潮流和風(fēng)浪對(duì)海底邊界層剪切應(yīng)力和懸浮物濃度影響的觀測(cè)研究*

趙蓋博，邊昌偉，徐景平

(1.中國(guó)海洋大學(xué)海洋地球科學(xué)學(xué)院，山東 青島 266100；2.中國(guó)海洋大學(xué)物理海洋教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東 青島 266100；3.南方科技大學(xué)海洋科學(xué)與工程系，廣東 深圳 518055;4.青島海洋科學(xué)與技術(shù)試點(diǎn)國(guó)家實(shí)驗(yàn)室 海洋地質(zhì)過(guò)程與環(huán)境功能實(shí)驗(yàn)室，山東 青島 266000)

黃河是中國(guó)入海大河中含沙濃度最高的河流，多年平均結(jié)果顯示黃河泥沙入海量高達(dá)109t/年[1]。黃河泥沙在渤海和黃海的輸運(yùn)機(jī)制和源匯過(guò)程等問(wèn)題一直受到科學(xué)家的關(guān)注，但是在黃河泥沙入海后的再分配問(wèn)題上至今仍有很大爭(zhēng)論。尤其是Milliman等[2]首先發(fā)現(xiàn)了山東半島東南存在水下沉積體，在隨后的研究中認(rèn)為沉積體的物質(zhì)來(lái)自黃河泥沙并把它稱為山東水下三角洲[3-4]。Liu等[5]通過(guò)綜合分析魯北海域的2個(gè)鉆孔和約1 700 km淺層地震測(cè)線解釋了山東水下三角洲的成因。針對(duì)本區(qū)域這一輸運(yùn)體系，國(guó)內(nèi)外學(xué)者通過(guò)鉆孔沉積物分析、地球物理測(cè)線剖面解析、數(shù)值模擬等方法開(kāi)展了大量研究[6-14]。然而本海域的現(xiàn)場(chǎng)原位觀測(cè)比較缺乏，尤其是缺乏底邊界層沉積動(dòng)力觀測(cè)數(shù)據(jù)，無(wú)法直接認(rèn)識(shí)和確定沉積物在海底的起動(dòng)、輸運(yùn)和沉積的動(dòng)力過(guò)程和機(jī)制。

本文依托國(guó)家自然科學(xué)基金“黃河沉積物環(huán)山東半島陸架的搬運(yùn)和沉積過(guò)程及機(jī)制研究”，在黃河泥沙繞過(guò)山東半島向水下三角洲輸運(yùn)的關(guān)鍵海域(山東半島成山角海域)進(jìn)行了一次持續(xù)156 h的原位座底連續(xù)觀測(cè)，利用獲取的觀測(cè)資料研究了該海區(qū)潮流、波浪對(duì)底邊界層水動(dòng)力和沉積物輸運(yùn)過(guò)程的影響，并建立了該海區(qū)潮流和波浪對(duì)底剪切應(yīng)力和懸浮物濃度(SSC)影響的參數(shù)化公式，可以用于定量研究黃河泥沙向山東半島南端水下三角洲的輸運(yùn)過(guò)程。

1 研究區(qū)域及方法

觀測(cè)站位(122°52.216′E，36°51.803′N)位于黃河沉積物向山東水下三角洲輸運(yùn)的關(guān)鍵通道—山東半島成山角附近的黃海海域，觀測(cè)站位的水深為27 m(見(jiàn)圖1)。該海域潮流類型為不規(guī)則半日潮，平均潮差較小，為0.75 m[15]。研究海域?qū)儆诘湫偷募撅L(fēng)氣候，冬季盛行偏北風(fēng)，平均風(fēng)速6～7 m/s，夏季盛行南到東南風(fēng)，平均風(fēng)速為5～6 m/s[15]。研究站位所在海域底質(zhì)類型為粘土質(zhì)粉砂，其中粉砂含量可達(dá)40%～70%，其次為粘土，其含量為20%～50%[16]。

本文于2018年2月23日～3月2日在觀測(cè)點(diǎn)放置座底三腳架平臺(tái)，平臺(tái)配備了一臺(tái)高頻點(diǎn)式流速儀(Nortek 6 MHz ADV)、一臺(tái)濁度計(jì)(RBR-TU)和一臺(tái)流速剖面儀(RDI WorkHorse 600 kHz ADCP)，用以觀測(cè)高頻流速、濁度以及有效波高等，來(lái)?yè)Q算底邊界層湍混合強(qiáng)度、懸浮物濃度、水體流速和波浪狀況。其中ADV以脈沖方式進(jìn)行流速(u，v，w)采樣，脈沖間隔為1 h，每次采樣10 min，采樣頻率為32 Hz，采樣體積位于距離海底71 cm處；RBR-TU每隔10 s記錄一次濁度數(shù)據(jù)，采樣點(diǎn)距離海底116 cm；ADCP設(shè)置為‘仰視’，本研究主要使用其波浪模塊獲取有效波高(Hs)和波周期(T)參數(shù)，采樣時(shí)間間隔為20 min。除了本文研究所用的觀測(cè)站，觀測(cè)航次還在附近海域布放了其他四套海底邊界層沉積物動(dòng)力過(guò)程觀測(cè)三腳架，并在37°N斷面進(jìn)行了SSC的大面觀測(cè)(見(jiàn)圖1)。

(五星標(biāo)注的站位為本文研究站位。圖中虛線為研究海區(qū)水深(單位：m)，黑色實(shí)線為山東水下三角洲厚度分布[17]。The station labeled by the red star is used in this paper.The dotted line is the isobath of the study area (Unit:m),and the black solid line is the thickness distribution of the Shandong underwater delta.)
圖1 連續(xù)座底觀測(cè)站位(紅色五星和紅點(diǎn))和大面觀測(cè)站位(黑點(diǎn))分布圖
Fig.1 The distribution of mooring stations (red star and red dots)and transect stations (black dots)

2 觀測(cè)結(jié)果

圖2所示為觀測(cè)站位在觀測(cè)期間的氣象、水文和懸浮物分布情況。觀測(cè)期間的風(fēng)速資料來(lái)源于美國(guó)國(guó)家環(huán)境預(yù)報(bào)中心的氣候預(yù)報(bào)系統(tǒng) NCEP CFSv2(NCEP Climate Forecast System version 2)，據(jù)前人在東中國(guó)海的研究結(jié)果[18]，NCEP風(fēng)場(chǎng)數(shù)據(jù)與實(shí)測(cè)結(jié)果擬合度較高，相關(guān)系數(shù)達(dá)0.91。在觀測(cè)初期(1～30 h)有一次較大的偏北風(fēng)過(guò)程，最大風(fēng)速可達(dá)13.33 m/s，隨后風(fēng)速變小，風(fēng)向也變?yōu)槟巷L(fēng)，觀測(cè)末期(129～156 h)又經(jīng)歷了一場(chǎng)較強(qiáng)的偏北風(fēng)大風(fēng)過(guò)程，風(fēng)速最大達(dá)到16.42 m/s。圖2(b)中的有效波高結(jié)果來(lái)源于座底三腳架ADCP的測(cè)波模塊。兩次強(qiáng)風(fēng)期間有效波高的最大值分別為3.02和3.19 m，而弱風(fēng)期間有效波高的最大值僅為1.17 m。由于有效波高、懸浮物濃度等參數(shù)在兩次強(qiáng)風(fēng)期間明顯升高，為方便討論，我們以有效波高是否大于1 m為主要依據(jù)，將觀測(cè)分為強(qiáng)風(fēng)浪過(guò)程(見(jiàn)圖2陰影部分，除152～156 h外Hs>1 m)和弱風(fēng)浪過(guò)程(見(jiàn)圖2非陰影部分，除80～83 h外Hs<1 m)。觀測(cè)站位的流速由ADV獲取，將ADV在ENU坐標(biāo)系下輸出的高頻流速做平均，得到u，v，w方向的10 min平均的流速時(shí)間序列(見(jiàn)圖2(c))。在觀測(cè)期間，東西方向的最大流速約為0.21 m/s，南北方向的最大流速約為0.49 m/s。圖2(d)所示為觀測(cè)站位的濁度時(shí)間序列，兩次強(qiáng)風(fēng)浪過(guò)程的濁度較弱風(fēng)浪期間均有明顯上升，且第二次強(qiáng)風(fēng)浪過(guò)程的濁度峰值(109 NTU)遠(yuǎn)大于第一次強(qiáng)風(fēng)浪過(guò)程的濁度峰值(40 NTU)。在強(qiáng)風(fēng)浪過(guò)程臨近結(jié)束時(shí)，第二次強(qiáng)風(fēng)浪過(guò)程的濁度值也顯著高于第一次強(qiáng)風(fēng)浪過(guò)程。需要指出的是，前人在觀測(cè)海區(qū)的研究表明，濁度跟懸浮物濃度基本是線性關(guān)系[19]，為表述方便，本文直接將濁度計(jì)觀測(cè)的濁度作為懸浮物濃度進(jìn)行研究分析。此外，通過(guò)ADCP測(cè)量的水體剖面可以看出，底邊界層的厚度約為4.1～4.6 m，ADV和RBR-TU的測(cè)量點(diǎn)位于海底邊界層中的常應(yīng)力層內(nèi)，切應(yīng)力不隨深度變化。

3 分析與討論

3.1 潮流對(duì)底剪切應(yīng)力的作用

理論上，潮流流速大小(|U|)的平方跟潮致剪切應(yīng)力成正比。如圖3(a)所示，觀測(cè)期間的底剪切應(yīng)力隨流速大小變化而變化，但是在兩次強(qiáng)風(fēng)浪期間，底剪切應(yīng)力會(huì)急劇升高。平均流速的平方與底剪切應(yīng)力的線性擬合結(jié)果(見(jiàn)圖3(b))表明底剪切應(yīng)力跟|U|2相關(guān)性較差(τtotal=2.48×|U|2+0.034，r=0.57)。這是由于在強(qiáng)風(fēng)浪過(guò)程中，底剪切應(yīng)力不再直接受控于潮流流速，浪致剪切應(yīng)力可能起主導(dǎo)作用(見(jiàn)圖3(a))。為了區(qū)分潮流和風(fēng)浪對(duì)底剪切應(yīng)力的影響，我們按照?qǐng)D2所示的三種風(fēng)浪強(qiáng)度過(guò)程分別對(duì)|U|2和底剪切應(yīng)力進(jìn)行擬合(見(jiàn)圖4(a))。結(jié)果顯示，在弱風(fēng)浪期間，底剪切應(yīng)力與潮流流速的相關(guān)系數(shù)較高(r=0.89)，結(jié)合SPSS顯著相關(guān)性檢驗(yàn)結(jié)果(p=0.016)，可認(rèn)為底剪切應(yīng)力受潮流流速控制，二者顯著相關(guān)，其擬合關(guān)系式為：

(圖中陰影區(qū)域?yàn)橛^測(cè)經(jīng)歷的兩次強(qiáng)風(fēng)浪過(guò)程。The shaded areas are observed during two strong wind waves.)圖2 觀測(cè)站位氣象、水文和懸浮物濃度時(shí)間序列(a)風(fēng)速與風(fēng)向(b)有效波高(c)u，v，w方向平均流速(d)懸浮物濃度Fig.2 The time series of meteorological,hydrological and suspended sediment concentration (a)wind speed and direction (b)effective wave height (c)average velocity of u,v and w (d)suspended sediment concentration

圖3 (a)觀測(cè)期間平均流速的平方(|U|2)與底剪切應(yīng)力(τtotal)的時(shí)間序列 (b)觀測(cè)期間平均流速的平方(|U|2)與底剪切應(yīng)力(τtotal)的擬合關(guān)系Fig.3 (a)The time series of the square of mean velocity (|U|2)and bottom shear stress (τtotal)(b)The fitting relationship between the square of mean velocity (|U|2)and the bottom shear stress (τtotal)during the observational period

(紫色、藍(lán)色和橙色分別代表第一次強(qiáng)風(fēng)浪、弱風(fēng)浪和第二次強(qiáng)風(fēng)浪過(guò)程。Purple,blue and orange represent the first strong wind wave weak wind wave and second strong wind wave processes,respectively.)
圖4 (a)觀測(cè)期間底剪切應(yīng)力(τtotal)的時(shí)間序列和(b)觀測(cè)期間平均流速的平方(|U|2)與底剪切應(yīng)力(τtotal)的擬合關(guān)系
Fig.4 (a)The time series of bottom shear stress (τtotal)during the observation and (b)the fitting relationship between the square of mean velocity (|U|2)and the bottom shear stress (τtotal)

τtotal=1.71×|U|2+0.016。

(1)

而在兩次強(qiáng)風(fēng)浪過(guò)程中，底剪切應(yīng)力不僅受潮流流速大小的影響，更受波浪波軌速度的影響，因此|U|2與底剪切應(yīng)力相關(guān)性較差(τtotal=2.90×|U|2+0.085，r=0.68；τtotal=3.69×|U|2+0.120，r=0.59)。

3.2 風(fēng)浪對(duì)底剪切應(yīng)力的作用

強(qiáng)風(fēng)浪期間的底剪切應(yīng)力(τtotal)既包括波浪導(dǎo)致的浪致剪切應(yīng)力(τwave)又包括潮流導(dǎo)致的潮致剪切應(yīng)力(τtide)。如需量化風(fēng)浪對(duì)底剪切應(yīng)力的作用，需要先將潮致剪切應(yīng)力從總剪切應(yīng)力中剔除。在3.1節(jié)中，量化了潮流流速和底剪切應(yīng)力的關(guān)系(公式(1))。因此只需要確定風(fēng)浪期間潮流流速的大小，就可以根據(jù)上述關(guān)系式計(jì)算出強(qiáng)風(fēng)浪期間潮致剪切應(yīng)力的大小。需要注意的是，風(fēng)浪和潮流的相互作用是非線性的，波流相互作用產(chǎn)生的底剪切應(yīng)力的估算非常復(fù)雜。為便于研究，本文假定潮致剪切應(yīng)力和浪致剪切應(yīng)力是線性疊加的?；谏鲜黾俣梢杂?jì)算出浪致剪切應(yīng)力τwave=τtotal-τtide。

(2)

圖5 觀測(cè)期間ADV實(shí)測(cè)平均流速(藍(lán)色)和T_tide調(diào)和分析模擬的潮流流速(橙色)Fig.5 The measured average velocity (Blue)andthe tidal current velocity (Orange)simulated by T_tide harmonic analysis during the observational period

圖6 (a)第一次強(qiáng)風(fēng)浪過(guò)程潮致剪切應(yīng)力(Stress_tide)和浪致剪切應(yīng)力(Stress_wave)(b)第二次強(qiáng)風(fēng)浪過(guò)程潮致剪切應(yīng)力(Stress_tide)和浪致剪切應(yīng)力(Stress_wave)(c)兩次強(qiáng)風(fēng)浪期間波軌速度的平方和浪致剪切應(yīng)力(τw)的擬合關(guān)系Fig.6 The time series of tide-induced shear stress (Stress_tide)and wave-induced shear stress (Stress_tide)during (a)the first strong wind wave process and (b)the second strong wind wave process (c)The fitting relationship between the square of wave orbital velocity and wave-induced shear stress (τw)

3.3 弱風(fēng)浪情況下潮流對(duì)SSC的影響

在陸架淺海區(qū)，局地SSC的分布受到潮流和波浪等多種動(dòng)力因素共同影響。在水平方向上，如果存在SSC水平梯度，則潮流的平流輸運(yùn)作用會(huì)引起局地SSC的變化；在垂直方向上，潮流和風(fēng)浪導(dǎo)致的湍混合會(huì)造成局地懸浮物的垂向擴(kuò)散，再加上懸浮物本身的沉降，都會(huì)引起局地SSC的垂向分布變化。Weeks等[22]和Krivtsov等[23]提出，在任意給定位置，SSC的變化是由平流輸運(yùn)和局地再懸浮共同決定的。Li等[24]對(duì)長(zhǎng)江口的水文和泥沙觀測(cè)進(jìn)行定量化分析后指出，平流輸運(yùn)與局地再懸浮組分對(duì)研究區(qū)SSC變化的貢獻(xiàn)量大小相當(dāng)。本節(jié)通過(guò)原位觀測(cè)的流速和懸浮物濃度數(shù)據(jù)量化平流輸運(yùn)作用和局地再懸浮作用對(duì)觀測(cè)站位SSC的影響。

弱風(fēng)浪過(guò)程中，懸浮物的局地再懸浮主要是由潮流流速?zèng)Q定的：潮流流速增大，底剪切應(yīng)力增強(qiáng)，顆粒物再懸浮就增多，造成SSC升高；反之，潮流流速減小，底剪切應(yīng)力變?nèi)?，顆粒物再懸浮就減少，造成SSC降低。然而，如圖7中陰影時(shí)刻所示，隨著流速的增大，觀測(cè)點(diǎn)的剪切應(yīng)力逐漸增強(qiáng)，然而SSC卻隨流速增大而降低。SSC的變化具有顯著的潮周期，但是又明顯與潮流流速不相關(guān)。通過(guò)觀測(cè)海區(qū)同步進(jìn)行的其他站點(diǎn)的SSC分布發(fā)現(xiàn)，觀測(cè)站位處存在較強(qiáng)的SSC水平梯度，西南方向的SSC高，東北方向的SSC低。因此，當(dāng)潮流從西南方向流向東北方向時(shí)，就會(huì)攜帶高SSC水體經(jīng)過(guò)觀測(cè)站位，造成觀測(cè)的SSC升高；反之，當(dāng)潮流從東北方向流向西南方向時(shí)，就會(huì)攜帶低SSC水體經(jīng)過(guò)觀測(cè)站位，造成觀測(cè)的SSC降低。因此，在研究站位，潮流從兩方面影響SSC分布：潮流引起的底剪切應(yīng)力變化對(duì)懸浮物的局地再懸浮和潮流的平流輸運(yùn)作用。

為了量化潮流局地再懸浮和平流輸運(yùn)作用對(duì)SSC的影響，建立了一個(gè)參數(shù)化公式：

SSCvar=SSC0+u×t×dSSCu+v×t×dSSCv+(u2+v2)×dSSCresuspend。

(3)

其中：SSCvar代表t時(shí)間段內(nèi)SSC的變化量；SSC0為背景濃度；u，v為水平潮流流速；dSSCu、dSSCv為東西和南北方向的SSC梯度；dSSCresuspend為潮流再懸浮作用導(dǎo)致的SSC變化。利用弱風(fēng)浪期間98 h的觀測(cè)數(shù)據(jù)可以確定參數(shù)化公式(3)中的SSC水平梯度(dSSCu、dSSCv)和SSC再懸浮量(dSSCresuspend)。

懸浮物的背景濃度在觀測(cè)期間也有變化，以SSC最低點(diǎn)的連線作為SSC背景濃度值(見(jiàn)圖8中黃線)。此外，89～98 h內(nèi)底剪切應(yīng)力明顯高于其他時(shí)刻(見(jiàn)圖4(a))，因此予以剔除。經(jīng)過(guò)上述處理后，利用觀測(cè)的88組流速和SSC濃度數(shù)據(jù)，通過(guò)最小二乘法求解公式(3)得到：dSSCu=12.2 NTU/m，dSSCv=-5.1×NTU/m，dSSCresuspend=16.7 NTU/m2·s-2。

圖8所示為觀測(cè)的SSC濃度和基于參數(shù)化公式(3)計(jì)算的SSC濃度。從對(duì)比結(jié)果可以看出，模擬的SSC跟觀測(cè)值符合較好，抓住了SSC變化的主要特征，說(shuō)明弱風(fēng)浪期間的SSC變化主要受控于潮流平流輸運(yùn)和再懸浮作用，公式(3)可以定量反映觀測(cè)站位潮流的平流輸運(yùn)和再懸浮作用對(duì)SSC的影響。

(陰影部分代表懸浮物濃度受平流輸運(yùn)作用控制。The suspended sediment concentration is controlled by advection in shadow area.)圖7 (a)弱風(fēng)浪期間u方向平均流速(藍(lán)色)、v方向平均流速(紅色)和總平均流速(|U|，黑色)的時(shí)間序列 (b)弱風(fēng)浪期間潮流流速(ut)和懸浮沉積物濃度(SSC)的時(shí)間序列Fig.7 (a)The time series of averaged u (Blue),v (Red)and total (Black)velocities during weak wind waves (b)The time series of tidal current velocity (ut)and suspended sediment concentration (SSC)during weak wind waves

(黃線為公式(3)中所用的背景濃度值SSC0。The yellow line is the background concentration (SSC0)used in formula (3).)圖8 弱風(fēng)浪期間觀測(cè)SSC(藍(lán)色)與基于公式(3)預(yù)測(cè)的SSC(紅色)的對(duì)比Fig.8 Comparisons between observed SSC (Blue)and predicted SSC (Red)based on formula (3)during weak wind waves

3.4 風(fēng)浪對(duì)SSC的影響

強(qiáng)風(fēng)浪期間，除了上述潮流的平流輸運(yùn)和再懸浮作用會(huì)對(duì)SSC產(chǎn)生影響以外，風(fēng)浪導(dǎo)致的剪切應(yīng)力增強(qiáng)也會(huì)導(dǎo)致SSC升高。為了量化強(qiáng)風(fēng)浪期間風(fēng)浪對(duì)SSC的影響，需要先將潮流對(duì)SSC的影響剔除。這里依然不考慮波流相互作用的影響，假定潮流和風(fēng)浪對(duì)SSC的影響是線性的。利用T_tide調(diào)和分析的潮流流速和參數(shù)化公式(3)計(jì)算強(qiáng)風(fēng)浪期間潮流對(duì)SSC的影響，然后用強(qiáng)風(fēng)浪過(guò)程中實(shí)測(cè)的SSC減去潮致SSC和背景濃度即可得到浪致SSC(見(jiàn)圖9(a)，9(b))。結(jié)果表明，在第一次強(qiáng)風(fēng)浪過(guò)程中，潮流對(duì)SSC分布的影響要比波浪過(guò)程大，但是在第二次強(qiáng)風(fēng)浪過(guò)程中，浪致剪切應(yīng)力的急劇升高造成了大量沉積物再懸浮，浪致SSC也就遠(yuǎn)高于對(duì)應(yīng)時(shí)刻的潮致SSC。

(4)

而在第二次強(qiáng)風(fēng)過(guò)程中(圖9(c)中橙點(diǎn))，波浪對(duì)SSC影響較大，浪致SSC的參數(shù)化公式為：

(5)

對(duì)比兩次風(fēng)浪過(guò)程可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)波軌速度小于0.6 m/s時(shí)，波浪對(duì)SSC的影響較小(公式(4))。但是當(dāng)波軌速度達(dá)到0.6 m/s時(shí)，波浪導(dǎo)致的剪切應(yīng)力急劇升高，進(jìn)而導(dǎo)致SSC顯著增大(公式(5))。并且在強(qiáng)風(fēng)浪過(guò)程后期，波軌速度降到0.6 m/s以下時(shí)，強(qiáng)風(fēng)浪過(guò)程造成的高剪切應(yīng)力和高SSC也不會(huì)馬上消失，而是繼續(xù)維持強(qiáng)風(fēng)浪過(guò)程的影響。

4 結(jié)語(yǔ)

致謝：部分海上觀測(cè)工作搭載了“東方紅2”號(hào)科考船執(zhí)行的黃渤海共享航次。感謝中國(guó)海洋大學(xué)海洋地球科學(xué)學(xué)院王保鐸老師和諸位同門在現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)和室內(nèi)實(shí)驗(yàn)中提供的支持與幫助。