某河口懸沙濃度特征分析案例概述目錄TOC\o"1-3"\h\u17847某河口懸沙濃度特征分析案例概述 12391.1懸沙濃度時間序列特征 153991.2懸沙濃度空間變化特征 3135371.3懸沙濃度與流速的關(guān)系 41.1懸沙濃度時間序列特征圖3-12體現(xiàn)了各個站位大小潮期間水體漲落潮平均懸沙濃度隨時間的變化特征。N1站位小潮、中潮和大潮的平均懸沙濃度分別為0.28kg/m3、0.50kg/m3和0.79kg/m3，從圖3-11b中觀察到，N1站位中下層水體懸沙濃度在大潮漲潮階段有一個明顯的躍升過程，最高濃度值達1.8kg/m3，這直接導致潮周期內(nèi)漲潮平均懸沙濃度遠大于落潮，懸沙濃度峰值正好出現(xiàn)在落憩前后，這部分增加的懸沙濃度可能是由于來自口內(nèi)的沉積物隨著落潮流從上游輸運至N1附近。在其他潮周期內(nèi)，漲潮平均懸沙濃度均小于落潮。圖3-12各站位漲落潮懸沙濃度統(tǒng)計圖Fig.3-12FloodandebbtidalSSCofstationsatthreestationsN2站位潮周期平均懸沙濃度的時間變化趨勢和N1站位相同，均表現(xiàn)為從小潮到大潮平均懸沙濃度逐漸增加，總體上大小潮平均懸沙濃度差值不大，增長幅度沒有N1站位顯著。漲落潮平均懸沙濃度分別為0.36kg/m3和0.27kg/m3，受灘槽水沙交換的影響，各潮周期內(nèi)漲潮階段水體的懸沙濃度均大于落潮。N3站位漲落潮平均懸沙濃度分別為0.33kg/m3和0.31kg/m3，整體上差異不大。與其他站位相同，從小潮到大潮平均懸沙濃度逐漸升高，但是由于水動力較弱，大小潮懸沙濃度的變化幅度十分有限，大潮懸沙濃度僅為小潮的1.2倍，小潮和大潮期間漲潮懸沙濃度略大于落潮，中潮期間兩者相差無幾。綜上所述，長江口南槽水體由于漲落潮流的交替和流速大小的變化，懸沙濃度出現(xiàn)明顯的周期性變化，總體上表現(xiàn)為從小潮到大潮懸沙濃度逐漸增加的特征。由于小潮期間水動力較弱，河道各段懸沙濃度整體較小，相互之間的差值也較??；而大潮期間南槽上段區(qū)域水動力較強，水體在潮周期內(nèi)的懸沙濃度變化十分顯著，中下段水體懸沙濃度變化十分有限。1.2懸沙濃度空間變化特征圖3-11展示了南槽各站位潮周期內(nèi)的懸沙濃度變化剖面圖，可以發(fā)現(xiàn)懸沙濃度的變化在空間上存在顯著的差異。南槽上段N1站位在觀測期間平均懸沙濃度為0.55kg/m3，小潮期間各層位水體懸沙濃度整體均小于0.4kg/m3，潮平均懸沙濃度約為0.26kg/m3；中段N2站位水體的懸沙濃度相較于N1站位有所降低，潮周期平均懸沙濃度為0.33kg/m3；下段N3站位水體相較于N1和N2站位，水動力條件較弱，潮周期平均懸沙濃度僅為0.3kg/m3。N1站位在潮周期內(nèi)懸沙濃度的最大值出現(xiàn)在低潮位的底層水體，中潮和大潮階段表底層懸沙濃度差異較大，根據(jù)鹽度數(shù)據(jù)顯示此階段內(nèi)水體鹽度的分層系數(shù)較大，層化現(xiàn)象較顯著，導致懸沙擴散作用被抑制，未完全擴散至表層。大潮期間潮平均懸沙濃度升高至0.84kg/m3，一個潮周期內(nèi)出現(xiàn)兩個高濃度峰值，前一個峰值出現(xiàn)在漲急前1h左右，后一個峰值對應(yīng)于落急時刻后1h左右，由此可見水動力的增強對于水體懸沙濃度升高的重要性。水動力的增強能夠促進底部的沉積物再懸浮運動，將近底層的沉積物掀起并輸送到水體中上層，也帶動中上層水體懸沙濃度的升高。中段N2站位總體上看垂線上水體的懸沙濃度保持表層向底層逐漸增加的趨勢。懸沙濃度的最大值多出現(xiàn)在中低潮位的底層水體，這一時刻流速往往已經(jīng)達到最大值，而在高潮位時刻水體垂線平均懸沙濃度達到最大值，這也說明漲潮的過程中在高流速的條件下，底層沉積物擴散至整個水體，使得底層懸沙濃度降低但是中上層懸沙濃度明顯升高。由水動力條件的限制，N3站位大多數(shù)潮周期內(nèi)底層的高濃度懸沙并未擴散至中上層，在表層至0.8H層之間，水體懸沙濃度變化十分有限，外加高鹽度水體促進懸沙的絮凝作用，導致再懸浮作用較弱，大部分懸沙沉降在近底層。綜上所述，懸沙濃度具有顯著的空間變化特征。從N1到N3站位，懸沙濃度整體呈現(xiàn)逐漸降低趨勢，這和水動力的強弱有關(guān)，南槽上段水動力強度大于中下段，較強的流速對河床引起沖刷，沉降在近底層但還未固結(jié)的細顆粒沉積物被掀起后向中、上層擴散，引起懸沙濃度的增加。對比分析發(fā)現(xiàn)，懸沙濃度垂線上的變化更加明顯，各站位觀測到從表層到底層，懸沙濃度逐漸增加，其中N1站位大潮期間表底層懸沙濃度差異達到了0.85kg/m3，N2和N3站位由于再懸浮現(xiàn)象并不顯著，表底層懸沙濃度差異不大，大約在0.1~0.3kg/m3之間。1.3懸沙濃度與流速的關(guān)系流速是懸沙輸運和懸沙濃度發(fā)生周期性變化的主要驅(qū)動力，隨著漲落潮、大小潮的更迭變化，流速與懸沙濃度都相應(yīng)出現(xiàn)周期性變化，流速和懸沙濃度之間有著相關(guān)關(guān)系。通常在流速的增加過程中，水動力增強，當流速增加到足以使河床底部的沉積物被掀起時，沉積物就被懸浮并擴散至中上層水體，從而導致水體懸沙濃度的升高；而隨著流速的減小，粗顆粒的懸沙會普遍發(fā)生沉降，當流速減小至一定程度時細顆粒懸沙也開始發(fā)生沉降，水體懸沙濃度也隨之減小，可見在底部沉積物的揚沉過程中流速起到了主要的動力作用（賀松林等，1993）。流速是泥沙輸運和懸沙濃度周期性變化的主要驅(qū)動力，在本次觀測期間懸沙濃度隨著流速的增減而不斷調(diào)整和改變。從圖3-13可知，流速與懸沙濃度的關(guān)系具有明顯的空間差異。在N1站位的中小潮期間，漲落潮平均流速與平均懸沙濃度的關(guān)系較為接近，而在流速較強的大潮期間，同等流速條件下的漲潮懸沙濃度則明顯高于落潮（圖3-13a）。漲潮期間出現(xiàn)的這些高濃度懸沙應(yīng)來自于N1下游部位，其泥沙來源可能跟下游河段在觀測期間向陸凈輸沙有關(guān)。在N2站位，平均流速與平均懸沙濃度的關(guān)系存在顯著的漲落潮差異（圖3-13b），在同等流速條件下漲潮濃度明顯高于落潮。N2位于灘槽過渡地帶，其落潮水體來自于九段沙的淺灘之上。受植被、底床摩擦等因素影響，淺灘部位的落潮歷時長、流速相對較小，導致落潮水體的含沙量較低，這可能是造成N2落潮濃度明顯小于漲潮的原因。N3站位的觀測資料顯示，在一個大小潮過程中，流速與懸沙濃度的關(guān)系在漲落潮期間十分接近，兩條趨勢線基本重合（圖3-13c），這意味著在同等流速條件下漲落潮期間的再懸浮強度接近。從潮周期平均來看，在N3站位上流速與懸沙濃度的趨勢線變化平緩，懸沙濃度對流速的響應(yīng)相對較弱，這意味著從小潮至大潮隨著流速的增強，該區(qū)域的再懸浮并沒有顯著增大。而在南槽上段的N1站位，流速與懸沙濃度的趨勢線斜率較大，隨著流速增強懸沙濃度顯著增大，這意味著大潮的再懸浮強度明顯強于小潮，懸沙濃度對流速響應(yīng)顯著。在N2站位上，流速與懸沙的趨勢線的斜率介于N1和N3之間。當潮周期平均流速大于0.7m/s時，對比N1和N3的趨勢線可知，N1部位的懸沙濃度明顯高于N3，表明在同等流速條件下N1的再懸浮更強。底質(zhì)特性的空間差異應(yīng)該是造成流速-懸沙濃度關(guān)系在各站位存在明顯差異的重要原因。以往底質(zhì)調(diào)查結(jié)果表明（李一鳴，2018），南槽各站位附近底質(zhì)的中值粒徑主要介于40~55μm之間，其中N2站位由于靠近邊灘，底質(zhì)粒徑相比主槽較粗，約為55μm，N1站位附近底質(zhì)的中值粒徑大約為45μm，N3站位為35μm，從南槽上部至下部底質(zhì)粒徑不斷減小，而粘性泥沙的含量則不斷增加。N1部位的泥沙顆粒較粗，沉積物類型為粉砂質(zhì)砂，這種泥沙在水動力作用下易于懸浮，其再懸浮強度與流速強度呈正比。而N3部位的泥沙顆粒較細，底質(zhì)中含有大量粘性泥沙，在活動層以下底質(zhì)固結(jié)作用較強，臨界侵蝕切應(yīng)力向下顯著增大，這種底質(zhì)特性造成大潮期間的再懸浮作用并不顯著強于小潮。因此，底質(zhì)粒徑組成和固結(jié)程度是影響南槽各部位水沙關(guān)系以及懸沙時空分布的重要因素。另外，絮凝作用、底床易懸浮泥沙的厚度和空間分布、水體層化等也會對懸沙濃度和再懸浮強度的時空分布產(chǎn)生影響。圖3-13漲、落潮及潮周期平均流速與平均懸沙濃度的關(guān)系Fig.3-13Therelationshipbetweenflood/ebb/tidallyaveragedcurrentvelocityandcorrespondingsuspendedsedimentconcentrationduringaneap-springtidalcycle此外在某些時刻，隨著流速的增加，懸沙濃度不僅沒有增加反而有減小的現(xiàn)象，一個原因是因為漲落潮前期高流速引發(fā)底泥再懸浮，懸沙濃度先增加，而后因底床上可侵蝕的懸沙量減少導致即使流速增加，水體懸沙濃度依然發(fā)生減少的現(xiàn)象（張文祥，2008）。這種現(xiàn)象在德國的Weser河口的最大渾濁帶也同樣存在（沈煥庭，2001）。整體上N1和N2站位水體再懸浮作用較強，N3站位再懸浮作用較弱，這種空間差異還會對各站位的懸沙輸移產(chǎn)生一定的影響。圖3-14展示了各個站位小潮和大潮期間懸沙濃度隨流速變化的漲落潮過程。例如N1站位，由于該站位底部沉積物較細，從漲潮開始懸沙濃度隨漲潮流速的增加而持續(xù)升高，這個過程中再懸浮作用較強，使得底床懸沙擴散至水體中上層，有利于懸沙整體向陸的輸運。到漲轉(zhuǎn)落階段，較低的流速有利于懸沙的沉降。轉(zhuǎn)流過后，到了落潮階段，隨著落潮流速的增加，懸沙濃度反而有明顯降低的趨勢，主要原因是流速不似其他階段長時期維持較高水平而導致近底層可供侵蝕的沉積物衰減，而另一部分懸沙由于平流輸運作用向下游輸運，導致水體懸沙濃度降低。由于在落潮階段底部沒有足夠的沉積物可供產(chǎn)生再懸浮作用，導致落潮整體向海輸沙通量較小。N2站位特點和N1站位類似，這兩個站位的懸沙濃度的峰值一般出現(xiàn)在漲潮階段，這會促進懸沙隨著漲潮向陸輸運，落潮階段懸沙濃度峰值出現(xiàn)時間一般較流速的峰值早2~3h，這也可以反映出當落潮流速達到峰值時，底部可供再懸浮的泥沙不足。對于N3站位，由于流速較低，并不足以掀起底床的沉積物產(chǎn)生再懸浮，在漲轉(zhuǎn)落的過程中，懸沙濃度仍然持續(xù)升高，落潮階段，懸沙濃度基本隨著流速的變化而變化。圖3-14各站位懸沙濃度隨流速變化的過程圖（落潮流速為正，漲潮流速為負）Fig.3-14Examplesofvariationindepth-averageSSCtogetherwiththecurrentchangeduringthetidalcycleatthreestations綜上所述，在長江口南槽不同站位的懸沙濃度-流速的關(guān)系在空間上存在著顯著的變化差異。N1懸沙濃度-流速的斜率較大，表明大潮再懸浮作用強度，N3站位相關(guān)關(guān)系較差，這種差異產(chǎn)生的原因主要與底質(zhì)性質(zhì)與水動力強