廢黃河口海域的懸沙輸運(yùn)機(jī)制研究*

郭 瑾 邢 飛 閆玉茹 李占海 朱慶光 汪亞平, 4

廢黃河口海域的懸沙輸運(yùn)機(jī)制研究*

郭 瑾1邢 飛1閆玉茹2李占海1朱慶光3汪亞平1, 4①

(1. 華東師范大學(xué)河口海岸國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 上海 200241; 2. 有色金屬華東地質(zhì)勘查局地球化學(xué)勘查與海洋地質(zhì)調(diào)查研究院 江蘇南京 210007; 3. Department of Environmental Sciences, University of Virginia, Charlottesville, VA 22904, USA; 4. 南京大學(xué)地理與海洋科學(xué)學(xué)院 江蘇南京 210023)

廢黃河三角洲是南黃海內(nèi)陸架的重要物源。為深入探索廢黃河口海域沉積物輸運(yùn)機(jī)制, 利用2015～2016年夏季與冬季在廢黃河口外海域10個站位獲取的現(xiàn)場沉積動力數(shù)據(jù), 計(jì)算潮不對稱參數(shù)、余流、懸沙輸運(yùn)量等。分析結(jié)果表明, 廢黃河口海域沉積物輸運(yùn)模式存在顯著的空間差異, 大部分海域懸沙沿等深線向南輸運(yùn), 僅在近岸側(cè)局部懸沙向岸或向北輸運(yùn)、離岸最遠(yuǎn)處站位向北輸運(yùn)但輸運(yùn)率較小; 近岸淺水海域以平流輸沙為主, 其他離岸區(qū)域以再懸浮作用為主。由于流速和懸沙濃度之間的相位差, 導(dǎo)致余流(凈水輸運(yùn))方向與凈懸沙輸運(yùn)方向存在差異。研究沉降速度與懸沙輸運(yùn)漲落潮不對稱的關(guān)系, 發(fā)現(xiàn)沉降速度越大, 懸沙輸運(yùn)的不對稱性就越顯著; 沉降速度是造成近底部流速與懸沙濃度相位差的主要原因, 導(dǎo)致廢黃河口外凈懸沙輸運(yùn)存在顯著的垂向差異。

廢黃河口; 水下三角洲; 沉積物輸運(yùn); 平流輸運(yùn); 再懸浮

三角洲是重要的河海交匯帶。河流所攜帶的沉積物在海洋動力條件、可容空間、全球氣候變化以及人類活動等因素的共同作用下, 形成不同形態(tài)的三角洲(Wright, 1973; Giosan, 2007; Hanebuth, 2012; 高抒, 2013), 并為周邊海域提供沉積物來源。當(dāng)三角洲的沉積物供應(yīng)大幅減少甚至消失的時候, 三角洲發(fā)生侵蝕, 沉積物被海流帶走而脫離三角洲系統(tǒng), 岸線后退且水下三角洲經(jīng)歷劇烈的地形變化(Giosan, 2006)。

廢黃河三角洲是典型的廢棄三角洲。公元1128～ 1855年, 黃河在江蘇北部入海并形成三角洲; 1855年后, 黃河改道入渤海, 該三角洲失去物源供給, 海浪和潮流導(dǎo)致廢黃河三角洲發(fā)生劇烈侵蝕(張忍順, 1984; 虞志英等, 2002), 被稱為蘇北廢黃河三角洲; 1855～1987年, 廢黃河三角洲區(qū)域海岸線被侵蝕后退約20 km (王艷紅, 2006)。廢黃河三角洲體系在黃、東海的海洋沉積中有著重要作用, 是濟(jì)州島以南區(qū)域海底沉積物的重要物源(Yang, 2003; Lee, 2020); 廢黃河三角洲的沉積物可通過沿岸海流輸送至長江水下三角洲的前緣及前三角洲區(qū)域(Liu, 2010; Xing, 2012)。因此, 廢黃河三角洲是黃海、東海區(qū)域的海洋沉積、物質(zhì)通量以及水體物理環(huán)境研究的重要區(qū)域。沉積物輸運(yùn)受各種水動力因素及沉積物特性的影響, 包括粒徑大小、流速、底部切應(yīng)力等(杜家筆等, 2012; 陳丹茜等, 2019), 海岸工程的建設(shè)導(dǎo)致岸線變化(Sun, 2021), 進(jìn)而也對近海地區(qū)的水動力和沉積物輸運(yùn)產(chǎn)生重大影響(劉強(qiáng)等, 2017)。廢黃河水下三角洲沉積物受到上述各種動力因素和海岸工程的影響, 可通過平流輸運(yùn)與再懸浮等形式被起動、搬運(yùn), 造成沿海地區(qū)懸沙濃度的分布變化以及底床的侵蝕和沉積(Zhang, 2016)。

前人對廢黃河水下三角洲的研究主要聚焦局部區(qū)域沉積物的分布特征、潮周期內(nèi)懸沙濃度的時空變化以及局部沉積物輸運(yùn)趨勢分析等(周良勇等, 2009; 管君陽等, 2011; 陸勤等, 2011; Zhang, 2016; 魯號號等, 2019; 秦亞超等, 2019), 或是利用遙感影像對廢黃河口岸線變化的監(jiān)測來推斷沉積物輸運(yùn)量及方向(Sun, 2021), 以及應(yīng)用機(jī)制分解方法分析廢黃河口北側(cè)局部海域沉積物輸運(yùn)趨勢(楊林等, 2018); 關(guān)于廢黃河口沉積物的輸運(yùn)方向一直是研究關(guān)注的重點(diǎn)(Ni, 2020)。因此, 本文針對廢黃河三角洲外海域大范圍的冬、夏季水沙輸運(yùn)進(jìn)行分析, 主要基于2015年9月與2016年12月共10個站位的全潮沉積動力觀測數(shù)據(jù), 聚焦時間、空間、垂向上的懸沙輸運(yùn)機(jī)制研究, 從多角度判斷沉積物輸運(yùn)方向是否在垂向上存在差異性, 廢黃河口從近岸到深水、從夏季到冬季的輸運(yùn)機(jī)制是否存在變化。

1 研究區(qū)概況

廢黃河口位于我國江蘇省東北部(圖1), 東臨黃海, 面積約為7 800 km2, 其中濱海港區(qū)防波堤位于廢黃河口北側(cè), 于2011年建成。自1855年黃河改道以來, 廢黃河三角洲土地總損失為1 400 km2, 被侵蝕的沉積物主要沿岸流向南輸運(yùn)(Wang, 1987)。廢黃河口海域的表層沉積物類型主要有粉砂質(zhì)砂、砂質(zhì)粉砂和粉砂, 其中分布最廣的是粉砂(劉強(qiáng)等, 2018)。廢黃河口外有一M2分潮無潮點(diǎn)(34°30′N, 121°10′E), 其附近海域潮差普遍小于2 m (Zhang, 2016)。廢黃河口水下三角洲海流以往復(fù)流為主, 主要受到黃海旋轉(zhuǎn)潮波的影響, 呈現(xiàn)不正規(guī)半日潮的特征, 漲潮流為東南向, 落潮流為西北向。受東亞季風(fēng)影響, 廢黃河口海域風(fēng)向隨季節(jié)變化明顯, 冬季盛行偏北風(fēng), 夏季盛行偏南風(fēng), 平均強(qiáng)風(fēng)方向?yàn)楸憋L(fēng), 平均風(fēng)速3.5 m/s, 最大風(fēng)速29.3 m/s (Zhang, 2016); 全年以偏北向浪為主(任美鍔等, 1986)。廢黃河三角洲海岸線的侵蝕受到波浪和沿岸流的影響(高抒, 1989), 其中10 m等深線范圍侵蝕沖刷顯著(劉強(qiáng)等, 2018)。

2 材料與方法

2.1 數(shù)據(jù)采集和樣品分析

本研究于2015年夏季與2016年冬季大潮期間在廢黃河口外附近海域共布設(shè)10個站位進(jìn)行全潮沉積動力學(xué)現(xiàn)場觀測(圖1), 其中夏季包括從Y1 (水深6.5 m)至Y4 (水深19.03 m)的4個站位, 冬季包括W1至W6的6個站位, 覆蓋由北向南、由近岸向遠(yuǎn)岸的海域, 獲取的參數(shù)包括水位、流速、流向、濁度等數(shù)據(jù), 其中Y1、Y2站位觀測時間為2015年9月15～16日, Y3、Y4站位觀測時間為2015年9月17～18日, W1至W6站位觀測時間為2016年12月30～31日。此10個站位均采用錨系觀測, 包括船載聲學(xué)多普勒流速剖面儀(acoustic doppler current profilers, ADCP)連續(xù)獲取水層中的流速、流向數(shù)據(jù)。Y1至Y4站在錨系船只甲板上用光學(xué)后向散射濁度計(jì)(OBS-3A)每小時獲取濁度剖面, 同時采集大量帶有懸沙的水樣進(jìn)行室內(nèi)標(biāo)定實(shí)驗(yàn); W1至W6采用橫式采樣器每小時采集六層水樣, 對應(yīng)層位分別為0.0(水面以下0.5 m)、0.2、0.4、0.6、0.8以及1.0(距離海底0.5 m), 其中代表該站位瞬時水深?，F(xiàn)場采集水樣在室內(nèi)使用孔徑0.45 μm的濾膜進(jìn)行抽濾, 然后在40 °C恒溫的烘箱中烘干, 置于干燥瓶中使其完全干燥, 之后采用十萬分之一天平稱重, 最終獲得質(zhì)量懸沙濃度。

2.2 數(shù)據(jù)處理和計(jì)算方法

2.2.1 流速和懸沙濃度 將ADCP獲得的流速數(shù)據(jù)進(jìn)行每5 min平均, 從而獲取平均流速。由于研究區(qū)的海流以往復(fù)流為主, 主流向?yàn)槌绷鳈E圓的長軸方向, 可計(jì)算出漲、落潮流的主流向和次流向(兩者相互垂直), 然后利用坐標(biāo)變換得出主流向流速和次流向流速。

對于懸沙濃度, 為了將Y1至Y4站位的OBS-3A濁度數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為質(zhì)量懸沙濃度, 將現(xiàn)場采集的懸沙同步水樣進(jìn)行OBS-3A標(biāo)定實(shí)驗(yàn), 利用強(qiáng)制歸零法將光學(xué)后向散射濁度計(jì)(OBS-3A)記錄的濁度與對應(yīng)的質(zhì)量懸沙濃度建立標(biāo)定方程(圖2), 從而將OBS-3A濁度數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為懸沙濃度。

式中, –代表垂向平均; á?代表潮周期平均; , , 分別是一維垂向平均拉格朗日、歐拉和斯托克斯余流(單位: m/s); 其中, =, =áht/h0?, 公式中積分的潮周期T采用水位閉合方法確定。將懸沙濃度c同樣分解為三項(xiàng), c=++, 其中, 為潮周期垂線平均流速; 為垂線平均流速潮偏差項(xiàng); 為垂線平均流速偏差項(xiàng)。因此, 潮周期內(nèi)單寬懸沙輸運(yùn)量(F)為

注: a至d為Y1至Y4站位標(biāo)定曲線

式中,1是歐拉余流輸沙項(xiàng), 其方向受歐拉余流控制, 其量值取決于歐拉余流流速和潮周期內(nèi)的平均含沙量;2項(xiàng)是斯托克斯漂移項(xiàng), 與潮流相關(guān); 兩者合稱拉格朗日平流項(xiàng)。3、4、5三者與潮流、懸沙和水位變化的相位差有關(guān), 可代表潮泵輸運(yùn)項(xiàng)。6、7兩者與懸沙濃度和流速在垂向上分布的變化有關(guān)。將懸沙輸運(yùn)量按照凈輸運(yùn)方向與其水平正交方向進(jìn)行矢量分解, 由于其水平正交方向懸沙輸運(yùn)量較小, 因此, 本文主要考慮凈輸運(yùn)方向。將1至7各項(xiàng)在凈輸運(yùn)方向上的值除以總凈輸運(yùn)量, 可獲得1至7各項(xiàng)對凈懸沙輸運(yùn)的貢獻(xiàn)率。由于在矢量分解中, 凈輸運(yùn)方向?yàn)檎? 其反方向?yàn)樨?fù), 因此, 這種有正有負(fù)的現(xiàn)象可能會導(dǎo)致某一項(xiàng)貢獻(xiàn)率超過100%。

2.2.3 潮不對稱性 潮波從淺海陸架傳播到河口海岸區(qū)域后會發(fā)生顯著變形, 產(chǎn)生漲、落潮歷時和水位的潮汐不對稱現(xiàn)象(郭文云, 2017), 可采用偏度來進(jìn)行定量分析(Nidzieko, 2010), 比較常用的是Song等(2011)提出的潮汐不對稱計(jì)算公式:

其中,為水位時間導(dǎo)數(shù)的偏度;表示水深;表示時間;為水位的時間導(dǎo)數(shù);為期望值;3表示流速的三階原點(diǎn)矩;為標(biāo)準(zhǔn)偏差。當(dāng)偏度<0時, 落潮歷時較小, 當(dāng)偏度>0, 漲潮歷時較小。一個潮周期內(nèi)的懸沙濃度也可以用同樣的公式來定量化其不對稱性。潮流奇數(shù)原點(diǎn)矩可以作為潮流不對稱性的定量參數(shù)(Nidzieko, 2012):

其中,3表示流速的三階原點(diǎn)矩;2表示流速的二階原點(diǎn)矩。當(dāng)0>0, 則代表落潮流占主導(dǎo), 當(dāng)0<0, 則代表漲潮流占主導(dǎo),μ為一個潮周期內(nèi)主流向垂線平均流速,為μ的個數(shù)。懸沙輸運(yùn)也可以用同樣的方法進(jìn)行其不對稱性的計(jì)算。

2.2.4 聚類分析 在對廢黃河口外各站位的相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析的過程中, 依據(jù)單因素數(shù)據(jù)難以全面描述總體特征。聚類分析是對多個研究對象的多種特性進(jìn)行綜合分析以及分類, 其多個研究對象按照各自特性的相似程度聚合在一起, 相似度最大的優(yōu)先聚合, 根據(jù)聚合類別完成聚類分析(高惠璇, 2005)。根據(jù)上文獲得的廢黃河口外多站位數(shù)據(jù), 采用離差平方和法(Ward法)進(jìn)行Q型系統(tǒng)聚類分析。Ward法的基本思想是先將這10個站位各自作為一個類別, 此時離差平方和為0; 之后每次將兩個站位合并為一個類別, 離差平方和將增加, 將增加最小的兩個類別進(jìn)行合并。離差平方和法(Ward法)把某兩個類別合并后所增加的離差平方和稱為類間距離:

3 結(jié)果

3.1 流速和懸沙濃度

流速矢量顯示研究區(qū)的海流為往復(fù)流, 主流向?yàn)闁|南-西北方向, 且夏季與冬季沒有明顯的流向差異(圖3)。結(jié)合表1, 可以發(fā)現(xiàn), Y1, Y2, W1, W2的最大瞬時流速均在漲潮, 其余站位的最大瞬時流速均在落潮。

與主流向流速相比, 廢黃河口外各站位的次流向流速相對較小, 通常小于0.1 m/s, 故在后面的討論中將其忽略。主流向流速剖面顯示Y1站位在最高和最低水位流速最低, Y4, W3, W6等離岸站位流速最大值出現(xiàn)在水位最高與最低處, 其余站位的流速最低時刻出現(xiàn)在最高或最低水位之后1～2 h(圖4)?？傮w來說, 各站位漲、落潮流速最大值出現(xiàn)在表層, 但Y1站位在落潮時刻流速最大值出現(xiàn)在次表層, 可能與當(dāng)時風(fēng)速較大有關(guān); 根據(jù)歐洲中期天氣預(yù)報中心(ECMWF)的風(fēng)速數(shù)據(jù), 9月16日零點(diǎn)到六點(diǎn), Y1站位為東北風(fēng), 風(fēng)速為5～5.5 m/s, 與落潮流方向相反, 減弱了表層流速, 導(dǎo)致最大流速出現(xiàn)在次表層; 其余站位觀測期間, 風(fēng)速1.5～2 m/s, 對流速的影響較小。

夏季懸沙濃度最大值出現(xiàn)在Y1站位的漲急時刻, 高達(dá)5 000 mg/L, 冬季懸沙濃度最大值出現(xiàn)在W6站位的漲潮時刻, 達(dá)到7 800 mg/L(圖5)。從空間分布上來說, 近岸站位(Y1, Y2, W1)的懸沙濃度普遍高于離岸站位(Y3, Y4, W2, W3, W4, W5, W6), 可能是由于淺水區(qū)域潮流與風(fēng)浪更易影響到海底, 導(dǎo)致底部沉積物易發(fā)生再懸浮。在漲、落急時刻水體近底部出現(xiàn)周期性的高懸沙濃度, 此時水體呈現(xiàn)分層現(xiàn)象, 懸沙濃度的垂向梯度變大。夏季Y1至Y4站位的懸沙濃度高值出現(xiàn)時刻一致, 均在漲、落急時刻, 且漲急時略高; 冬季W(wǎng)1至W6站位的高懸沙濃度出現(xiàn)時刻與此類似; 總體來說, 各站位憩流期間的懸沙濃度相對較低, 原因是此時流速較低, 懸沙發(fā)生沉降。

圖3 廢黃河口外站位流速矢量圖

表1 廢黃河口外觀測站位海流特征值

Tab.1 Characteristics of the current in monitoring stations on the abandoned Huanghe River delta

3.2 余流及懸沙輸運(yùn)

如表2所示, 廢黃河口外各站位的拉格朗日余流與歐拉余流的大小與方向接近。相對而言, 斯托克斯余流的量值較小, 基本均小于2 cm/s。Y1站位的拉格朗日余流最大, 超過30 cm/s, 沿岸向西北方向輸運(yùn)。Y2, Y4, W2站位的拉格朗日余流沿西南方向輸運(yùn), Y3, W1, W5站位拉格朗日余流沿東南方向輸運(yùn), W3拉格朗日余流沿西北方向輸運(yùn), W4和W6站位拉格朗日余流沿東北方向輸運(yùn)。夏季站位(Y1至Y4)拉格朗日余流值隨著與岸線距離的增大而減小, 水深越大, 拉格朗日余流值越小, 同時, 從Y1到Y(jié)4, 單寬輸水率與單寬輸沙率逐漸減小; 冬季站位中, W1與W2站位的拉格朗日余流值、單寬輸水率與單寬輸沙率均較其他站位偏大。夏季與冬季的單寬輸沙率整體呈現(xiàn)向南輸運(yùn)為主, 且單寬輸水率與單寬輸沙率的方向不完全一致。

3.3 懸沙輸運(yùn)通量分解

根據(jù)表3可以發(fā)現(xiàn), 廢黃河口外各站位拉格朗日平流項(xiàng)1+2和潮泵效應(yīng)項(xiàng)3+4+5的貢獻(xiàn)最大, 是影響懸沙輸運(yùn)的控制因素; 垂向環(huán)流輸移項(xiàng)相對影響很小, 而且大部分為負(fù)貢獻(xiàn)量。其中, Y1, Y2, W1, W4站位懸沙輸運(yùn)主要由拉格朗日平流輸運(yùn)控制, 其余站位懸沙輸運(yùn)主要由潮泵效應(yīng)控制, 而且總體呈現(xiàn)近岸的站位(Y1, Y2, W1)由平流輸運(yùn)控制、離岸的站位(Y3, Y4, W2, W3, W5, W6)由潮泵效應(yīng)控制的特征。

圖4 廢黃河口外各站位的主流向流速剖面圖

表2 廢黃河口外站位余流、單寬輸水率及單寬懸沙輸運(yùn)率

Tab.2 Residual currents, water fluxes, and sediment fluxes in the monitoring stations

表3 通量分解后各分解項(xiàng)對凈懸沙輸運(yùn)的貢獻(xiàn)率(單位: %)

Tab.3 Contribution of each component to the net sediment fluxes by flux decomposition (unit:%)

注:1是歐拉余流輸沙項(xiàng), 其方向受歐拉余流控制;2項(xiàng)是斯托克斯漂移項(xiàng), 與潮流相關(guān); 兩者合稱拉格朗日平流項(xiàng);3、4、5三者與潮流、懸沙和水位變化的相位差有關(guān), 可代表潮泵輸運(yùn)項(xiàng);6、7兩者與懸沙濃度和流速在垂向上分布的變化有關(guān)

3.4 潮不對稱特征

廢黃河口外各站位的潮不對稱偏度值計(jì)算結(jié)果(表4)表明, 夏季站位(Y1至Y4)落潮歷時整體大于漲潮歷時(潮位不對稱參數(shù)1>0), 而冬季站位(W1至W6)則是漲潮歷時整體大于落潮歷時(潮位不對稱參數(shù)1<0)。就潮流而言, 除了Y3站位漲潮流較強(qiáng)以外(潮流不對稱參數(shù)2<0), 其余站位均由落潮流占主導(dǎo)(潮流不對稱參數(shù)2>0)。

應(yīng)用與潮位不對稱參數(shù)1和潮流不對稱參數(shù)2的計(jì)算方法, 可利用一個潮周期內(nèi)的懸沙濃度數(shù)據(jù)計(jì)算得到潮周期懸沙不對稱參數(shù)3, 其絕對值大小代表一個潮周期內(nèi)該站位懸沙濃度的不對稱強(qiáng)度。結(jié)果表明, 一個潮周期內(nèi)Y1和W3的懸沙不對稱性較強(qiáng)(表4)。

利用各個站位一個潮周期內(nèi)的輸沙量可計(jì)算得出潮周期輸沙不對稱參數(shù)4, 輸沙不對稱參數(shù)大于0, 表示這個站位落潮輸沙占主導(dǎo); 小于0, 則表示漲潮輸沙占主導(dǎo), 其絕對值可以代表一個潮周期內(nèi)的輸沙不對稱程度。在所有站位中, 夏季站位(Y1至Y4)除了Y3漲潮流輸沙占主導(dǎo)外, 其余站位都以落潮流輸沙占主導(dǎo), 與潮流不對稱參數(shù)反映的結(jié)果對應(yīng)。冬季站位(W1至W6)除了W3是落潮輸沙占主導(dǎo), 與潮流不對稱參數(shù)反映的結(jié)果相對應(yīng)以外, 其余站位均以漲潮流輸沙占主導(dǎo), 與潮流不對稱參數(shù)相反, 而4個站位與懸沙不對稱的結(jié)果相近(W1至W4), 反映了懸沙濃度的不對稱性對輸沙不對稱的影響大于潮流不對稱的影響。

表4 各測站實(shí)測水、沙的潮不對稱參數(shù)

Tab.4 Tidal asymmetry in terms of water and sediment transport measured at each station

4 討論

4.1 沉降速度、平流與再懸浮效應(yīng)對沉積物輸運(yùn)的影響

Bass等(2002)基于懸沙的擴(kuò)散方程開發(fā)了一個簡化的深度平均沉積物平流擴(kuò)散模型, 該模型可用于評估懸沙沉降速度、平流輸運(yùn)和局部侵蝕的變化對海底沉積物的影響, 解釋懸沙濃度與流速的相位差異。應(yīng)用此模型的代碼(Cahl, 2019), 我們使用各站位的垂線平均流速與近底層懸沙濃度數(shù)據(jù)的時間序列計(jì)算了每個站位的懸沙沉降速度、平流和再懸浮等參數(shù), 結(jié)果如表5所示。

表5 根據(jù)沉積物平流擴(kuò)散模型(Bass, 2002)計(jì)算的各站位沉降、再懸浮與平流等參數(shù)

Tab.5 The model results of settling velocity, advection rate, and resuspension rate at each station based upon diffusion equations for suspended sediment

計(jì)算結(jié)果見圖6, 藍(lán)色實(shí)線為模型輸出的最優(yōu)結(jié)果, 部分站位(Y3, W3, W4, W5和W6)模型輸出結(jié)果與實(shí)測懸沙濃度(灰色實(shí)線)較為貼合, 其他站位部分時段欠佳。為了探討再懸浮參數(shù)和平流參數(shù)的相對重要性, 圖6還分別呈現(xiàn)了不考慮再懸浮過程以及平流過程的結(jié)果。對于Y2, W1, W2, W6站位, 在不考慮平流時模型計(jì)算的懸沙濃度與實(shí)測懸沙濃度沒有較大差異, 但是在剔除再懸浮過程對懸沙的影響之后, 模擬結(jié)果與實(shí)測結(jié)果相差較大, 這表明再懸浮效應(yīng)在這幾個站位的懸沙輸運(yùn)過程中占主導(dǎo)地位; 同理, Y3站位的平流作用在懸沙輸運(yùn)過程中占主導(dǎo)地位; 其余站位如Y1, Y4, W3, W4, W5的再懸浮過程和平流過程的相對重要性不顯著。

懸沙沉降速度可通過影響水體中高懸沙濃度的持續(xù)時間影響到懸沙輸運(yùn)率。對于沉降速度較大的沉積物來說, 若漲潮流較弱, 落潮流較強(qiáng), 則造成漲潮時期沉積物在離岸地區(qū)沉降堆積, 輸運(yùn)至近岸的沉積物變少, 落潮時期強(qiáng)潮流則可攜帶近岸沉積物離開這個區(qū)域; 若懸沙沉降速度較小, 則滯后的再懸浮事件導(dǎo)致漲落潮流都可以產(chǎn)生沉積物的輸入或輸出(Cheng, 2008)。圖7展現(xiàn)了各個站位沉降速度與懸沙輸運(yùn)不對稱性絕對值的相關(guān)關(guān)系, 可以發(fā)現(xiàn), 整體呈現(xiàn)出沉降速度越大, 其對應(yīng)站位的懸沙輸運(yùn)不對稱性絕對值也越大的趨勢。其中, W1與W2站位是偏離此趨勢的, 原因可能是Bass模型模擬結(jié)果與實(shí)測懸沙濃度的相對誤差較大(W1與W2的相對誤差為46%, 其余八個站位的相對誤差的平均值為40.2%), 從而導(dǎo)致沉降速度計(jì)算結(jié)果偏差較大。對于其余站位所呈現(xiàn)的沉降速度越大懸沙輸運(yùn)不對稱性絕對值也越大的趨勢, 可能是由于較大的沉降速度會導(dǎo)致漲落潮懸沙輸運(yùn)量的差異, 從而導(dǎo)致懸沙輸運(yùn)不對稱性更顯著。

4.2 廢黃河口懸沙輸運(yùn)機(jī)制

計(jì)算結(jié)果表明, 廢黃河口外各站位的凈水輸運(yùn)與凈懸沙輸運(yùn)的空間變化明顯受地形影響(圖8)。Y1的懸沙輸運(yùn)與濱海港南側(cè)防波導(dǎo)堤垂直, 其凈水輸運(yùn)方向與懸沙輸運(yùn)方向均為西北方向, 猜測Y1站位水動力與沉積物輸運(yùn)受濱海港南側(cè)防波導(dǎo)堤影響很大(圖1), 此外Y2的懸沙輸運(yùn)也與岸線方向垂直向岸, 由此推測, 廢黃河口外的近岸區(qū)域會逐漸堆積。除了Y1與Y2站位, Y3、W1、W2、W5、W6的垂向總凈水輸運(yùn)方向基本與岸線平行, 其余站位基本與岸線垂直, 凈水輸運(yùn)量值呈現(xiàn)近岸大于離岸的趨勢。各站位懸沙基本沿等深線方向向南輸運(yùn), 僅在離岸較遠(yuǎn)的Y4、W4站位懸沙向北輸運(yùn)。

從圖8a可以看出, 各站位的凈水輸運(yùn)方向和凈懸沙輸運(yùn)方向不完全一致。根據(jù)懸沙輸運(yùn)通量分解的結(jié)果(表3), 推斷出平流輸沙為主的站位為Y1、Y2、W1、W4, 潮泵輸沙為主的站位為Y3、Y4、W2、W3、W5、W6, 對于平流輸沙為主的站位, 凈水輸運(yùn)方向與凈懸沙輸運(yùn)方向基本一致, 而以潮泵輸沙為主的站位, 則出現(xiàn)凈水輸運(yùn)方向與凈懸沙輸運(yùn)方向不一致的現(xiàn)象。

從垂向變化上來看, 廢黃河口外各站位的表、中、底層的懸沙輸運(yùn)方向不完全一致, 一些站位(Y3、W3、W4、W5)的懸沙輸運(yùn)方向在垂向上存在顯著變化。以站位Y3與Y4為例, 根據(jù)懸沙輸運(yùn)機(jī)制分解, Y3與Y4都以潮泵輸沙為主, Y3表層、中層與底層的懸沙輸運(yùn)方向有很明顯的差異, 而Y4的懸沙輸運(yùn)方向與各層位基本一致(圖9)。通過Y3與Y4底層流速與懸沙濃度的時間序列可以看出, Y3流速與懸沙濃度的相位差有3～4 h, 而Y4站位流速與懸沙濃度相位基本一致, 主要原因是Y3的沉降速度(0.32 mm/s, 表5)比Y4站位(0.5 mm/s, 表5)顯著偏小。沉降速度過小會導(dǎo)致懸沙的滯后效應(yīng)(Zhu, 2019), 從而導(dǎo)致流速與懸沙濃度相位差增大。當(dāng)流速與懸沙濃度的相位差較大時, 底層高懸沙濃度出現(xiàn)在漲、落憩時刻; 加之懸沙濃度以及流向的突變, 懸沙輸運(yùn)方向的變化更復(fù)雜, 因此, 造成垂向上輸沙方向的差異。我們根據(jù)模型(Bass, 2002)模擬出各站位的沉降速度(表5), 結(jié)果顯示廢黃河口外各站位的表、中、底層的懸沙輸運(yùn)方向有差異的站位(Y3、W3、W4、W5)所對應(yīng)的沉降速度都相對較小, 表明沉降速度對懸沙輸運(yùn)過程有顯著影響。

圖6 各站位的垂線平均流速圖與簡化深度平均沉積物平流擴(kuò)散模型模擬的懸沙濃度時間序列

注:U,U分別為東西方向與南北方向的流速, 其中, 東、北方向流速為正; Y1,Y2站位的起始時間為2015年9月15日11:00, Y3,Y4站位的起始時間為2015年9月17日11:00, W1至W6站位的起始時間為2016年12月30日11:00

圖7 各站位懸沙輸運(yùn)不對稱性的絕對值與沉降速度的相關(guān)性

為了更好地理解廢黃河口懸沙輸運(yùn)的空間特征, 本文綜合上文計(jì)算的離岸距離、潮泵輸沙項(xiàng)、平流輸沙項(xiàng)、凈懸沙輸運(yùn)與凈水輸運(yùn)的角度差、沉降速度、懸沙輸運(yùn)不對稱的絕對值等參數(shù)(表6), 對各個站位進(jìn)行聚類分析(圖10), 其中離岸距離是各個站位垂直于岸線的距離。在類間距離為2.5時, 十個站位可以分為三類, 第一類是Y4與W6, 離岸距離最遠(yuǎn), 懸沙輸運(yùn)模式均以潮泵輸沙為主, 沉降速度較大, 懸沙輸運(yùn)不對稱性的絕對值較大, 余流與凈懸沙輸運(yùn)方向存在差異。第二類是Y1、Y2與W1, 均為離岸距離最近的站位, 懸沙以平流輸運(yùn)為主, 沉降速度與輸沙不對稱性的絕對值都較小, 凈水輸運(yùn)方向和凈懸沙輸運(yùn)方向基本一致。第三類是離岸距離位于上面兩類之間的站位, 包括Y3、W2、W3、W4、W5。分析表明, 廢黃河口外海域近岸與遠(yuǎn)岸懸沙輸運(yùn)機(jī)制存在顯著差異。

圖8 廢黃河口外各站位凈懸沙輸運(yùn)與凈水輸運(yùn)

注: a表示垂向積分的總凈輸運(yùn); b, c, d分別表示表、中、底層凈輸運(yùn)

圖9 Y3、Y4站位底部流速與懸沙濃度時間序列圖

表6 廢黃河口外觀測站位特征值

Tab.6 Characteristic values at each monitoring stations in the abandoned Huanghe River delta

圖10 廢黃河口外各站位聚類分析譜系圖

4.3 廢黃河口外懸沙輸運(yùn)與水下三角洲演化的關(guān)系

廢黃河口的平均強(qiáng)風(fēng)方向?yàn)楸憋L(fēng), 本文站位觀測期間風(fēng)速基本在5 m/s以下, 因此風(fēng)浪事件對觀測期間各站位懸沙輸運(yùn)結(jié)果影響不大。但根據(jù)前人研究顯示(朱慶光, 2017), 在廢黃河口外有風(fēng)浪的情況下, 懸沙將有很強(qiáng)的東南方向輸運(yùn), 其中, 廢黃河口南側(cè)的新洋港岸外海域在冬季時期, 大風(fēng)事件會使?jié)q潮流增強(qiáng), 落潮流減弱, 此地的海底高懸沙濃度事件的發(fā)生主要是由于高濃度的懸沙從廢黃河口向南平流輸運(yùn)造成的, 冬季的輸運(yùn)量明顯高于夏季(郭志剛等, 2002; 郭瑜璇, 2019)。也有數(shù)值模擬結(jié)果顯示(Ni, 2020), 漲潮時期, 廢黃河口沉積物向南輸送, 落潮時向北輸送, 但凈輸送方向偏南。根據(jù)本研究的結(jié)果, 廢黃河口外海域部分站位均以再懸浮作用為主, 并且在沒有風(fēng)浪的條件下, 夏季站位與冬季站位的懸沙輸運(yùn)方向基本沿岸向南。因此, 我們推測在長時間尺度上, 廢黃河口水下三角洲以侵蝕為主, 被侵蝕的沉積物沿岸向南輸運(yùn), 是南側(cè)潮灘、輻射沙脊的重要物源, 但風(fēng)浪事件對沉積物輸運(yùn)的貢獻(xiàn)暫時還不明確, 未來需加強(qiáng)這方面的研究。本文的觀測結(jié)果還顯示, 雖然廢黃河口外懸沙輸運(yùn)沿等深線方向向南輸運(yùn), 但是離岸遠(yuǎn)的區(qū)域(如Y4站)懸沙向北輸運(yùn), 因此, 廢黃河口外海域存在向北(海州灣方向)的輸運(yùn)和向南(蘇北輻射沙洲方向)的輸運(yùn)(沈煥庭等, 1986; Xia, 2004; Su, 2017), 但是由于本研究的觀測結(jié)果中向北輸運(yùn)的站位信息較少, 具體的泥沙運(yùn)動格局還要通過進(jìn)一步的研究來證實(shí)。值得關(guān)注的是, 在廢黃河口近岸區(qū)域, 由于人工的濱海港導(dǎo)堤建設(shè)等原因, 改變了工程區(qū)局部海域的水動力, 沉積物有向人工港灣運(yùn)動、堆積的趨勢; 因此, 目前廢黃河口岸線可以在導(dǎo)堤保護(hù)下維持現(xiàn)狀, 但隨著未來極端事件的增多和強(qiáng)度增大, 海岸侵蝕、水下三角洲海底侵蝕狀態(tài)仍是不容小覷的問題。

5 結(jié)論

(1) 廢黃河口外近岸海域的懸沙向岸輸運(yùn), 可能與局地人類活動影響、即濱海港導(dǎo)堤工程導(dǎo)致近岸水動力減弱有關(guān); 離岸區(qū)域懸沙主要沿等深線向南輸運(yùn), 僅有一個離岸最遠(yuǎn)處站位的懸沙向北輸運(yùn)。

(2) 廢黃河口外海域的凈水輸運(yùn)方向與凈懸沙輸運(yùn)方向存在差異, 與不同水深、離岸區(qū)域的懸沙輸運(yùn)模式有關(guān), 其中以平流輸沙為主的區(qū)域(主要是近岸淺水海域), 凈水輸運(yùn)方向與凈懸沙輸運(yùn)方向基本一致; 以潮泵輸沙為主的區(qū)域(主要是離岸區(qū)域), 其凈水輸運(yùn)方向與凈懸沙輸運(yùn)方向有較大差別。

(3) 懸沙輸運(yùn)的不對稱性主要與懸沙沉降速度的時空差異有關(guān), 沉降速度與懸沙輸運(yùn)不對稱參數(shù)之間有顯著正相關(guān)關(guān)系, 沉降速度越大、懸沙輸運(yùn)的不對稱性就越大。另外, 廢黃河口外海域各站位之間沉降速度的差異導(dǎo)致了底層流速與懸沙濃度的相位差, 當(dāng)?shù)讓恿魉倥c懸沙濃度的相位差過大, 則會導(dǎo)致凈懸沙輸運(yùn)模式的垂向差異。

致謝 唐杰平、陳德志、蘭庭飛、盛輝等參加航次調(diào)查、采集沉積物和海水樣品、濁度計(jì)標(biāo)定, 盛輝、湯碧璇、李任之等協(xié)助進(jìn)行數(shù)據(jù)分析, 在此一并致謝。此外, 感謝Cahl D與Voulgaris G提供了深度平均沉積物平流擴(kuò)散模型的計(jì)算代碼(doi: 10.5281/ zenodo. 3363922)。

王艷紅, 2006. 廢黃河三角洲海岸侵蝕過程中的變異特征及整體防護(hù)研究[D]. 南京: 南京師范大學(xué): 9-10.

朱慶光, 2017. 潮汐、風(fēng)和波浪驅(qū)動下的廢黃河口外海域懸沙輸運(yùn)過程[D]. 南京: 南京大學(xué): 55-60.

任美鍔, 丁方叔, 萬延森, 1986. 江蘇省海岸帶和海涂資源綜合調(diào)查報告[M]. 北京: 海洋出版社.

劉強(qiáng), 閆玉茹, 項(xiàng)立輝, 等, 2017. 鹽城濱海港區(qū)防波堤建設(shè)對水下地形的影響研究[J]. 海洋科學(xué), 41(3): 80-88.

劉強(qiáng), 項(xiàng)立輝, 張剛, 等, 2018. 蘇北廢黃河口表層沉積物分布特征及其控制因素[J]. 海洋地質(zhì)與第四紀(jì)地質(zhì), 38(1): 118-126.

杜家筆, 裴艷東, 高建華, 等, 2012. 弱動力淺海中的懸沙輸運(yùn)機(jī)制: 以天津港附近海域?yàn)槔齕J]. 海洋學(xué)報, 34(1): 136-144.

楊林, 楊紅, 吉新磊, 等, 2018. 廢黃河口海域懸沙輸運(yùn)特征[J]. 海洋湖沼通報(6): 1-8.

沈煥庭, 李九發(fā), 朱慧芳, 等, 1986. 長江河口懸沙輸移特性[J]. 泥沙研究(1): 1-13.

張忍順, 1984. 蘇北黃河三角洲及濱海平原的成陸過程[J]. 地理學(xué)報(2): 173-184.

陸勤, 陳沈良, 2011. 廢黃河三角洲海域表層沉積物分布特征[J]. 上海國土資源, 32(1): 14-19.

陳丹茜, 蘭庭飛, 裴艷東, 等, 2019. 天津港水域圍墾條件下的水動力變化分析[J]. 海洋科學(xué), 43(10): 113-125.

周良勇, 陳斌, 劉健, 等, 2009. 江蘇廢黃河口外夏季懸浮泥沙運(yùn)動[J]. 海洋地質(zhì)與第四紀(jì)地質(zhì), 29(6): 17-24.

秦亞超, 顧兆峰, 2019. 連云港海域廢黃河水下三角洲北翼的沉積特征與空間分布[J]. 海洋學(xué)報, 41(11): 101-116.

高抒, 1989. 廢黃河口海岸侵蝕與對策[J]. 海岸工程(1): 37-42.

高抒, 2013. 中國東部陸架全新世沉積體系: 過程——產(chǎn)物關(guān)系研究進(jìn)展評述[J]. 沉積學(xué)報, 31(5): 845-855.

高惠璇, 2005. 聚類分析[M] // 高惠璇. 應(yīng)用多元統(tǒng)計(jì)分析. 北京: 北京大學(xué)出版社出版: 75-76.

郭文云, 2017. 潮汐不對稱性的時間變化特征及其對工程的響應(yīng)[D]. 上海: 華東師范大學(xué): 9-10.

郭志剛, 楊作升, 張東奇, 等, 2002. 冬、夏季東海北部懸浮體分布及海流對懸浮體輸運(yùn)的阻隔作用[J]. 海洋學(xué)報, 24(5): 71-80.

郭瑜璇, 2019. 渤、黃、東海懸浮物傳輸過程和機(jī)制的數(shù)值模擬[D]. 青島: 自然資源部第一海洋研究所: 67-68.

魯號號, 楊旸, 唐杰平, 等, 2019. 南黃海廢黃河口近岸海域近底部懸沙輸運(yùn)觀測[J]. 海洋地質(zhì)與第四紀(jì)地質(zhì), 39(1): 38-48.

虞志英, 張國安, 金镠, 等, 2002. 波流共同作用下廢黃河河口水下三角洲地形演變預(yù)測模式[J]. 海洋與湖沼, 33(6): 583-590.

管君陽, 谷國傳, 2011. 廢黃河口海岸近期侵蝕特征與機(jī)理[J]. 海岸工程, 30(2): 50-61.

BASS S J, ALDRIDGE J N, MCCAVE I N,, 2002. Phase relationships between fine sediment suspensions and tidal currents in coastal seas [J]. Journal of Geophysical Research: Oceans, 107(C10): 3146, doi: 10.1029/2001JC001269.

CHENG P, WILSON R E, 2008. Modeling sediment suspensions in an idealized tidal embayment: importance of tidal asymmetry and settling lag [J]. Estuaries and Coasts, 31(5): 828-842.

DYER K R, 1974. The salt balance in stratified estuaries [J]. Estuarine and Coastal Marine Science, 2(3): 273-281.

GIOSAN L, 2007. Morphodynamic feedbacks on deltaic coasts: lessons from the wave-dominated Danube delta [C] // Sixth International Symposium on Coastal Engineering and Science of Coastal Sediment Process. New Orleans: ASCE: 828-841.

GIOSAN L, CONSTANTINESCU S, CLIFT P D,, 2006. Recent morphodynamics of the Indus delta shore and shelf [J]. Continental Shelf Research, 26(14): 1668-1684.

HANEBUTH T J J, PROSKE U, SAITO Y,, 2012. Early growth stage of a large delta — Transformation from estuarine-platform to deltaic-progradational conditions (the northeastern Mekong River Delta, Vietnam) [J]. Sedimentary Geology, 261/262: 108-119.

LEE H J, JEON C K, LIM H S, 2020. Dynamical analysis of the mud-belt formation in the Bohai, Yellow and East China seas [J]. Marine Geology, 423: 106140.

LIU J, SAITO Y, KONG X H,, 2010. Sedimentary record of environmental evolution off the Yangtze River estuary, East China Sea, during the last～13, 000 years, with special reference to the influence of the Yellow River on the Yangtze River delta during the last 600 years [J]. Quaternary Science Reviews, 29(17/18): 2424-2438.

NI L, TAO J F, 2020. Wave-induced sediment transport along the abandoned Yellow River delta in Jiangsu coast, China [C] // Proceedings of the 30th International Ocean and Polar Engineering Conference. Shanghai: ISOPE: 2948.

NIDZIEKO N J, 2010. Tidal asymmetry in estuaries with mixed semidiurnal/diurnal tides [J]. Journal of Geophysical Research: Oceans, 115(C8): C08006.

NIDZIEKO N J, RALSTON D K, 2012. Tidal asymmetry and velocity skew over tidal flats and shallow channels within a macrotidal river delta [J]. Journal of Geophysical Research: Oceans, 117(C3): C03001.

SONG D H, WANG X H, KISS A E,, 2011. The contribution to tidal asymmetry by different combinations of tidal constituents [J]. Journal of Geophysical Research: Oceans, 116(C12): C12007.

SU M, YAO P, WANG Z B,, 2017. Exploratory morphodynamic hindcast of the evolution of the abandoned Yellow River delta, 1578–1855 CE [J]. Marine Geology, 383: 99-119.

SUN Z P, NIU X J, 2021. Variation tendency of coastline under natural and anthropogenic disturbance around the abandoned Yellow River delta in 1984–2019 [J]. Remote Sensing, 13(17): 3391.

WANG Y, AUBREY D G, 1987. The characteristics of the China coastline [J]. Continental Shelf Research, 7(4): 329-349.

WRIGHT L D, COLEMAN J M, 1973. Variations in morphology of major river deltas as functions of ocean wave and river discharge regimes [J]. AAPG Bulletin, 57(2): 370-398.

XIA C S, QIAO F L, ZHANG M N,, 2004. Simulation of double cold cores of the 35°N section in the Yellow Sea with a wave-tide-circulation coupled model [J]. Chinese Journal of Oceanology and Limnology, 22(3): 292-298.

XING F, WANG Y P, WANG H V, 2012. Tidal hydrodynamics and fine-grained sediment transport on the radial sand ridge system in the southern Yellow Sea [J]. Marine Geology, 291/294: 192-210.

YANG S Y, JUNG H S, LIM D I,, 2003. A review on the provenance discrimination of sediments in the Yellow Sea [J]. Earth-Science Reviews, 63(1/2): 93-120.

ZHANG L, CHEN S L, YI L, 2016. The sediment source and transport trends around the abandoned Yellow River delta, China [J]. Marine Georesources & Geotechnology, 34(5): 440-449.

ZHU Z C, WANG Y Z, HU Z J,, 2019. Mechanism of phase lag between current speed and suspended sediment: combined effect of erosion, deposition, and advection [J]. Journal of Ocean University of China, 18(1): 43-56.

THE MECHANISM OF SUSPENDED SEDIMENT TRANSPORT IN THE ABANDONED HUANGHE RIVER DELTA

GUO Jin1, XING Fei1, YAN Yu-Ru2, LI Zhan-Hai1, ZHU Qing-Guang3, WANG Ya-Ping1, 4

(1. State Key Laboratory of Estuarine and Coastal Research, East China Normal University, Shanghai 200241, China; 2. School of Geographic and Oceanographic Sciences, Nanjing University, Nanjing 210007, China; 3. Department of Environmental Sciences, University of Virginia, Charlottesville, VA 22904, USA; 4. Institute of Geochemical Exploration and Marine Geological Survey, East China Mineral Exploration and Development Bureau, Nanjing 210023, China)

The abandoned Huanghe (Yellow) River delta is an important source of sediment on the inner shelf of the South Yellow Sea. To understand the mechanisms of sediment transport in the coastal ocean of the abandoned Huanghe River subaqueous delta, the tidal asymmetry parameters, residual flows, and suspended sediment transport flux were calculated based on in-situ data obtained in the 10 stations located from nearshore to offshore in summer and winter of 2015～2016. Results show that the suspended sediment transport patterns varied significantly in space. Suspended sediment in most sea areas is transported southward along the isobaths, and only a part of them is transported shoreward or northward on the nearshore side, and in the farthest offshore station is transported northward but the transportation rate is small. The suspended sediment transport in the nearshore shallow water is dominated by advection while that of other offshore areas is dominated by resuspension. The direction of net suspended sediment transport diverges from the direction of residual flow (net water transport) due to that flow velocity and suspended sediment concentration are sometimes out of phase. The relationship between sediment settling velocity and the asymmetry of suspended sediment transport flux shows that the larger the settling velocity, the higher asymmetry degree of suspended sediment transport. The small settling velocity is responsible for the temporal inconsistence between near-bottom velocities and suspended sediment concentrations, resulting in vertical differences in net suspended sediment transport rates in the abandoned Huanghe River delta.

abandoned Huanghe River mouth; subaqueous delta; sediment transport; advection transport; resuspension

* 國家自然科學(xué)基金杰出青年基金項(xiàng)目, 41625021號; 上海市教育委員會科研創(chuàng)新計(jì)劃項(xiàng)目, 2019-01-07-00-05-E00027號。郭 瑾, 碩士研究生, E-mail: 51193904051@stu.ecnu.edu.cn

汪亞平, 博士, 教授, E-mail: ypwang@nju.edu.cn

2021-11-20,

2021-12-31

P736.21+1

10.11693/hyhz20211100282