桐花樹紅樹林潮灘近底層懸沙濃度垂向剖面變化特征分析*

黃祖明, 周曉妍, 戴志軍, 車志偉

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 200241;

2. 國家海洋局?？诤Ｑ蟓h(huán)境監(jiān)測中心站, 海南 ?？?570100

紅樹林是廣泛生長在熱帶或亞熱帶潮間帶區(qū)域的耐鹽植物, 為海岸抵御洪水、風(fēng)暴潮和加速灘涂淤漲提供重要保障(戴志軍 等, 2021)。紅樹林根部具有土壤粘結(jié)力, 懸沙受枝葉攔截后沉降到灘面上被根部固結(jié)(Cahoon et al, 1997), 同時(shí)潮灘擴(kuò)張反饋于紅樹林而提供向外發(fā)育的生長環(huán)境。然而, 近年來全球變暖引起的風(fēng)暴潮加劇將增強(qiáng)對紅樹林潮灘的破壞強(qiáng)度(Analuddin et al, 2020), 流域泥沙急劇減少也進(jìn)一步影響紅樹林潮灘物質(zhì)的來源, 由此導(dǎo)致近底層水體懸沙濃度減小而阻滯紅樹林的滯沙、固沙能力。紅樹林的生長很可能因局地懸沙濃度的迅速變化而受到限制, 進(jìn)而在海平面上升背景下被淹沒, 對河口海岸的人類經(jīng)濟(jì)活動造成巨大潛在威脅(Lovelock et al, 2015; Saintilan et al, 2020; 戴志軍 等, 2021)。顯然, 開展紅樹林潮灘近底層懸沙濃度變化過程的研究具有重要意義。

紅樹林植被根莖葉表面通過減緩近底層水動力, 致使水體中的泥沙發(fā)生沉降, 并隨時(shí)間推移而堆積形成濕地“堤壩”(Mitsch et al, 1993)。通過濕地“堤壩”工程, 紅樹林每年僅邊緣泥濘的開放水域就能捕獲1000 t·km-2懸沙(Gedan et al, 2011)。張喬民等(1996)的研究表明, 以紅海欖為主的紅樹林區(qū)潮灘懸沙最高沉積速率為12.5mm·a-1, 年均沉積厚度達(dá)4.1mm。Furukawa 等(1997)估算澳大利亞凱恩斯紅樹林濕地在大潮階段從近岸水域截留了80%的懸沙, 長度上約10～12kg.m-1的懸沙使得床面以0.1cm·a-1的速度上升。Kitheka 等(2002)通過分析肯尼亞淺灘中不同退化程度的紅樹林區(qū)域懸沙交換動態(tài), 估計(jì)高、中度退化程度的紅樹林種群平均捕沙效率分別為30%和65%。Victor 等(2006)在波納佩州濕地部署多個(gè)站點(diǎn)實(shí)測表明, 僅覆蓋泥河3.8%集水區(qū)的紅樹林在一場風(fēng)暴后卻能截住河流40%的水體懸沙。江銳捷等(2020)對比光灘和紅樹林近底層點(diǎn)的懸沙濃度大小, 認(rèn)為紅樹林對于潮灘發(fā)育具有明顯的促淤作用。此外, 已有學(xué)者就不同密度的紅樹林分布對緩流截沙效果進(jìn)行了相關(guān)研究(Wolanski, 1995; Braatz et al, 2007; Gedan et al, 2011; Zhou et al, 2022)。但對于紅樹林植株空間結(jié)構(gòu)與剖面水動力的交互作用, 以及對近底層垂向懸沙濃度的研究甚少, 尤其是位于我國西南區(qū)域的北部灣紅樹林潮灘。

南流江作為北部灣獨(dú)流入海的第一大河, 近半個(gè)世紀(jì)以來入海泥沙急劇下降, 其潮灘卻因受河口區(qū)域的紅樹林植被保護(hù)而對水沙通量變化的響應(yīng)不明顯(Long et al, 2022)。七星島是南流江河口南部的典型沖積島, 同樣是抵御局地海平面上升與臺風(fēng)災(zāi)害的首要防線, 因此對于該地紅樹林地貌演化過程的研究具有重要意義(Zhou et al, 2022)。王日明等(2021)通過遙感影像發(fā)現(xiàn)近15 年來七星島島內(nèi)桐花樹種群的擴(kuò)張趨勢與潮灘面積發(fā)育趨勢保持高度一致。由于水文數(shù)據(jù)的現(xiàn)場觀測條件困難, 對于潮灘紅樹林不同垂向結(jié)構(gòu)與水動力交互作用引起的剖面懸沙濃度變化是否能促進(jìn)潮灘面積擴(kuò)張的研究極為缺乏, 尤其是當(dāng)植被處于不同淹水狀態(tài)下的研究?；诖? 本文通過分析南流江河口紅樹林潮灘2019年夏季大潮期間連續(xù)3 天的剖面水文與懸沙數(shù)據(jù), 著重探討其漲、落潮過程中剖面水動力及懸沙濃度的變化, 進(jìn)而闡明七星島桐花樹不同高度上枝葉分布差異性的緩流截沙機(jī)制, 以期為綠色海堤生態(tài)工程的建設(shè)與環(huán)境災(zāi)害抵御提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)域概況

南流江是廣西沿海第一大河, 全長 287km, 向南注入廉州灣(莫永杰, 1988)。南流江入海汊道口門附近為懸沙濃度高值區(qū)(蔣磊明 等, 2008), 出?？谛纬擅娣e約5500hm2以紅樹林為主的粉砂質(zhì)潮灘(王日明 等, 2021)。廉州灣海域大、中潮為不規(guī)則全日潮, 小潮為不規(guī)則半日潮, 平均潮差3.24m, 最大潮差4.5m。南流江河口區(qū)域流速總體趨勢為漲潮大于落潮, 漲潮流速 0.62m·s-1, 落潮平均流速0.58m·s-1(趙煥庭 等, 1999)。由于受到陸岸影響, 南流江河口區(qū)波浪年變化不大, 以風(fēng)浪為主, 最大波高2.0m, 平均波高0.28m(林鎮(zhèn)坤 等, 2019)。七星島位于廉州灣北部(圖1), 區(qū)域潮灘以桐花樹種群為主。桐花樹是七星島潮灘的優(yōu)勢種群, 植被普遍低矮, 樹齡自海向陸為1～6 年, 測點(diǎn)處以2 年生為主。

2 數(shù)據(jù)采集與指標(biāo)計(jì)算

2.1 數(shù)據(jù)采集

2.1.1 儀器布設(shè)

大潮期間潮灘水體懸沙濃度變化是影響潮灘沉積的重要因素。本文在2019 年8 月15—18 日(農(nóng)歷七月十五至十八), 開展了持續(xù)3 個(gè)大潮的連續(xù)完整潮周期的懸沙觀測。觀測點(diǎn)在南流江河口七星島島尾的紅樹林潮灘, 測點(diǎn)位于1～2 年生的中-低矮型桐花樹種群之間。觀測開始前, 利用4 根鋁型材架成“門”字框并固定在潮灘上。鋁型架上配備的儀器為(圖2a): 1) 剖面流速測量采用Nortek 公司的脈沖相干多普勒流速剖面儀HR-Profiler, 架設(shè)在鋁型材上 方, 探頭朝下, 盲區(qū)10cm, 采樣頻率1Hz, 采樣時(shí)間間隔為5min。2) 鋁型材中間架設(shè)Nortek AS 聲學(xué)多普勒點(diǎn)流速儀(Acoustic Doppler Velocimeter, ADV), 以測量三維高分辨率流速(u,v,w), 速度分量u以向東為正,v以向北為正,w以向上為正。ADV探頭朝下, 測點(diǎn)離底部上方約30cm, 頻率設(shè)置為32Hz, 以每20min 為一個(gè)脈沖記錄, 工作10min, 采樣數(shù)為19200 個(gè)。3) 浪潮儀用以收集水深和波浪參數(shù)等, 型號為TWR2050, 量程10m, 誤差范圍為±0.005%, 采樣頻率4Hz, 設(shè)置每20min 內(nèi)工作時(shí)長512s, 即每20min 采集2048 個(gè)數(shù)據(jù)。4) 剖面水體濁度測量采用德國Argus 公司的懸浮物剖面測量儀 (Argus Surface Meter, ASM), 儀器的探頭部分總長度為1m, 共96 個(gè)探頭, 探頭間隔為10mm。濁度觀測利用850nm 光學(xué)后向散射傳感器, 測量范圍為0～4095FTU, 觀測期間ASM 以1min 為采樣間隔。其中, 第76～96 個(gè)探頭埋在土壤內(nèi)部以固定ASM 底部, 在圖2a 中標(biāo)記對應(yīng)HR 所測高度數(shù)據(jù)的ASM探頭位置, 分別是探頭15、25、35、45、55。由于濁度桿暴露在空氣中時(shí)或潮水未完全浸沒探頭時(shí)濁度值在500～4095FTU 間浮動, 為提高數(shù)據(jù)準(zhǔn)確率, 根據(jù)水位變化對濁度大于500FTU 的數(shù)據(jù)予以篩除。

2.1.2 典型植被參數(shù)測量

以稀疏、中等與密集程度為劃分標(biāo)準(zhǔn), 在儀器架附近共選取6 個(gè)(每個(gè)標(biāo)準(zhǔn)2 個(gè))5×5m2的樣方。測量樣方內(nèi)多棵典型植株桐花樹的植株數(shù)目N、每棵植株的總高度H、植株莖直徑D, 以及植株冠層的長L和寬W。其中, 根莖直徑為自底部0.1m、0.3m、0.5m(最高點(diǎn)以現(xiàn)場為準(zhǔn))高度測得的枝桿直徑(圖3)。

2.2 研究方法

2.2.1 懸沙濃度的獲取

觀測開始前, 在清水環(huán)境下對ASM 各個(gè)探頭進(jìn)行空白測量并記錄背景值, 同時(shí)以ADV 測量高度對應(yīng)的探頭進(jìn)行所有ASM 探頭靈敏度的誤差校正。待觀測結(jié)束后, 室內(nèi)將野外觀測架旁所采集的泥樣烘干, 把儀器ASM 垂直固定在標(biāo)定桶中, 隨后緩慢倒入一定量的清水和干泥, 并不停地?cái)嚢琛Ｖ钡紸SM 讀數(shù)穩(wěn)定后, 選取ADV 對應(yīng)高度探頭(即探頭60)附近采集的水樣550cm3, 分別記錄該探頭取水前后的濁度大小, 并計(jì)算其平均值。最后準(zhǔn)備一定量的濾膜, 將所取水樣進(jìn)行過濾、漂洗、烘干和稱重, 泥沙質(zhì)量與水樣容積之比即為懸沙濃度, 并得到ASM 濁度和懸沙濃度的擬合關(guān)系式(圖2b), 同時(shí)運(yùn)用到誤差校正后的剖面濁度上。

2.2.2 懸沙通量計(jì)算

潮灘近底層單位面積的懸沙通量根據(jù)剖面不同高度的懸沙濃度與垂直岸線的流速分量進(jìn)行計(jì)算, 公式為:

式中:q為懸沙通量;Vz和SSCz分別表示z高度上的水平流速(單位: m·s-1)和懸沙濃度(單位: kg·m-3);θ表示水平流速和岸線之間的夾角。

2.2.3 剪切應(yīng)力的計(jì)算

2.2.3.1 單純流引起的剪切應(yīng)力

湍流動能法(Turbulent Kinetic Energy, TKE)被廣泛應(yīng)用到近岸區(qū)域的泥沙懸浮研究中(Christensen et al, 2018; Pang et al, 2020, 2021)。本文基于湍流動能法, 從高頻的水平和垂直速度中提取湍流分量, 進(jìn)而分析七星島島尾紅樹林潮灘底床能量的紊動程度。湍流動能TKE 的具體計(jì)算公式為:

式中:u、v和w分別為速度在x、y和z方向上的分量, 而′表示湍流震蕩分量;ρw為海水密度, 取1025kg·m-3。

在靠近底床區(qū)域, 能量產(chǎn)生與能量耗散數(shù)值相等, 底床剪切應(yīng)力與湍流動能成正比, 由此引入系數(shù)k計(jì)算單純流引起的底床剪切應(yīng)力τc(Stapleton et al, 1995), 公式如下:

假設(shè)系數(shù)k在各種條件下恒定不變, 取值為0.19(Soulsby, 1983)。

2.2.3.2 單純浪引起的剪切應(yīng)力

由波浪引起的剪切應(yīng)力τw采用Van Rijn(1993)模型計(jì)算公式, 如下:

式中:fw為波浪摩擦系數(shù);為波浪水質(zhì)點(diǎn)的峰值 軌跡速度(單位: m·s-1);為峰值軌跡位移(單位: m);ω為角速度(單位: m·s-1);T為1/3 有效周期(單位: s);H為1/3 有效波高(單位: m);h為水深(單位: m);L為波長(單位: m)。利用迭代法計(jì)算波長L, 公式如下:

式中:g為重力加速度, 取9.81(單位: m·s-2)。

波浪摩擦系數(shù)fw與波浪雷諾數(shù)(Rw)有關(guān)(Soulsby et al, 2005):

式中: v 為海水運(yùn)動粘度(單位: m2·s-1); r 為相對糙率;ks是床面粗糙高度, 約等于2.5D50。

2.2.3.3 波-流耦合作用下的剪切應(yīng)力波-流耦合作用引起的總剪切應(yīng)力τcw的計(jì)算公式如下(Soulsby, 1995):

2.2.3.4 臨界剪切應(yīng)力

非粘性顆粒臨界侵蝕剪切應(yīng)力τcr的計(jì)算方法為(Soulsby, 1997):

式中:ρs、ρw分別是沉積物和海水的密度;D50是中值粒徑, 為0.091mm, 屬于非粘性顆粒, 但有少部分小于0.063mm, 屬于粉砂, 處于粘性和非粘性顆粒的過渡區(qū)間, 因而使用公式(10)仍具有一定誤差, 需進(jìn)一步分析;θcr是臨界希爾茲參數(shù);D*是無量綱沉積物顆粒粒徑;s為ρs與ρw的比值。

3 結(jié)果分析

3.1 桐花樹潮灘波浪和潮流特征

T1、T2、T3 指代2019 年8 月15—18 日的3個(gè)完整的潮周期, 觀測期間七星島島尾紅樹林潮灘在這3 個(gè)潮周期的水位最高值分別為1.98m、1.93m和1.84m(圖4a)。研究區(qū)域的波浪有效波高(Hs)和有效波周期(Ts)具有相同的變化規(guī)律, 均為先上升后減小(圖4b)。觀測期間, 紅樹林潮灘測點(diǎn)的最大有效波高為 0.17m, 即波浪始終處于低能狀態(tài)(Hs＜ 0.5m), 有效波周期在0.57～5.58s 間變化。此外, T1—T3 的有效波高隨潮位降低整體亦呈遞減趨勢, 有效波周期則相反, 整體呈遞增趨勢, T2、T3 較T1 增加的幅度分別為37.8%和19.9%。類似地, 測點(diǎn)處波長L在各潮周期的憩流時(shí)刻達(dá)到最大值, 有效波峰越低, 波長峰值越大, 在T3 時(shí)達(dá)22.8m(圖4b、4c)。同時(shí), 峰值軌跡速度則與波長的整體變化趨勢相反, T3 的最大峰值軌跡速度比T1 小了近40%(圖4c)。

根據(jù)HR 和ADV 的布設(shè)方式, 分別獲取水位高于0.8m 期間自探頭向下共5 層的水平流速數(shù)據(jù)和高于0.30m 的近底高頻流速數(shù)據(jù)。ADV 共記錄了92個(gè)有效的脈沖數(shù)據(jù), 將每個(gè)脈沖水位與流速平均后繪制成隨時(shí)間變化的序列圖(圖4a)。由圖可知, 近底層流速呈現(xiàn)漲潮明顯大于落潮的潮汐不對稱現(xiàn)象: 漲潮初期流速快速上升, 在漲急時(shí)刻達(dá)到峰值, 隨后在憩流轉(zhuǎn)向期時(shí)刻流速降低至于0m·s-1。3 個(gè)潮周期內(nèi)近底層最大流速隨潮位的減小而同步減小, T1、T2、T3 的最大流速分別為0.36m·s-1、0.28m·s-1、0.26m·s-1(圖4a)。同樣地, 剖面各層流速的變化亦具有漲潮流速較大的潮汐不對稱現(xiàn)象(圖 5)。距底0.2m、0.3m、0.4m、0.5m、0.6m 的流速在T1 漲急時(shí)刻達(dá)到最大值, 分別為 0.36m·s-1、0.41m·s-1、0.36m·s-1、0.37m·s-1、0.36m·s-1(圖5a)。T1、T2、T3 落潮階段剖面各層流速在0～0.2m·s-1內(nèi)波動, 在初始時(shí)達(dá)到最小值。在垂向變化上, 平均流速自距底0.2～0.6m 呈現(xiàn)先增后減到再增的變化特征。其中, 觀測期間漲潮階段距底0.2～0.3m 的流速整體最大, T1 落潮時(shí)距底0.6m 的流速最大(圖5a), 而T2、T3落潮時(shí)的流速變化規(guī)律不明顯(圖5b、c)。整個(gè)觀測期間, 距底0.4m 的流速整體最小, T1、T2、T3 距底0.4m 高度的流速分別在 0.03～0.36m·s-1、0.03～ 0.23m·s-1和0.04～0.26m·s-1間波動。

3.2 桐花樹潮灘近底層垂向平均懸沙濃度變化

ASM 獲取的數(shù)據(jù)有效性隨水位漲落而同步增減, 因此對原始數(shù)據(jù)篩選后求平均值, 結(jié)果如圖6所示。由圖可知, 垂向平均懸沙濃度在T1、T2、T3潮周期內(nèi)呈現(xiàn)先減后增的變化特征, 范圍分別在0～2.4kg·m-3、0～2.5kg·m-3、0～2.0kg·m-3之間。漲潮初期水位較低, 平均懸沙濃度最高, 隨后迅速降低, 至漲急時(shí)刻T1、T2 下降的幅度近50%, 分別為 1.2kg·m-3和1.3kg·m-3。當(dāng)漲潮水位高于0.8m 時(shí), ASM 濁度桿淹沒于水中, 除T1 外的2 個(gè)潮周期內(nèi)垂向有效探頭數(shù)量均大于70 個(gè)。在漲急至漲憩階段, 垂向平均懸沙濃度呈上下波動的降低趨勢, 于水位最高時(shí)達(dá)到最小值, 其中T1、T2、T3 周期內(nèi)的最小值分別為0.32kg·m-3、0.31kg·m-3和0.53kg·m-3。落潮階段垂向平均懸沙濃度在憩流時(shí)出現(xiàn)小幅度上凸的峰值, 較漲憩時(shí)上升近一倍。隨水位降低, 垂向平均懸沙濃度發(fā)生小幅度減小, T1、T2、T3 內(nèi)分別由0.90kg·m-3、0.76kg·m-3、0.8kg·m-3減至0.33kg·m-3、0.55kg·m-3、0.60kg·m-3, 并 且 在 落 急 前 保 持 著-0.05～0.05kg·m-3范圍內(nèi)的波動變化。當(dāng)水位低于0.8m 時(shí), 落潮水體進(jìn)入急流階段, ASM 光學(xué)探頭所獲取的有效數(shù)據(jù)均勻減少, 垂向平均懸沙濃度再次迅速升高, T2、T3 落潮末期的平均懸沙濃度(suspended sediment concentration, SSC)與漲潮初期形成對稱特征(圖6)。

此外, 漲急—落急階段濁度桿獲取的有效數(shù)據(jù)相同, 期間垂向剖面平均懸沙濃度呈現(xiàn)漲潮明顯大于落潮的潮汐不對稱現(xiàn)象(圖6: 水位＞0.8 m)。T1、T2、T3 漲急結(jié)束時(shí), 垂向平均懸沙濃度分別是落急開始前的3.16、2.52、2.68 倍。

3.3 桐花樹潮灘近底層剖面懸沙濃度和底床沖淤變化

在潮灘淺水環(huán)境下, 底摩擦對近底層垂向水體運(yùn)動有著深遠(yuǎn)影響(Whitehouse et al, 2000), 泥沙起懸后擴(kuò)散至近底剖面各高度位置。本研究區(qū)域觀測的3 個(gè)潮周期內(nèi), 懸沙濃度變化在垂向上均呈對稱梯形分布, 變化范圍介于0～2.5kg·m-3(圖7)。在漲潮階段, 潮水初始淹沒探頭時(shí)懸沙濃度最大, T1、T2各高度的SSC 均大于1.5kg·m-3, 同一時(shí)刻下懸沙濃度最大值始終往水面遷移, 遷移范圍在距底高度的 0.05～0.73m 之間(圖7)。隨水位上漲, 相同高度下懸沙濃度逐漸降低, 漲急結(jié)束前SSC 由2.5kg·m-3降至0.75kg·m-3以下。同時(shí), 在垂向上高濃度懸沙范圍伴隨水位升高而向上擴(kuò)散, 使得距底部0.5～0.67m 懸沙濃度大于中下部近35%。直至漲憩流時(shí)刻, 除T3外距底0.15～0.5m 范圍內(nèi)的懸沙濃度接近于0kg·m-3, 0.5～0.67m 范圍內(nèi) SSC 仍較其他高度大, 超過0.5kg·m-3(圖7)。T3 周期內(nèi)距底部0.3～0.7m 在漲急初期(16:00—16:20)出現(xiàn)高濁度現(xiàn)象, 懸沙濃度超過2.5kg·m-3, 隨后突降至小于1.5kg·m-3。在落潮階段, 距底0.5m 以下觀測高度范圍的懸沙濃度隨水位下降變化不明顯, 持續(xù)處于低值狀態(tài), 僅落急近底層(＜0.25m)懸沙濃度增大, 但均不超過1.0kg·m-3。此外, 落潮期間距底0.5～0.65m 間的懸沙濃度在垂向上較大, 但3 個(gè)潮周期落潮期間的懸沙濃度仍小于漲潮期間的40%以上(圖7)。

根據(jù)各層懸沙濃度和流速大小計(jì)算3 個(gè)潮周期的漲、落潮懸沙通量(表1), 同時(shí)通過ADV 測量探頭在開始和結(jié)束這兩個(gè)時(shí)刻的距底距離平均值來反映灘面高程變化, 測量精度為±1mm。觀測期間, 漲潮階段各水深層的懸沙通量明顯高于落潮階段, T1、T2 潮周期內(nèi)垂向上距底0.4m 的懸沙通量較小, 分別是0.839 和1.686kg·m-2·s-1。此外, T1、T2、T3 期間ADV 探頭距灘面的高程分別在158～165mm、161～165mm、163～171mm 間變化。灘面高程變化量的正、負(fù)值分別對應(yīng)于淤積和侵蝕狀態(tài), 在T1、T2潮周期內(nèi)總淤積現(xiàn)象顯著(圖8)。

表1 近底層剖面各高度在漲、落潮期間的懸沙通量Tab. 1 Suspended sediment flux per unit area at each height in profile near bed

4 討論

4.1 波-流耦合作用下懸沙濃度變化過程

波-流總剪切應(yīng)力τcw是判斷潮灘水動力作用強(qiáng)弱的重要指標(biāo)(Zhu et al, 2017; Pang et al, 2020)。觀測期間T1、T2、T3 潮周期內(nèi)的單純流剪切應(yīng)力值τc變化范圍分別為0.03～2.05N·m-2、0.04～1.90N·m-2、0.11～1.44N·m-2, 單純浪剪切應(yīng)力τw變化范圍分別 為0.03～1.8N·m-2、0.03～2.09N·m-2、0.02～1.00N·m-2, 波-流總剪切應(yīng)力τcw變化范圍分別為0.07～2.05N·m-2、0.09～1.90N·m-2、0.15～1.44N·m-2(圖9)。研究期間, 單純流引起的剪切應(yīng)力則呈現(xiàn)先增后減的單峰型變化趨勢, 除T1、T2 部分落潮時(shí)段τc較小外, 灘面在潮流作用下均可能出現(xiàn)底沙起動現(xiàn)象。單純浪引起的剪切應(yīng)力呈“U”型變化, 僅漲潮初期和落潮末期兩個(gè)時(shí)段的τw值較大, 且落潮時(shí)的τw值明顯大于漲潮時(shí)。根據(jù)兩種剪切應(yīng)力變化的大小, 可判斷潮周期內(nèi)不同階段懸沙運(yùn)動的主控因素。

潮周期內(nèi)淹水過程可將沉積物運(yùn)動過程分為4個(gè)階段: 起動階段、平流階段、沉降階段和再懸浮階段。漲潮初期紅樹林潮灘水動力以波浪作用為主, 波高迅速增加(圖4b), 期間T1 和T3 的τw大于τc, 床面表層泥沙起動, 近底層懸沙濃度局部出現(xiàn)高值, 超過2kg·m-3。隨后在漲急時(shí)刻, 前鋒水體流速達(dá)到最大(圖4a), 研究區(qū)域水動力以潮流作用為主, 具有極強(qiáng)的紊動作用, 最大底剪切應(yīng)力比臨界剪切應(yīng)力(0.12N·m-2)大15～20 倍, 表層沉積物迅速懸浮上升至整個(gè)垂向水體。同時(shí), 潮下帶底床切應(yīng)力使得泥沙懸浮后, 通過平流作用水平輸運(yùn)懸移質(zhì)到研究測站點(diǎn)(Luhar et al, 2010), 導(dǎo)致懸沙通量同時(shí)增大(表1)。此時(shí)距底部0.3m 以上的懸沙濃度達(dá)到峰值,如圖6、圖7 中T3 潮周期的 SSC 垂向變化所示。直到漲憩轉(zhuǎn)流期間, 水位達(dá)到最高, 潮流和波浪對底部作用減弱, T1、T2 中τc逐漸下降至1.2N·m-2, T3 中則小于1.0N·m-2,τw更是基本接近于0N·m-2, 剖面各高度的懸沙濃度同步降至最低值。在落潮初期階段, 垂向上距底0.5m 以下的懸沙濃度從0kg·m-3逐漸增加到超過2kg·m-3, 平均SSC 小幅度上凸的峰值說明發(fā)生泥沙沉降作用, 尤其是在T1、T2 潮周期(圖6)。然 而, 距 底 0.5～0.67m 的 懸 沙 濃 度 亦 較 距 底0.35～0.5m 的濃度要高, 說明前一階段的懸浮作用對沉積物具有一定程度的分選作用, 使得顆粒較重的泥沙沉入底部, 而較輕的懸移質(zhì)仍滯留于水體中。最后, 由憩流轉(zhuǎn)向期到落潮末期, 近底層流速大幅度減小, T1、T2 內(nèi)潮流切應(yīng)力亦減小到小于0.1N·m-2, 而波浪切應(yīng)力反而增大。落潮末期水深變淺, 潮灘區(qū)域的波浪疊加使得水動力狀況更為復(fù)雜(汪亞平 等, 2006), 剪切應(yīng)力迅速增大, 沉積物再次起懸, 近底層(距底0.15～0.2m 以下)懸沙濃度最大增至1.7kg.m-3(圖7)。

顯然, 七星島島尾紅樹林潮灘剖面懸沙在波-流耦合作用下經(jīng)歷了起動—平流—沉降—再懸浮的過程, 其中起動和平流過程主要發(fā)生在漲潮初期至漲急階段, 沉降出現(xiàn)在憩流轉(zhuǎn)向前后, 最后落潮末期泥沙再次懸浮。

4.2 桐花樹空間結(jié)構(gòu)對潮灘剖面水動力和SSC 的影響

水體和植物莖葉的相對摩阻作用導(dǎo)致水平流速減小并引起垂向上流速剖面的變化(Knutson et al, 1982; 楊世倫 等, 1994; Koch et al, 2006), 同時(shí)莖葉對懸沙的黏附力影響剖面懸沙運(yùn)動過程(李華 等, 2010; Gedan et al, 2011)。本文概化植被參數(shù)后, 結(jié)合剖面流速及懸沙變化, 探討水文對潮灘紅樹林的響應(yīng)過程, 植株參數(shù)如表2 所示。

表2 七星島島尾研究區(qū)域典型植株參數(shù)平均值 Tab. 2 Average values of typical Aegiceras corniculatum parameters in study area

結(jié)果表明, 測站點(diǎn)平均分布的中、小型桐花樹植株分別有26 棵和8 棵, 生長高度、冠層長度及寬度加權(quán)平均后分別為54.5cm、68.5cm、37.0cm。根據(jù)不同高度的根莖直徑比例計(jì)算葉數(shù), 得出距底0.1m、0.3m、0.5m 在同一冠層投影面積下的樹葉密度分別為99、198、395 片·m-2。剖面流速測量數(shù)據(jù)顯示, 相較于底層和冠層頂部高度, 冠層中部因受 最密集枝葉的影響, 使得距底部0.4m 和0.5m 的水平流速存在總體減小的趨勢(圖5)。當(dāng)相對深度為1＜d/h＜2(d為植株高度,h為水深)時(shí), 植被處于深度淹沒狀態(tài),d/h＞2 時(shí)為過度淹沒狀態(tài)(Nepf, 2004; Augustin et al, 2009)。HR 所測有效數(shù)據(jù)在水位0.8m以上, 測點(diǎn)處的桐花樹經(jīng)歷了由深度淹沒至過度淹沒的過程。當(dāng)水位足夠大時(shí), 水體紊動減弱, 且桐花樹距底0.3m 以下枝葉密度較小, 底層流速耗散幅度減弱。當(dāng)潮水淹沒植冠后, 表層水體不受莖葉的直接阻擋(李華 等, 2007), 流速最大。此外, 桐花樹“倒三角”截面的樹葉密度分布形態(tài)對沉積物各運(yùn)動階段影響極大。漲潮初期水位較低, 處于冠層下部, 樹葉對起懸后的沉積物黏附量較少, 懸沙濃度較大。當(dāng)植被進(jìn)入深度淹沒狀態(tài), 桐花樹冠層范圍內(nèi)的枝葉對懸浮顆粒的平流作用加強(qiáng), 垂向上的懸沙濃度變化明顯分層, 距底部0.15～0.5m 內(nèi)的SSC 較0.5m 以上減小了40%以上。將漲潮平流階段的剖面水平流速和懸沙濃度作相關(guān)分析, 發(fā)現(xiàn)除距底0.4m、0.5m 外, 其他高度的流速和懸沙濃度均通過正相關(guān)99.99%的顯著性檢驗(yàn)(圖10), 說明冠層枝葉亦會通過減緩水體流速而間接降低懸沙濃度, 從而泥沙粘附在冠層葉子上(圖11)。

七星島島尾是南流江河口桐花樹生長的邊緣區(qū)域, 島頭靠近堤壩, 近70%以上的紅樹林生長在堤前(李春干, 2003), 本文研究區(qū)域亦是如此。在落潮期間, 落潮水體自陸向海運(yùn)動時(shí)經(jīng)過成群高分布密度的桐花樹進(jìn)行能量耗散, 儀器布設(shè)站點(diǎn)水動力明顯減弱, 漲潮流速明顯大于落潮流速。同時(shí), 桐花樹枝葉會加強(qiáng)懸沙在憩流到落急階段期間的沉降作用, 并削弱落潮末期床沙再懸浮作用, 進(jìn)而使得懸沙濃度與懸沙通量均明顯低于漲潮期間(表1)。由ADV 探頭反演的灘面高程變化可知, 漲潮階段灘面主要處于侵蝕階段, 落潮階段灘面淤積幅度大(圖8)。簡而言之, 漲潮期間桐花樹冠層枝葉減緩水體的剖面流速并攔截大量懸浮顆粒, 落潮期間測點(diǎn)水動力較弱, 促進(jìn)水體泥沙沉降, 灘面高程的增加有利于南流江河口桐花樹種群向?？焖侔l(fā)育(王日明 等, 2021)。

5 結(jié)論

基于南流江河口桐花樹潮灘夏季大潮連續(xù)的水文實(shí)測數(shù)據(jù)和植被特征參數(shù), 研究了大潮期間桐花樹潮灘近底層的沉積動力過程, 主要結(jié)論包括:

1) 桐花樹潮灘剖面流速和懸沙濃度、懸沙通量均呈現(xiàn)漲潮期間明顯大于落潮期間的潮汐不對稱現(xiàn)象。在空間垂向上, 距底部0.2～0.3m 和0.6m 處的水平流速整體最大, 水體平均懸沙濃度高值區(qū)亦主要出現(xiàn)在離底0.1～0.37m 和0.5～0.67m 這兩個(gè)區(qū)間, 最大值超過2.5kg·m-3。

2) 懸沙在波-流耦合作用下發(fā)生起動—平流— 沉降—再懸浮4 個(gè)階段。其中, 泥沙起動和再懸浮階段出現(xiàn)在以波浪作用為主的漲潮初期和落潮末期, 平流和沉降階段出現(xiàn)在以潮流作用為主的整個(gè)漲急至落急階段。

3) 桐花樹離底0.4～0.5m 的冠層枝葉密度大, 通過減緩平流階段剖面流速的同時(shí)可攔截比冠層上部多40%以上的懸沙。落潮水體則自陸向海經(jīng)過桐花樹群落而發(fā)生顯著的水動力耗散, 波流剪切力減小90%。漲、落潮期間懸沙的動力沉積機(jī)制有利于桐花樹種群捕獲泥沙, 從而促進(jìn)灘面淤積。