椒江河口懸沙濃度時(shí)空變化特征分析

徐 海，武小勇，張沈陽，王 璟

（1.浙江省河海測(cè)繪院，浙江 杭州 310008；2.國家海洋局第二海洋研究所，浙江 杭州 310012）

椒江河口懸沙濃度時(shí)空變化特征分析

徐 海1，武小勇2，張沈陽1，王 璟1

（1.浙江省河海測(cè)繪院，浙江 杭州 310008；2.國家海洋局第二海洋研究所，浙江 杭州 310012）

2013年12月和2014年6月，在椒江河口各布設(shè)6個(gè)水文觀測(cè)站，進(jìn)行洪枯2季大小潮水文觀測(cè)，以此實(shí)測(cè)資料為基礎(chǔ)，分析了椒江河口懸沙濃度的時(shí)空分布變化特征。結(jié)果表明：① 椒江河口懸沙濃度一般而言枯季高于洪季，大潮高于小潮；② 縱向分布上，從上游椒江河道向下游椒江口門，再至臺(tái)州灣海域，懸沙濃度逐漸降低；③ 垂向分布上，椒江河口最大渾濁帶內(nèi)發(fā)育有泥躍層是其垂向分布的最顯著特點(diǎn)。泥躍層的發(fā)育受潮流速、懸沙濃度、鹽度的共同影響，枯季較洪季發(fā)育顯著，枯季小潮時(shí)最為發(fā)育。

椒江河口；懸沙濃度；最大渾濁帶；時(shí)空變化；泥躍層

1 問題的提出

懸沙濃度是河口的重要屬性之一，河口懸沙濃度的時(shí)空變化是懸沙運(yùn)動(dòng)的重要特征體現(xiàn)，反映了不同水動(dòng)力環(huán)境作用下的結(jié)果，而水動(dòng)力環(huán)境是塑造河口地貌、促使河口演變的主要?jiǎng)恿σ蛩豙1]。因此，開展河口懸沙濃度時(shí)空變化特征的研究，對(duì)河口海岸工程學(xué)、地貌學(xué)具有重要意義，長(zhǎng)期以來一直引起河口海岸學(xué)者、港口航道工程師及環(huán)境保護(hù)學(xué)者的濃厚興趣。

椒江河口作為高度渾濁河口，發(fā)育最大渾濁帶，關(guān)于其懸浮泥沙的研究歷來受到研究學(xué)者的廣泛重視。孫志林研究了椒江河口最大渾濁帶的成因[2]；符寧平和畢敖洪通過椒江河口懸沙的沉降機(jī)理研究，提出單顆粒沉降和絮凝沉降兩種沉降方式[3]；20世紀(jì)90年代中后期至今的10多年來，有多位學(xué)者對(duì)椒江河口最大渾濁帶的懸沙垂向分布特征、懸沙粒徑分布變化、細(xì)顆粒泥沙沉積動(dòng)力機(jī)制、底部泥沙運(yùn)移、泥躍層的形成機(jī)理以及浮泥分布規(guī)律等方面進(jìn)行了深入的研究[4-7]。近年來隨著椒江河口整治開發(fā)力度的加大，開展了數(shù)次較大規(guī)模的水文泥沙觀測(cè)，但對(duì)椒江河口懸沙濃度時(shí)空分布變化特征的研究鮮有報(bào)道。

根據(jù)2013年12月4 — 12日(枯季)和2014年6月14 — 22日(洪季)水文泥沙觀測(cè)資料，對(duì)椒江河口懸沙濃度的平面分布和垂向分布特征、大小潮之間和洪枯季之間的變化規(guī)律進(jìn)行較為系統(tǒng)的研究分析，有利于深入認(rèn)識(shí)椒江河口海陸相互作用的特點(diǎn)，豐富椒江河口開發(fā)治理的科學(xué)依據(jù)。

2 研究區(qū)概況

椒江為浙江沿海第三大入海河流，全長(zhǎng)197.7 km，流域面積6 519 km2，潮流界在臨海市城西三江口，潮區(qū)界在永安溪望良店，兩者相距僅相距3.5 km。椒江河口屬于山溪性強(qiáng)潮河口，其范圍從石仙婦至牛頭頸的河段為河流進(jìn)口段(椒江河道)，牛頭頸以外出口門為口外海濱段；椒江河口隱蔽條件好，口內(nèi)椒江河道基本不受外海風(fēng)浪影響，受潮流和徑流雙向作用的控制，多年年均流量163 m3/s，年均徑流總量為66.6×108m3，徑流量年內(nèi)分配不均，汛期（4 —9 月）占總量的76%[8]。潮汐類型為不正規(guī)半日潮，多年平均潮差4.05 m，最大潮差達(dá)7.20 m，屬強(qiáng)潮河口。潮流類型屬于不正規(guī)半日淺海潮流，潮流運(yùn)動(dòng)形式為往復(fù)流，最大流速一般出現(xiàn)在中潮位附近，潮波受地形影響，變化劇烈，十分接近駐波[8]。和許多潮汐河口一樣，在口門內(nèi)發(fā)育有最大渾濁帶，椒江河口的最大渾濁帶(垂線平均懸沙濃度大于5 kg/m3)縱向跨度約20 km，范圍一般從石仙婦至口門牛頭頸，核部一般位于柵浦與海門之間，懸沙濃度隨水深而增加，一般面層1 ～ 3 kg/m3，底部發(fā)育泥躍層和浮泥層[4-5]。椒江河口水文測(cè)站分布示意見圖1。

圖1 椒江河口水文測(cè)站分布示意圖

3 資料來源和研究方法

2013年12月4 — 12日(枯季)和2014年6月14 — 22日(洪季)，在椒江河口布設(shè)6個(gè)水文測(cè)站進(jìn)行水文泥沙觀測(cè)(見圖1)，各測(cè)站遍及椒江河口區(qū)各個(gè)重要關(guān)鍵界點(diǎn)。其中，椒江河道的石仙婦和海門斷面各布設(shè)1個(gè)測(cè)站，椒江口門外沿著椒江出海航道布設(shè)4個(gè)測(cè)站，在平面上構(gòu)成了自上游椒江河道向下游椒江口門至臺(tái)州灣海域這樣一個(gè)縱向斷面。洪、枯季均進(jìn)行大、小潮準(zhǔn)同步27 h連續(xù)觀測(cè)，在整點(diǎn)時(shí)刻，采用橫式采樣器按照六層法(表層，0.2H，0.4H，0.6H，0.8H及底層)分層取懸沙水樣。實(shí)驗(yàn)室處理時(shí)，對(duì)懸沙水樣先進(jìn)行濾紙過濾，再用恒溫箱烘干，最后冷卻稱重并計(jì)算懸沙濃度。

4 結(jié)果和討論

根據(jù)以上實(shí)測(cè)懸沙濃度資料，從平面分布特征、垂向分布特征、大小潮之間、洪枯季之間的變化規(guī)律4個(gè)方面，對(duì)椒江河口的懸沙濃度時(shí)空變化特征進(jìn)行分析，并對(duì)機(jī)制進(jìn)行初步探討。

4.1 懸沙濃度平面分布特征

表1為椒江河口各測(cè)站垂線平均懸沙濃度統(tǒng)計(jì)表，圖2為各測(cè)站垂線平均懸沙濃度柱狀圖。結(jié)果表明，洪枯兩季，在縱向上，自口內(nèi)椒江河道向口外至外海臺(tái)州灣，懸沙濃度均呈現(xiàn)逐漸降低的趨勢(shì)，最高懸沙濃度出現(xiàn)口內(nèi)椒江河道最大渾濁帶的V1和V2測(cè)站，最低懸沙濃度出現(xiàn)在外海臺(tái)州灣海域V5和V6測(cè)站。這種縱向分布特征，與物質(zhì)來源、徑流、潮流動(dòng)力、鹽淡水混合等不無關(guān)系。例如，洪季時(shí)，縱向上最高懸沙濃度出現(xiàn)在石仙婦V1測(cè)站，這是由于洪季徑流作用帶來上游以砂級(jí)粗顆粒為主的陸源物質(zhì)進(jìn)入水體[4]，使得懸沙濃度升高；而枯季時(shí)，徑流作用小，陸源物質(zhì)補(bǔ)充很少，海域來沙帶來大量細(xì)顆粒泥沙進(jìn)入口門，此時(shí)最大渾濁帶的核部出現(xiàn)在海門V2測(cè)站，最高懸沙濃度出現(xiàn)在此；外海臺(tái)州灣海域V5和V6站，其懸沙來源主要是閩浙沿岸流帶來的以黏土為主的細(xì)顆粒物質(zhì)，懸沙濃度較低，而椒江口內(nèi)高濃度水體中的粗顆粒物質(zhì)大多在河道邊灘緩流區(qū)淤積下來，其余大部分懸沙在最大渾濁帶內(nèi)，受漲落潮流雙向控制，在適當(dāng)?shù)乃畡?dòng)力和鹽淡水混合條件下，發(fā)生懸浮、絮凝沉降和再懸浮反復(fù)的動(dòng)力過程，在椒江河口區(qū)往返運(yùn)移[7-8]，能夠隨徑流泄洪時(shí)被帶至口外臺(tái)州灣海域的沙量十分有限，所以該海域懸沙濃度明顯低于上游椒江河口內(nèi)外。

表1 椒江河口各測(cè)站垂線平均懸沙濃度表 kg/m3

圖2 椒江河口各測(cè)站垂線平均懸沙濃度柱狀圖

4.2 懸沙濃度垂向分布特征

椒江河口懸沙濃度的垂向分布，自表層向底層逐漸增高，和很多黏性細(xì)顆粒泥沙河口一樣，懸沙濃度的垂向分布很少符合Rouse公式（懸沙濃度自表層向底層呈指數(shù)升高），見圖3所示，椒江河口各測(cè)站懸沙濃度垂向分布主要呈現(xiàn)2種線型：準(zhǔn)直線型和準(zhǔn)斜線型。準(zhǔn)直線型的特點(diǎn)是懸沙濃度由表層向底層變化很小，層化現(xiàn)象不明顯，懸沙濃度在垂向上趨于均勻分布，這種垂向分布特征出現(xiàn)在懸沙濃度較低的外海臺(tái)州灣海域V5和V6測(cè)站。準(zhǔn)斜線型的特點(diǎn)是線型的斜率比較穩(wěn)定，懸沙濃度自表層向底層逐漸升高，變化率比較均一，這種垂向分布特征多出現(xiàn)在椒江口門外的V3和V4測(cè)站。另外，還有一種線型值得關(guān)注，見圖2d中枯季小潮V2測(cè)站，其懸沙濃度垂向分布呈現(xiàn)3層結(jié)構(gòu)，即活動(dòng)懸沙層、泥躍層、浮泥層[4]，其懸沙濃度的垂向分布特征如下：自表層起至相對(duì)水深0.4H層，懸沙濃度緩慢升高，垂向梯度較小，懸沙濃度一般小于3 kg/m3，這是活動(dòng)懸沙層；隨后懸沙濃度向底層急劇升高至10 kg/m3以上，是為泥躍層；至底層則為浮泥層，它是近底床的高濃度懸沙層，懸沙濃度一般大于20 kg/m3。這種3層結(jié)構(gòu)型懸沙濃度垂向分布特征，在椒江河口最大渾濁帶V1和V2測(cè)站較為明顯，尤其以核部的海門V2測(cè)站在枯季小潮時(shí)最為發(fā)育，該水域鹽淡水混合充分，懸沙處于最佳絮凝條件，近底層懸沙濃度足以超過沉降臨界值，而形成受阻沉降，懸沙層化現(xiàn)象顯著，當(dāng)懸沙濃度大于3 kg/m3(見表2)，在中等水動(dòng)力（垂線平均流速不大于1 m/s）作用下（見表3），可促使泥躍層發(fā)育[4]。

通過以上分析可知，椒江河口懸沙濃度均呈現(xiàn)自表層向底層逐漸增高的垂向分布特征特征，但垂向變化梯度在不同水域表現(xiàn)出明顯不同的特征，垂向梯度自口內(nèi)椒江河道，向口外至臺(tái)州灣海域逐漸遞減。

圖3 椒江河口各測(cè)站懸沙濃度垂向分布圖

4.3 懸沙濃度的洪、枯季變化特征

椒江河口懸沙濃度的洪枯季變化受徑流的影響顯著。見表2所示，一般而言，枯季懸沙濃度高于洪季。一方面，洪季徑流對(duì)水體起到一定的“稀釋”作用，但更為主要的是，在枯季時(shí)，徑流作用小，上游來水來沙少，潮流作用增強(qiáng)，外海沿岸流的黏性細(xì)顆粒泥沙隨漲潮流大量進(jìn)入口門，加上外海鹽水“入侵”，鹽淡水混合強(qiáng)烈，黏性細(xì)顆粒懸沙發(fā)生懸浮、絮凝沉降、再懸浮反復(fù)的過程，最大渾濁帶最為發(fā)育，其核部位于海門V2測(cè)站，使得口內(nèi)枯季懸沙濃度高于洪季。例外的是椒江河道上游石仙婦V1測(cè)站，在洪季大潮時(shí)，受徑流作用的影響，帶來上游豐富的陸源砂級(jí)粗顆粒物質(zhì)，使得懸沙濃度高于枯季大潮。另外，口門外的V4、V5、V6測(cè)站，亦呈現(xiàn)枯季懸沙濃度高于洪季的特征，一方面這是由于洪季徑流對(duì)水體產(chǎn)生一定的“稀釋”作用，另一方面，洪季時(shí)徑流帶來的部分沉積泥沙在枯季潮流的作用下發(fā)生再懸浮，使得該水域枯季懸沙濃度高于洪季。另外，從懸沙濃度垂向分層上看，從圖3可見，椒江河道枯季的懸沙垂向梯度要大于洪季。

表2 椒江河口各測(cè)站平均懸沙濃度表 kg/m3

4.4 懸沙濃度隨大、小潮變化特征

懸沙濃度的大小受潮流動(dòng)力作用的影響顯著（見表3），椒江河口的大潮流速大于小潮，從而使得大潮懸沙濃度高于小潮（見圖2、表1），洪季時(shí)大潮平均懸沙濃度是小潮的2.1 ～ 12.9倍，最大倍數(shù)出現(xiàn)在V5測(cè)站，最小倍數(shù)出現(xiàn)在V2測(cè)站；枯季時(shí)大潮平均懸沙濃度是小潮的1.3 ～ 3.1倍，最大倍數(shù)出現(xiàn)在V3測(cè)站，最小倍數(shù)出現(xiàn)在V1和V2測(cè)站。

表3 椒江河口各測(cè)站平均流速表 m/s

4.5 最大渾濁帶內(nèi)泥躍層的變化特征

如前所述，在椒江河口最大渾濁帶內(nèi)，出現(xiàn)泥躍層這一明顯的垂向分布特征，而泥躍層在不同季節(jié)、不同潮型，以及同一潮周期內(nèi)的不同時(shí)段，其發(fā)育情況均是不同的。作為一種特殊的懸沙垂向分布特征，有必要對(duì)其發(fā)育特征進(jìn)行探討。以最大渾濁帶核部的海門V2測(cè)站為例，表4所示為其潮流特征時(shí)刻的平均鹽度，圖4和圖5為其流速和懸沙濃度在潮周期內(nèi)隨時(shí)間的變化過程剖面圖，以此為依據(jù)進(jìn)行闡述。

洪季大潮時(shí)，見圖4a所示，V2測(cè)站在落憩、漲初的時(shí)間段內(nèi)(約3 h)，泥躍層發(fā)育，此時(shí)的垂線平均流速在中等流速（1 m/s）以下，鹽度處于絮凝沉降條件的范圍內(nèi)（4 ‰ ～ 16 ‰）[4]，黏性細(xì)顆粒懸沙容易發(fā)生絮凝沉降形成泥躍層，而隨著漲潮流的增大，潮流速普遍在1 m/s以上，超過中等流速，絮凝顆粒被沖散，懸沙再懸浮進(jìn)入水體隨潮流而運(yùn)移，泥躍層逐漸消失，在漲憩、落初時(shí)，雖然潮流速也低于中等流速，但此時(shí)水體鹽度較高，超過絮凝沉降的臨界值（見表4），不易形成絮凝沉降，此后隨著落潮流的增加再減弱，至落憩、漲初時(shí)，泥躍層再次發(fā)育。

洪季小潮時(shí)，見圖4b所示，和大潮類似，V2測(cè)站也只在落憩、漲初的時(shí)間內(nèi)發(fā)育有泥躍層，但持續(xù)時(shí)間（約2 h）短于洪季大潮，其發(fā)育程度（泥躍層的厚度和懸沙濃度）也均低于洪季大潮。這可歸因?yàn)楹榧拘〕钡膽疑碀舛鹊陀诤榧敬蟪?見表1)，鹽、淡水混合強(qiáng)度也不如洪季大潮。

圖4 椒江河口洪季V2測(cè)站潮流速和懸沙濃度隨時(shí)間變化過程剖面圖

圖5 椒江河口枯季V2測(cè)站潮流速和懸沙濃度隨時(shí)間變化過程剖面圖

枯季大潮時(shí)（見圖5a），從落急以后，至落憩、漲初這段時(shí)間內(nèi)（約5 h），潮流速普遍低于1 m/s，鹽度亦處于最佳絮凝沉降范圍內(nèi)（見表4），V2測(cè)站發(fā)育泥躍層，從持續(xù)時(shí)間、泥躍層厚度、懸沙濃度看，其發(fā)育規(guī)模較洪季大、小潮顯著。

枯季小潮時(shí)（見圖5b），泥躍層更加普遍發(fā)育，除了在落急時(shí)段的約2 h時(shí)間內(nèi)，潮流速普遍大于1 m/s，不具備泥絮凝沉降形成泥躍層的條件，其余時(shí)段的懸沙垂向3層結(jié)構(gòu)明顯，泥躍層顯著發(fā)育，其規(guī)模超過枯季大潮。

表4 椒江河口V2測(cè)站特征時(shí)刻鹽度表 ‰

綜上所述，椒江河口最大渾濁帶內(nèi)泥躍層的發(fā)育，表現(xiàn)為枯季較洪季顯著，其中以枯季小潮時(shí)最為發(fā)育，這和謝欽春對(duì)椒江河口泥躍層的研究結(jié)論一致，而其隨季節(jié)、潮型、潮周期的變化特征，也和泥躍層的形成條件相響應(yīng)[4]，即懸沙濃度大于3 kg/m3，鹽度介于4 ‰ ～ 16 ‰，中等流速水平（垂線平均流速1 m/s）以下，水體懸沙絮凝作用強(qiáng)，懸沙垂向分布剖面中泥躍層發(fā)育。

5 結(jié) 論

椒江河口受海域、陸域雙向來水來沙的控制，水動(dòng)力環(huán)境十分復(fù)雜，其懸沙濃度的時(shí)空變化特征可歸納如下：

（1）椒江河口懸沙濃度，一般而言枯季高于洪季，例外的是椒江河道上游石仙婦，其洪季大潮高于枯季大潮，這主要是受洪季徑流影響，帶來陸源粗顆粒物質(zhì)所致。另外，大潮潮流強(qiáng)于小潮，大潮懸沙濃度高于小潮。

（2）平面分布特征：從上游椒江河道向下游出口門再至臺(tái)州灣海域，懸沙濃度沿程逐漸遞減。其中，口內(nèi)椒江河道發(fā)育最大渾濁帶，其懸沙濃度顯著高于口外及臺(tái)州灣海域。

（3）垂向分布特征：椒江河口懸沙濃度呈現(xiàn)自表層向底層而逐漸增加的垂向分布特征，但垂向梯度在不同海域表現(xiàn)不同：外海臺(tái)州灣海域的懸沙濃度垂向分布特征為準(zhǔn)直線型，懸沙濃度垂向分布較為均一，變化不大，垂向梯度較??；口門外水域的懸沙濃度垂向分布特征為準(zhǔn)斜線型，垂向變化率比較均一，懸沙濃度自表層向底層逐漸升高，垂向梯度大于臺(tái)州灣海域；椒江河道最大渾濁帶內(nèi)，懸沙濃度呈現(xiàn)3層結(jié)構(gòu)型，活動(dòng)懸沙層、泥躍層、浮泥層，懸沙濃度的垂向分布特征表現(xiàn)為，自表層起在活動(dòng)懸沙層內(nèi)緩慢升高，隨后懸沙濃度急劇升高，發(fā)育泥躍層，至底層為浮泥層，

（4）在一定的流速、懸沙濃度和鹽度作用下，椒江河口最大渾濁帶內(nèi)泥躍層發(fā)育，枯季較洪季顯著，其中以枯季小潮時(shí)最為發(fā)育。

[1] 陳吉余，沈煥庭，惲才興，等.長(zhǎng)江河口動(dòng)力過程和地貌演變[M].上海：上海科學(xué)技術(shù)出版社，1988.

[2] 孫志林.中國強(qiáng)混合河口最大渾濁區(qū)成因研究[J].海洋學(xué)報(bào)，1998，15(3)：63 - 72.

[3] 符寧平，畢敖洪.椒江懸沙運(yùn)動(dòng)若干問題的探討[J].泥沙研究，1989(3)：51 - 57.

[4] 謝欽春，李伯根，夏小明，等.椒江河口懸沙濃度垂向分布和泥躍層發(fā)育[J].海洋學(xué)報(bào)，1998，20(6)：58 - 69.

[5]李伯根，謝欽春，夏小明，等.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) [J].泥沙研究，1999(1)：18 - 26.

[6]李炎，夏小明，董禮先.椒江河口浮泥的分布和調(diào)整[J].海洋學(xué)報(bào)，1998，20(4)：69 - 82.

[7]畢熬洪，孫志林.椒江河口過程初步研究[J].泥沙研究，1984(3)：12 - 25.

[8]中國海灣志編撰委員會(huì).中國海灣志(第十四分冊(cè))[M].北京：海洋出版社，1998.

（責(zé)任編輯 姚小槐）

Characteristics of Temporal and Spatial Variation of Suspended Sediment Concentration in Jiaojiang River Estuary

Xu Hai1，Wu Xiao - yong2，Zhang Shen - yang1，Wang Jing1
(1. Zhejiang Surveying Institute of Estuary and Coast，Hangzhou 310008，Zhejiang，China；2. Second Institute of Oceanography，State Oceanic Administration，Hangzhou 310012，Zhejiang，China)

Dry and wet season hydrological observations at six measuring points in the Jiaojiang River Estuary has been carried out during the spring and neap tide in December 2013 and June 2014，based on these date，characteristics of temporal and spatial variation of suspended sediment concentration in Jiaojiang River Estuary are analysised.The results show that：①the suspended sediment concentration is higher in dry season than in wet season，and higher during spring than neap tide；②in longitudinal distribution，the suspended sediment concentration is gradually decreased from Jiaojiang River to estuary entrance then to TaiZhou Bay；③the lutoclines develop in vertical prof i le in the turbidity maximum is the most obvious characteristic of the suspended sediment concentration in vertical distribution；the development of the lutoclines are in the inf l uence of tidal velocity，suspended sediment concentration and salinity，the scale of it in dry season is larger than in wet season，and most development during the neap tide in dry season.

Jiaojiang river estuary；suspended sediment contraction；turbidity maximum；temporal and spatial variation；lutocline

TV148

A

1008 - 701X(2017)03 - 0007 - 06

10.13641/j.cnki.33 - 1162/tv.2017.03.003

2016-11-28

徐 海(1981 - )，男，工程師，碩士，主要從事水動(dòng)力泥沙研究工作。E - mail：hehaixuhai@163.com