小潮期，類似于杭州灣懸沙濃度，中值粒徑的變化特性21；而最大

25、渾濁帶核部測(cè)站(C2)懸沙中值粒徑和平均粒徑的平均值與C1、C3兩站性質(zhì)相同，每層大潮期均大于小潮期，懸沙濃度平均值表、中兩層雖然大潮期也高于小潮期，但底層小潮期明顯大于大潮期，形成強(qiáng)盛的泥躍層和浮泥層，平均懸沙濃度高達(dá)24.95kg/m3(表3)。這種最大渾濁帶近底層懸沙中值粒徑和平均粒徑的平均值大潮期粗于小潮期，縱向上小潮期粗于向陸側(cè)(C1站)和向海側(cè)(C3站)以及懸沙濃度平均值小潮期大大高于大潮期的特征，可能小潮期主要因潮流動(dòng)力強(qiáng)度比大潮期明顯變?nèi)跤欣趹疑乘缮⑿鯃F(tuán)形成并加快沉降所致20，22。另外，小潮期最大渾濁帶核部存在著(C2站)鹽度垂向分布中、底層出現(xiàn)較明顯的倒置現(xiàn)象(表4)，這

26、可以歸因于細(xì)顆粒泥沙絮凝沉降的作用23。7 結(jié)語(yǔ)1.椒江河口懸沙主要由粉砂和粘土兩粒級(jí)組成，其中粘土(<4m)和極細(xì)粉砂(48m)兩組分的平均含量達(dá)71%，已屬于粘性細(xì)顆粒泥沙范圍。2.懸沙粒徑分布具有河口上游往下游粘土組分遞增，粉砂組分則反之；垂向粘土含量隨水深增加而減少，粉砂含量則與粘土變化呈相反趨勢(shì)。懸沙中徑、平均粒徑和標(biāo)準(zhǔn)偏差的平均值均隨水深增加而變大，說(shuō)明懸沙粒徑分布底層粗于表層，分選程度底層差于表層。3.根據(jù)懸沙中徑、平均粒徑和標(biāo)準(zhǔn)偏差的平均值變化特征，懸沙粒徑分布深受潮汐潮流作用的影響。半月潮周期中，懸沙粒徑大潮期粗于小潮期，分選大潮期差于小潮期。半日潮周期中，當(dāng)

27、底層和表層的潮流速分別高于約50cm/s和100cm/s時(shí)，懸沙>16m粒級(jí)組分相對(duì)增加，平均粒徑粗化，標(biāo)準(zhǔn)偏差變大，懸沙粒徑分布趨于分散；當(dāng)?shù)讓雍捅韺拥某绷魉俑鞯陀诩s50cm/s和100cm/s時(shí)，懸沙<16m粒級(jí)組分相對(duì)增加，平均粒徑細(xì)化，標(biāo)準(zhǔn)偏差變小，懸沙粒徑分布趨于集中。4.從懸沙優(yōu)勢(shì)粒徑、平均粒徑及粘土(<4m)和粉砂(>4m)兩組分的區(qū)域和潮周期的變化來(lái)看，椒江河口最大渾濁帶懸沙粒徑分布深受物質(zhì)來(lái)源、底部沉積物再懸浮物質(zhì)及絮凝沉降3個(gè)因素影響。其中第二個(gè)因素的作用大潮期比小潮期顯著，第三個(gè)因素的作用小潮期則較大潮期明顯。參考文獻(xiàn)1 Allen,&#

28、160;G.P., Salomon, J.C.,et al. Effects of tides on mixing and suspended sediment transport in macrotidal estuaries. Sed. Geol., Vol. 26,69-90,1980.4 Dbereiner, C.and McManus, J.Turbidit

29、y maxium migration and harbor siltation in the Tay Estuary. Can. J.Fish Aquat, Sci., Vol.40.(Suppl.1),117-129,1983.6 Dyer,K.R.Fine sediment particle transport in estuaries. in Physical 

30、Processes in Estuaries, Dronkers, J.and Leussen W.V.(Eds.), Springer-verlag Berlin Heidelberg 1988,P295-309.7 Riethmuller, R.et al. Hydrographic measurements in the turbidity zone of the Wes

31、er Estuary. In Physical Processes in Estuaries, Dronkers, J. and Leussen, W.V.(Eds), Springer-verlag Berlin Heidelberg 1988,P323-346.8 Kirby, R.High concentration suspension (Fluid Mud) layers in estuaries. In Physical Processes in Estuaries, Dronkers, J.and Leussen, W.V.(Eds), Springer-v