黃河口潮灘泥沙絮凝研究

于上，謝衛(wèi)明*，何青，王憲業(yè)，趙中豪，郭磊城，徐凡

( 1. 華東師范大學(xué) 河口海岸學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200041)

1 引言

絮凝是泥沙的重要特性，小顆粒泥沙會團(tuán)聚成為大的絮凝體，進(jìn)而改變沉降速度等特性[1–6]。在河口海岸區(qū)域，超過90%的泥沙都是以絮凝體的形式運(yùn)輸[7]。研究泥沙絮凝特性及影響因素，對深化認(rèn)識河口海岸泥沙輸運(yùn)規(guī)律有重要意義。已有諸多研究對天然水體中的絮凝特性與影響因素進(jìn)行了探討：陳錦山等[8]、程江等[9–10]和唐建華[11]利用LISST 觀測了長江口細(xì)顆粒泥沙的絮凝特性，發(fā)現(xiàn)長江口絮團(tuán)平均粒徑為86.3 μm，受水動力影響明顯；Xia 等[12]、鄧智瑞等[13]、林建良等[14]對珠江口絮凝體特性也進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)珠江口絮團(tuán)粒徑略大于長江口，絮團(tuán)粒徑受鹽度影響較小但受動力影響較大；長江中下游淡水環(huán)境中也發(fā)現(xiàn)有絮凝現(xiàn)象的存在，淡水絮團(tuán)的粒徑略低于河口絮團(tuán)[15–16]。綜合現(xiàn)場觀測與室內(nèi)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，影響絮凝的因素包括水體紊動剪切強(qiáng)度、懸沙濃度、鹽度、泥沙粒徑、泥沙級配以及生物作用等[8,13,17–20]。

過往對絮凝的現(xiàn)場觀測研究主要集中在河流與河口區(qū)域，對潮灘區(qū)域絮凝特性的研究相對較少。但是另一方面，潮灘上存在明顯的絮凝現(xiàn)象，且絮凝對潮灘泥沙運(yùn)移與沖淤變化有明顯影響[21–23]。因此，研究潮灘區(qū)域泥沙絮凝對進(jìn)一步揭示河口海岸區(qū)域泥沙運(yùn)動規(guī)律有重要意義。近年來，已經(jīng)有一些研究者在美國、荷蘭的潮灘上進(jìn)行了絮凝觀測研究，但是這些研究普遍集中于中潮（潮差在2～4 m 之間）或強(qiáng)潮河口（潮差大于4 m），鮮見在弱潮河口潮灘進(jìn)行的泥沙絮凝觀測[21,23–24]。

基于以上背景，本文選取黃河口南部潮灘開展絮凝研究。黃河是著名的高含沙量河流，2019 年黃河口利津站實(shí)測輸沙量為2.71×108t，大量泥沙在河口輸移沉降。黃河口屬于弱潮河口，潮差在0.7～1.7 m 之間[25]。因此，黃河口區(qū)域適于開展泥沙絮凝研究。通過現(xiàn)場觀測獲取黃河口絮團(tuán)粒徑、懸沙濃度、波浪、潮流動力等數(shù)據(jù)，可以研究弱潮河口波流共同作用下潮灘泥沙的絮凝規(guī)律與控制因素，豐富對我國河口海岸地區(qū)水沙運(yùn)動規(guī)律的認(rèn)識。

2 數(shù)據(jù)和方法

2.1 研究區(qū)域概況

研究區(qū)域選定在黃河口南部、萊州灣西岸的潮灘上，觀測點(diǎn)位于墾東大堤外側(cè)，屬于中國山東省東營市（圖1a）[26]。該區(qū)域潮灘坡度較小，退潮時(shí)有大片潮間帶露出水面。研究區(qū)域的波浪主要受季風(fēng)控制，全海區(qū)的風(fēng)浪以波浪為主[25]。潮汐類型屬于不正規(guī)混合半日潮，平均高潮位為1.6 m，平均低潮位為0.6 m（理論深度基準(zhǔn)面）。該區(qū)域沉積物來源既包括黃河攜帶的陸相泥沙，也包括漲潮流攜帶的海相泥沙[27–28]。對采集觀測架附近表層沉積物于實(shí)驗(yàn)室內(nèi)進(jìn)行粒度測量，測得中值粒徑為64.66 μm。

圖1 研究區(qū)域及儀器布置示意圖Fig. 1 Sketch of study area and instrument layout

2.2 觀測方法與過程

實(shí)施現(xiàn)場觀測的時(shí)間為2019 年11 月18–23 日。觀測點(diǎn)位于黃河口南部、萊州灣西岸潮灘上，距墾東大堤垂線距離約2 400 m，經(jīng)緯度坐標(biāo)為37°34′40″N，118°57′01″E。觀測儀器被固定于觀測架上，安置儀器前將觀測架錘入泥灘約1 m 以盡可能減小振動，避免對儀器觀測產(chǎn)生影響（圖1b）。

觀測架上儀器布置情況如下：ADV，測定觀測期間的水體紊動數(shù)據(jù)及灘面高程變化；OBS，測定濁度與水深數(shù)據(jù)；LISST-200（Laser In Situ Scattering and Transmissometry），采集現(xiàn)場懸浮體粒徑及體積濃度數(shù) 據(jù)；RBRsolo3 D|wave16（示 意 圖 中 簡 記 為RBR），采集波浪數(shù)據(jù)。以上儀器數(shù)量均為1 臺。OBS、RBRsolo3 D|wave16 及LISST-200 探 頭 距 床 面 高 程 均為5 cm；ADV 探頭距床面高程為15 cm，該儀器的水動力采樣點(diǎn)被設(shè)置為探頭下方10 cm，即測量距床面高程為5 cm 處的水體紊動數(shù)據(jù)。4 臺儀器時(shí)間同步，采樣間隔均為5 min。各儀器探頭位置接近，可以認(rèn)為反映同一點(diǎn)的水沙特征。

安置及回收儀器時(shí)，均同步采集了觀測站附近的表層沉積物，用于分析床沙粒徑組成及對OBS 進(jìn)行標(biāo)定。研究時(shí)間內(nèi)風(fēng)速、風(fēng)向收集自山東東營墾利氣象站（37°34.8′N ，118°33′E）實(shí)測數(shù)據(jù)。

2.3 數(shù)據(jù)處理與計(jì)算方法

2.3.1 懸沙濃度

觀測期間的懸沙濃度（SSC）根據(jù)OBS 測定的濁度（NTU）數(shù)據(jù)反演后獲得。在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)使用現(xiàn)場獲取的表層沉積物配置不同濃度的懸沙濁液并測定對應(yīng)的濁度，獲得濁度與含沙量間的相關(guān)關(guān)系[29]。標(biāo)定結(jié)果顯示懸沙濃度與濁度間關(guān)系可以用關(guān)系式SSC=0.006 9 NTU–0.240 8 表 示， 相 關(guān) 系 數(shù) 的 平 方R2=0.89（數(shù)據(jù)點(diǎn)數(shù)量N=13）表示。

2.3.2 表層沉積物粒度

安置及回收儀器時(shí)各采集觀測站附近的表層沉積物樣品2 份，在實(shí)驗(yàn)室中每份樣品測驗(yàn)2 次，共測驗(yàn)8 次。測驗(yàn)時(shí)隨機(jī)從樣品袋中取出5 g 左右泥沙，加入分散劑六偏磷酸鈉之后超聲波震蕩30 min，使絮團(tuán)充分破碎之后，使用Coulter LS-100Q 激光粒度儀測定[30–31]。計(jì)算8 次測驗(yàn)所得的中值粒徑平均值，作為觀測站處表層沉積物中值粒徑，計(jì)算結(jié)果為64.66 μm。

2.3.3體積濃度及中值粒徑

本研究使用美國Sequoia 公司的現(xiàn)場激光粒度儀LISST-200來觀測天然水體中的絮團(tuán)。射入水中的激光束會被懸浮顆粒所散射，顆粒物粒徑不同，對激光的散射角度也不同。大顆粒以小角度散射、小顆粒以大角度散射[1]。LISST-200 將向前散射的角度分為36 級，分別對應(yīng)1～500 μm 之間的36 個(gè)粒級。運(yùn)用Mie 散射理論，可以反推得到36 個(gè)粒級的懸浮體的體積濃度，并計(jì)算得到懸浮體中值粒徑[1,9]。綜合前人研究發(fā)現(xiàn)，潮灘環(huán)境中約80%的泥沙以絮團(tuán)的形式輸運(yùn)[1,9]。綜合郭超和何青[16]利用LISST-100 在荷蘭Scheldt 河口Kapellebank 潮灘、鄧智瑞等[13]在珠江口磨刀門海域、程江等[10]在長江口海域、Guo 和He[15]在長江流域的觀測實(shí)踐方法，以上在不同水體環(huán)境中開展的絮凝研究將LISST 觀測到的懸浮體視為絮團(tuán)。因此在本研究中，也將LISST-200 的觀測數(shù)據(jù)整體上視為絮團(tuán)進(jìn)行處理。

2.3.4有效密度

有效密度是反映絮團(tuán)結(jié)構(gòu)的重要參數(shù)，且對沉降速度有明顯影響[4,17]。本研究采用Fettweis 方法計(jì)算有效密度[3]，公式為

式中，ρw與ρs分別為水與組成絮團(tuán)的分散態(tài)泥沙顆粒密度（單位：kg/m3），分別取為1 030 kg/m3與2 650 kg/m3；SSC 為懸沙濃度（單位：kg/m3）；TVC 為顆?？傮w積濃度，即36 個(gè)粒級組的絮團(tuán)體積濃度之和（單位：μL/L）。

2.3.5沉速

沉速可以認(rèn)為是絮團(tuán)重力W與下沉過程中受到的阻力F達(dá)到平衡時(shí)等速沉降的值，采用Stokes 公式計(jì)算[5]：

式中，Dm為絮團(tuán)平均粒徑（單位：μm）；μ為水的動力黏滯系數(shù)，根據(jù)水溫選取相應(yīng)的值（單位：Pa·s）；g為重力加速度，取為9.8 m/s2。

2.3.6紊動剪切率

在泥沙絮凝研究中，通常使用紊動剪切率G（s-1）來描述水體的紊動強(qiáng)度，其計(jì)算方法為[17,32]

式中，u*為摩阻流速（單位：m/s-1）；z和H分別為距離床面高程與水深（單位：m）；ν為水體運(yùn)動黏度，根據(jù)水溫選取相應(yīng)的值（單位：m2/s）；κ為卡門常數(shù)，取為0.4。水流與波浪共同引起的床面切應(yīng)力τcw（單位：N/m2）為[21,33]

式中，τc為水流引起的切應(yīng)力，使用改進(jìn)的湍流動能法（Turbulent Kinetic Energy，TKE）計(jì)算[34]：

τw為風(fēng)浪引起的底部剪切力，計(jì)算方法為[35–36]

式中Aδ為波質(zhì)點(diǎn)軌道流速（單位：m/s）；Hs為有效波高；k為波數(shù)；Ts為波浪有效周期（單位：s）；L為波長（單位：m）；fw為波浪摩擦系數(shù)；Rew與r分別為波浪雷諾數(shù)（無量綱）與相對糙率（無量綱），分別由下式求得[35–36]：

式中，ks為床面粗糙高度，取2.5d，d為潮灘表層沉積物中值粒徑。根據(jù)實(shí)驗(yàn)室測驗(yàn)結(jié)果，觀測期間天氣較為平靜，潮灘表層沉積物粒度沒有明顯變化。d取觀測前、后的表層沉積物中值粒徑平均值，為64.66 μm。根據(jù)式（4）至式（13）計(jì)算得到床面剪切力τcw之后，可由式（14）求得摩阻流速，并代入式（3）得到紊動剪切率[5]。

2.3.7臨界侵蝕切應(yīng)力及臨界沉降剪切應(yīng)力

根據(jù)前人在黃河口潮灘的研究，李華國等[37]提出的模型能夠較好地預(yù)測潮灘表面沉積物的臨界剪切應(yīng)力：

式中，c為黏結(jié)力系數(shù)，取2.9×10-5kg/m；γd、γdc分別為表層沉積物的干容重及穩(wěn)定干容重（單位：kg/m3）；其余符號含義同前[37]。γd的值通過“環(huán)刀法”采樣之后在實(shí)驗(yàn)室中測量，為1 490 kg/m3；穩(wěn)定干容重γdc指經(jīng)過長期的一般壓密后的沉積物干容重，根據(jù)張耀哲和王敬昌[38]提出的經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算為

式中，γs為泥沙顆粒干容重（單位：kg/m3），取2 650 kg/m3；其余符號含義同前。計(jì)算得γdc的值為1 373.85 kg/m3，計(jì)算結(jié)果接近前人的實(shí)測值，結(jié)果可信[38–39]。根據(jù)式（15）、式（16），計(jì)算得觀測架附近表層沉積物臨界侵蝕切應(yīng)力τe為0.086 N/m2。

實(shí)驗(yàn)室分析結(jié)果顯示，研究區(qū)表層沉積物成分為黏土（8.13%）、粉砂（46.95%）和砂（44.92%）。根據(jù)Lumborg[40]實(shí)驗(yàn)結(jié)果，研究區(qū)表層沉積物懸沙臨界沉降剪切應(yīng)力τd取0.05 N/m2。也有研究表明，τd約為臨界侵蝕切應(yīng)力τe的0.5 倍[41]。兩種方法得到的值接近，證明結(jié)果可信。

2.3.8相關(guān)性檢驗(yàn)

本文選用適用性較強(qiáng)的Spearman 秩相關(guān)系數(shù)ρ來檢測水文變量之間的相關(guān)關(guān)系，這里的“秩”指的是順序或者排序。所以，計(jì)算時(shí)先對由n個(gè)樣本組成的時(shí)間序列x1，x2，…，xn，和由n個(gè)樣本組成的時(shí)間序列y1，y2，…，yn進(jìn)行排序（同時(shí)為升序或者降序），得到排序后的集合X和Y，Xi、Yi分別是xi、yi在X、Y中的排行，i=1，2，3…，n，則ρ的計(jì)算公式為

計(jì)算所得的相關(guān)系數(shù)ρ值，一般取小數(shù)點(diǎn)后兩位來表示，取值范圍在–1.00～1.00 之間，負(fù)數(shù)表示負(fù)相關(guān)，正數(shù)表示正相關(guān)。ρ值對應(yīng)的兩變量之間的相關(guān)程度為：

ρ= ±0～±0.30 時(shí)，不相關(guān)；

ρ= ±0.30～±0.50 時(shí)，微相關(guān)；

ρ= ±0.50～±0.80 時(shí)，顯著相關(guān)；

ρ= ±0.80～±1.00 時(shí)，高度相關(guān)。

3 水沙動力特性與變化過程

3.1 潮流變化過程

研究區(qū)域潮型為不正規(guī)混合半日潮，只有高潮情況下才會淹沒觀測架，觀測時(shí)段內(nèi)觀測架一共被淹沒4 次，漲落潮歷時(shí)大致相等。11 月19–22 日，分別記作T1–T4，最大水深分別為0.19 m、0.62 m、0.53 m與0.72 m（圖2a）。T2–T4 潮位接近，且均顯著大于T1。觀測期間的潮流呈現(xiàn)明顯的旋轉(zhuǎn)流特性。漲潮階段由約N100°順時(shí)針旋轉(zhuǎn)至約N50°，落潮階段由約N50°順時(shí)針旋轉(zhuǎn)至約N200°（圖2b）。

研究區(qū)域流速存在兩種不同的隨時(shí)間變化模式。T1、T2 流速呈現(xiàn)“單峰型”，潮周期內(nèi)只出現(xiàn)一次流速極值，漲潮平均流速約為落潮平均流速的4 倍，最大流速出現(xiàn)在漲潮中期，分別為0.52 m/s 與0.46 m/s。T3、T4 流速呈現(xiàn)“雙峰型”，漲潮、落潮各出現(xiàn)一次流速極值，漲落潮平均流速接近，漲落潮中期均存在明顯的流速峰值。T3 漲潮最大流速為0.49 m/s，落潮最大流速為0.50 m/s；T4 漲潮最大流速為0.60 m/s，落潮最大流速為0.53 m/s（圖2c）。

3.2 風(fēng)浪變化過程

T1 期間波浪動力較弱，有效波高Hs低于0.05 m。T2–T4 期間波浪動力較強(qiáng)，有效波高Hs最大值分別為0.24 m、0.21 m 及0.27 m。T2–T4 期間，漲落潮初期流速、流向波動較大，這是因?yàn)椴ɡ藙恿^強(qiáng)，在水深較淺的情況下，波浪對流速流向的影響較顯著（圖2d）。T1 期間有效波浪周期Ts在1.24～3.21 s 之間，平均為2.32 s。T2–T4 期間有效波浪周期Ts在1.16～2.11 s 之間，平均為1.68 s，高于T1 期間。

T1 期間平均風(fēng)速為1.33 m/s，最低為0.5 m/s，最高為2.1 m/s，風(fēng)向由向岸（328°）轉(zhuǎn)變?yōu)殡x岸（73°）。T2–T4 期間平均風(fēng)速為2.67 m/s，最高為4.60 m/s，最低為0.10 m/s，風(fēng)向?yàn)殡x岸風(fēng)，平均風(fēng)向?yàn)?53.94°（圖2e）。

圖2 觀測期間水動力、波浪與風(fēng)速隨時(shí)間變化序列Fig. 2 Time series of hydrodynamic force, wave and wind during the observation period

3.3 床面剪切力及紊動剪切率變化過程

T1 期間，波流共同引起的床面剪切力（τcw）平均為0.09 N/m2，τcw最大達(dá)到0.34 N/m2，中潮期間τcw平均為0.23 N/m2，最大可以達(dá)到0.99 N/m2。T1 期間潮流引起的床面切應(yīng)力τc平均為0.05 N/m2，最大達(dá)到0.21 N/m2；T2–T4 期間τc平均為0.14 N/m2，最大達(dá)到0.68 N/m2。觀測期的4 d 中，總床面剪切力τcw與潮流引起的床面剪切力τc的變化趨勢接近，峰值都出現(xiàn)在落潮中期（圖3a）。

黃河口為弱潮河口，研究區(qū)屬于開敞性海岸，波浪沒有遮蔽，波浪引起的床面剪切力τw較高[42]。T1 期間τw在0.90～1.19 N/m2之間，平均為0.98 N/m2；T2–T4 期間τw在0.99～1.30 N/m2之間，平均為1.11 N/m2，T2–T4 期間τw高于T1。波浪引起的床面剪切力變化圖線呈“U”形，漲潮初期與落潮后期τw較高，水深較大時(shí)的τw反而較小。說明水深較淺時(shí)，波浪對床面切應(yīng)力的影響會明顯增加（圖3a）。

紊動剪切率G的變化規(guī)律與床面切應(yīng)力大致相同，在落潮中期出現(xiàn)峰值。T1 期間紊動剪切率在1.88～9.63 s-1之間，平均為3.33 s-1；T2–T4 期間紊動剪切率在2.51～28.48 s-1之間，平均為9.00 s-1，T2–T4期間水體紊動剪切率大于T1（圖3b）。

3.4 懸沙濃度變化過程

研究區(qū)域水體懸沙濃度較低，T1 期間水體平均懸沙濃度為0.08 kg/m3，最大可以達(dá)到0.26 kg/m3。T2–T4 期間，落潮中后期水體懸沙濃度會明顯增加，出現(xiàn)一個(gè)明顯的懸沙濃度峰。T3–T4 期間水體平均懸沙濃度為0.10 kg/m3，最大可以達(dá)到0.40 kg/m3。懸沙濃度峰出現(xiàn)的時(shí)間與床面切應(yīng)力峰值出現(xiàn)的時(shí)間接近，且出現(xiàn)懸沙濃度峰時(shí)，床面切應(yīng)力顯著高于臨界剪切應(yīng)力τe（0.086 N/m2），說明這一懸沙濃度峰的出現(xiàn)源于泥沙再懸?。▓D3c）。

圖3 觀測期間床面切應(yīng)力與懸沙濃度（SSC）隨時(shí)間變化序列Fig. 3 Time series of bed shear stress, bottom turbulent shear rate and suspended sediment concentration (SSC) during the observation period

T2 期間水體懸沙濃度顯著高于T3 和T4，水體平均懸沙濃度為0.38 kg/m3，最大可以達(dá)到0.62 kg/m3。T2 期間，懸沙濃度隨漲潮不斷增加，在最高潮位前后保持峰值，后隨水深降低而不斷減小，在落潮中后期出現(xiàn)第2 個(gè)懸沙濃度峰。T2 期間兩個(gè)懸沙濃度峰值出現(xiàn)的時(shí)間與床面切應(yīng)力峰值出現(xiàn)的時(shí)間不一致，懸沙濃度變化過程與床面切應(yīng)力變化過程不同步。但是T2 期間懸沙濃度增加的階段，與流速峰值出現(xiàn)的時(shí)間基本吻合。推測T2 期間的懸沙濃度峰值并不是來源于泥沙再懸浮?？赡苁怯捎跐q潮水流從附近攜帶大量泥沙，并在高水位期間沉降造成的[43]（圖3c）。

觀測中發(fā)現(xiàn)，研究區(qū)潮灘存在大量的“泥丸”型結(jié)構(gòu)，即大型的泥沙聚集體（圖4）。這種聚集體呈球狀，可以隨潮汐運(yùn)動在灘面遷移滾動，但又容易破壞，一旦分散會導(dǎo)致所在局部懸沙濃度大幅上升。T2 期間出現(xiàn)懸沙濃度峰值，可能是發(fā)生了“泥丸”的遷移與分散。

圖4 研究區(qū)域的“泥丸”型泥沙聚合體Fig. 4 The “pill-like” sediment aggregates in the study area

4 絮凝特性與變化

4.1 絮團(tuán)粒徑

T1 期間絮團(tuán)粒徑先增大后減小，在最高潮位階段達(dá)到最大，為264.44 μm。T2–T4 期間絮團(tuán)粒徑呈現(xiàn)緩慢遞減趨勢，中潮超過60%的時(shí)間內(nèi)，絮團(tuán)中值粒徑都低于100 μm。但是在T2–T4 每個(gè)落潮的中后期絮團(tuán)中值粒徑會出現(xiàn)一個(gè)峰值，最大可達(dá)到203.83 μm。小潮期間絮團(tuán)平均粒徑為123.90 μm，大于中潮期間的91.81 μm（圖5a）。

4.2 絮團(tuán)體積濃度

T1 期間絮團(tuán)總體積濃度平均為221.05 μL/L，最大為810.22 μL/L；T2–T4 期間絮團(tuán)總體積濃度平均為390.77 μL/L，最大為1 100.29 μL/L。在T1 最高潮位及T2、T3 的落潮中期，絮團(tuán)總體積濃度均出現(xiàn)一個(gè)峰值（圖5b）。

圖5 觀測期間絮團(tuán)粒徑、體積濃度、有效密度與沉速隨時(shí)間變化序列Fig. 5 Time series of floc size, volume concentration, effective density and settling velocity during the observation period

4.3 絮團(tuán)有效密度與沉速

T1 期間黃河口潮灘絮團(tuán)有效密度在56.55～452.44 kg/m3之間，平均為257.03 kg/m3。T2–T4 期間絮團(tuán)有效密度逐日遞減，T2 期間平均有效密度為427.77 kg/m3，T3 期 間 絮 團(tuán) 平 均 密 度 為319.38 kg/m3，T4 期間平均有效密度為166.32 kg/m3（圖5c）。T1 期間，絮團(tuán)沉速在0.99～1.86 mm/s 之間，平均為1.41 mm/s。T2–T4 期間，絮團(tuán)沉速在0.17～4.07 mm/s之間，平均為0.94 mm/s?？傮w來看，中潮期T2–T4 期間絮團(tuán)的沉速大于小潮期T1（圖5d）。

5 分析與討論

5.1 絮團(tuán)粒徑變化的影響因素

從泥沙運(yùn)動學(xué)的角度，天然水體中的絮凝主要受到懸浮泥沙粒徑、水動力環(huán)境、懸沙濃度的控制[17]。本研究期間受交通與天氣條件限制，未采集懸沙樣品，無法分析懸浮泥沙粒徑對絮凝的影響，但可分析水動力與懸沙濃度與絮凝的相關(guān)性。采用相關(guān)性分析方法，分別計(jì)算各個(gè)潮周期內(nèi)水體紊動剪切、流速及懸沙濃度與絮團(tuán)粒徑之間的Spearman 系數(shù)，計(jì)算結(jié)果及對應(yīng)的相關(guān)性如表1。絮團(tuán)粒徑與流速的關(guān)系主要為不相關(guān)，與懸沙濃度及底部紊動剪切率則存在著較明顯的相關(guān)關(guān)系，說明黃河口潮灘絮團(tuán)粒徑主要受到底部紊動剪切率與懸沙濃度的影響，與流速關(guān)系不大。

表1 各個(gè)潮周期絮團(tuán)粒徑與紊動剪切率、懸沙濃度及流速的Spearman 系數(shù)Table 1 Spearman correlation coefficient of floc particle size and bottom turbulent shear rate, suspended sediment concentration and flow velocity

5.2 水體紊動剪切促進(jìn)絮凝的上限

研究發(fā)現(xiàn)，不同潮周期中，黃河口潮灘絮團(tuán)粒徑與紊動剪切率的關(guān)系不盡相同。T1 期間，絮團(tuán)粒徑與紊動剪切率變化趨勢基本一致，粒徑隨紊動剪切率增大而增大，紊動剪切率減小時(shí)粒徑也隨之減小。但是T2–T4 各個(gè)潮周期內(nèi)，水體紊動剪切率與絮團(tuán)粒徑呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)趨勢，紊動強(qiáng)度較大時(shí)對應(yīng)粒徑較小。

在影響絮凝的外部因素中，水體紊動是最重要的因素之一，水體紊動強(qiáng)度的增大可以增加顆粒的碰撞頻率，促進(jìn)顆粒聚合；但當(dāng)紊動強(qiáng)度增大到一定程度時(shí)，反而會增加絮團(tuán)破碎頻率抑制絮凝[2,44]。T1 期間為小潮，水動力較弱，底部紊動剪切率平均僅為3.33 s–1。T2–T4 期間底部紊動剪切率較高，平均為9.00 s–1，最高可達(dá)到28.48 s–1。在T1 期間紊動剪切較弱的情況下，水體紊動增加對絮凝起促進(jìn)作用；T2–T4 期間紊動強(qiáng)度較高，水體紊動增加抑制絮凝。

為了進(jìn)一步探究黃河口潮灘水體紊動影響絮凝的上限，首先對實(shí)測數(shù)據(jù)進(jìn)行等距分箱以體現(xiàn)規(guī)律性，分箱間距為4[22–23]。發(fā)現(xiàn)絮團(tuán)粒徑隨紊動強(qiáng)度增加先增后減。選擇不同的臨界紊動剪切率值（Gl），將觀測結(jié)果分為“絮團(tuán)粒徑隨紊動強(qiáng)度增加而增大”與“絮團(tuán)粒徑隨紊動強(qiáng)度增加而減小”階段，并對兩個(gè)階段分別使用冪函數(shù)擬合（圖6）。

圖6 絮團(tuán)粒徑與底部紊動剪切率關(guān)系Fig. 6 Variation of floc size with bottom turbulent shear rate

結(jié)果發(fā)現(xiàn)，當(dāng)Gl=3.76 s-1時(shí)，取得的擬合結(jié)果最為理想（表2）。T1 期間，水體紊動剪切率低于3.76 s-1，T2–T4 期間則高于這一值，統(tǒng)計(jì)分析得到的結(jié)果與實(shí)測數(shù)據(jù)能夠相互驗(yàn)證。因此可以認(rèn)為，黃河口當(dāng)?shù)厮w紊動促進(jìn)絮凝的上限為Gl=3.76 s-1，水體紊動強(qiáng)度低于這一數(shù)值時(shí)水體紊動促進(jìn)絮凝，高于這一數(shù)值時(shí)水體紊動破壞絮凝。

表2 不同Gl 對應(yīng)擬合結(jié)果對比Table 2 Fitting results of different Gl

5.3 懸沙濃度對絮凝影響

懸沙濃度對絮凝的影響尚未有確切定論，一些實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，懸沙濃度增加增大了顆粒碰撞概率，對絮凝起促進(jìn)作用[2,20,45]；但也有研究認(rèn)為，懸沙濃度增加導(dǎo)致絮團(tuán)碰撞更頻繁，造成絮團(tuán)破壞[17,20,45–46]。參考郭超[17]的研究方法，對黃河口潮灘絮團(tuán)粒徑與懸沙濃度之間的關(guān)系整體采用冪函數(shù)擬合，發(fā)現(xiàn)二者呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)為R2=0.778 8。說明在黃河口潮灘，懸沙濃度增加對絮凝起抑制作用（圖7）。

圖7 絮團(tuán)粒徑與懸沙濃度（SSC）關(guān)系Fig. 7 Variation of floc size with suspended sediment concentration

在5.1 節(jié)的討論中，發(fā)現(xiàn)T2–T4 期間懸沙濃度與絮團(tuán)粒徑呈負(fù)相關(guān)，但是T1 期間懸沙濃度與絮團(tuán)粒徑?jīng)]有明顯相關(guān)性。這是因?yàn)樾跄瑫r(shí)受到懸沙濃度與水動力共同控制，T1 期間水體紊動強(qiáng)度先增后減，懸沙含量則緩慢降低。絮團(tuán)粒徑的變化趨勢與水體紊動強(qiáng)度類似，也是先增后減。這說明相比于懸沙含量變化造成的影響，水體紊動剪切對絮凝的影響更大。懸沙含量降低對絮凝的促進(jìn)作用，不足以抵償水體紊動強(qiáng)度變化對絮凝的影響，水體紊動剪切才是絮團(tuán)粒徑變化的主導(dǎo)因素。因此在T1 期間，絮團(tuán)粒徑與水體紊動剪切強(qiáng)度顯著相關(guān)，但是與懸沙濃度幾乎沒有相關(guān)性。

5.4 絮團(tuán)有效密度與沉速變化規(guī)律

黃河口潮灘絮團(tuán)粒徑與有效密度呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，粒徑更大的絮團(tuán)對應(yīng)的有效密度更小。過往研究中，通常使用 Δp=·Dam的關(guān)系來描述絮團(tuán)粒徑與有效密度的關(guān)系，a值在–0.46（Sternberg 等[6]在美國加利福尼亞海域測得）到–1.58（Xia 等[12]在中國珠江口測得）之間[5,10,19]。郭超[17]、Guo 等[21]在荷蘭Kapellebank 潮灘常態(tài)天氣下測得a=–0.53，風(fēng)暴天氣下測得a=–1.28。

分別對黃河口潮灘小潮（T1）與中潮（T2–T4）期間的絮凝特性進(jìn)行研究，計(jì)算得小潮期間a=–1.52，中潮期間a=–0.79，屬于上述文獻(xiàn)中所列的取值范圍（圖8）。無論在何種動力條件下，有效密度都與絮團(tuán)粒徑成反比，粒徑越大的絮團(tuán)對應(yīng)的有效密度越低。在水體紊動剪切促進(jìn)絮凝的情況下，泥沙聚合體在由小變大的過程中，先由易絮凝的細(xì)顆粒泥沙發(fā)生絮凝，而后捕獲粒度相對更大的泥沙，形成的絮凝體越高階，其孔隙率越大，有效密度越低[10]。在水體紊動剪切抑制絮凝的情況下，結(jié)構(gòu)疏松、有效密度低的大絮團(tuán)更容易受到紊動影響破碎，形成粒徑更小但是有效密度更高的小泥沙聚合體[10,17,19]。

圖8 絮團(tuán)粒徑與有效密度關(guān)系Fig. 8 Variation of floc size with effective density

由于絮凝受到泥沙特性、當(dāng)?shù)厣锘瘜W(xué)特性等多方面影響，a值與水動力強(qiáng)弱的關(guān)系目前尚無定論。Guo 等[21]在荷蘭Kapellebank 潮灘的研究中，水動力較強(qiáng)的風(fēng)暴天氣下計(jì)算得的a值低于水動力相對弱的常態(tài)天氣；但是本研究與其他觀測結(jié)果中，也發(fā)現(xiàn)了相反的結(jié)論[9,16]。本研究在黃河口觀測的結(jié)果顯示，小潮期間a值低于中潮；程江等[9]在長江口徐六涇的觀測結(jié)果也類似，小潮期間的a值（–0.646）低于大潮期間（–0.368）。

根據(jù)式（2），絮團(tuán)的沉速與絮團(tuán)粒徑及有效密度有關(guān)。過往研究發(fā)現(xiàn)，沉速與粒徑之間的關(guān)系與“有效密度-粒徑”關(guān)系類似，可以用 ωs=c·Ddm的形式來表示。c取值在0.290～1.632 之間；d取值在0.000 022 8～0.008 20 之 間[5–6,10,12]。黃 河 口 潮 灘 絮 團(tuán)沉速與粒徑之間相關(guān)性較好，沉速與粒徑間關(guān)系可以用ωs=0.0028·D1m.2679表示，屬于過往文獻(xiàn)中所列取值范圍（圖9）。但是對有效密度與沉速關(guān)系進(jìn)行分析時(shí)發(fā)現(xiàn)，二者之間不存在明顯相關(guān)性。說明黃河口潮灘絮團(tuán)沉速主要受到絮團(tuán)粒徑的影響，與有效密度的關(guān)系不明顯。

圖9 絮團(tuán)粒徑與沉速關(guān)系Fig. 9 Variation of floc size with settling velocity

6 結(jié)論

本文通過研究黃河口南部潮灘絮團(tuán)特征的變化，得到如下幾點(diǎn)認(rèn)識：

（1）黃河口潮灘絮團(tuán)粒徑在25.42～264.44 μm 之間，平均為95.20 μm。小潮潮周期T1 期間絮團(tuán)總體積濃度平均為221.05 μL/L，平均有效密度為257.03 kg/m3，平均沉速為1.41 mm/s；中潮潮周期T2–T4期間絮團(tuán)總體積濃度平均為390.77μL/L，平均有效密度為304.49 kg/m3，平均沉速為0.94 mm/s。

（2）水體紊動較低時(shí)對黃河口潮灘絮凝起促進(jìn)作用，較高時(shí)則抑制絮凝。隨紊動強(qiáng)度增加，黃河口潮灘絮團(tuán)粒徑先增后減。分析得底部紊動剪切率促進(jìn)絮凝的上限值為Gl=3.76 s-1。

（3）懸沙濃度增加對黃河口潮灘泥沙絮凝起抑制作用，但是懸沙濃度變化對絮凝的影響低于水體紊動剪切變化對絮凝的影響。

（4）黃河口潮灘絮團(tuán)有效密度與粒徑呈現(xiàn)Δp=b·Dam的關(guān)系。T1 潮周期a值為–1.52，T2–T4 潮周期a值為–0.79。

（5）黃河口潮灘絮團(tuán)沉速主要受到泥沙粒徑影響。絮團(tuán)沉速與粒徑之間相關(guān)性較好，但與有效密度之間不存在明顯相關(guān)關(guān)系。

致謝：本文野外觀測工作得到水利部黃河水利委員會黃河水利科學(xué)研究院黃河河口研究所、山東黃河三角洲國家級自然保護(hù)區(qū)等單位的大力支持，在此表示誠摯的感謝！