第26卷 第4期2008年12月
海 洋 学 研 究
JOURNAL OF MARINE SCIENCES
Vol.26 No.4
Dec .,2008
文章编号:10012909X (2008)0420008212
收稿日期:2006211225
基金项目:国家自然科学基金资助项目(40106009);国家重点基础研究发展规划资助项目(2002CB412401)作者简介:吴祥柏(1982-),男,湖南浏阳市人,硕士研究生,主要从事海洋地质学和海洋沉积动力学研究。
长江河口悬沙与盐分输运机制分析
吴祥柏,汪亚平,潘少明
(南京大学海岸与海岛开发教育部重点实验室,江苏南京 210093)
摘 要:2004年9月15～22日在长江口南支口门区域进行了水位、流速、悬沙浓度、盐度的全潮观测,
基于这些现场数据,分析河口区域流速结构、悬沙浓度与盐度的时空分布特征;利用机制分解法研究河口悬沙、盐分的通量和输运机制,并探讨它们与水体垂向结构之间的关系。主要结论如下:长江河口区的悬沙浓度存在显著的时空变化特征,从口内向口外,悬沙浓度呈显著减小趋势,大潮期间的悬沙浓度较大,是小潮期间的数倍。通量机制分析结果表明,长江河口区以欧拉余流为主,向海输运,并有向海方向逐渐减小的趋势,斯托克斯余流向陆输运,在大、小潮期间有显著差异。盐分输运机制中,以欧拉余流占主导地位,潮泵效应、垂向重力环流、垂向剪切扩散作用的贡献次之。长江河口悬沙净输运率在向海方向逐渐减小,大潮期间的悬沙净输运率比小潮期间的大1～2个数量级,水动力条件是造成长江河口悬沙净输运时空差异的主要因素。悬沙输运机制小潮期间以欧拉余流占主导地位,在大潮期间则以与紊流相关的垂向剪切扩散作用取代欧拉余流占据主导地位。悬沙瞬时输运机制中的剪切扩散项在中下层水体的理查德森数(Ri )小于0.25时才有较大的量值,在南槽内,当底层水体的理查德森数(Ri )处于-0.1 0 引言 由于有咸淡水混合、潮汐动力、河口环流、沉积物的侵蚀与沉积等动态过程的发生,河口区的物理过程十分复杂。数十年来,很多河口学家、海洋学家、地质学家们一直致力于河口物质输运的研究 [1] 。河口物 质通量机制分解法是20世纪60年代开始发展起来的用以研究物质输运机理的方法,包括瞬时模式和潮周期模式、单宽模式[2]和断面计算模式[3]。这些模式曾在长江口[4-6]、珠江口[7]、苏北辐射沙脊群的潮流通道[8]和杭州湾[9]等中国沿海得到了广泛的应用。 在长江流域,人类活动的历史悠久,目前有若干 大型工程先后开始建设并投入运行(如长江三峡水利 枢纽、南水北调、河口深水航道和河口湿地围垦等),这些工程可能对长江河口的自然环境产生深远影响[10-13]。长江河口物质输运的监测和研究,将对该区域的工程建设、资源可持续开发有积极的指导意义和参考价值。本文基于2004年9月获取的观测资料,分析长江口悬沙与盐分的输运机制,并探讨它们与水体垂向结构之间的关系。 1 材料和方法 1.1 数据采集 2004年9月15～16日(大潮)和9月21～22日 (小潮)分别在长江口北港口门(k0413站)、北槽口内(k0406站)和口外(k0407站)以及南槽口内(k0404 站)进行了定点全潮观测(表1、图1)。观测期间,采用直读式流速仪测量剖面上水流的流速和流向,测量 的层次为表层(距水面0.5m ),0.2h 、0.4h 、0.6h 和0.8h 层(h 为水深)以及底层(距底床0.5m ),并采集 相应层位的水样。用0.45 μm 的滤纸对水样进行过滤称重、计算悬沙浓度,并用室内盐度计测量其盐度。 表1 长江河口4个站位全潮观测的观测时间 Tab.1 Four hydrodynamic stations at the Changjiang River Estuary 站位 潮相测量开始时间 测量结束时间 持续时间/h k0407 大潮9月16日17:0017日19:0027小潮 9月22日12:0022日14:0027k0406大潮9月15日09:0016日11:0027小潮 9月21日17:0022日06:0014 k0404大潮9月15日09:0016日11:0027小潮 9月21日17:0022日07:0015k0413大潮9月12日17:0017日09:0022小潮 9月22日12:00 22日14:00 27 图1 研究区域及定点观测站位 Fig.1 Location of study area and the observation stations 1.2 数据处理和计算根据D YER [2]提供的物质通量计算方法,流速 (u )可以分解为垂线偏差项(u v )、垂线平均潮平均项( u 0)和垂线平均潮偏差项( u t ):u = u 0+ u t +u v 。同 理,对于悬沙浓度(c ),和盐度(s )也可分解为s = s 0+ s t +s v 和c = c 0+ c t +c v 。 河口单宽潮周期平均输水量为 1 T ∫T 0 ∫ 1 uh d z d t = u 0h 0+ =h 0( u E + u S )=h 0 u L (1) 式中: u L 、 u E 、 u S 分别称为一维垂向平均拉格朗日、欧拉和斯托克斯余流, u E = u 0, u S =< u t h t >/h 0;h 为水深,是潮平均水深(h 0)和潮偏差值(h t )之和,即 h =h 0+h t 。 物质单宽潮周期净输运率可以分解为7个主要的通量项: 1 T ∫T 0 ∫ h uc d z =h 0 u 0 c 0+ c 0 (2) 式中:<>内的量表示垂向可积变量的潮平均值;上 划线的量表示垂向平均值。 第一项T 1是非潮漂移输运通量,为欧拉 (Eulerian )余流贡献;第二项通量T 2为与潮流相关项, 称为斯托克斯(Stokesv )漂移;T 1+T 2为拉格朗日平流输运;T 3+T 4+T 5是潮泵(Tidal Pumping )效应的贡献,它是由潮相位差引起的;T 6和T 7是与垂向流速的变化相关的项,即与剪切扩散相关;T 6是河口垂向重力环流贡献项,它是由近底床向陆的高物质浓度流和表层向海的低物质浓度流共同作用导致的;T 7是在潮波变形作用下由纵剖面上流速和物质浓度的变化引起的。特别地,对于悬沙输运,T 7与沉降滞后和冲刷滞后有关。 瞬时输沙率可以表示为 ∫ 1 h ?u ?c ?d z =h u 0 c 0 +h u 0 c t +h u t c +h u t c t + h v v (3) 式中:上划线表示垂向平均值,h u 0 c 0为平均流引起的 ? 9?吴祥柏等:长江河口悬沙与盐分输运机制分析 悬沙输运;h u0 c t和h u t c0分别为流速和悬沙浓度潮周期变化相关项;h u t c t为潮汐振荡引起的悬沙输运; h u v c v为剪切扩散量。 在河口区域,分层和混合是河口的重要动力属性。由密度梯度导致的分层效应会使流体趋于稳定,并抑制流体的混合作用;而流速的剪切作用则是导致河口混合的重要机制。这种机制可以用Ri来描述,它是密度分层强度与流速剪切强度的比值[14]: Ri=-(g/ρ)(5ρ/5z) (5u/5z)2 (4) 式中:g为重力加速度;ρ为海水密度;z为距离海底的高度;u为流速。Ri是一个无量纲参数。Ri>0,表明分层是稳定的;Ri=0,没有分层;Ri<0,则表示分层不稳定。当Ri继续增大、层化到一定程度的时候,水体间的混合交换作用将被抑制。已有的研究结果表明,在均匀流情况下,当Ri=0.25时,水体处于层流向紊流过渡的状态,但在海洋环境中非衡定、非均匀流的情况下,该过渡状态的临界值可能比0.25要大[2]。2 结果与讨论 2.1 流速、悬沙浓度与盐度的时空分布特征 已有的研究结果表明,k0404点位于长江口最大混浊带内[15]。大潮观测期间涨、落潮不对称(图2),涨潮历时为5h,落潮历时为7h,潮差为4.2m(表2)。涨急和落急各出现一个流速峰值,最大值为2.6m/s。垂线平均悬沙浓度比较高,其峰值出现时刻略滞后于流速峰值出现时刻,最大值达4.9kg/m3;涨急阶段底层最大悬沙浓度可达11.0kg/m3,表层最大悬沙浓度也达1.8kg/m3。水体垂向平均盐度的变化稍滞后于潮位变化,涨急时盐度迅速增加,在涨憩阶段达到峰值。小潮观测期间潮差为2.0m,潮汐日不等现象显著。垂线平均流速在落急达到峰值(1.2m/s);垂线平均悬沙浓度为0.2～0.4kg/m3,最大值达0.7kg/m3。垂线平均盐度在较大潮位时显著增加。 图2 k0404站大潮(a)、小潮(b)观测期间的潮位和垂向平均流速、悬沙浓度及盐度Fig.2 Water level,depth-averaged current velocity,suspended sediment concentration and salinity measured at Station k0404in spring(a)and neap(b)tidal cycles k0406站在大潮观测期间:涨、落潮不对称,涨潮历时小于5h,潮差为4.3m(图3)。垂向平均流速在涨急时达到较小峰值(两个潮周期内分别为1.6m/s 和1.5m/s,下同),落急时达到较大峰值(2.2m/s和2.4m/s)。垂向平均悬沙浓度主要集中在0.5～1.5kg/m3范围内,但有的时刻在表、底层其差异较大,如落潮初期垂向平均悬沙浓度最大值为2.4kg/m3,而这时相应底层垂向平均悬沙浓度可达7.9kg/m3。垂向平均盐度与k0404站大潮观测期间相似,变化范围为6～12,并在涨憩阶段达到最大,涨潮初期则最小。小潮观测期间的连续两个潮周期内,仍呈现显著的日不等现象,较大潮差期间盐度变化显著,较小潮差期间(潮差为2.2m)盐度在潮周期内无明显变化。落潮初期,垂向平均悬沙浓度和盐度同时达到最高值,分别为1.2kg/m3和8.9;落急时垂向平均流速为最大(1.3m/s)。 ? 1 ?海 洋 学 研 究26卷4期 图3 k0406站大潮(a )、小潮(b )观测期间的潮位和垂向平均流速、悬沙浓度及盐度 Fig.3 Water level ,depth -averaged current velocity ,suspended sediment concentration and salinity measured at Station k0406in spring (a )and neap (b )tidal cycles 在k0407站(图4),大潮观测期间,潮差为4.8m ,涨、落潮对称,但仍有潮汐日不等,两潮的潮差相差为 0.5m 左右。垂向平均悬沙浓度较低,最小为0.14kg/m 3,且变化不大,在落急时达最大值(0.6kg/m 3)。垂向平均流速在落急时取得最大值(2.2m/s ),其潮周期平均为1.0m/s 。盐度变化与水位同步,垂向平均值为 22.3～28.0。小潮期间,大潮差与小潮差分别为2.5m 和2.0m 。垂向平均盐度为19～27。潮周期内 垂向平均悬沙浓度维持较低水平,为0.1～0.2kg/m 3,仅在涨潮初期达到0.4kg/m 3的最大值。较大潮差 的落急与涨急时对应出现垂向平均流速的峰值。 图4 k0407站大潮(a )、小潮(b )观测期间的潮位和垂向平均流速、悬沙浓度及盐度 Fig.4 Water level ,depth -averaged current velocity ,suspended sediment concentration and salinity measured at Station k0407in spring (a )and neap (b )tidal cycles ? 11?吴祥柏等:长江河口悬沙与盐分输运机制分析 在k0413站(图5),大潮观测期间潮差为3.7m , 潮形对称。垂向平均盐度随潮周期变化,和水位变化一致,垂向平均盐度为10～24。垂均悬沙浓度和水位变化刚好相反,在落急到涨潮之间达到峰值(1.8kg/m 3)。垂向平均流速在涨急和落急时均出现峰值,最大值为1.6m/s 。小潮期间,潮差分别为1.7m 和0.8m 。垂向平均盐度在涨停时达到最高值(27)。垂向平均悬沙浓度维持在0.1kg/m 3左右,几无沿时变化。垂向平均流速在涨急、落急时达到峰值(0.9m/s )。 2.2 通量分解 根据各站垂向平均流速的潮周期变化分析,各站潮流类型如下:k0404站大、小潮观测期间、k0406站小潮观测期间的潮流主要表现为沿河槽的往复流型式,方向分别为111°和107°。k0406站大潮及k0407、k0413站大、小潮观测期间的潮流均为旋转流。因此,通量分解时,对k0404、k0406站采取沿往复流主轴,即河槽方向(向海为正),以及垂直河槽方向(向南为正)分别计算;对k0407、k0413站,采取东西方向(向东为正)和南北方向(向南为正)分别计算 。 图5 k0413站大潮(a )、小潮(b )观测期间潮位和垂向平均流速、悬沙浓度及盐度 Fig.5 Water level ,depth -averaged current velocity ,suspended sediment concentration and salinity measured at Station k0413in spring (a )and neap (b )tidal cycles 2.2.1 余流 各站的潮周期水通量计算结果如表2所示。除 k0406站大潮期间外,由潮汐变形引起的斯托克斯余流均向陆输运,欧拉余流则向海输运,并且量值比前者大。拉格朗日余流一致向海,流速为0.05～0.40m/s 。 从k0406站小潮和k0404站大、小潮观测期间的通量分解来看,余流输运主要集中在沿河槽方向。垂直于河槽方向的余流流速要比沿河槽方向的小1个数量级(表明该区域横向环流的影响非常有限)。从k0407站大潮观测期间的两个分解方向的数值看,其 余流输运主要集中在沿河槽方向进行。由斯托克斯 效应产生西北方向的余流流向与涨潮流向基本一致。在k0404站欧拉余流流速最大,大、小潮均达到0.4m/s ,与上游径流量级相当;k0406站小潮和k0407站大潮观测时的欧拉余流流速次之,即沿向海 方向,欧拉余流流速变小。 大潮观测期间的斯托克斯效应贡献均比小潮观测期间的大4～5倍、甚至大1个数量级,其贡献量的作用与潮波传播方向一致,产生偏西北的余流输运,在k0404站大潮观测期间斯托克斯效应贡献最大。而在k0406站稍有不同,可能与k0406点所处的位置以及河槽方向有关。 ? 21?海 洋 学 研 究26卷4期 表2 长江河口观测站位潮周期水通量的分解 Tab.2 Residual water transport flux over the mooring stations at the Changjiang River Estuary in a tide cycle 站位潮相平均水深 /m 潮差 /m 海流轴向 /(°) 拉各朗日余流流速 /(m?s-1) 欧拉余流流速 /(m?s-1) 斯托克斯余流流速 /(m?s-1) k0404大潮7.3 4.21110.2020.478-0.276 2010.0120.029-0.016小潮7.3 2.01110.3960.425-0.029 2010.0610.064-0.004 k0406大潮8.9 4.3107-0.126-0.098-0.028 197-0.818-0.8720.055小潮8.0 2.21070.2780.295-0.016 1970.0770.0760.001 k0407大潮12.4 4.8900.1240.166-0.042 180-0.072-0.028-0.043小潮12.0 2.5900.0620.069-0.007 1800.0700.076-0.006 k0413大潮9.7 3.7900.0630.076-0.013 180-0.086-0.025-0.062小潮9.2 3.7900.0630.075-0.012 1800.1380.151-0.012 注:表中各站的海流轴向、拉格朗日余流流速、欧拉余流流速、斯托克斯余流流速均有两行数据,其中k0404、k0406站上一行表示沿河槽方向分解获得的数值(向海为正),下一行表示垂直于河槽方向分解获得的数值(向南为正);而k0407、k0413站上一行表示沿东西方向分解获得的数值(向东为正),下一行表示沿南北方向分解获得的数值(向南为正)。 从大、小潮观测期间各站位通量的数值来看:南槽内的k0404站欧拉余流占主导地位,且大、小潮一致,斯托克斯余流大、小潮变化较大;在北槽(k0406站)、北港口和北槽口外,由于受到河口环流作用,欧拉余流大、小潮变化显著,斯托克斯效应对余流的影响很小。大潮观测期间,k0407、k0413站各余流输运项均指向东偏北 ,而小潮观测期间则指向东南。k0407站大潮观测期间通量净输运大于小潮观测期间,而k0413站却刚好相反。k0406站大潮观测期间余流输运方向为北偏东,以向北输运为主;其垂向平 均流速在整个潮周期内一直都向北,没有出现周期性的往复流(图6),这可能与潮泵作用有关。 2.2.2 悬沙通量 各个站位测次潮周期悬沙通量的各机制分解项如表3所示。与水量输送类似,大潮观测期间的k0404、k0407站和小潮观测期间的k0404、k0406站,悬沙输送主要集中在沿河槽方向,而在与之垂直方向的输送分量要比其小约1个数量级。 k0404站在大潮观测期间,垂向剪切扩散作用占 图6 k0406站大潮期间垂线平均流速的北分量和东分量 Fig.6 North and east components of the vertical advection averaged velocity measured at Station k0406during spring tide 主导,其输沙率达14.7kg/s,其它主要的贡献项有欧拉余流和斯托克斯效应,其中斯托克斯效应导致悬沙的向陆输运,垂向重力环流和潮汐捕集作用使悬沙向上游输运。小潮期间,悬沙输运机制有明显不同:欧拉余流导致的悬沙向海输送占主导地位,垂向重力环流和潮泵效应对悬沙输送贡献次之,但垂向重力环流 ? 3 1 ? 吴祥柏等:长江河口悬沙与盐分输运机制分析 引起的悬沙输运方向仍指向上游。悬沙的净输运率在大潮观测期间为15.6kg/s,比小潮观测期间(1.0kg/s)大1个数量级,悬沙输送方向均沿河槽方向向下。 表3 长江河口观测站位潮周期悬沙通量的机制分解 T ab.3 Mechanisms decomposition of suspended sediment flux over mooring stations at the Changjiang Estuary during tidal cycles 站位潮相方向/(°) T1 /(kg?s-1) T2 /(kg?s-1) T3 /(kg?s-1) T4 /(kg?s-1) T5 /(kg?s-1) T6 /(kg?s-1) T7 /(kg?s-1) 总通量 /(kg?s-1) k0404大潮1117.616-4.394-0.2220.674-1.157-1.57014.67415.620 2010.458-0.260-0.0130.229-0.0770.276-0.4270.186小潮111 1.045-0.071-0.0090.2950.014-0.221-0.0640.989 2010.158-0.010-0.0010.0260.001-0.138-0.0340.003 k0406大潮107-1.003-0.2890.0010.204-0.031-0.747 3.863 1.997 197-8.9540.5620.009-0.7420.158 1.974-1.300-8.294小潮1070.515-0.028-0.0010.2870.029-0.021-0.0120.768 1970.1330.0020.000-0.0030.000-0.028-0.0280.075 k0407大潮900.581-0.147-0.025 1.150-0.027-0.1660.689 2.054 180-0.099-0.1520.0040.1260.0060.1350.0270.048小潮900.074-0.0080.000-0.053-0.001-0.0010.0160.027 1800.081-0.0060.000-0.060-0.003-0.029-0.004-0.020 k0413大潮900.575-0.097-0.0410.5760.090-0.7100.3500.743 180-0.186-0.4670.013 2.3070.236-0.2000.429 2.132小潮900.042-0.0070.000-0.022-0.003-0.018-0.021-0.028 1800.084-0.0070.001-0.005-0.001-0.029-0.052-0.009 大潮观测期间的k0406站,其悬沙输送方向以与河槽垂直的方向为主,即北偏东向,与余流方向一致,可能与涨、落潮及径流作用造成的横向环流有关。在沿河槽方向,垂向剪切扩散作用占主导,悬沙向海输运,欧拉余流和垂向重力环流均向陆方向移动,悬沙净输沙率为2.0kg/s。在垂直河槽方向,欧拉余流占主导,垂向重力环流和垂向剪切扩散对悬沙输送也有明显贡献,悬沙净输沙率为8.3kg/s,输沙方向为北偏东。小潮期间,悬沙沿河槽方向输运,欧拉余流和潮泵效应对悬沙的输运起了主要的作用,悬沙均向海净输运,输沙率为0.8kg/s。 k0407站在大潮观期间的悬沙向海输运,其机制按照贡献量的大小依次是潮泵效应、垂向剪切扩散作用和欧拉余流,总输沙量为2.1kg/s。小潮观测期间该站的悬沙输运量比大潮观测期间小两个数量级,以欧拉余流输运占主导,悬沙向海输运,净输沙率为0.03kg/s。 k0413站在大潮观测期间,其悬沙输送方向为南偏东,净输沙率为2.2kg/s,对悬沙输送贡献最大的是潮泵效应。小潮观测期间的输沙率比大潮观测期间的小两个数量级,欧拉余流、潮泵效应和垂向剪切扩散作用为主要的影响悬沙输送机制,净输沙率为0.03kg/s。 由此可见,在小潮观测期间,欧拉余流对悬沙输送起主导作用;在大潮观测期间,垂向剪切扩散作用对悬沙输送贡献突出,有时还可能超过欧拉余流的作用。斯托克斯效应导致了悬沙向陆输运,在大潮观测期间该效应对悬沙输送有较大贡献。潮泵效应在大潮观测期间对k0404站和k0406站的悬沙输送贡献相对较小,都使悬沙向陆输运;而在k0407、k0413站的大潮和小潮观测期间潮泵效应对悬沙输送的作用相对较大,悬沙向海输运。垂向重力环流作用使悬沙向陆输运,此作用仅在k0406站和k0404站悬沙输送过程中表现较为突出。此外,南、北槽口内k0404站与k0406站的总通量较其它站大得多,这与两站位置处于长江口最大浑浊带核心区有关。 ? 4 1 ?海 洋 学 研 究26卷4期 2.2.3 盐分输运各个站位测次潮周期盐分通量的各机制分解项如表4所示。k0404站的盐分输送方向主要沿河槽方向,盐净输运率达19kg/s 。大潮期间,欧拉余流、斯托克斯效应和潮汐效应对盐分的输送贡献最大,后两者使盐分向上游输运,其净输运率量级与欧拉余流贡献的相当。小潮期间,欧拉余流对盐分的输送贡献占主导地位,潮泵效应次之,它们均使盐分向海方向输运。 k0406站在大潮观测期间,与余流结构一致,盐分输送方向集中在垂直河槽的方向,净输运率达37kg/s 。欧拉余流对盐分的输送贡献占主导地位,垂向剪切扩散和潮泵效应对盐分的输运贡献比欧拉余流小1个数量级。小潮观测期间,盐分沿河槽方向输运,欧拉余流对盐分的输运作用占优。 k0407站在大潮观测期间盐分向东北方向输运,净输运率为40kg/s ,欧拉余流、斯托克斯效应和垂向剪切扩散对盐分的输运作用显著。小潮观测期间盐分向东南方向输运,欧拉余流对盐分的输运起主要的作用,垂向重力环流和潮泵效应对盐分的输运作用次之,它们均使盐分向西北方向输运,净输运率为12kg/s 。 k0413站在大潮观测期间欧拉余流与垂向剪切扩 散使该站盐分向海输运,斯托克斯项、垂向环流和潮泵效应对该站盐分向陆输运均有贡献,净输运率为32kg/s ,输运方向为北偏东向。小潮观测期间,该站盐分向西南方向输运,欧拉余流对盐分输运的贡献为主,潮汐泵吸作用、垂向重力环流对盐分输运的贡献次之。 由以上的分析可知,在长江口的盐分输运过程中,欧拉余流的贡献均占主导地位。大潮观测期间,在k0404、k0407站斯托克斯效应项对盐分输运的贡献较大;在口内的k0404、k0406站潮泵效应对盐分输运的贡献也不可忽视。对于口外的k0407、k0413站,潮泵效应一直是盐分输运的重要贡献项;垂向重力环流向陆输运盐分的作用次之,这与两个站底层较高的盐度有关,但垂向重力环流作用在北槽和南槽内对盐分输运的贡献较小,可以忽略。大潮观测期间,垂向剪切扩散作用在北槽内的k0406站和口外的k0407、k0413站对盐分输运均有一定贡献,盐分输运方向为向海方向,这与垂向剪切扩散对悬沙的作用有较大的差别,主要是由于在这些站悬沙与盐度的表、底层有差异所致。 表4 长江河口观测站位潮周期盐分通量的机制分解 Tab.4 Mechanisms decomposition of the salinity flux over mooring stations at the Changjiang River Estuary during tidal cycles 站位 潮相方向/(°)T 1/(kg ?s -1)T 2/(kg ?s -1)T 3/(kg ?s -1) T 4/(kg ?s -1)T 5/(kg ?s -1)T 6/(kg ?s -1)T 7/(kg ?s -1)总通量 /(kg ?s -1) k0404 大潮 11126.64-15.37 1.73-11.38-1.41-0.34 1.77 1.65201 1.60-0.910.10-1.59-0.040.20-0.52-1.14小潮11116.91-1.150.25 3.330.45-0.85-0.3718.56201 2.56-0.160.040.370.05-0.52-0.17 2.18k0406大潮107-5.29-1.52-0.42-1.240.070.118.10-0.20197 -47.18 2.96-3.76 6.37 1.17 1.46 1.71-37.27小潮107 2.06-0.110.030.290.020.000.02 2.32197 0.530.010.010.130.01-0.05-0.080.56k0407大潮9048.10-12.200.39-8.05-0.63-2.83 6.1530.92180 -8.18-12.59-0.07-3.47-0.79-0.51-1.08-26.68小潮9018.11-1.890.12-5.95-0.41-3.08 1.408.29180 19.86-1.510.13-2.06-0.34-5.07-1.659.35k0413大潮9011.75-1.990.49 3.32-0.59-4.95 4.8112.84180 -3.79-9.54-0.16-16.75-2.65-1.45 5.27-29.07小潮9010.63-1.740.20-7.82-0.80-6.54 1.57-4.50180 21.37 -1.76 0.41 -6.43 -0.74 -7.00 -1.25 4.59 ? 51?吴祥柏等:长江河口悬沙与盐分输运机制分析 2.3 水流垂向结构及其与悬沙输运的关系 通过计算整点时刻各层位的Ri 用以说明水体的层化结构和流态特征,结果表明,Ri 有较大的空间差异:K0404、k0406站的Ri 值都比较低,且相对稳定;而k0407、k0413站的Ri 值较大,且变化较为剧烈(图7)。此外,同一个站位,小潮观测期间的Ri 值一般大 于大潮观测期间的相应值。Ri 的时间过程变化曲线与垂向平均流速、悬沙浓度及盐度过程曲线对比发现,高Ri 值在出现时间上与高盐度及流速的加速阶段相对应,而较低的Ri 值[水体处于不稳定分层(尤其是底层)的紊流状态]在出现时间上与高垂向平均悬沙浓度相对应 。 图7 长江河口观测站位大潮(a )、小潮(b )观测期间的Ri 值的变化 Fig.7 Variation of Richardson number (Ri )over the mooring stations at the Changjiang River Estuary during spring (a )and neap (b )tidal cycles 各站位中下层水体(距底0.6h 以下,h 为水深) 的Ri 值和瞬时悬沙输运中剪切扩散项的关系表明,大、小潮观测期间长江河口水体95%的Ri 值集中在-1～1之间,66%的Ri 值集中在-0.2～0.25之间,76%的Ri 值小于0.25(图8)。可见,长江口的中下层水体在多数时段均处于分层向混合过渡及紊流状态。在瞬时悬沙输运剪切扩散效应贡献量大于0.2kg/s 时,92%的情况都发生在Ri <0.25的时段内,该贡献量大于1.5kg/s 的100%情况均发生在Ri <0.25的时段内,因此,剪切扩散对悬沙输运贡献主要出现在中下层水体处于紊流状态的时候。此外,垂向平均悬沙浓度的高与低和底层出现紊流与层流的时间有一定的对应关系,例如,在k0404站,Ri 值与剪切扩散之间有显著的负相关关系,这个关 系主要存在于-0.1 潮周期悬沙输运机制的垂向重力环流和垂向剪切扩散这两项与瞬时悬沙输运中的剪切扩散项相对应,前者对应的是潮平均水深的瞬时剪切扩散,而后者对应的是水位变化的瞬时剪切扩散。瞬时剪切扩散量的大小与Ri 值有关,而潮周期的悬沙输运与瞬时剪切扩散量的大小及其方向有关。因此,潮周期的悬沙输 ? 61?海 洋 学 研 究26卷4期 运与Ri值的关系将更加复杂:潮周期悬沙输运量与Ri值的大小以及决定其瞬时剪切扩散输运的方向有关。瞬时剪切扩散量在潮周期的净输运量与潮汐的不对称性有关。在k0404、k0406站大潮观测期间,潮汐不对称与水体(特别是中层以下水体)的低Ri 值相配合的时候,垂向剪切扩散引起的悬沙输运超过了余流输运作用而占主导地位;而在小潮观测期间Ri值增大时,水体的层化效应显著增强,对应的剪切扩散引起的悬沙净输运量比大潮观测期间小1个数量级。因此,在大、小潮周期变化中,水体层化效应和紊流的发育程度是影响悬沙通量的重要因素。3 结论 (1)在长江河口区进行全潮水文观测的结果表明,悬沙浓度存在显著的时空变化,从口内向口外,悬沙浓度呈显著减小的趋势,以南槽内的悬沙浓度为最高。此外,大潮观测期间各测站的悬沙浓度均较大,通常是小潮观测期间的数倍。 (2)长江河口区潮周期余流通量机制的分析表明,欧拉余流与拉格朗日余流均向海输运,流量且有向海方向逐渐减小的趋势,斯托克斯余流向陆方向输运。南槽内以欧拉余流占主导地位,且大、小潮之间欧拉余流的数值较为接近,表明上游径流相对稳定;斯托克斯余流在大、小潮期间有显著差异;在北槽、北港口和北槽口外,欧拉余流流量依次减小,斯托克斯效应对余流的影响很小。 (3)长江河口悬沙净输运率沿向海方向逐渐减小,大潮观测期间的悬沙净输运率比小潮观测期间的大1～2个数量级。考虑到观测期间长江流域来水来沙条件基本恒定,因此水动力条件是造成长江河口悬沙净输运时空差异的主要因素。悬沙通量机制方面,在小潮观测期间,欧拉余流对悬沙的输运贡献占主导地位;在大潮观测期间,与紊流相关的垂向剪切扩散作用对悬沙输运的贡献大于欧拉余流。 (4)瞬时悬沙输运中的剪切扩散项与中下层水体的Ri值有关。剪切扩散对悬沙输运贡献较大的情况都发生在Ri<0.25的时候;在南槽内,当底层水体的Ri值处于-0.1 致谢 本次公共出海由华东师范大学河口与海岸研究所牵头组织,丁平兴教授、高抒教授对本次观测提供了协助;在论文修改过程中,与高建华博士进行了有益的讨论;南京大学杨 、程功弼、谢东风参加了野外观测、样品分析工作,谨致谢忱! 参考文献: [1]UNCL ES R J.Est uarine Physical Processes Research:Some Re2 cent Studies and Progress[J].Estuarine,Coastal and Shelf Sci2 ence,2002,55:829-856. ? 7 1 ? 吴祥柏等:长江河口悬沙与盐分输运机制分析 [2]D YER K R.Est uaries —A Physical Int roduction (2nd edition ) [M ].Singapore :John Wiley &Sons ,1997:195. [3]王康墡,苏纪兰.长江口南港环流及悬移物质输运的计算分析[J ]. 海洋学报,1987,9(5):627-637. [4]贺松林,孙介民.长江河口最大混浊带的悬沙输移特征[J ].海洋与 湖沼,1996,27(1):60-66. [5]高建华,汪亚平,潘少明,等.长江口悬沙动力特征与输运模式[J ]. 海洋通报,2005,24(5):8-15. [6]L I Jiu -fa ,ZHAN G Chen.Sediment resuspension and implica 2 tions for turbidity maximum in t he Changjiang Estuary[J ].Ma 2rine Geology ,1998,148:117-124. [7]WAI O W H ,WAN G C H ,L I Y S ,et al.The formation mecha 2 nisms of turbidity maximum in t he Pearl River estuary ,China[J ].Marine Pollution Bulletin ,2004,48:441-448. [8]吴德安,张忍顺,严以新,等.辐射沙洲东大港潮流水道悬沙输移 机制分析[J ].河海大学学报:自然科学版,2006,34(2):216- 222. [9]宋立松,余祈文.杭州湾悬沙净输移机制探讨[J ].泥沙研究,2003 (3):48-52. [10]沈焕庭,茅志昌.东线南水北调工程对长江口咸水入侵影响及对 策研究[J ].长江流域资源与环境,2002,11(2):150-155. [11]杨世伦,朱骏,赵庆英.长江供沙量减少对水下三角洲发育影响 的初步研究———近期证据分析和未来趋势估计[J ].海洋学报, 2003,25(5):83-91. [12]杜景龙,杨世伦,张文祥,等.长江口北槽深水航道工程对九段沙 冲淤影响研究[J ].海洋工程,2005,23(3):78-83. [13]汪亚平,潘少明,WAN G H V ,等.长江口水沙入海通量的观测与 分析[J ].地理学报,2006,61(1):35-46. [14]D YER K R.Coastal and Estuarine Sediment Dynamics[M ].Sin 2 gapore :John Wiley &Sons ,1986:337. [15]沈焕庭,潘定安.长江河口最大浑浊带[M ].北京:海洋出版社, 2001:194. Analysis of the transportation mechanism of suspended sediment and salt in the Changjiang River Estuary WU Xiang -bai ,WAN G Ya -ping ,PAN Shao -ming (Key L aboratory f or Coast al and Isl and Development of t he M i nist ry of Ed ucation ,N anj i ng U ni versit y ,N anj i ng 210093,Chi na ) Abstract :In recent years ,t he const ruction or operatio n of some major project s ,such as t he Sout h -to -Nort h Water Diversion Project ,Three G orges Dam ,t he Reclamation Project in East Hengsha Shoal and Deep Channel Regulatio n Project in t he Changjiang River Est uary ,would have a profound impact on t he p hysical p rocesses in t he Changjiang River Est uary.Monitor and st udy of t he mass fluxes and t heir mechanism have great significance on t he const ruction of t he project s and exploitation of nat ural resources. Based on t he measurement s of t he water level ,current speed and direction and suspended sediment concentrations (SSC )at four stations located in t he outlet area of t he Sout hern Branch in t he Changjiang River Est uary during bot h spring and neap tides on 15～22September 2004,t he temporal and spatial distributions of t he velocity st ruct ure ,SSC and salinity of t he water column were analyzed ,and t he fluxes of t he suspended silt and salt and t heir t ransport mechanisms were st udied wit h flux decompo sition met hod.The relatio nship between mass flux mechanism and vertical struct ure of t he water column were also discussed. Research shows t hat t he SSC in Changjiang River Est uary has significant temporal and spatial changes :it reduced significantly from t he mout h to t he sea ,and it was several times greater in spring tide t han t hat in neap tide.Flux mechanism analysis shows t hat t he dominant factor for water t ransport in t he Changjiang River Est uary is t he Eulerian residual flow.It transport s water towards to t he sea ,in t he opposite direction of Stokes drift.For t he t ransport of salt ,Eulerian flow plays t he leading part and t he next is t he tidal p umping ,vertical gravity circulation and dispersion due to vertical shear st ress. Net t ransport of suspended silt decreases https://www.doczj.com/doc/f59839883.html, t ransport in sp ring tide is greater t han t hat in neap tides wit h an order of magnit ude of one to two and t he hydrodynamic condition is t he major factor for t he ? 81?海 洋 学 研 究 26卷4期 temporal and spatial difference.During neap tide Eulerian residual flow plays t he main part in t he net t ransport of t he suspended silt,while vertical shear dispersion related to t urbulence dominates during sp ring tides.Furt her,t he vertical shear dispersion may reach a big value only when t he Richardso n number(Ri)in t he middle and lower water mass is less t han0.25,and t he cont ribution of t he vertical shear dispersion p resent s a notable negative correlation when-0.1 K ey w ords:suspended sediment concent ration;salt t ransport;Richardson number;flux decompo se;t he Changjiang River Est uary 2009年《海洋学研究》征订启事 根据国家海洋局海科字〔2005〕2号“关于同意《东海海洋》期刊变更的通知”转发的2005年1月31日国家新闻出版总署新出报刊〔2005〕58号“关于《中国养蜂》等科技期刊更名的批复”,创刊于1983年的《东海海洋》已于2005年第2期起正式更名为《海洋学研究》,其主管单位不变,主办单位变更为“中国海洋学会、国家海洋局第二海洋研究所、浙江省海洋学会”。 刊名变更后的《海洋学研究》,其办刊宗旨是注重介绍全球性海洋科技的新发展,报道研究项目的最新成果及资料数据的分析研究等,为全国的海洋学科研究服务。其特色以海洋观测、调查数据的科学表达为基础,报道海洋技术的最新发展和海洋科学研究的最新进展。 本刊被国内知名的数据库收录;较早加入中国两大科技期刊网(“中国期刊网”和“万方数据数字化期刊群”)全文上网;还是联合国粮农组织下属“水科学和渔业情报系统”(ASFIS)编辑出版的《水科学和渔业文摘》(ASFA)收录的主要刊物之一。2004年被确定为“中文核心期刊”和“中国科技核心期刊”。 《海洋学研究》的主要读者对象是科研、教育、生 产、国防等有关部门的广大科技工作者。 《海洋学研究》的国内刊号为CN33-1330/P;国际刊号为ISSN1001-909X。季刊,16开。2006年第1期起,《海洋学研究》设计了全新的封面,适当提高了刊本纸张的质量,每期页码也至少增加到80页。2008年第1期起,《海洋学研究》版本改为大16开印制,每期定价也将适当提高到9.00元,全年定价为40元(含邮寄费)。需要办理订阅手续者,请将书款通过邮局直接寄往:“浙江杭州市保俶北路36号《海洋学研究》编辑部”,邮编:310012;若通过银行汇款,则在收款人一栏中必须填写本编辑部所在单位的全称:“国家海洋局第二海洋研究所”,账号填写“1202026209008803510”,汇入地点填写“杭州”,汇入行名称填写“工行高新支行”,汇款用途填写“订阅《海洋学研究》”。订阅单和收款记账凭证寄回本编辑部。 本编辑部地址:杭州市保俶北路36号,邮编: 310012;电话/传真:0571-********;联系人:陈 丽,E-mail:fly911@https://www.doczj.com/doc/f59839883.html, (本刊编辑部) ? 9 1 ? 吴祥柏等:长江河口悬沙与盐分输运机制分析=
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