苗麗敏，楊世倫 *，朱琴，史本偉，李鵬，吳創(chuàng)收

（1.華東師范大學(xué)河口海岸學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海200062；2.南京大學(xué)地理與海洋科學(xué)學(xué)院，江蘇南京210093；3.國(guó)家海洋局東海預(yù)報(bào)中心，上海200136；4.浙江省水利河口研究院，浙江杭州310020）

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風(fēng)暴過(guò)程中潮灘懸沙濃度和懸沙輸運(yùn)的變化及其動(dòng)力機(jī)制
——以長(zhǎng)江三角洲南匯潮灘為例

苗麗敏1，楊世倫1 *，朱琴1，史本偉2，李鵬3，吳創(chuàng)收4

（1.華東師范大學(xué)河口海岸學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海200062；2.南京大學(xué)地理與海洋科學(xué)學(xué)院，江蘇南京210093；3.國(guó)家海洋局東海預(yù)報(bào)中心，上海200136；4.浙江省水利河口研究院，浙江杭州310020）

摘要：懸沙濃度是淤泥質(zhì)海岸重要的環(huán)境指標(biāo)。為探討潮灘懸沙濃度和懸沙輸運(yùn)對(duì)風(fēng)暴事件的響應(yīng)過(guò)程及其動(dòng)力機(jī)制，于2014年9月“鳳凰”臺(tái)風(fēng)過(guò)境前、中、后在長(zhǎng)江三角洲南匯潮灘進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)，獲得同步高分辨率的水深、波高、近底流速和濁度剖面時(shí)間序列（9個(gè)潮周期）。結(jié)果表明，風(fēng)暴中平均和最大波高、波-流聯(lián)合底床剪切應(yīng)力、懸沙濃度和懸沙輸運(yùn)率可比平靜天氣高數(shù)倍；風(fēng)暴期間高潮位低流速階段懸沙沉降導(dǎo)致近底發(fā)育數(shù)十厘米厚的浮泥層（懸沙濃度大于10 g/L）。研究認(rèn)為風(fēng)暴事件中淤泥質(zhì)海岸懸沙濃度和懸沙輸運(yùn)的劇烈變化其根本動(dòng)力機(jī)制是風(fēng)暴把巨大能量傳遞給近岸水體，進(jìn)而顯著增大波-流聯(lián)合底床剪切應(yīng)力，導(dǎo)致細(xì)顆粒泥沙再懸浮。

關(guān)鍵詞：風(fēng)暴；潮灘；懸沙濃度；懸沙輸運(yùn)；波-流聯(lián)合剪切應(yīng)力；浮泥；長(zhǎng)江三角洲

1　引言

潮灘作為海陸交互作用的界面，是世界海岸的重要組成部分［1—3］。潮灘地貌、水動(dòng)力與泥沙之間存在相互作用，泥沙在波浪與潮流聯(lián)合作用下，發(fā)生沉降與再懸浮作用，水體中懸沙濃度隨之發(fā)生變化。懸沙濃度是環(huán)境重要指標(biāo)之一，懸沙濃度及懸沙輸運(yùn)變化在生態(tài)學(xué)、沉積地貌學(xué)和工程上都有重要意義［4—9］。

由于各種周期性（漲、落潮流，大、小潮，季節(jié)）與非周期性（風(fēng)、波浪、生物、人類活動(dòng)）動(dòng)力因素及其組合不同，海岸懸沙濃度與懸沙輸運(yùn)的變化及其機(jī)制十分復(fù)雜［10—15］。盡管前人已對(duì)潮灘懸沙濃度及懸沙輸運(yùn)做過(guò)不少研究［16—22］，但大多涉及的是平靜天氣潮周期內(nèi)或大、小潮的懸沙濃度或懸沙輸運(yùn)變化。由于風(fēng)暴天氣下現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)難度大，已有的風(fēng)暴事件中懸沙濃度及懸沙輸運(yùn)變化尤其是高分辨率變化的研究較少。W ang等研究了“格美”臺(tái)風(fēng)登陸前后福建泉州灣南部鹽沼與光灘的沉積動(dòng)力過(guò)程，發(fā)現(xiàn)臺(tái)風(fēng)過(guò)境時(shí)，附近水域懸沙濃度可達(dá)正常天氣情況下的13～19倍［23］。

風(fēng)暴往往是海岸沉積環(huán)境發(fā)生短期災(zāi)變的誘因［24］。本文選擇長(zhǎng)江三角洲南匯潮灘（圖1）為研究區(qū)域，采用海底觀測(cè)架固定自動(dòng)觀測(cè)儀器，進(jìn)行貫穿風(fēng)暴事件前、中、后高分辨率水動(dòng)力和懸沙濃度的聯(lián)合觀測(cè)，探討懸沙濃度及懸沙輸運(yùn)變化對(duì)風(fēng)暴的響應(yīng)過(guò)程及其動(dòng)力機(jī)制，旨在深化對(duì)潮灘懸沙濃度及懸沙輸運(yùn)變化規(guī)律的認(rèn)識(shí)，為相關(guān)研究和管理提供參考。

圖1　研究區(qū)域Fig.1 Sketch map of study area

2　研究區(qū)概況

研究區(qū)位于長(zhǎng)江三角洲前緣的南匯潮灘（圖1b），屬開(kāi)敞型潮灘。長(zhǎng)江口與杭州灣兩大水系在外海潮波聯(lián)合作用下交匯于此，是漲潮流輻散、落潮流匯聚、動(dòng)力作用復(fù)雜、水沙交換頻繁的地帶。杭州灣是強(qiáng)潮河口灣，來(lái)自上游錢塘江的水沙分別只占來(lái)自長(zhǎng)江口水沙的4 %和1 %［25］，所以研究區(qū)的水沙運(yùn)動(dòng)與長(zhǎng)江口水沙擴(kuò)散密切相關(guān)。

南匯潮灘附近水域的動(dòng)力作用主要有潮汐、潮流、余流、波浪、風(fēng)等。研究區(qū)屬不正規(guī)半日淺海潮，平均潮差3.2 m，歷史最大潮差5.14 m，屬于強(qiáng)潮潮灘。南匯海域多年平均風(fēng)速為5.8 m/s，最大風(fēng)速為22.1 m/s；多年平均有效波高0.6 m，最大有效波高2.9 m（據(jù)歐洲中長(zhǎng)期天氣預(yù)報(bào)中心（EC M W F）2002-2013年資料統(tǒng)計(jì)）。南匯水域懸沙濃度的時(shí)間變化強(qiáng)烈，變化范圍從＜0.1 g/L到＞2 g/L［22］。研究岸段潮灘沉積物主要由細(xì)顆粒組成，中值粒徑具有明顯的時(shí)間（季節(jié)、大小潮、風(fēng)暴周期）變化，中值粒徑變化范圍10～170μm，平均56μm［26］。近年由于三峽工程等導(dǎo)致長(zhǎng)江入海懸沙通量急劇下降，研究區(qū)懸沙濃度也出現(xiàn)下降趨勢(shì)［14］。受長(zhǎng)江入海泥沙減少及杭州灣自身演變的影響，研究區(qū)岸段近期處于蝕退之中［27］。目前研究斷面發(fā)育約2 m高的侵蝕陡坎，陡坎之上為數(shù)十米寬的鹽沼，陡坎之下為寬約300 m的光灘（圖1c）。本研究觀測(cè)點(diǎn)選擇在離岸距離約300 m的低潮灘上，位于平均低潮位以上約0.5 m。

3　資料來(lái)源和方法

3.1現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)

風(fēng)速資料來(lái)源于蘆潮港海洋站（國(guó)家海洋局東海預(yù)報(bào)中心），氣壓降水資料采用嵊泗菜園鎮(zhèn)氣象站（http：//envf.ust.hk/）?，F(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)采用三腳架觀測(cè)系統(tǒng)，觀測(cè)系統(tǒng)裝備用于采集潮灘近底部邊界層內(nèi)的波浪、流速、懸沙濁度剖面等數(shù)據(jù)。觀測(cè)儀器放置及各參數(shù)設(shè)置詳見(jiàn)圖2與表1。其中，脈沖相干多普勒流速剖面儀H R-Profiler（挪威Nortek，2.0 M Hz高分辨率流速剖面儀）分辨率為0.5 cm/s；自容式波潮儀SBE-26plus SE A G A U G E（美國(guó)Sea-Bird）分辨率為0.4 m m。光學(xué)后向散射濁度計(jì)O BS-3 A（美國(guó)Campbell）量程為0～4 000 N T U，精度為0.5 N T U或1 %，激光邊界層懸浮物剖面測(cè)量?jī)xAS M（德國(guó)A R G U S）量程為0～4 000 N T U，測(cè)量精度為10 %。各儀器數(shù)據(jù)采用采樣間隔內(nèi)平均化處理。

圖2　儀器放置圖Fig.2 Schematic figure ofinstrument deployment

表1　觀測(cè)儀器、采集參數(shù)及參數(shù)設(shè)置Tab.1 Observation instruments，parameters obtained and settings

3.2室內(nèi)標(biāo)定

將濁度計(jì)獲取的濁度值轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的懸沙濃度值需要通過(guò)標(biāo)定實(shí)現(xiàn)，標(biāo)定分為現(xiàn)場(chǎng)標(biāo)定與室內(nèi)標(biāo)定，均已在國(guó)內(nèi)外廣泛使用［18—19，22］。本文O BS和AS M均采用室內(nèi)標(biāo)定，具體方法為：將現(xiàn)場(chǎng)采集水樣（覆蓋平靜天氣與風(fēng)暴天氣若干潮周期，總量約60 L）沉淀、濃縮，在標(biāo)定槽內(nèi)放入一定量的清水，依次加入適量濃縮泥漿水，充分?jǐn)噭?dòng)后將濁度傳感器沒(méi)入水中，讀取穩(wěn)定后的濁度數(shù)據(jù)，并取傳感器附近水樣600 m L水樣經(jīng)過(guò)濾、烘干、稱重后計(jì)算懸沙濃度。針對(duì)每個(gè)O BS建立濁度與懸沙濃度之間的回歸關(guān)系。本文對(duì)標(biāo)定時(shí)同一濁度下AS M各探頭的濁度進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)偏差和均值計(jì)算，發(fā)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)偏差與均值的比值非常小，只有3 %～5 %。于是本文參照AS M使用說(shuō)明對(duì)96個(gè)探頭建立統(tǒng)一的濁度（T）與懸沙濃度（C）之間的回歸關(guān)系。標(biāo)定結(jié)果表明，濁度與懸沙濃度之間的相關(guān)系數(shù)一般達(dá)0.99，最小0.97（圖3）。

3.3數(shù)據(jù)處理

波浪產(chǎn)生的底床剪切應(yīng)力τw（單位：N/m2）主要由波浪水質(zhì)點(diǎn)峰值軌道速度Uw和底摩擦因數(shù)fw確定［28］：

式中，ρ為海水密度，取1 012 kg/m3，波浪水質(zhì)點(diǎn)峰值軌道速度Uw為：

式中，H、T、h、k分別為SBE-26plus獲得的波高、波周期、水深、波數(shù)。式（1）中fw為與波浪有關(guān)的底摩擦因數(shù)［29］：

式中，d50為底床沉積物中值粒徑，Aw為波浪水質(zhì)點(diǎn)最大軌跡位移。

近底流速剖面符合對(duì)數(shù)分布［30］：

式中，u（z）為H R-Profiler測(cè)得距灘面高度為z處的流速，κ是Von Karman常數(shù)，通常取0.4，z0是粗糙長(zhǎng)度。通過(guò)對(duì)式（4）中的u（z）和ln（z）的線性回歸，可得到截距A，摩阻流速u*=κA。流產(chǎn)生的底床剪切應(yīng)力為：

通過(guò)式（1）和式（4）獲得的τw和τc，經(jīng)過(guò)Soulsby 和Clarke［31］浪流模型模型獲得浪流聯(lián)合底床剪切應(yīng)力τcw：

圖3　濁度（T）與懸沙濃度（C）的回歸關(guān)系Fig.3 Regression between turbidity（T）and suspended sediment concentration（C）

據(jù)Taki［32］考慮黏性細(xì)顆粒沉積物，底床沉積物臨界侵蝕剪切應(yīng)力為：

式中，常數(shù)β= 0.3；s=ρs/ρ-1（ρs為底床沉積物密度，取2 650 kg/m3）為底床沉積物比重；含水量W為觀測(cè)期間底床沉積物樣品中水的質(zhì)量與沉積物干質(zhì)量之比，根據(jù)采集的底床沉積物分析所得結(jié)果，本研究中W取0.73。

本文瞬時(shí)懸沙輸運(yùn)率用近底0.5 m水層垂向平均懸沙輸率代替，計(jì)算公式為：

4　結(jié)果

4.1氣象因素

觀測(cè)期間經(jīng)歷“鳳凰”臺(tái)風(fēng)（2014年23號(hào)臺(tái)風(fēng)），臺(tái)風(fēng)路徑如圖1a所示。據(jù)中央氣象臺(tái)資料，“鳳凰”臺(tái)風(fēng)于9月23號(hào)上午10時(shí)45分登陸上海，登陸時(shí)中心最大風(fēng)速23 m/s。在本研究的連續(xù)9個(gè)潮周期（分別編號(hào)T1至T9）中，蘆潮港海洋站平均風(fēng)速?gòu)腡1的6 m/s逐漸增大到T6的14 m/s，而后逐漸減小至3.0 m/s；1 h間隔整點(diǎn)最大風(fēng)速為19.1 m/s，出現(xiàn)在T6?？梢?jiàn)，風(fēng)暴最強(qiáng)階段的風(fēng)速是平靜天氣風(fēng)速的5倍左右。風(fēng)向在T5開(kāi)始由原來(lái)的東北風(fēng)（離岸）轉(zhuǎn)為偏南風(fēng)（向岸），在T6以后再次轉(zhuǎn)為離岸風(fēng)（圖4a）。

嵊泗菜園鎮(zhèn)氣象站氣壓由T1的最大值100 435 Pa逐漸降低至T3的最小值99 385 Pa，而后逐漸增加至T9的100 513 Pa。降水量在T1～T9呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)，24 h累積降水量在T6達(dá)最大值，為110 m m（圖4b）。

4.2潮差和水深

天文潮差從T1的3.16 m增大至T9的4.26 m（圖4c），屬小潮后期向大潮變化的過(guò)程。由于臺(tái)風(fēng)引起的增減水效應(yīng)，潮灘觀測(cè)水深（水深為0表示測(cè)點(diǎn)露出）的變化與天文潮有所不同，實(shí)測(cè)最大水深出現(xiàn)在T5（圖4c）。由于不正規(guī)半日潮性質(zhì)，相鄰兩個(gè)潮周期的潮差和水深有一定差異（圖4c）。

4.3波高、流速、波—流聯(lián)合剪切應(yīng)力

潮周期平均有效波高從T1的0.26 m遞增至T6 的0.80 m，而后遞減至T9的0.14 m；T6潮周期出現(xiàn)的最大有效波高達(dá)到1.4 m。潮周期內(nèi)，波高一般隨著水深增加而增大（圖4c）。潮周期平均近底流速?gòu)腡1和T2的約0.25 m/s增至T6的0.45 m/s，而后減至T8和T9的0.22 m/s；潮周期最大流速有類似的變化特點(diǎn)，在T6達(dá)到最大值0.74 m/s。流速流向在風(fēng)浪較弱的T1、T2、T8和T9潮周期內(nèi)的變化規(guī)律較清晰，而在風(fēng)浪較大的T4、T5、T6和T7潮周期內(nèi)的變化比較紊亂（圖4d）。潮周期波浪剪切應(yīng)力、潮流剪切應(yīng)力、波-流聯(lián)合剪切應(yīng)力均呈現(xiàn)從T1至T6的遞增，而后從T6至T9遞減的趨勢(shì)（圖5a）。潮周期波-流聯(lián)合剪切應(yīng)力從T1的0.26 Pa遞增至T6 的1.03 Pa，而后遞減至T9的0.10 Pa；T6潮周期出現(xiàn)的最大波-流聯(lián)合剪切應(yīng)力達(dá)到2.01 Pa。波-流聯(lián)合剪切應(yīng)力在風(fēng)浪較弱的T1、T2、T8和T9潮周期內(nèi)既有大于底床臨界侵蝕剪切應(yīng)力的時(shí)段，也有小于底床臨界侵蝕剪切應(yīng)力的時(shí)段，而在風(fēng)浪較大的T4、T5、T6和T7潮周期內(nèi)，波-流聯(lián)合剪切應(yīng)力在整個(gè)潮周期內(nèi)幾乎全部大于底床臨界侵蝕剪切應(yīng)力（圖5a）。

圖4　近底（平均50 cm水層）懸沙濃度影響因子的變化過(guò)程Fig.4 Time series ofimpact factors to near-bed suspended sediment concentration

4.4鹽度

風(fēng)暴天氣下的水體鹽度明顯小于平靜天氣的水體鹽度。例如，T8、T9兩個(gè)潮周期的平均鹽度為4.9，而T4～T7四個(gè)潮周期的平均鹽度只有2.0（圖4e）。推測(cè)與風(fēng)暴期間降水增多有關(guān)（圖4b）。

4.5懸沙濃度

總體上潮周期內(nèi)懸沙濃度有先增大后減小的規(guī)律，即最大懸沙濃度大致出現(xiàn)在高潮階段（圖5b、c）。風(fēng)暴期間近底部出現(xiàn)明顯的浮泥層（大于10 g/L）現(xiàn)象（圖5b），浮泥層厚度在T5潮周期最大，可達(dá)36 cm，風(fēng)暴期間不同高度浮泥層持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)達(dá)3～5 h。近底0.5 m層平均懸沙濃度的潮周期平均值和最大值均從T1～T5遞增，而后從T5～T8遞減；T5潮周期平均懸沙濃度（6.33 g/L）是T8（1.88 g/L）的3.4倍，最大懸沙濃度達(dá)到約11.7 g/L（圖5c）。

風(fēng)暴期間（T5）懸沙濃度的垂向變化與平靜天氣（T1，T9）一樣呈兩段式特點(diǎn)：下段為近底層，懸沙濃度隨著距底床高度的增大而迅速減?。簧隙螢橹黧w水柱，懸沙濃度隨著距底高度的增大而緩慢減小。但是，臺(tái)風(fēng)中（T9）兩段的拐點(diǎn)位置明顯高于臺(tái)風(fēng)前（T1）、臺(tái)風(fēng)后（T9）的拐點(diǎn)位置，例如，臺(tái)風(fēng)后T9潮周期的平均懸沙濃度剖面的拐點(diǎn)位置距底床約0.2 m，臺(tái)風(fēng)前T1潮周期的平均懸沙濃度剖面的拐點(diǎn)位置距底床約0.3 m，而風(fēng)暴期間的T5潮周期平均懸沙濃度剖面的拐點(diǎn)位置升至距離底床約0.4 m（圖6）。而且臺(tái)風(fēng)中（T9）最上層（1.04 m）處的懸沙濃度值高于臺(tái)風(fēng)前（T1）剖面拐點(diǎn)處與臺(tái)風(fēng)后（T9）剖面拐點(diǎn)處的懸沙濃度值（圖6）。與平靜天氣相比，風(fēng)暴期間的懸沙濃度垂向差異有所減弱。如圖5所示，平靜天氣下T9距底0.1 m層的懸沙濃度是1.05 m層的3.8倍，而風(fēng)暴天氣下距底0.1 m層的懸沙濃度是1.05 m層的3.3倍。這反映風(fēng)暴期間泥沙的再懸浮作用加強(qiáng)。臺(tái)風(fēng)中（T5）和臺(tái)風(fēng)后（T9）的O BS懸沙剖面與AS M懸沙剖面相似。

圖5　波-流聯(lián)合底床剪切力（a）、懸沙濃度剖面變化過(guò)程（b）、近底0.05～0.5 m高度內(nèi)垂向平均O BS懸沙濃度（c）及懸沙輸運(yùn)率變化過(guò)程（d）Fig.5 Time series of bed shear stress under combined wave-current action（a），near-bed suspended sediment concentration（SSC）（obtained by AS M）（b），depth-averaged SSC（obtained by O BS）within 0.05 to 0.5 m above the bed（c），and depth averaged sediment transport rate within 0.5 m above the bed，with SSC obtained by O BS（d）

需要指出的是，盡管通過(guò)O BS觀測(cè)結(jié)果與同步的AS M觀測(cè)結(jié)果對(duì)比，發(fā)現(xiàn)兩種儀器測(cè)量的懸沙濃度值在細(xì)節(jié)上有一定差異，但是兩者展示的潮周期內(nèi)懸沙濃度變化的模態(tài)基本相吻合（圖7a），對(duì)典型潮周期T7內(nèi)兩者觀測(cè)結(jié)果做線性相關(guān)分析發(fā)現(xiàn)，相關(guān)系數(shù)達(dá)0.91（圖7b）。

4.6懸沙輸運(yùn)

圖6　風(fēng)暴和平靜天氣下潮周期平均懸沙濃度剖面對(duì)比Fig.6 Comparison between suspended sediment concentration profiles in storm and calm weathers

近底0.05～0.5 m水層懸沙輸運(yùn)率的分析結(jié)果表明，向-離岸分量明顯小于平行岸（沿岸）分量（圖5d）。平均而言，沿岸懸沙輸運(yùn)分量約是向-離岸分量的3倍。這表明研究區(qū)近底部邊界層內(nèi)懸沙輸運(yùn)方向以沿岸方向?yàn)橹鳎从沉碎L(zhǎng)江口與杭州灣的懸沙交換。懸沙輸運(yùn)的向-離岸分量表現(xiàn)為漲潮向陸、落潮向海的特點(diǎn)，其沿岸分量表現(xiàn)為漲潮向?yàn)硟?nèi)、落潮向?yàn)晨诘奶攸c(diǎn)。風(fēng)暴與平靜天氣下的懸沙輸運(yùn)平行岸分量過(guò)程線均表現(xiàn)出一定的漲、落潮不對(duì)稱性，這種不對(duì)稱性在風(fēng)暴前（T1～T2潮周期）、風(fēng)暴中（T4 ～T6）和風(fēng)暴后（T7～T9）的特點(diǎn)有所不同（圖5d），這可能反映了風(fēng)速、風(fēng)向在3個(gè)階段的變化（圖4a）。風(fēng)暴期間的漲、落潮累積輸運(yùn)量明顯大于平靜天氣。例如，T5的潮周期累積懸沙輸運(yùn)量分別是T1和T9 的3.2和3.9倍。風(fēng)暴期間的懸沙輸運(yùn)具有大進(jìn)（向?yàn)硟?nèi)）大出（向?yàn)晨冢┑奶攸c(diǎn)，潮周期凈輸運(yùn)（相對(duì)于潮周期累積輸運(yùn)量而言）不十分明顯（圖5d）。

圖7　典型潮周期（T7）O BS與AS M觀測(cè)懸沙濃度結(jié)果對(duì)比Fig.7 Comparison of suspended sediment concentration obtained by O BS and AS M during typical tidal cycle（T7）

5　討論

不同時(shí)間尺度的懸沙濃度與懸沙輸運(yùn)變化具有不同的控制因素［10—11，15］。懸沙濃度與懸沙輸運(yùn)率在潮周期內(nèi)的變化主要受天文潮引起的水位波動(dòng)和流速流向變化控制［19，21—22］。對(duì)比臺(tái)風(fēng)前（T1）、臺(tái)風(fēng)中（T5）與臺(tái)風(fēng)后（T9）典型潮周期水動(dòng)力與懸沙濃度變化過(guò)程，潮周期平均懸沙濃度從T1向T5增大、繼而向T9減小的顯著變化主要受風(fēng)浪控制（圖8）。降雨過(guò)程（特別是暴雨）對(duì)潮間帶（特別是光灘）灘面的侵蝕造成的沖刷形成的濁流對(duì)水邊線淺水層（潮鋒階段）濁度的影響也不可忽視，對(duì)比圖4b與圖5c可以發(fā)現(xiàn)，T6漲潮初低水位階段的高濁度可能與此階段強(qiáng)降雨過(guò)程有關(guān)。

風(fēng)暴期間底床沉積物與水體懸沙交換的劇烈程度明顯大于平靜天氣。風(fēng)暴期間近底0.5 m平均懸沙濃度以及懸沙輸運(yùn)率的增大反映海底大量細(xì)顆粒泥沙的再懸浮，而這種再懸浮是由于風(fēng)把大量能量傳遞給了水體，增大有效波高，同時(shí)產(chǎn)生風(fēng)生流增加水體流速，使浪-流聯(lián)合底床剪切應(yīng)力劇增且顯著大于底床臨界侵蝕剪切應(yīng)力，進(jìn)而導(dǎo)致底床侵蝕，大量細(xì)顆粒泥沙進(jìn)入水體。本研究中利于風(fēng)浪發(fā)育的向岸風(fēng)則增強(qiáng)了這一過(guò)程。此外，由于測(cè)點(diǎn)位于強(qiáng)潮海岸，流速較大（圖8c），風(fēng)暴期間懸沙濃度及懸沙輸運(yùn)率的增大既有測(cè)點(diǎn)泥沙再懸浮的貢獻(xiàn)，也有別處再懸浮的泥沙平流輸送而來(lái)的貢獻(xiàn)。風(fēng)暴導(dǎo)致的水體能量劇增，還使得水體中沉積物在強(qiáng)烈的紊動(dòng)混合作用下被卷入水體上部，表現(xiàn)為潮周期內(nèi)平均懸沙濃度剖面顯著高于平靜天氣，且風(fēng)暴期間高潮位低流速時(shí)段，大量泥沙能夠聚集在底部而不因重力作用沉降，形成數(shù)十厘米厚的浮泥層（圖5b）。風(fēng)暴期間潮周期懸沙輸運(yùn)的累積量顯著大于平靜天氣，而懸沙沒(méi)有明顯的凈輸運(yùn)趨勢(shì)，主要原因是因?yàn)轱L(fēng)暴期間流向變化較為頻繁，各個(gè)方向的流速都有顯著增大。

風(fēng)暴過(guò)程中潮灘底床侵蝕深度可達(dá)數(shù)十厘米，觀測(cè)中測(cè)得風(fēng)暴期間研究區(qū)灘面有10～30 cm的刷低，這對(duì)底棲生物可造成致命打擊［33］。Katrina颶風(fēng)期間造成的美國(guó)路易斯安娜海底侵蝕泥沙達(dá)1.3億噸，相當(dāng)于密西西比河全年的入海泥沙量［24］。懸沙濃度是水質(zhì)的重要指標(biāo)。風(fēng)暴期間懸沙濃度增大必然導(dǎo)致水體的透光性減弱，從而影響光合作用和水生態(tài)系統(tǒng)。風(fēng)暴后的快速淤積往往不是發(fā)生在原來(lái)的侵蝕位置［24，33—34］。風(fēng)暴后港口航道的快速淤積往往影響通航條件［35］；風(fēng)暴后海岸鹽沼濕地中的強(qiáng)淤通常會(huì)被永久地保留下來(lái)，有些鹽沼的淤積主要來(lái)源于風(fēng)暴期間帶來(lái)的泥沙［36］。

圖8　臺(tái)風(fēng)前（T1）、中（T5）、后（T9）典型潮周期水動(dòng)力和懸沙濃度（O BS）過(guò)程對(duì)比Fig.8 Comparison of suspended sediment concentration （O BS）and impact factors before，during and after storm

由于本文獲取風(fēng)速的蘆潮港海洋站與觀測(cè)點(diǎn)有一定距離，以及氣象站風(fēng)速數(shù)據(jù)時(shí)間間隔為1 h，觀測(cè)期間實(shí)際發(fā)生的最大風(fēng)速很可能大于上述的19.1 m/s。不過(guò)，即便2014年“鳳凰”臺(tái)風(fēng)經(jīng)過(guò)長(zhǎng)江三角洲時(shí)的風(fēng)速超過(guò)20 m/s，也不算最強(qiáng)的風(fēng)暴。國(guó)內(nèi)外海岸曾經(jīng)歷過(guò)不少更強(qiáng)的風(fēng)暴。例如，1997年11號(hào)臺(tái)風(fēng)在浙江海岸登陸時(shí)最大風(fēng)速達(dá)54 m/s；2005年襲擊美國(guó)路易斯安海岸的Katrina颶風(fēng)最大風(fēng)速超過(guò)50 m/s［34］；2000年“派比安”臺(tái)風(fēng)從上海南匯登陸時(shí)最大風(fēng)速也達(dá)30 m/s［24］。因此，極端情況下風(fēng)暴和平靜天氣懸沙濃度的懸殊差異有可能遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)本文觀測(cè)到的3～4倍。

研究區(qū)屬于強(qiáng)潮海岸，在風(fēng)況不變的條件下，懸沙濃度的大小潮變化較明顯［14］。如上所述，本文觀測(cè)期間的天文潮差從T1到T9潮周期增大了1.1 m（圖8a）。換言之，本文風(fēng)暴中懸沙濃度明顯高于風(fēng)暴前的懸沙濃度除了與風(fēng)浪增大有關(guān)外，還與潮差增大有一定關(guān)系；而若沒(méi)有潮差增大的影響，風(fēng)暴中與風(fēng)暴后懸沙濃度的差異將會(huì)更加懸殊。

6　結(jié)語(yǔ)

研究時(shí)段內(nèi)天文潮差從T1潮周期的3.16 m逐漸增至T9潮周期的4.26 m，即“鳳凰”臺(tái)風(fēng)期間（以T5～T6潮周期）的天文潮差介于臺(tái)風(fēng)前、后。“鳳凰”臺(tái)風(fēng)期間與臺(tái)風(fēng)前、后相比，風(fēng)速增大3～4倍左右，波高增大2～3倍，流速增大約1倍，波-流聯(lián)合剪切應(yīng)力增大3～4倍，懸沙濃度增大2～3倍，懸沙輸運(yùn)量增大3～4倍。懸沙濃度和懸沙輸運(yùn)的這種強(qiáng)烈變化其根本動(dòng)力機(jī)制是風(fēng)暴把巨大能量傳遞給近岸水體，形成大浪，進(jìn)而顯著增大波-流聯(lián)合底床剪切應(yīng)力，導(dǎo)致細(xì)顆粒泥沙再懸浮。

致謝：參加野外工作的還有研究生王如生、陸葉峰、朱強(qiáng)、楊天等，謹(jǐn)致謝忱！

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Variations of suspended sediment concentrations and transportin response to a storm and its dynamic mechanism——A study case of Nanhuitidalflat of the Yangtze River Delta

Miao Limin1，Yang Shilun1，Zhu Qin1，Shi Benwei2，Li Peng3，W u Chuangshou4
（1.State Key Laboratory of Estuarine and Costal Research，East China Normal University，Shanghai 200062，China；2.Geographicand Oceanographic Sciences，Nanjing University，Nanjing 210093，China；3.Forecasting Centers of East China Sea，State Oceanic Administration，Shanghai 200136，China；4.Zhejiang Institute of Hydraulics and Estuary，Hangzhou 310020，China）

Abstract：Suspended sediment concentration（SSC）is an important environ mentalindex of muddy coasts.To understand the response of the suspended sediment concentration and suspended sediment transport on tidal flat to a certain storm event，we carried outinsitu measurements of water depth，wave height，near-bed velocity and SSC profiles in high resolution on an intertidal mudflat of Nanhui Spit，which is on the delta front ofthe Yangtze River，China.The measurementslastfor 9 tidal cycles，covering pre-，intra-and post-“Fung-wong”typhoon.The results show that：（1）mean and max wave heights，bed shear stress，SSC and suspended sediment transport rate during storm condition were several times higher than those in calm weather；（2）in storm condition，a fluid mud layer （SSC＞10 g/L）in the thickness of tens of centimeters developed during slack water at high tides，resulting from settling of suspended sediment.W e conclude thatthe drastic variation of suspended sediment concentration in muddy coastal areasis caused by enhanced energy in the water colu mn caused by storm，leading to increasing combined wave-current bed shear stress，which leads to bed sediment resuspension.

Key words：storm；tidal flat；suspended sediment concentration；suspended sediment transport；bed shear stress under combined wave-current action；fluid mud；Yangtze River Delta

*通信作者：楊世倫，教授，博士生導(dǎo)師，主要從事河口海岸沉積動(dòng)力學(xué)和地貌學(xué)研究。E-mail：slyang＠sklec.ecnu.edu.cn

作者簡(jiǎn)介：苗麗敏（1988-），女，山東省菏澤市人，主要從事潮灘沉積動(dòng)力學(xué)研究。E-mail：miaolimin0820＠163.com

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（41576092，41130856）。

收稿日期：2015-07-28；

修訂日期：2015-10-14。

中圖分類號(hào)：T V148；P343.5

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：0253-4193（2016）05-0158-10