悬浮体是沉积物向海洋输运过程中的主要运移形式,其主要成分为悬浮泥沙[1]。悬浮泥沙的搬运、沉降、再悬浮过程对海底地形地貌的形成变化意义重大[2,3]。此外,海水中悬浮体一般颗粒较小,对颗粒态营养盐和污染物具有较强的吸附作用,因此悬浮体的分布和输运也会影响到生态环境与海洋生物化学循环[4,5]。

渤、黄海的沉积泥沙输运季节显著,具有“夏储冬输”的特点[2,6],冬季是悬浮泥沙输运的主要季节,冬季悬浮泥沙浓度大,冬季的表层悬浮泥沙浓度大约是夏季的3～10倍[7],其输运量也远大于夏季。渤海地区悬浮物受水动力影响很大,通常情况下其浓度受潮流作用控制[8],渤海与黄海悬浮泥沙有较为频繁的交换,春季黄海悬浮泥沙经渤海海峡进入渤海,夏秋冬季渤海悬浮泥沙通过渤海海峡进入北黄海[9],根据前人研究,每年约有1000t的沉积物由渤海通过渤海海峡南部进入北黄海[10]。黄海悬浮泥沙的分布受海流与海浪作用明显,并且也受到河流输沙及海底地形的影响[11],北黄海悬浮泥沙浓度受水深及水动力影响较大,冬季水体中悬浮泥沙浓度远高于夏季,从蓬莱至威海沿岸海域,水体悬浮物浓度呈递减趋势,表明有部分再悬浮沉积物在向东输送过程中会沿途沉积[12]。对于悬浮泥沙的输运机制,不同地区主导因素有所不同,例如长江口、废黄河口地区以欧拉余流为主,而在连云港近岸海域、天津港附近海域潮泵效应则是悬沙输运的主导因素[13,14,15,16],与本文研究区相邻的蓬莱近岸地区,悬浮泥沙的输运由平流输运项主导,悬浮泥沙的输运受余流影响显著[17]。

研究区位于烟台西部,靠近庙岛海峡,是黄渤海悬浮泥沙输运的必经之路,受到黄渤海物质交换的影响明显[17,18,19]。对于黄渤海的物质交换,春季净输入物质为由黄海向渤海,而在夏季、秋季和冬季净输运物质则由渤海指向黄海,3个季节中冬季输运量最大[20]。研究区附近海域水动力较弱,大潮期潮流流速大于小潮期,落潮流流速大于涨潮流。此外,研究区人类活动频繁,港口等人工构筑物建设会对近岸水动力和地形地貌产生显著影响[21]。

为进一步认识烟台西部近岸海域的现代沉积环境特征及泥沙分布、输运过程,同时为研究区海洋工程建设和海岸带科学管理、利用与防护等提供参考,本文基于2017年12月(冬季)在烟台港近岸海域6个站位对大小潮的海流和悬沙同步观测资料,分析了冬季潮流作用下悬浮泥沙的分布特征及其变化规律,并利用悬浮泥沙通量机制分解方法初步探讨了冬季潮流作用下烟台西部近岸海域悬沙的输运特征。海流和悬沙同步观测可获取的连续的实时同步数据能很好地反映潮流与悬浮泥沙的变化趋势及其之间的对应关系。

1、研究区概况

研究区(图1)位于山东半岛北部、烟台西部近岸海域,为剥蚀堆积准平原区,地形和地貌类型简单。研究区附近海域水深一般为10～20m。潮汐属于正规半日潮,日不等现象不明显,大潮潮差2.12m,小潮潮差1.87m。潮流以往复流为主,主流向NW—SE向,潮流类型属不正规半日潮流。研究区常风向为N向,强风向为NNW和NW向[22]。常浪向为NNW、NW,出现频率分别为8.20%、8.19%;次常浪向为N、NNE,出现频率分别为5.91%、5.77%。强浪向为NNW向,次强浪向为N向[23]。

图1研究区位置与观测站位图

2、资料来源与方法

2.1海流观测及处理

中国海洋大学在烟台港西港近岸海域布设了6个海流观测站位(图1),分别进行了大、小潮期单周日同步观测,观测时间分别为2017年12月19日15时至2017年12月20日15时(大潮期)、2017年12月27日10时至2017年12月28日10时(小潮期)。

海流观测使用声学多普勒流速流向仪(1号、2号、4号和5号站位,流速测量精度±0.25%,±2.0mm/s)以及直读式海流计(3号和6号站位,流速测量精度±1cm/s)对流向、流速、水深等数据进行采集,测流间隔为1h,每次测流历时150s。其中1号、2号、4号和5号站位数据处理按“六点法”进行(即表层、0.2H、0.4H、0.6H、0.8H和底层),3号和6号站位数据处理按“三层法”(即表层、中层和底层)进行。本文调查所用仪器精度符合本文研究需要。

2.2悬浮泥沙取样及处理

在测流过程中使用竖式采水器同步采取现场水样,数据采集频率时间间隔1h。经实验室处理(抽滤、烘干、称重),获取各站位的悬浮泥沙含量数据。各站位悬浮泥沙数据处理按表层、中层、底层进行。悬浮泥沙浓度的测定采用误差在±2%之内的真空抽滤实验进行测定。

2.3悬浮泥沙通量机制分解

通量机制分解法是一种通量计算方法,在国内外通量计算研究中得到广泛认可,被认为是较为可靠、成熟的计算方法[24,25,26,27,28]。

依据Ingram[29]和Uncles等[30]提出的通过相对水深对瞬时物质输运量进行分解的方法,瞬时流速用u(x,z,t)表示,其中x表示纵向坐标,z(0≤z≤1)表示相对水深,t表示时间,相应地水深h可表示为h(x,t),含沙量c可表示为c(x,z,t)。在不考虑流速脉动项的前提下,潮周期Tt平均瞬时单宽悬沙输移通量T的计算式为:

式中:T1为欧拉余流贡献项;

T2为斯托克斯漂移输移量;

T1+T2为平流输移;

T3为潮汐与悬浮泥沙变化的相关项;

T4为悬浮泥沙与潮流变化的相关项;

T5为垂向流速变化和悬浮泥沙含量变化的相关项,是垂向上的净环流产生的贡献;

T6,T7分别为时均量和潮汐振动切变引起的剪切扩散;

T8为垂向潮振切变作用。

3、研究区海流特征

3.1实测海流特征

研究区涨潮流流向主要集中出现在偏东南向,落潮流流向主要集中出现在西北向(图2)。由表1可见,平面上表现为大潮期1～6站点表层、底层平均流速分别介于21.2～45.4、9.9～20.6cm/s,小潮期1～6站点表层、底层平均流速分别介于12.1～21.1、7.5～18.9cm/s。研究区海域大潮期涨潮时最大流速约为52.6cm/s,落潮时最大流速约为126.1cm/s;小潮期涨潮时最大流速约为43.2cm/s,落潮时最大流速约为56.0cm/s。研究区潮流整体表现为落潮流速大于涨潮流速,大潮期流速大于小潮期流速,由表层至底层流速逐渐减小。

图2大潮期(a)和小潮期(b)各站位垂线平均潮流矢量图

表1大、小潮期间海流观测特征值

3.2潮余流特征

由表2可见,研究区大潮期潮余流值为1.2～11cm/s,各站位中2号和4号站表层潮余流流速最大,均为11.0cm/s,流向分别为309.7°和263.1°,5站底层潮余流流速最小,为1.2cm/s,流向为93.6°。小潮期潮余流值介于0.5～13.1cm/s,2号站表层潮余流流速最大,为13.1cm/s,流向为319.8°。各站位中1号、3号和4号站位小潮期余流流速小于大潮期,2号、5号和6号站位小潮期余流流速大于大潮期(图3)。

4、悬浮泥沙时空分布及变化特征

4.1悬浮泥沙时间变化特征

4.1.1涨落潮时段悬浮泥沙浓度变化规律

大潮期间悬浮泥沙涨落潮阶段平均浓度结果(见表3和图4a)表明,1号、3号和6号3个站位落潮阶段悬浮泥沙含量介于20.6～26.2mg/L,涨潮阶段悬浮泥沙含量介于20.3～25.4mg/L,落潮阶段悬浮泥沙含量大于涨潮阶段;2号、4号和5号3个站位落潮阶段悬浮泥沙含量介于24.1～66.4mg/L,涨潮阶段悬浮泥沙含量介于28.7～70.7mg/L,涨潮阶段悬浮泥沙含量大于落潮阶段,6个站位总体平均悬浮泥沙含量涨潮阶段略大于落潮阶段。各站位涨落潮平均悬浮泥沙浓度的比值介于0.93～1.19,平均值约为1.07,表明各站位涨潮阶段平均悬浮泥沙含量与落潮阶段较为接近。

表22017年12月大、小潮期各站位潮余流分布特征

图3大、小潮期各站位垂线平均余流矢量图

小潮期的一个潮周期内(见表3和图4b),1号、2号、4号和6号4个站位落潮阶段悬浮泥沙含量介于16.7～27.2mg/L,涨潮阶段悬浮泥沙含量介于14.7～26.5mg/L,落潮阶段悬浮泥沙含量大于涨潮阶段;3号、5号2个站位悬浮泥沙含量落潮阶段(分别为21.4和21.3mg/L)小于涨潮阶段(分别为21.8和23.5mg/L),6个站位总体平均悬浮泥沙含量落潮阶段大于涨潮阶段。各站位涨落潮平均悬浮泥沙浓度的比值介于0.84～1.10,各站位整体涨落潮平均悬浮泥沙浓度的比值0.97。各站位涨落潮阶段平均悬浮泥沙含量普遍较为接近,相差不大。

表3大、小潮期各站涨落潮阶段平均悬浮泥沙含量

注:涨落潮阶段平均悬浮泥沙含量分别为涨潮阶段、落潮阶段各层位悬浮泥沙含量的平均值。

4.1.2潮周期内各站位悬浮泥沙浓度变化规律

研究区大潮期各站位悬浮泥沙浓度多出现2～4个峰值(图5),以1号站位为例,其悬浮泥沙浓度在第1日的18:00、次日3:00和次日10:00这3个时刻出现峰值,同一站位的流速—时间变化剖面则显示其流速在16:00、次日2:00和次日9:00出现3次峰值。类似地,在5号站位,在19:00及次日4:00悬浮泥沙浓度出现了2个峰值,而这一站位的流速则在16:00及次日2:00出现峰值。可见大潮期悬浮泥沙变化一般滞后于流速变化1～2h,悬浮泥沙浓度峰值的出现时间大多出现在涨憩、落憩1～2h后。

图4大潮期(a)和小潮期(b)各站悬浮泥沙涨落潮阶段平均浓度分布

研究区小潮期各站位悬浮泥沙浓度变化较为复杂,其规律性较弱,在一个潮周期内可见4个以上的峰值(图6)。与大潮期不同,小潮期各站位悬浮泥沙浓度在峰值之间少有连续的变化趋势而是具有明显的波动,这一特点在2号站位和3号站位尤为突出。与大潮期类似,小潮期悬浮泥沙变化一般滞后于流速变化1～2h,悬浮泥沙浓度峰值的出现时间大多出现在涨憩、落憩1～2h后。

4.2悬浮泥沙空间分布特征

4.2.1悬浮泥沙平面分布

各站位的平均悬浮泥沙浓度是该站位观测周期内所有层位悬浮泥沙浓度的平均值,垂线平均最大悬浮泥沙含量是对各站位逐时计算垂线平均悬浮泥沙含量后进行比较得到的最大值。

由表4可见,大潮期潮周期内平均悬浮泥沙浓度介于20.5～68.6mg/L。大潮期平均悬浮泥沙浓度最大值出现在5号站位,为88.0mg/L,最小值出现在6号站位,为28.0mg/L。总体而言,大潮期各站位悬浮泥沙浓度在平面上分布上有较为明显的差异。小潮期潮周期内平均悬浮泥沙浓度介于15.7～26.8mg/L。小潮期平均悬浮泥沙浓度最大值出现在2号站位,为34.1mg/L,最小值出现在6号站位,为28.7mg/L。总体而言,小潮期各站位悬浮泥沙浓度在平面上差别不大。

图5大潮期各站位悬浮泥沙浓度与流速随时间变化剖面图

图6小潮期各站位悬浮泥沙浓度与流速随时间变化剖面图

表4大、小潮期间各站位悬沙浓度

4.2.2悬浮泥沙垂向分布

大潮期各站位落潮阶段表层悬浮泥沙浓度介于18.5～61.2mg/L(表5),中层悬浮泥沙浓度介于19.1～69.1mg/L,底层悬浮泥沙浓度介于21.5～69.1mg/L,整体上各站位悬浮泥沙浓度自表层至底层递增,各站位表层、底层悬浮泥沙浓度的比值介于0.6～1.0;涨潮阶段表中底3层悬浮泥沙浓度分别介于20.7～66.5、21.0～72.5和19.3～73.0mg/L,整体上各站位悬浮泥沙浓度自表层至底层递增,各站位表层、底层悬浮泥沙浓度的比值介于0.8～1.1,除2号站位落潮阶段表层与底层悬浮泥沙浓度差别较大,各站位垂向上悬浮泥沙浓度差别较小(图7a)。

小潮期各站位落潮阶段表层悬浮泥沙浓度介于16.0～26.4mg/L(表5),中层介于16.8～26.6mg/L,底层介于17.0～28.7mg/L;涨潮阶段表中底3层悬浮泥沙浓度分别介于14.5～27.5、14.0～23.9和15.4～28.0mg/L。垂向上表层悬浮泥沙浓度变化趋势与大潮期相似,表现为自表层至底层递增,各层位悬浮泥沙平均含量较为接近(图7b)。落潮阶段各站位表层与底层平均悬浮泥沙浓度比值介于0.8～1.0,涨潮阶段各站位表层与底层平均悬浮泥沙浓度比值介于0.8～1.1。与大潮期不同的是,小潮期研究区各站位之间悬浮泥沙浓度差异更小。

表5各站位各层平均悬浮泥沙含量(大、小潮)

注:表中的表底比值为同一潮阶段表层与底层平均悬浮泥沙含量的比值

图7大潮期(a)和小潮期(b)悬浮泥沙各层平均浓度分布

各层位悬浮泥沙平均含量较为接近,表明研究区垂向上水体中的悬浮泥沙交换频繁,水体混合均匀,层化现象较弱,产生这一现象的原因可能是受冬季风影响,研究区水体混合均匀[31,32]。

5、悬浮泥沙输运特征

本文所提到的悬浮泥沙输运通量计算均是指在正常天气潮流作用下的计算结果,未考虑风浪的影响因素。

5.1悬浮泥沙输运通量

大潮期悬浮泥沙输运通量介于14.14～36.75g·m-1·s-1,最大值出现在2号站,为36.75g·m-1·s-1,对应方向7.0°;最小值出现在1号站位,为14.14g·m-1·s-1,对应方向163.3°。各分项中平流输运项(T1+T2)最大,各站位平流输运项(T1+T2)以2号站位值最大,为32.37g·m-1·s-1,1号站位最小,为13.93g·m-1·s-1;垂向净环流项(T5)值次于T1+T2,其中5号站位T5值最大,为4.74g·m-1·s-1,1号站位T5值最小,为0.22g·m-1·s-1;大潮期各站位T3+T4和T6+T7+T8均较小。

小潮期各站位悬浮泥沙输运通量介于1.26～20.12g·m-1·s-1,最大值出现在2号站,为20.12g·m-1·s-1,对应方向309.8°,最小值出现在1号站,为1.26g·m-1·s-1,对应角度为211.2°。各分项中平流输运项(T1+T2)最大,各站位平流输运项(T1+T2)以5号站位,为16.67g·m-1·s-1,1号站位T1+T2值最小,为1.34g·m-1·s-1;垂向净环流项(T5)值次于平流输运项(T1+T2),其中T5值最大为0.26g·m-1·s-1,出现在5号站,最小值为0.02g·m-1·s-1,出现在1号站。小潮期各站位T3+T4和T6+T7+T8值均较小。

综上可以看出(表6),研究区大、小潮期单宽悬沙输运率(T)最大值均出现在2号站位,最小值均出现在1号站位,大、小潮期各站位T与T1+T2的方向基本一致,各站位大潮期单宽悬沙输运率(T)值均大于小潮期。

表6各站悬沙输运项及单宽悬沙净输运率(大、小潮)

5.2悬浮泥沙输运机制

大、小潮期各站位欧拉余流输运项(T1)的值远大于其他项,基本主导了大潮期悬浮泥沙的输运。根据计算结果,平流输运项(T1+T2)在大潮期的贡献率介于88.2%～102.0%,小潮期介于94.2%～106.5%。大、小潮期各站位的平流输运项(T1+T2)由大到小排列顺序均是2号、5号、4号、6号、3号和1号,这明显与余流大小有关,总体而言余流较大的站位平移输运项(T1+T2)一般也较大。然而这一规律并不绝对,如6号站位具有最大的潮余流值,但其平移输运项(T1+T2)仍小于2号、5号和4号站位,对比悬浮泥沙的特征发现,6号站位的悬浮泥沙浓度在大、小潮期均小于2号、5号和4号站位,因此可以认为余流很大程度上影响着研究区悬浮泥沙的输运,但同时悬浮泥沙背景值对悬浮泥沙通量的计算结果也有影响。

垂向净环流输沙项(T5)是在各层余流大小、方向不一致以及悬浮泥沙含量在垂向上的不均匀分布的影响下造成的,水体垂向上各层输沙量不能相互抵消,从而产生净输沙[33]。垂向净环流项(T5)的贡献率在大潮介于1.6%～12.9%,小潮期介于0.7%～6.1%。根据海流实测资料,大潮期各站位表层、底层余流流速的差值介于3.0～9.6cm/s,小潮期各站位表层、底层平均流速差值介于-0.7～9.7cm/s,大潮期各层位余流之间流速差别较大,因此,大潮期垂向环流作项(T5)对悬浮泥沙的输运影响大于小潮期。根据潮余流结果(图8),2号站位和5号站位各层潮余流方向差别较大,同时根据悬浮泥沙的垂向分布特征(图7),2号和5号站位悬浮泥沙垂向差别明显大于其他站位,相应的其垂向环流作项(T5)计算结果也均大于其他站位。

潮周期悬浮泥沙通量机制的结果表明,对于研究区海域,平流输运项主导着这一区域整体上的悬浮泥沙输运,垂向净环流项起次要作用。这意味着,研究区水体中的悬浮泥沙主要随着涨、落潮流往复搬运,产生的净输沙通量较少,悬浮泥沙的净输运方向与余流方向基本一致(见表7)。此外,大潮期垂向净环流项对悬浮泥沙输运的贡献略大于小潮期,小潮期平流输运项对悬浮泥沙输运的贡献略大于大潮期,小潮期余流作用对悬浮泥沙输运的影响更加明显;同时,大潮期悬浮泥沙输运通量远大于小潮期,因此,可以看出研究区内悬浮泥沙输运受大小潮变化影响明显。

表7大小潮期各站位潮余流、悬浮泥沙输运方向一览表

图8各站位大潮期(a)和小潮期(b)悬沙输运项与平均余流叠置图

注:(a)图中2号、4号、5号站位的T1+T2和T缩小为0.5倍,1号、4号的T5扩大为10倍,6号站位的T5扩大至20倍;(b)图中1号T1+T2和T放大至10倍,2号站位T1+T2和T缩小至0.5倍,1号、3号站位T5放大至100倍,4号站位T5放大至50倍,2号、5号站位T5放大至10倍,6号站位T5扩大至5倍。

6、结论

本文基于海流与悬浮泥沙的实测资料,分析了烟台西部近岸的悬浮泥沙时空变化特征,并初步探讨了悬浮泥沙的输运的机制,其主要结论如下:

(1)研究区大潮期悬浮泥沙含量大于小潮期;一个潮周期内,大潮期涨潮阶段垂线平均悬浮泥沙含量略大于落潮阶段,小潮期涨潮阶段垂线平均悬浮泥沙含量略小于落潮阶段。大潮期各站位悬浮泥沙浓度多出现2～4个峰值,小潮期各站位悬浮泥沙浓度变化较为复杂,其规律性较弱;悬浮泥沙变化一般滞后于流速变化1～2h,悬浮泥沙浓度峰值的出现时间大多出现在涨憩、落憩1～2h后。

(2)从平面分布上来看,研究区大潮期各站位悬浮泥沙浓度差异较大,小潮期差异较小;垂向上,大小潮期各层位悬浮泥沙含量变化不大,层化现象较弱,小潮期各站位垂向悬沙浓度差异比大潮期小。

(3)研究区的悬浮泥沙输运以平流输运为主,垂向净环流输运为辅,其他输沙项的贡献很小,悬浮泥沙的净输运方向与余流方向基本一致。

(4)研究区大潮期垂向净环流项对悬浮泥沙输运的贡献略大于小潮期,小潮期平流输运项对悬浮泥沙输运的贡献略大于大潮期,悬浮泥沙输运受大小潮的变化影响显著。

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基金:国家自然科学基金面上项目“山东半岛海湾对泥沙的捕获机制——以威海湾为例”(41776059).