椒江河口最大浑浊带悬沙粒径分布及其对潮动力的响应(李伯根 谢钦春 夏小明 李炎 D.…

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椒江河口最大浑浊带悬沙粒径分布及其对潮动力的响应*水利论文%l(` a.Eqx _@u

李伯根 谢钦春 夏小明 李炎水利论文F$?]_pG?f

D.Eisma水利论文&l7{~2~k\A

(国家海洋局第二海洋研究所)水利论文(i:^q8Y7rC d0sY/S

(荷兰海洋研究所 特塞尔岛)

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摘 要以枯水季节大、小潮期3个时间连续(25h)站和1条纵剖面10个瞬时观测站的悬沙粒径资料为基础,通过对悬沙不同粒级,中值粒径及粒度参数的计算和统计,本文讨论了悬沙粒径分布的区域变化和潮汐周期变化,并表明其主要受物质来源、底部沉积物再悬浮物质和絮凝沉降3个因素影响,其中第二个因素的作用大潮期比小潮期显著,第三个因素的作用小潮期则较大潮期明显。水利论文#D\1|'y|2Q"n'|

关键词椒江河口 最大浑浊带 悬沙粒径 响应水利论文wB }yw+SO

*国家自然科学基金项目(编号:49276274),并得到荷兰皇家科学院资助。

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1 前言

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  潮汐河口普遍存在着悬沙浓度明显高于其上、下游的最大浑浊带。它因受洪、枯季径流和潮汐周期变化的作用经常发生向海或向陆迁移[1~3],并对港口航道的淤积产生深刻影响[4,5]。因此,近20年来,国内外许多水文学、沉积学家和海岸工程师们对最大浑浊带的水动力结构、悬沙浓度分布规律、悬沙输移机制以及悬沙絮凝沉降等方面进行了大量的调查和研究[6~11]。但是,除了Schubel对切萨皮克湾最大浑浊带1个测站的悬沙粒径的涨落潮周期变化研究外[12],很少对潮汐河口最大浑浊带悬沙粒径分布的动力过程进行报道。对于椒江河口最大浑浊带的悬沙粒径分布变化, 虽然符宁平等采用某些代表性潮时的悬沙粒径参数曾探讨过悬沙沉降作用[13],可是,到目前为止尚未有过系统的报道。

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图1 研究区域与站位水利论文}}q8|-E-h _@g

Location of studied area and station positions

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  椒江是灵江注入东海(台州湾海域)的过渡河段,并有支流永宁江于三江口汇入(图1),它具有山溪性强潮河口的性质。据上游控制站资料,多年平均流量为110m3/s,洪枯变幅悬殊,最大洪峰流量历史上曾达16300m3/s,最小流量却不足1m3/s;多年平均径流量为51.72×108m3,输沙量约110×104t,其中75%左右的水沙主要集中于4~9月向海输送[14,15]。潮汐是不规则半日潮,据海门站统计,涨、落潮平均历时各为5.1h和7.5h,平均潮差4.01m,最大潮差达6.3m。最大垂线平均流速超过2m/s。最大浑浊带纵向跨度约20km,核部一般位于栅浦与海门之间的区段,悬沙浓度随水深增加,表层一般为1~3kg/m3,底部经常发育着浮泥[16],从而形成一个悬沙,浮泥和床沙的沉积体系。水利论文%_1Ob(d#IT

  本文主要根据枯水季节(1994年11月),大、小潮期不同河段的时间连续站的潮流,悬沙资料,将较系统地讨论最大浑浊带的悬沙粒径分布及其对潮汐动力变化的响应。水利论文;Il,RNzZ

2 方法水利论文glFDf.B0H,}&x9W

  根据最大浑浊带分布变化范围,在其向陆侧、核部、向海侧分别设置1个潮流泥沙时间连续(25h)观测站和1个纵剖面(图1)。各连续站的垂线按相对水深分6层,采用ZX-Ⅱ直读式流速仪和横式采水器间隔1h同时记录流速流向和取水样,纵剖面测站只取水样。水样过滤、悬沙含量按常规方法处理和计算。选表、中(0.6H),底3层共481个悬沙样品,用T-Ⅱ库尔特计数器测定悬沙粒径。然后,按Inman分类法统计不同粒径组分,中径和计算粒度参数[17]水利论文Z#h V)OT^u

3 悬沙粒径的基本特征

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图2 椒江河口悬沙粒径分布水利论文 e4Dr!`zo o[

Particle size distributions of suspended sediment

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from 481 samples水利论文T1h'jp h"n0^Z4w(X

  椒江河口悬沙主要由粉砂和粘土两粒级组成,其中粉砂含量随水深增加而升高,粘土含量则与粉砂的垂向变化相反。粉砂含量表、底层的平均值分别约54%和65%,粘土含量表、底层各约46%和34%(图2)。粘土(<4μm)和极细粉砂(4~8μm)两组分含量的平均值达71%,说明椒江悬沙已属粘性细颗粒泥沙范围。水利论文t:Z6C3|7q$~2T2n

4 悬沙粒径的区域变化 水利论文a+F%FDn3h}&B'KK

  由图3(a)与图3(b)和图3(c)比较可知,椒江河口悬沙粒径分布具有区段变化,粘土组分沿河口往下游递增,粉砂组分则与粘土组分变化的趋势相反。粘土组分的平均值在最大浑浊带向陆侧(C1站),核部(C2站),及向海侧(C3站)分别为36%、38%和48%,粉砂组分的平均值C1站,C2站和C3站各为63%,61%和51%。另一方面,悬沙的优势粒径沿程变化比粘土和粉砂两组分的变化更清楚,C1站以极细粉砂(4~8μm)组分为优势粒径,平均值约37%,C3站以粗粘土(2~4μm)组分为优势粒径,平均值约33%,C2站的优势粒径似乎比C1和C3两站变宽,由粗粘土和极细粉砂组成,它们的平均值各占29%左右。水利论文uBRmf7gF

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图3 椒江河口各测站(C1、C2、C3)悬沙粒径分布水利论文*[&b es]a

Particle size distributions of suspended sediment at each anchored station水利论文$BY(bX$e ^ki

  悬沙中径、平均粒径及标准偏差的区域分布比粉砂和粘土两组分变化复杂。沿河口方向,悬沙中径、平均粒径的平均值C1站表层稍大于C2、C3两站,而中、底两层C2站分别大于C1和C3两站;标准偏差平均值C2站的各层分别均大于C1和C3两站(表1)。垂直方向上,悬沙中径、平均粒径和标准偏差的平均值各测站均随水深增加而变大,说明悬沙粒径底层粗于表层,分选底层差于表层。

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表1 悬沙粒径主要参数沿程为变化

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Principal parameters of suspended sediment particles along estuary

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站号

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层位

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5 悬沙粒径的潮周期变化水利论文?&O*r"W Kk

5.1 悬沙粒径的半月潮周期变化水利论文z4CP S{"AN6U

  悬沙中径、平均粒径和标准偏差的变化相对一致,它们的平均值各站层大潮均大于小潮期(表2),说明悬沙粒径大潮期粗于小潮期,分选程度大潮期差于小潮期。这表明潮流对悬沙粒径分布起着重要作用。

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表2 各测站悬沙粒径主要参数统计值水利论文+uI%O5t|w1]

Principal parameter statistics of suspended sediment sizes水利论文*i&m&\`-{)Z#? c9c


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5.2 悬沙粒径的半日潮周期变化 水利论文M&U8gW2LFm

 从图4和图5看出,悬沙不同粒径组分的半日潮周期变化主要反映在<4μm(粘土)和>4μm(粉砂)两粒级组分的增减,并随着潮汛、区段和层次的不同存在着一定的差异性。大潮期间,最大浑浊带向陆侧(C1站)表、底层悬沙<4μm粒级组分涨潮时段比落潮时段相对增加,而>4μm粒级组分则反之(图4(a)、(b)、(d)、(e))。向海侧(C3站)悬沙粒径分布变化,底层与C1站的性质相反,悬沙<4μm粒级组分涨潮时段比落潮时段有所减少,>4μm粒级组分则反之(图4(g),(h));表层与潮流强弱变化密切相关,在涨落潮流憩流前后约1h时,悬沙<4μm粒级组分增加,>4μm粒级组分则减少,在涨落潮流速较强时,<4μm粒级组分相对减少,悬沙>4μm粒级组分则相应增加,这种关系在颗粒组分中越粗越清晰(图4(j),(k))。而最大浑浊带(C2站)悬沙粒径分布底层属于另一种性质,<4μm粒级组分在涨末落初时相对增加,在落末涨初时则相对减少,>4μm粒级组分则反之,这两组组分在落潮时段保持相对稳定,涨潮时段因持续时间短暂无明显的变化规律(图5(a),(b));表层<4μm和>4μm两粒级组分变化相对活跃,其中<4μm组分在涨落潮最大流速后约1h和落潮流憩流附近明显减少,而>4μm组分则相应增加,在涨潮流憩流前后它们增减不定。应该指出的是悬沙粒径分布变化与悬沙浓度增减十分一致,悬沙浓度高值时,粉砂组分含量一般相应增加,粘土组分含量相应减少,悬沙浓度低值时则反之(图5(d)、(e))。这种特征较底层明显。

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图4 最大浑浊带向陆侧(C1站),向海侧(C3站)大潮期悬沙粒度参数、浓度和潮流速的涨落潮变化过程

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图5 最大浑浊带(C2站)大潮期悬沙粒度参数、浓度和潮流速全潮变化过程

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Changes in current velocity, suspended sedimentconcentraton, particle size, mean diameter at C0and C3stations during spring tide水利论文Xx}([3O/a#fQ

Changes in current velocity, suspended sediment concentration, particle size,mean diameter at C2station during spring tide水利论文rTiPb p m6U

  小潮期间,从C2站来看,悬沙<4μm粒径组分底层在涨潮流时段相对高于落潮流时段,表层在涨潮最大流速时刻显示出相对较高值,涨落潮流憩流附近则出现相对较低值;>4μm粒径组分底、表层与<4μm粒径组分的变化性质相反(图6(a)、(b)、(e)、(f))。其中表层悬沙<4μm和>4μm两组粒径分布变化与悬沙浓度的增减相匹配,即悬沙浓度较高时,>4μm粒径组分相对增加,<4μm粒径组分相应减少,悬沙浓度较低时则反之。水利论文lU DpC3DlR

  应该指出,无论大潮期或小潮期,悬沙平均粒径和标准偏差的半日潮周期变化具有相似的性质。当悬沙平均粒径粗化时,标准偏差变大,当悬沙平均粒径细化时,标准偏差变小(图4(c)、(f)、(i)、(l);图5(c)、(f);图6(c)、(f))。这说明悬沙粒径变粗,分选趋差,悬沙粒径变细,分选趋好。从图4、图5和图6可以看出,悬沙最大平均粒径和标准偏差虽然与最大流速有着一定的相关,但主要受制于>16μm和<4μm两组粒径的变化。当悬沙>16μm粒径组分增加和<4μm粒级组分减少时,平均粒径粗化,标准偏差变大,说明悬沙粒径分布相对分散;当悬沙>16μm粒径组分减少和<4μm粒径组分增加时,平均粒径细化,标准偏差变小,说明悬沙粒径分布趋于集中。水利论文9cyEz&M?)\

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图6 最大浑浊带(C2站)小潮期悬沙粒度参数、浓度和潮流速全潮变化过程

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    Changes in current velocity, suspended sediment concentration,particle size,mean diameter at C2 station during neap tide

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6 悬沙粒径分布对潮流动力的响应

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  河口悬沙粒径分布主要受制于物质来源和水动力条件变化。椒江河口悬沙粒径分布是物质来源,潮流强度及咸淡水混合等因素综合作用的结果。水利论文@Jhi~-y

*椒江水文测验报告。杭州大学地理系河口港湾室,1977.

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6.1 悬沙粒径分布对物质来源的响应水利论文!ARt~M_n$kj

  椒江多年平均输沙量为1.23×106t,其中细砂占27%,粉砂和粘土分别占27%和46%[18]。它们主要集中在汛期(4~9月)向海输送[14],但部分细颗粒泥沙随涨落潮流可往返于河口区。调查资料表明海门断面大潮期一个涨、落潮输沙量可达1.28×106t,相当于椒江上游一年的来沙总量。另外,椒江河口高度混浊,悬沙垂线时均浓度5~10kg/m3,且以细颗粒泥沙为主,粘土级和粉砂级含量各约占40%和58%,与陆域来沙极不相称,这说明椒江河口泥沙主要来源于口外海域。但是椒江河口不同区段的悬沙粒径分布受上述两种泥沙来源的影响程度不尽相同。位于最大浑浊带向陆侧(C1站)的悬沙优势粒径,平均粒径和>4μm或<4μm粒级组分的分布变化具有表、底两层相同性质,优势粒径表、底两层均为极细粉砂(4~8μm)组分,各约占36%和37%(图3(a));平均粒径落潮时段几乎粗于涨潮时段,>4μm粒级组分落潮时段大于涨潮时段,<4μm粒级组分则反之(图4(b)、(c)、(e)、(f))。这表明C1站的悬沙粒径分布明显受河流上游来沙的影响。

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  最大浑浊带向海侧(C3站)表、底两层的悬沙优势粒径也相同,但细于C1站,均为粗粘土(2~4μm)组分,各约占34%和33%(图3(c))。悬沙平均粒径落潮时段几乎细于涨潮时段,>4μm粒径含量落潮时段也低于涨潮时段,<4μm粒级含量则反之(图4(h)、(i)、(k)、(l))。由此可见,C3站的悬沙粒径分布与C1的性质几乎不同,说明主要受海域来沙的影响。水利论文 Jw$yx#t

  最大浑浊带核部(C2站)表、底层的悬沙优势粒径变化与C1、C3两站的性质有所不同,表层为粗粘土(2~4μm)组分,与C3站性质相同,约占32%,底层则为细粉砂(4~8μm)组分,与C1站相同,约占37%(图3(b))。悬沙平均粒径在涨落潮周期中变化与C3站性质相似,落潮时段多数细于涨潮时段,>4μm粒径含量落潮时段也多低于涨潮时段,<4μm粒径含量则反之(图5(b)、(c)、(e)、(f))。该站的悬沙粒径分布似乎受海域和河流上游双向来沙的共同作用。水利论文1h0^%N$|X"W ^F)L

  另据瞬时观测站的悬沙粘土矿物分析表明,椒江河口悬沙粘土矿组合主要由伊利石、蒙脱石、绿泥石和高岭石组成。它们的含量分别占39~52%、25~42%、8~12%和6~8%,与长江口、杭州湾和浙江沿岸其它海域的悬沙粘土矿物含量十分相似,但是,伊利石与蒙脱石的比值与这些海域有所不同,由海向陆呈波动状从P10站的1.9减至P1站的1.1[19]。这意味着椒江河口最大浑浊带悬沙粒径分布向海侧(C3站)受海域来沙影响较向陆侧(C1站)明显,反之,向陆侧受河流上游来沙影响较向海侧敏感。

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6.2 悬沙粒径分布对潮流的响应

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  悬沙中值粒径、平均粒径和标准偏差大潮期均大于小潮期,并随水深增加而变大(表2),表明悬沙粒径大潮期粗于小潮期,底层大于表层;悬沙分选大潮期差于小潮期,底层差于表层。这意味着椒江河口悬沙粒径分布除物质来源影响外,深受底部沉积物再悬浮的作用。从图4、图5和图6可以看出,这种作用大潮期比小潮期明显,尤以最大浑浊带核部测站(C2)最为清楚。图5显示出底层涨初(或最大涨潮流速时刻),悬沙平均粒径趋粗,标准偏差变大,>16μm粒级组分相应增加;表层因冲刷滞后效应作用涨落潮时段悬沙最大平均粒径,标准偏差一般发生在涨落潮最大流速后约1~2h,>4μm粒级组分明显增加,它们与悬沙浓度峰值几乎同时出现。这说明潮流对椒江河口最大浑浊带的悬沙粒径分布起着重要作用。

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6.3 悬沙粒径分布对悬沙絮凝沉降的响应水利论文*UX+G/Q:kP2~f/g

  潮汐河口区由于潮流运动往往引起咸淡水混合,在这种混合过程中,粘性细颗粒泥沙在适当的介质环境中可以发生絮凝沉降。椒江河口盐度分布虽然具有明显的洪枯季变化,但除洪季河口上端(C1站)几乎受淡水控制外,其余基本上均在粘性细颗粒泥沙絮凝最适宜盐度3~24‰范围内[16]。在洪季,显微镜现场观察水样发现椒江河口有致密和松散两种结构的絮团。前者主要为粘土粒级组分,在潮流作用下不易破碎,后者由粘土和粉砂组成,明显受潮流强度,悬沙浓度和盐度的控制,主要出现在最大浑浊带底部潮流速小于50cm/s的水体中,中值粒径一般可比致密状絮团粒径大6~10倍,但在水流作用下易破碎分离[20]。由表2和表3比较可知,河口上端(C1)和口外(C3)两测站各层悬沙浓度,中值粒径和

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表3 各测站全潮悬沙浓度平均值 单位(kg/m3)

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Average suspended sediment concentration during spring and neap tides水利论文A ZM'Q(O


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表4 各测站全潮盐度平均值 单位(‰)水利论文yQ?!\+Aj;{

Average salinity during spring and neap tides

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平均粒径的平均值大潮期均大于小潮期,类似于杭州湾悬沙浓度,中值粒径的变化特性[21];而最大浑浊带核部测站(C2)悬沙中值粒径和平均粒径的平均值与C1、C3两站性质相同,每层大潮期均大于小潮期,悬沙浓度平均值表、中两层虽然大潮期也高于小潮期,但底层小潮期明显大于大潮期,形成强盛的泥跃层和浮泥层,平均悬沙浓度高达24.95kg/m3(表3)。这种最大浑浊带近底层悬沙中值粒径和平均粒径的平均值大潮期粗于小潮期,纵向上小潮期粗于向陆侧(C1站)和向海侧(C3站)以及悬沙浓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动力强度比大潮期明显变弱有利于悬沙松散絮团形成并加快沉降所致[20,22]。另外,小潮期最大浑浊带核部存在着(C2站)盐度垂向分布中、底层出现较明显的倒置现象(表4),这可以归因于细颗粒泥沙絮凝沉降的作用[23]

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7 结语

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  1.椒江河口悬沙主要由粉砂和粘土两粒级组成,其中粘土(<4μm)和极细粉砂(4~8μm)两组分的平均含量达71%,已属于粘性细颗粒泥沙范围。水利论文 U;p8_o? p'f,g[1d

  2.悬沙粒径分布具有河口上游往下游粘土组分递增,粉砂组分则反之;垂向粘土含量随水深增加而减少,粉砂含量则与粘土变化呈相反趋势。悬沙中径、平均粒径和标准偏差的平均值均随水深增加而变大,说明悬沙粒径分布底层粗于表层,分选程度底层差于表层。

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  3.根据悬沙中径、平均粒径和标准偏差的平均值变化特征,悬沙粒径分布深受潮汐潮流作用的影响。半月潮周期中,悬沙粒径大潮期粗于小潮期,分选大潮期差于小潮期。半日潮周期中,当底层和表层的潮流速分别高于约50cm/s和100cm/s时,悬沙>16μm粒级组分相对增加,平均粒径粗化,标准偏差变大,悬沙粒径分布趋于分散;当底层和表层的潮流速各低于约50cm/s和100cm/s时,悬沙<16μm粒级组分相对增加,平均粒径细化,标准偏差变小,悬沙粒径分布趋于集中。

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  4.从悬沙优势粒径、平均粒径及粘土(<4μm)和粉砂(>4μm)两组分的区域和潮周期的变化来看,椒江河口最大浑浊带悬沙粒径分布深受物质来源、底部沉积物再悬浮物质及絮凝沉降3个因素影响。其中第二个因素的作用大潮期比小潮期显著,第三个因素的作用小潮期则较大潮期明显。

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