波流作用下海底邊界層沉積物再懸浮與影響因素研究

文明征，陳天，胡云壯，李勇，單紅仙,3，賈永剛,3*

(1.中國(guó)海洋大學(xué) 山東省海洋環(huán)境地質(zhì)工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東 青島 266100；2.中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局天津地質(zhì)調(diào)查中心，天津300170；3.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)過程與環(huán)境功能實(shí)驗(yàn)室，山東 青島 266061)

1 引言

波浪、海流等水動(dòng)力作用導(dǎo)致的沉積物侵蝕再懸浮及輸運(yùn)改變了陸地和海洋之間的邊界，促進(jìn)了海洋物理、生物、化學(xué)要素的循環(huán)。準(zhǔn)確地計(jì)算懸浮沉積物垂向分布對(duì)于理解海底沉積物再懸浮過程和輸運(yùn)具有重要的研究意義。從20世紀(jì)50年代起，海底沉積物輸運(yùn)問題被廣泛研究[1]。Davies和Thorne[2]詳細(xì)綜述了非黏性沉積物輸運(yùn)和懸浮沉積物垂向分布等相關(guān)問題的研究進(jìn)展。由于波流作用下海底邊界層沉積物動(dòng)力響應(yīng)的復(fù)雜性，海底邊界層沉積物再懸浮及其垂向分布特征等問題仍需要進(jìn)一步研究[3-4]。不考慮平流輸運(yùn)的影響，在海洋水動(dòng)力作用下沉積物顆粒所受向上湍流擴(kuò)散作用與向下沉降作用平衡時(shí)發(fā)生再懸浮[5-6]，基于Rouse公式的基本假定，水體懸浮沉積物垂向分布可以采用如下公式進(jìn)行計(jì)算[7-8]，

式中，h為水深；Cz和Ca分別為距離海床界面高度z和a處的懸浮沉積物濃度；ws為沉積物沉降速度；κ=0.4為Von Karmen常數(shù)；u*為摩阻流速。由此可見，海底懸浮沉積物垂向分布形式主要取決于參考濃度Ca和參數(shù)n。參考濃度的大小是懸浮沉積物垂向分布的“初始信息”，決定了懸浮沉積物的量級(jí)；參數(shù)n又稱為形狀參數(shù)或Rouse參數(shù)，反映了懸浮沉積物垂向分布的陡度[4]。一般說來(lái)，參考濃度Ca和參數(shù)n取決于3個(gè)相互影響的因素：懸浮沉積物自身的性質(zhì)（如粒徑大小和沉降速度），床面形態(tài)和海洋水動(dòng)力強(qiáng)度（波高、水深、流速等）[2]。沉積物顆粒大小是沉積物再懸浮的先決條件，大顆粒沉積物沉降速度快，發(fā)生再懸浮所需要的動(dòng)力條件更強(qiáng)，細(xì)顆粒沉積物更容易向水體上部擴(kuò)展；在相同水動(dòng)力條件下，沉積物垂向分布的陡度隨著沉積物粒徑的降低而增加[9]。其次，海底邊界層底層流速受海床沉積物的摩擦作用逐漸減小，在海床面附近產(chǎn)生較大的流速梯度，從而引起很強(qiáng)的底切應(yīng)力作用，進(jìn)一步導(dǎo)致海床沉積物的擾動(dòng)和再懸??；O'Hara Murray等[10]研究表明，水體懸浮沉積物垂向分布形態(tài)隨著波高增加而變陡，在強(qiáng)烈的水動(dòng)力作用下，海底邊界層底層形成高濃度懸沙薄層。第三，床面形態(tài)在水動(dòng)力作用下不斷發(fā)展演化，進(jìn)一步影響懸浮沉積物垂向分布形態(tài)[4,10]；床面形態(tài)的類型和規(guī)模在一定程度上影響著海底邊界層的厚度[11-12]，床面形態(tài)平坦的情況下，懸浮沉積物濃度沿垂向降低的速度要遠(yuǎn)高于波紋式海床[13]；床面形態(tài)根據(jù)波流作用下的希爾茲參數(shù) θ的大小可分為多種尺度和類型[14]，每一種類型對(duì)懸浮沉積物垂向分布的影響也不同[12,15]。

本文基于山東省海洋環(huán)境地質(zhì)工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室自主研制的海底邊界層綜合觀測(cè)平臺(tái)，搭載多種聲學(xué)、光學(xué)觀測(cè)儀器對(duì)河北省京唐港祥云灣海洋牧場(chǎng)海域的波浪、潮汐、海底流速及海底底層懸浮沉積物濃度變化進(jìn)行觀測(cè)。研究波流相互作用下海底邊界層沉積物再懸浮過程及其垂向分布特征，進(jìn)一步探究海洋水動(dòng)力、床面形態(tài)對(duì)海底懸浮沉積物垂向分布的影響。

2 現(xiàn)場(chǎng)原位觀測(cè)

2.1 觀測(cè)點(diǎn)介紹

祥云灣位于樂亭縣東南部，京唐港與北港之間的沿海地帶，位于半封閉的渤海內(nèi)部。該海區(qū)災(zāi)害性大浪均為渤海內(nèi)的風(fēng)成浪，具有生成快、消失快、周期短的特點(diǎn)。該海域冬季受寒潮影響盛行偏北風(fēng)，夏季受太平洋副熱帶高壓影響，盛行偏南風(fēng)。因此，該海域年內(nèi)波浪分布具有明顯的季節(jié)特征，春夏季波浪相對(duì)較弱，秋冬季波浪較強(qiáng)，常浪向?yàn)镾E，次常浪向?yàn)镋SE；強(qiáng)浪向?yàn)镋NE，次強(qiáng)浪向?yàn)镹E。該海域潮汐類型屬于不規(guī)則半日潮，平均潮差0.88 m；潮流具有明顯的往復(fù)流特征，漲潮為西南流，落潮為東北流，潮流流向基本與海岸線平行，等深線7～8 m范圍內(nèi)平均流速為0.30 m/s，等深線5 m處平均流速為0.25 m/s。灤河入?？谠诒边w過程中，為該海區(qū)提供了大量的沉積物來(lái)源。京唐港附近海岸底質(zhì)沉積物取樣分析表明海底底質(zhì)為淤泥質(zhì)粉砂，大風(fēng)浪作用下，近岸破波帶以內(nèi)沉積物主要為0.1～0.2 mm的細(xì)砂，破波帶以外沉積物主要為粒徑小于0.10 mm的粗粉砂[16-17]。

本文觀測(cè)點(diǎn)（39°09′09″N，118°57′18″E）位于祥云灣海洋牧場(chǎng)內(nèi)，背靠祥云島，該區(qū)水深8～10 m，如圖1a所示。祥云島長(zhǎng)約13 km，呈NE-SW走向，島嶼面積20.68 km2。祥云島東北段為潮汐通道，現(xiàn)已人為改造；西南端為大清河口；東部靠海側(cè)建有簡(jiǎn)易的人工沙堤；中西部靠海側(cè)殘留低緩沙丘。潮間帶的沙灘面積約為0.64 km2，潮灘平均坡度3°～8°。沉積物以淺黃色、黃棕色的細(xì)沙為主，平均粒徑（Mz）介于2.06Φ～2.34Φ，分選系數(shù)介于 0.24～0.47。

圖1 原位觀測(cè)位置及觀測(cè)設(shè)備示意圖Fig.1 Schematic diagram of field observation area and observation equipment

2.2 觀測(cè)方法與過程

2017年9月28日，在選定觀測(cè)海域開展現(xiàn)場(chǎng)原位觀測(cè)。所采用海底邊界層綜合觀測(cè)平臺(tái)結(jié)構(gòu)分為上、中、下3部分（圖1b）。上部為一個(gè)整體的框架結(jié)構(gòu)，尺寸為1 000 mm×1 000 mm×700 mm，用于固定所搭載的儀器設(shè)備。中部為4根支撐桿將上部框架結(jié)構(gòu)撐起，為觀測(cè)儀器提供足夠的觀測(cè)空間，同時(shí)防止各儀器之間的相互干擾，支撐桿底部通過螺栓安裝圓形底座；圓形底座上安裝配重塊以增加觀測(cè)平臺(tái)的穩(wěn)定性，每個(gè)配重塊重量25 kg，可根據(jù)觀測(cè)海域沉積物類型調(diào)節(jié)配重?cái)?shù)量；此外，在每個(gè)圓形底座下面配一根長(zhǎng)度為50 cm的防滑鋼針，觀測(cè)系統(tǒng)布放完成后防滑鋼針插入沉積物內(nèi)部防止觀測(cè)平臺(tái)發(fā)生側(cè)向滑移。

海底邊界層綜合觀測(cè)平臺(tái)搭載以下儀器設(shè)備：(1)波浪-潮汐觀測(cè)：波潮儀RBR virtuoso D|Tidal用于測(cè)量水深、潮位信息，波潮儀RBR virtuoso D|wave用于測(cè)量波浪信息；(2) 海底流速觀測(cè)：搭載一臺(tái)聲學(xué)多普勒流速儀（Norterk /ADV）用于觀測(cè)近底層流速場(chǎng)變化；(3)海底懸浮沉積物觀測(cè)：搭載高密度懸浮泥沙濁度剖面測(cè)量?jī)x（ASM）實(shí)現(xiàn)對(duì)海水懸浮沉積物濁度剖面的測(cè)量，同時(shí)搭載多參數(shù)濁度儀實(shí)現(xiàn)對(duì)觀測(cè)海域鹽度、濁度和溫度測(cè)量。觀測(cè)平臺(tái)搭載各儀器設(shè)備相對(duì)位置如圖1c所示，參數(shù)設(shè)置詳見表1。

表1 海底邊界層綜合觀測(cè)平臺(tái)搭載儀器簡(jiǎn)介Table 1 Introduction of instruments on integrated observing platform of bottom boundary layer

3 數(shù)據(jù)分析與處理

3.1 ASM數(shù)據(jù)處理

ASM在測(cè)量海底邊界層懸浮沉積物濃度方面具有不可替代的優(yōu)勢(shì)。ASM由一系列的光學(xué)后向散射傳感器垂向排列組成，各光學(xué)傳感器垂向間距1 cm，測(cè)量范圍為傳感器前方0～100 mm。本次觀測(cè)采用的ASM共計(jì)144個(gè)傳感器，可實(shí)現(xiàn)海底邊界層底層海水1.5 m范圍內(nèi)的懸浮沉積物濃度剖面測(cè)量。研究表明ASM與傳統(tǒng)的光學(xué)后向散射儀（Optical Back Scattering，OBS）測(cè)量結(jié)果具有很好的一致性[18]。ASM測(cè)量原理同OBS類似：傳感器接收紅外光線在海水中的后向散射強(qiáng)度反演測(cè)量水體的濁度信號(hào)；通過建立濁度信號(hào)與海水懸浮沉積物濃度之間的相關(guān)關(guān)系，進(jìn)而確定懸浮沉積物濃度數(shù)值。濁度-沉積物濃度之間的標(biāo)定受多種因素影響，其中顆粒大小形狀是最主要的影響因素之一[19-20]，不同粒徑的懸浮沉積物得到的濁度-濃度標(biāo)定曲線不同；在相同含沙量條件下，同類型的沉積物，顆粒越細(xì)，所測(cè)得濁度值越大，但標(biāo)定曲線均近似呈現(xiàn)為線性關(guān)系，如圖2顯示不同粒徑的懸浮沉積物的標(biāo)定曲線[18]。本次觀測(cè)中，由于缺乏自動(dòng)采水系統(tǒng)，無(wú)法完成現(xiàn)場(chǎng)同步懸浮水樣采集，因此直接采用濁度數(shù)值進(jìn)行海底邊界層沉積物再懸浮特征的分析與討論。

圖2 ASM測(cè)得濁度與泥沙含量標(biāo)定結(jié)果（據(jù)參考文獻(xiàn)[18]）Fig.2 Relationship between turbidity and suspended sediment concentration (based on reference [18])

3.2 流速數(shù)據(jù)預(yù)處理

ADV現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量采用ENU（東、北、向上）的坐標(biāo)系統(tǒng)固定于綜合觀測(cè)平臺(tái)上。在實(shí)際應(yīng)用中，利用ADV測(cè)量瞬時(shí)流速，估算海底邊界層特征參數(shù)。首先需要對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行質(zhì)量評(píng)估，剔除干擾數(shù)據(jù)。ADV的數(shù)據(jù)預(yù)處理過程包含以下兩個(gè)方面：（1）觀測(cè)數(shù)據(jù)質(zhì)量檢測(cè)：ADV聲學(xué)信號(hào)的信噪比（SNR）和相關(guān)系數(shù)是判斷數(shù)據(jù)質(zhì)量好壞的重要指標(biāo)。一般認(rèn)為信噪比小于5或相關(guān)系數(shù)小于70%的數(shù)據(jù)質(zhì)量較差，應(yīng)予以舍棄[21-22]；（2）去噪：受外界因素的影響，ADV測(cè)得的流速數(shù)據(jù)會(huì)出現(xiàn)明顯的“虛假”信息。本文通過“相空間臨界值法”對(duì)流速分量時(shí)間序列進(jìn)行去噪。

3.3 底床切應(yīng)力的計(jì)算分析

底床切應(yīng)力是控制海床沉積物侵蝕、沉降和再懸浮最主要的參數(shù)之一，波浪、海流及其耦合作用是導(dǎo)致沉積物再懸浮的主要因素之一。海流作用下導(dǎo)致的流致底床切應(yīng)力（τc）采用下式計(jì)算[23]，

波浪的軌道運(yùn)動(dòng)增加海底的切應(yīng)力，波浪對(duì)底床切應(yīng)力作用采用如下公式計(jì)算，

式中，ρ為海水密度；Uw為波浪軌道流速幅值；fw為波浪摩擦系數(shù)；根據(jù)線性波理論[16,23]

式中，H為波高；L為波長(zhǎng)；T為波周期；Aw=UwT/2π。

波流作用下的最大切應(yīng)力（τmax）為

式中，τm為波流作用下的平均切應(yīng)力；φ為波流傳播角度，這里取 90°。

4 結(jié)果與討論

4.1 海洋水動(dòng)力變化

圖3 2017年9-10月現(xiàn)場(chǎng)長(zhǎng)期原位觀測(cè)結(jié)果Fig.3 Results of long term in-situ observation during September to October, 2017

現(xiàn)場(chǎng)原位觀測(cè)時(shí)間為2017年9月28日14:00至10月6日10:30，觀測(cè)結(jié)果如圖3所示。按照有效波高大小，觀測(cè)期間有3次風(fēng)暴浪事件（有效波高超過1.0 m，如圖3a陰影）。第1次發(fā)生于9月29日05:00-13:45，持續(xù)時(shí)間8個(gè)小時(shí)；第2次發(fā)生于9月30日22:00至10月1日08:30，持續(xù)時(shí)間約10個(gè)小時(shí)；第3次發(fā)生于10月1日20:15至10月2日15:00，持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)達(dá)19個(gè)小時(shí)，期間最大有效波高為2.95 m。觀測(cè)海域水位變化7.86～9.76 m，觀測(cè)期間有一次明顯的增水和減水現(xiàn)象。增水現(xiàn)象發(fā)生于10月1日04:00之后漲落潮后，最大水位高達(dá)9.76 m，減水現(xiàn)象發(fā)生于第3次風(fēng)暴時(shí)間之后，水位降至最低7.86 m。觀測(cè)期間平均海流流速為16.38 cm/s，最大流速可達(dá)45 cm/s。如圖3c為懸浮沉積物濁度隨時(shí)間序列變化，多參數(shù)濁度儀與ASM對(duì)應(yīng)深度的傳感器測(cè)得的懸浮沉積物濁度具有很好的一致性。3次風(fēng)暴浪事件下，海水中懸浮沉積物明顯增加。平靜海況下懸浮沉積物濁度平均小于200 NTU。

基于底床切應(yīng)力計(jì)算分析，結(jié)果如圖4所示海流單獨(dú)作用下的切應(yīng)力τc、波浪荷載導(dǎo)致的切應(yīng)力τw及波流共同作用下最大底床切應(yīng)力τmax。基于希爾茲參數(shù)計(jì)算海床臨界切應(yīng)力τcr[16]，如圖4虛線所示。取研究區(qū)海床中值粒徑D50=110 μm計(jì)算得臨界切應(yīng)力τcr=0.148 N/m2。很明顯，海流單獨(dú)作用下的切應(yīng)力明顯小于海床沉積物侵蝕再懸浮的臨界切應(yīng)力，表明波浪荷載是導(dǎo)致沉積物再懸浮的主要控制因素，特別是在風(fēng)暴浪事件作用下，底床切應(yīng)力可以達(dá)到臨界切應(yīng)力的10～15倍。另外，海流作用沒有引起足夠大的切應(yīng)力，表明觀測(cè)期間波浪和海流之間的相互作用是非常小的，如圖4中波流共同作用下最大底床切應(yīng)力基本與波浪荷載導(dǎo)致的切應(yīng)力一致。

4.2 沉積物再懸浮動(dòng)力響應(yīng)過程

基于ASM獲得的懸浮沉積物濁度剖面數(shù)據(jù)，結(jié)合波浪、海流動(dòng)力條件分析波流作用下海底邊界層懸浮沉積物垂向分布特征及影響因素。圖5顯示了距離海床界面0.3 m, 0.6 m和1.0 m高度處懸浮沉積物時(shí)間序列變化：風(fēng)暴浪作用下，海底邊界層懸浮沉積物濁度明顯增加，底層懸浮沉積物在波浪荷載下向上層水體擴(kuò)展，水體懸浮沉積物濁度在垂向上普遍高于沒有波浪荷載的情況；在沒有波浪荷載或者波浪荷載較小的情況下（如圖5中2017年10月3-6日期間），海底邊界層懸浮沉積物濁度隨時(shí)間和空間的變化幅值均較小，這表明觀測(cè)期間周期性的水流作用沒有引起邊界層底層沉積物強(qiáng)烈地再懸浮。此外，風(fēng)暴浪荷載對(duì)底層沉積物的再懸浮具有明顯的滯后性，底層沉積物的再懸浮滯后于風(fēng)暴浪作用2～3 h。

圖4 2017年9-10月海流單獨(dú)作用下的底床切應(yīng)力（τc）、波浪荷載導(dǎo)致的底床切應(yīng)力（τw）及波流共同作用下最大底床切應(yīng)力（τmax）Fig.4 Bottom skin friction shear-stresses of current alone (τc), waves alone(τw), and maximum wave-current (τmax) during September to October, 2017

圖5 2017年9-10月海底邊界層不同深度處懸浮沉積物變化Fig.5 Variation of suspended sediment of bottom boundary layer at different depth during September to October, 2017

圖6 風(fēng)暴荷載下懸浮沉積物垂向分布與波高的關(guān)系Fig.6 Vertical distribution of suspended sediments and wave height during storm

在風(fēng)暴浪作用下，海底邊界層沉積物再懸浮與擴(kuò)散過程始于底部，并逐漸向上擴(kuò)散。如圖6為第3次風(fēng)暴浪事件下海底邊界層懸浮沉積物濁度垂向分布特征，圖中Time=0作為第3次風(fēng)暴浪事件的起始時(shí)刻，對(duì)應(yīng)于2017年10月1日20:30。在風(fēng)暴浪作用前，海底邊界層內(nèi)懸浮沉積物濁度垂向趨于均勻分布，垂向坡度較陡，波浪荷載加劇了海底邊界層的底床切應(yīng)力，使得淺表沉積物不斷侵蝕再懸浮，隨著波浪荷載作用時(shí)間增加，懸浮沉積物逐漸向上擴(kuò)散（圖6曲線a-e），最大擴(kuò)展高度可達(dá)1.0 m；海底邊界層內(nèi)懸浮沉積物垂向分布特征由最初的“I”型（圖6曲線a）向“L”型擴(kuò)展（圖6曲線e）。第3次風(fēng)暴浪期間，0～12.5 h內(nèi)，有效波高持續(xù)增加，12.5 h之后，波浪荷載逐漸減小。圖6曲線e至曲線f，隨著有效波高的降低，初始懸浮的沉積物逐漸沉降，距離底床高度70 cm以上懸浮沉積物明顯減小，70 cm以內(nèi)懸浮沉積物濁度增加，使得懸浮沉積物垂向分布坡度減緩。這表明海底邊界層水體垂向懸浮沉積物沉降速度存在明顯的差異性：前期較大的波浪荷載導(dǎo)致較粗的沉積物顆粒擴(kuò)散至上層水體，波浪荷載減小初期上層水體的粗顆粒沉積物最先最快沉降，海底邊界層內(nèi)懸浮沉積物垂向分布形式由圖6曲線e過渡到曲線f。隨著波浪荷載強(qiáng)度降低和波浪作用時(shí)間的增加，初始再懸浮的沉積物顆粒進(jìn)一步沉降，海底邊界層懸浮沉積物垂向分布曲線由圖6曲線f過渡到曲線g，波浪荷載強(qiáng)度降低，粗顆粒沉降，懸浮沉積物垂向分布的整體幅值降低，水體剩余細(xì)顆粒懸浮沉積物的沉降速率差異性減小，導(dǎo)致懸浮沉積物垂向分布坡度變陡。

O'Hara Murray等[10]通過半真實(shí)的三角洲水槽實(shí)驗(yàn)，研究水動(dòng)力對(duì)懸浮沉積物垂向分布特征時(shí)指出，懸浮沉積物垂向分布曲線隨著波浪荷載增加坡度逐漸增加，其原因在于波浪荷載導(dǎo)致整個(gè)水體懸浮沉積物濃度增加，即懸浮沉積物向上擴(kuò)散的作用更加顯著。另一方面，波浪荷載改變海床形態(tài)，懸浮沉積物垂向分布特征是由水動(dòng)力和海床形態(tài)共同作用的結(jié)果（下一節(jié)討論床面形態(tài)的變化）。海底邊界層內(nèi)，在整個(gè)第3次風(fēng)暴浪事件期間平均懸浮沉積物濃度垂向分布呈現(xiàn)冪指函數(shù)關(guān)系，如圖6曲線h。

4.3 床面形態(tài)對(duì)懸浮沉積物的影響

研究表明水動(dòng)力作用導(dǎo)致床面形態(tài)的規(guī)模和類型呈現(xiàn)多樣性變化，每一種形態(tài)對(duì)海底沉積物的再懸浮都具有不同的影響[24]。如圖7b所示，床面形態(tài)的類型根據(jù)波、流作用下的希爾茲參數(shù)可以分為不同類型[5,14,25]。海底邊界層近底流速較小時(shí)容易形成小的波紋，水動(dòng)力作用強(qiáng)烈（如風(fēng)暴浪）時(shí)，海床面往往形成平坦海床，沉積物的再懸浮和垂向分布發(fā)生很大的變化。床面出現(xiàn)波紋時(shí)，波浪引起的振動(dòng)流在波紋上方發(fā)生分流和旋渦作用，促進(jìn)了沉積物的再懸浮。另一方面，波紋的形狀和大小會(huì)增加流體的阻力，同時(shí)波紋的形成與發(fā)育本身又是局部沉積物輸運(yùn)的結(jié)果。因此，海洋水動(dòng)力、沉積物的再懸浮輸運(yùn)與床面形態(tài)的演化是相互關(guān)聯(lián)的?；诂F(xiàn)場(chǎng)原位觀測(cè)數(shù)據(jù)，根據(jù)Kleinhans[14]研究理論計(jì)算波流作用下的希爾茲參數(shù)θw和θc以及沉積物臨界希爾茲參數(shù)θcr，繪制觀測(cè)海域床面形態(tài)如圖7a所示，按照希爾茲參數(shù)θw和θc的相對(duì)大小，床面形態(tài)可分為4類主要類型：（1）無(wú)擾動(dòng)型，在波、流作用較小時(shí)，不足以使沉積物發(fā)生侵蝕再懸浮；（2）純波浪控制型；（3）純流控制型和（4）波流相互作用型，根據(jù)水動(dòng)力大小，后三者床面形態(tài)類型由波紋向沙丘過渡。研究表明，床面形態(tài)平坦時(shí)，海底邊界層底部一定范圍內(nèi)懸浮沉積物含量較高，但隨著距離海床高度的增加，懸浮沉積物濃度迅速下降[26-28]。觀測(cè)期間床面形態(tài)涵蓋了上述4種類型，以第3次風(fēng)暴事件為例，隨著波浪荷載強(qiáng)度和作用時(shí)間增加，床面形態(tài)由最初的波紋逐漸發(fā)展，如圖7a中灰色箭頭所示，該過程對(duì)應(yīng)于圖6曲線a-f階段。這表明較高的希爾茲參數(shù)θw能夠引起更高的懸浮沉積物，同時(shí)高濃度的懸浮沉積物又改變了床面形態(tài)。

另外，Li和Amo[28]根據(jù)觀測(cè)數(shù)據(jù)計(jì)算波、流摩阻流速比值u*w/u*c，結(jié)果表明不同控制要素下形成的床面形態(tài)與u*w/u*c值之間存在明顯的對(duì)應(yīng)關(guān)系：u*w/u*c≥2時(shí)為純波致床面形態(tài)；2＞u*w/u*c≥1.25為波浪主控床面形態(tài)；1.25＞u*w/u*c≥0.75為波流聯(lián)合作用床面形態(tài)；0.75＜u*w/u*c為流主控的床面形態(tài)。本研究基于現(xiàn)場(chǎng)原位觀測(cè)數(shù)據(jù)，計(jì)算摩阻流速繪制波、流摩阻流速比值u*w/u*c隨時(shí)間序列變化如圖8所示。結(jié)果表明對(duì)應(yīng)于圖7a中不同動(dòng)力條件控制下的床面形態(tài)與摩阻流速比值u*w/u*c具有很好的相關(guān)性。波浪和海流起主導(dǎo)控制作用下的u*w/u*c值具有明顯的界線u*w/u*c=1.00，純波浪荷載作用的u*w/u*c值要明顯高于波浪主控下的u*w/u*c值，但二者之間的界線隨著波浪荷載的增加而升高。

5 結(jié)論

基于現(xiàn)場(chǎng)原位觀測(cè)數(shù)據(jù)，對(duì)祥云灣海洋牧場(chǎng)海域在波流作用下海底邊界層沉積物再懸浮及其影響因素進(jìn)行研究，探究了海底沉積物在波、流作用下再懸浮過程、垂向分布特征及海底床面形態(tài)的變化等問題，得出以下幾點(diǎn)結(jié)論：

（1）研究區(qū)波流之間的相互作用不顯著，沉積物再懸浮受控于風(fēng)暴浪作用。觀測(cè)期間，海流單獨(dú)作用下的底床切應(yīng)力明顯小于海床沉積物的臨界切應(yīng)力，海流對(duì)沉積物再懸浮的作用較??；風(fēng)暴浪作用下底床切應(yīng)力可以達(dá)到臨界切應(yīng)力的10～15倍，底層沉積物的再懸浮滯后于風(fēng)暴浪作用2～3 h。

圖7 基于觀測(cè)數(shù)據(jù)繪制床面形態(tài)圖（a）和Kleinhans[14]床面形態(tài)分類（b）Fig.7 Shield stability diagram with occurences of ripple type (a), and bedform stability diagram after Kleinhans[14] (b)

圖8 2017年9-10月波、流摩阻流速比值u*w/u*c時(shí)間序列變化Fig.8 The ratio of wave and current friction velocityu*w/u*cplotted as a function of time during September to October, 2017

（2）海底邊界層懸浮沉積物垂向分布形式受控于波浪荷載的大小和作用時(shí)間。在沒有波浪荷載或波浪荷載微小的情況下，懸浮沉積物垂向分布呈現(xiàn)“I”型。波浪荷載下，海底邊界層懸浮沉積物垂向分布呈現(xiàn)冪指函數(shù)分布，表現(xiàn)為“L”型。

（3）風(fēng)暴浪作用改變床面形態(tài)的類型，同時(shí)床面形態(tài)與懸浮沉積物的分布形式相互影響。波、流作用下不同類型的床面形態(tài)與摩阻流速比值u*w/u*c存在明顯的對(duì)應(yīng)關(guān)系，u*w/u*c=1.00可作為波浪和海流起主導(dǎo)控制作用的床面形態(tài)的判別依據(jù)，純波浪荷載作用下的u*w/u*c顯著高于波浪主控作用下，但二者之間的界線隨著波浪荷載的增加而升高。

致謝：衷心感謝中國(guó)海洋大學(xué)山東省海洋環(huán)境地質(zhì)工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室研究生季春生、李斯臣、彭子奇等在現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)中提供的支持與幫助！