長江口沉積物再懸浮與沉降的時空分布

豐富的來水和沙資源的共同作用在長江和東海的交匯處形成了典型的三角洲平原河口。長江口是一個典型的三角洲河口，有三個潮汐強度在三個層面和四個海盜中傳播，產水量大，季節變化顯著。同時，受海洋潮汐和海岸周邊地區循環的影響，動力學條件非常復雜。這項研究的內容包括：由于海拔高度的變化對長江三角洲沉積物的影響、物質和物質特征的性質、底邊界層的粘土沙量、沙量的動態特征和輸運模式以及不同的海拔高度。水的動力條件和水體的含沙量是影響現代長江河口地形形狀的主要因素。在河流的頂部，沉積物在時間和空間上的分布可以再次分布，這是水體和土壤之間的物質交換速度。這是形成最大的渾濁帶、改變沖積帶和影響初級生產力的重要因素之一[8.11]。長江口枯季徑流影響相對較小,潮流動力較強,可以更好地研究潮流作用下的細顆粒沉積物運動狀況.南京大學海岸與海島開發教育部重點實驗室與華東師范大學河口海岸國家重點實驗室于2004年2月13～22日的大、小潮期間,在長江口北港及口外的3個站點進行了流速、懸沙濃度和鹽度等項目的觀測,本文研究了觀測期間水動力、懸沙以及鹽度的時空分布特征,以及該地區底部沉積物的再懸浮作用,并計算了再懸浮與沉降通量,以獲得對長江口門區域再懸浮與沉降特征的認識.1材料和方法1.1溫度、流速測定2004年2月13日～15日(小潮)在長江口K0407、K0412站位,20日～22日(大潮)在K0413、K0412站位,進行了潮周期連續觀測(圖1).觀測方法包括:1)使用直讀式流速儀,在分別距海面0.5m,以及0.2H、0.4H、0.6H、0.8H(H為水深)和距海底0.5m處,測流速、流向,每個位置連續測三組數據后取平均值;2)使用采水器,在上述層位采集水樣,其中K0407站每小時采集一個水樣,其余站位每兩小時采集一個水樣;3)使用美國SeaBird公司SBE-25型CTD(溫鹽深),進行溫度、導電率剖面觀測,數據采集頻率為1Hz;4)在K0407站每兩小時用蚌式采樣器采集底質樣,其余站位零星采集底質樣.1.2樣品分析與積累動力學參數的計算1.2.1水樣及皮質粒級測量將野外采集的水樣使用0.45μm孔徑的濾膜進行室內抽濾、在烘箱中40℃下烘干,稱重,計算懸沙濃度(kgm-3).上述水樣以及底質樣品均采用英國Malvern公司Mastersizer2000型激光粒度儀(測量范圍為0.01～2000μm,粒級分辨率為0.1Υ,重復測量的相對誤差<3%)進行測量,并按照0.5Υ間距輸出樣品各粒級的百分含量,再采用矩值法計算粒度參數,包括平均粒徑、分選系數、偏態系數和峰態.1.2.2長江口攔門沙地區上地殼沉積的流體特征對于非粘性沉積物-水界面,底床上可發生再懸浮的沉積物的數量與剩余剪切應力的大小成比例.但對于粘性沉積物-水界面的物質交換通常用侵蝕和沉降通量來表示,侵蝕通量可表示為:沉降通量表達式為:式中:分別為侵蝕和沉降通量(kgm-2s-1),τ0和τcr分別為底部切應力和侵蝕臨界切應力(kgm-1s-1),Cb為近底部懸沙濃度(kgm-3),ws為懸沙沉降速度(ms-1),E是再懸浮常數.長江口是深受人類活動影響的地區,水體中以有機性顆粒物為主因此更適合用粘性懸浮顆粒的沉降速度公式計算懸沙的沉降濃度.對于粒徑小于1mm絮團,其在海水中的沉降速度可表示為:D50為底部沉積物的中值粒徑(m).在近岸和淺海區域,在浪流共同作用下使近底部流速超過沉積物臨界起動流速時,沉積物處于活動狀態.在海洋環境中,距離底床100cm處的流速μ100被認為對沉積物搬運有重要的作用,故采用μ100作為近底部流速.根據馮卡門-普朗特(vonKarmanPrandtl)流速對數分布剖面公式:可以計算出u100的數值.上式中κ是vonKarman常數,海洋環境中可取值0.4,u*為底床摩阻流速(m/s),z為距底床高度(m),z0為粗糙長度(m).長江口攔門沙地區底部沉積物的臨界起動流速為0.4～0.5m/s,本文取值為0.45m/s.因此,可得:2結果2.1潮周期內流速特征在長江口外海區(K0407站位)小潮期間的觀測結果表明,漲潮歷時與落潮歷時基本相同,為規則的半日潮.在漲憩和落憩期間,流速相對較小,在落急和漲急過程中流速增大,出現了兩個高流速分布區.自海面向下,流速呈減小趨勢.上層流速變化劇烈,漲憩期表層流速減小至0.4m/s以下,最高潮至落急期上層流速增大至1.4m/s.中層流速在潮周期內變化趨勢與下層流速一致,變化幅度較小.底層流速較小,變化不明顯.最大實測流速為1.41m/s(距表0.5m),于最高潮3h后出現.最小實測流速為0.2m/s(距底0.5m),于最高潮4h后出現(圖2、3).漲急時刻垂線平均流速流向為256°,落急時刻為72°.同樣處于小潮期間,長江口北港內(K0412站位)則表現出了不同的潮汐特征,落潮歷時大于漲潮歷時,為不規則的半日潮,應為徑流作用及潮波傳入河口后的變形效應所致.兩個潮周期內,最低潮及最高潮時流速較大,轉流時流速較小.流速變化比較均勻,流速自海面向海底略有減小;漲急期流速也有所增大,但略小于落急期的流速.最大實測流速為1.71m/s(0.2H),于最低潮時刻出現.最小實測流速為0.04m/s(距底0.5m),于最高潮3h后出現(圖2、3).漲急時刻垂線平均流向為271°,落急時刻為88°.此外,該站位大潮期落潮歷時仍大于漲潮歷時,再次表明該區域受徑流影響較為顯著.流速潮周期內變化也與小潮期間類似,但在數值上顯著大于小潮期的流速在落急時期出現最大流速(最低潮2h前),其值為2.88m/s(0.2H);最小實測流速為0.11m/s(距底0.5m),于最高潮1h后出現(圖2、3).潮周期內,流速垂線分布自表向底減小.漲急時刻垂線平均流速流向為232°,落急時刻為76°.在北港口門(K0413站位)大潮期間,落潮歷時與漲潮歷時相同,為規則的半日潮.潮周期內,流速在垂線上分層現象明顯,流速自上至下逐漸減小,底部流速的變化不大.落潮流速大于漲潮流速,最大實測流速為2.21m/s(距海面0.5m),于最低潮2h前出現.最小實測流速為0.12m/s(0.8H),于最高潮2h后出現(圖2、3).漲急時刻垂線平均流向為258°,落急時刻為83°.2.2潮周期內懸沙分布長江口外(K0407站位)在小潮期間的觀測結果表明,懸沙濃度在潮周期內變化,除轉流時期有一個較明顯的增大,出現最大懸沙濃度分布區外,其余時期懸沙濃度變化不明顯.潮周期內,懸沙濃度垂線分布為自表至底增大.上層懸沙濃度很小,漲潮時變化不大,落急時濃度增大.中層和底層懸沙濃度在低平潮時達到峰值,漲潮后減小,至高平潮時達到最小值,落潮后又逐漸增大.最大實測懸沙濃度為1.429kgm-3(距底0.5m),于最低潮1h后出現.最小實測懸沙濃度為0.007kgm-3(距表0.5m),于最高潮1h后出現(圖4).長江口北港內(K0412站位),小潮期間上部懸沙濃度極小,底部懸沙濃度在潮周期內變化劇烈,在兩個轉流時期懸沙濃度較大.最大實測懸沙濃度為1.689kgm-3(距底0.5m),于最高潮2h前出現.最小實測懸沙濃度為0.017kgm-3(0.6H),于最低潮時刻出現(圖4).在大潮期間,潮周期內,懸沙濃度分層較明顯,垂線分布自表至底增大,在低平潮至漲潮階段,底部懸沙濃度出現一個最大分布區;在高平潮至落潮過程中則出現一個懸沙濃度最小分布區.最大實測懸沙濃度為2.457kgm-3(距底0.5m),于最低潮2h后出現.最小實測懸沙濃度為0.123kgm-3(距表0.5m),于最低潮2h前出現(圖4).同為大潮期間,在北港口門(K0413站位),低平潮和開始落潮時期存在兩個懸沙濃度最大分布區,漲潮時期懸沙濃度相對較小.最大實測懸沙濃度為1.266kgm-3(0.6H),于最高潮時刻出現.最小實測懸沙濃度為0.199kgm-3(距表0.5m),于最低潮2h前出現(圖4).2.3漲閑期內的鹽度分布在小潮期間觀測周期內,長江口外(K0407站位)在漲潮過程中,鹽度的垂線變化自海底向海面減小,隨水位升高,上層鹽度逐漸增大.落潮過程中,在垂線和時間過程中鹽度無變化從鹽度剖面上可以看出鹽度存在顯著的分層現象,在漲潮時期鹽度的變化較大,高平潮時期中下層存在一個峰值鹽度分布區;在落潮期間鹽度分布比較均一.實測的鹽度最大值為30.85,出現在漲憩期的底部(14∶00);最小值為15.69,出現在漲憩期的表層(13:00)(圖5).長江口北港內(K0412站位)在小潮期間觀測周期內的鹽度變化與口外站位差別很大,在高潮位期,中下層鹽度較大,落潮過程中,中下部鹽度變小,至落急期鹽度減小至與表層鹽度相等,此后除底部鹽度略有變化外,垂線上鹽度一致,數值較小.說明落潮后期至漲潮初期本站位以徑流作用為主.實測的鹽度最大值為19.27,出現在落潮初期的底部(6:00);最小值為1.18,出現在低平潮時的表層(14:00)(圖5).該站位在大潮觀測期內的鹽度分布與小潮又有所不同,與小潮期相比,底部鹽度有所增大.實測的鹽度最大值為25.55,出現在落潮初期的底部(14:00);最小值為2.67,出現在漲潮初期的表層(21:00)(圖5).在長江口北港口門(K0413站位),在落潮初期鹽度在垂線方向下部鹽度較大,上部較小.其余時刻,鹽度在垂線方向上的變化較小(圖5).潮周期內,落潮初期的鹽度較大,漲潮初期的鹽度較小.實測的鹽度最大值為25.22,出現在落潮初期的底部(13:00);最小值為10.09,出現在漲潮初期的表層(20:00)(圖5).2.4沉積物顆粒的時空分布特征2.4.1潮期間沉積物的細化底質樣品粒度參數見表1,沉積物基本屬于粉砂.長江口外(K0407站位),高平潮和低平潮期間,存在較顯著的沉積物細化趨勢,可能與懸沙沉降有關;沉積物的分選在漲/落急時較好,峰態值也較小.北港口門處(K0413站位)沉積物較其他站位略粗.北港內(K0412站位)在小潮期間落急時刻,沉積物較粗,漲急時刻沉積物變細(與大潮期間漲潮初期大致相當).2.4.2沉沙中值粒徑觀測期間,懸沙基本為粉砂.長江口外(K0407站位)小潮觀測期內,懸沙中值粒徑為6.205Υ～7.315Υ,漲、落急時中值粒徑值減小(圖6).分選系數0.741～1.336,高潮時期分選中等,低潮時期分選較差.偏態系數除高平潮期上層為0.36～0.61(正偏)外,多呈負偏.峰態數0.941～1.705,高潮期峰態中等,低潮期峰態寬.長江口北港內(K0412站位)在小潮觀測期內,中值粒徑為6.167Υ～7.357Υ,漲、落急期中值粒徑減小,平潮期中值粒徑增大(圖6).平均粒徑6.21Υ～7.309Υ.分選系數0.842(中等)～1.3(較差).偏態系數-0.079～-1.088,除少數樣品近對稱,基本上為負偏.峰態1.065～1.718,除高潮位時期底層4個樣品峰態寬,其它峰態中等.北港內該站位在大潮觀測期內,中值粒徑為4.976Υ～6.905Υ,明顯大于小潮的中值粒徑,落急期中值粒徑減小到最小值,平潮時增大到最大值(圖6).平均粒徑5.246Υ～6.84Υ.分選較差,系數為1.027～1.605.偏態系數落潮過程-0.896～-0.234(負偏),漲潮過程0.232～1.2(正偏).峰態1.293～1.976,基本上峰態寬.大潮期間,在長江口北港口門(K0413站位),中值粒徑為4.703Υ～6.665Υ,中下層懸沙中值粒徑變化較大,漲急時期出現最小值,平潮時期急劇增大到最大值(圖6).平均粒徑5.09Υ～6.627Υ.分選系數1.005～1.674(分選較差).偏態系數-1.057～1.31,分布不規則.峰態寬(1.274～2.013).沉積物類型低平潮和高平潮為砂質粉砂,其余為粉砂.2.5徑流分布特征在長江口北港內(K0412站位),大小潮期間的沉積動力過程有一定差異,主要表現在潮差、流速、懸沙濃度與鹽度等方面.小潮時觀測期間的潮差為1.91m,大潮時為3.17m.大小潮時都是落潮后期至平流和漲潮后期至平流兩個階段流速較大,且落潮的流速略大于漲潮的流速.在大小潮時期站位均是在漲潮期間流速的較大的時候底部懸沙濃度較大,而其他時候懸沙濃度較小,大潮的懸沙濃度要高于小潮.大潮時高潮位時期鹽度較高,鹽度分布比較均勻,小潮時鹽度一直較低,只有在觀測初期底部鹽度變化較大,說明小潮時徑流的作用占主導.大潮的底部懸沙平均粒徑值比小潮時要顯著偏粗.從空間分布上看,小潮時長江口外(K0407)潮差為2.56m,比北港內K0412站位小潮期間的潮差大0.45m,流速分層較明顯,下部流速在潮周期內變化不大,上部流速在漲急和落急時刻的表層流速有所增大,而北港內站位在小潮期間流速分布出現明顯的“四高三低”,說明口外站位受到徑流作用的影響不大.口外小潮期間懸沙濃度分布有明顯的成層現象,高平潮時期底部懸沙濃度較小,落急至落憩低水位時期底部懸沙濃度有所增大,北港內(K0412)則是在高潮位時期底部懸沙濃度較大,其最大值(1.68kgm-3)大于長江口外站位(1.43kgm-3).口外漲潮時鹽度大于落潮,鹽度范圍在15.69～30.85,說明口外海洋動力占優,以潮流作用為主,但受徑流作用影響,所以鹽度分布有差異.而北港內觀測周期內大部分鹽度小于6,說明該站位主要受到徑流的作用.大潮時,北港口門潮差為3.5m,流速分布為“兩高兩低”,與北港內K0412站位相似,但最大流速2.21m/s小于北港內最大流速2.88m/s.北港口門K0413站位懸沙濃度分布與北港內K0412站位不同,在轉流期間底部懸沙濃度相對較大,與之相比較,北港內在大潮期間在漲潮初期流速較小時底部出現一個高懸沙濃度分布區,可能與水柱中的懸沙沉降有關.北港口門處在落潮期間鹽度高于漲潮期間,觀測期間的鹽度大于北港內K0412站位,說明北港口門處受潮流影響比北港內大.2.6小潮觀測周期內懸沙分布根據公式(1)、(2)可知,當時,發生再懸浮現象,反之,當時,則有沉降現象發生.圖7反映出4個站位在觀測周期內的的變化.結果顯示,長江口外(K0407站位)在小潮期間沒有再懸浮現象發生,在觀測期間主要以沉降作用為主,但沉降通量很小,為1.02×10-11～2.40×10-9kgm-2s-1(表2).該站位的底部懸沙中值粒徑平均比底質樣品中值粒徑大1Υ,即較細.而長江口北港內(K0412站位),在小潮觀測周期內對應于出現懸沙濃度值較大分布的時期出現了3個再懸浮期,分別為觀測周期內兩個落急期和一個漲急期,再懸浮作用較強;在大潮觀測周期內,再懸浮通量較大,其中以落急和漲急時期最為顯著,落急時期較漲急時期又更大一些,尤其是再懸浮發生最劇烈的時期對應于一個底部流速最大分布區,表明底部懸沙濃度的變化主要由再懸浮作用控制.長江口北港口門站位處落急時期和落潮初期出現明顯的再懸浮現象,對應于兩個高懸沙濃度分布區.綜上所述,北港內