摘要：在长江口利用“声学悬沙观测系统”观测到大潮四种典型的高时空分辨率细颗粒悬沙浓度声学垂向分布图和垂线分布曲线。悬沙浓度垂线分布曲线表明：(1)在涨潮时呈L形，悬沙浓度的垂向变化梯度小(浓度小于1.0g/l)。(2)在涨急时呈射流形，射流顶的悬沙浓度达10g/l，悬沙浓度的垂向变化梯度大。(3)在落潮时从水面到水底悬沙浓度按指数增加，可能代表恒定均匀流中悬沙处于平衡条件的分布，泥沙垂向扩散系数εS在数值上大约是泥沙颗粒沉降速度ωＳ的两倍。(4)在落急时是不连续，并且在水体中部呈射流形，悬沙浓度的垂向变化梯度大。
关键词：长江口 细颗粒悬沙浓度 高时空分辨率 声散射
1 前言
Kirby和Parker[1]首次用LUTOCLINE(泥跃层)一词描述潮汐河口粘性细颗粒悬沙浓度垂向分布的不连续性，即垂向悬沙浓度出现明显的变化。此后，泥跃层和近底高含沙层被发现普遍存在于许多高浑浊的河口海湾[2～5]。Ross和Mehta[6]、Smith和Kirby[7]以及Wolanski等[5～9]详细地研究了泥跃层和近底高含沙层的动力特性，并建立了相应的数学模型。这些研究加深了我们对潮汐河口近底水—泥相互作用的认识，这种相互作用控制整个潮汐河口细颗粒泥沙的输移过程。
在海岸工程应用上，如河口航道、港口、码头和系船池，需要对细颗粒泥沙运动定量化。由于河口悬沙浓度随深度迅速变化，因此，悬沙浓度的精确观测是一个关键。至今，为了获得近瞬时的悬沙浓度的垂向分布，已发展了许多新的技术。特别是声学技术被广泛应用于海洋中悬沙浓度的测量[10～13]，使我们能得到高时空分辨率悬沙浓度垂向分布；但是声学技术尚未广泛应用于河口粘性细颗粒悬沙浓度的连续观测。国内，在河口细颗粒泥沙输移现场观测研究中，悬沙浓度资料大多依赖于野外水样的采集[14～16]。Li等[17]利用光学测沙系统研究了浙江椒江河口细颗粒泥沙输移。
本文作为“声学悬沙观测系统”在长江口北槽口外悬沙运动研究应用的系列成果[18～20]，其目的是为了解河口细颗粒悬沙浓度近瞬时垂向分布提供一种较好的途径。
2 研究的区域和方法
长江口是一个中潮河口，平均潮差是2.0m，悬沙年平均达4.9×108t。许多科研工作者对长江口悬沙输移问题进行了研究[15，16，21]，悬沙浓度资料大多依赖于野外水样的采集。在长江口的陆架地区水面悬沙浓度超过0.02g/l，在水底超过0.1g/l[22]。我们的现场观测是于1994年5月28～29日大潮时在长江口9405站(东经122°27′4″，北纬31°05′15″)(图1)进行了28h连续观测(图2)。观测数据的采集工作是在东海舰队东调221军舰上完成的。用于测量悬沙浓度垂向分布的ASSM型声学悬沙观测系统是由中国科学院东海研究站研制的，与Libicki等[12]叙述的观测系统相类似。整个系统(图3)在PC计算机控制下采集数据，并进行预处理，再储存。ASSM型系统发射声脉冲频率为0.5MHz，脉宽为40μs。从悬沙背向声散射测得的垂向分布其垂直(深度)分辨率为10cm，横向(时间)分辨率为1.5s。每小时记录12min数据，其采样频率为75KHz。每幅图是由480条海底
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和换能器之间悬沙的背向声散射曲线所组成。由泥沙背向声散射信号的强度转化为悬沙浓度的定标工作是在有机玻璃沉降圆筒内完成的。基于实验室定标，绝对悬沙浓度测量的误差约为16%。ASSM系统换能器工作时通常放置在水下2m处。 同时，利用流速仪测量水流的流速和流向。每小时分别在0.0D、0.2D、0.4D、0.6D、0.8D、1.0D六个点采水样(D为水深)，此法通称“六点法”。由采水器采集到的含悬沙水样，通过63微米滤纸，分离出粗的悬浮颗粒。通过过滤的水样留下来的悬浮物质用蒸馏水漂洗，并在40℃恒温箱内烘干，过滤器烘到60℃，再称重量。悬沙浓度是从最后沉淀物重量(包括粗颗粒)与被滤去总的水体积而换算出来的。 |
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图2 潮位和垂线平均悬沙浓度过程图 |
图3实验布设示意图 |
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Hydrographs of tidal level and depth averaged suspension concentration hourly sampled at station 9405 |
Sketch of experiment |
3 结果
在上述观察区域内，盛行半日大潮。垂线平均悬沙浓度随潮水位的变化而变化(图2)。平均悬沙浓度从0.45g/l变化到2.41g/l。图4(a～d)是每15min的悬沙浓度垂向分布的声学灰度图。图4(a)表明整个水体中均有悬沙分布；图4(b)中、下部有一高含沙层；图4(c)中70%的水体有较低的悬沙浓度；在图4(d)中的水体中部有较高的悬沙浓度。
为进一步了解悬沙浓度垂线分布特征，将图4(a～d)中每一个悬沙浓度声学图象等分成7段，悬沙浓度数值是按10cm水深间隔绘图，由此可得到7条瞬时悬沙浓度的垂线分布曲线(图5)。图5(a～d)揭示了大潮四种典
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型的悬沙浓度的垂线分布曲线。第Ⅰ类是在涨潮时呈L形(图5(a))，近底悬沙浓度大于2.5g/l，大部分水体中悬沙浓度小于1.0g/l。平均悬沙浓度随水深从0.43g/l变化到0.84g/l。第Ⅱ类是在涨急时呈射流形(图5(b))，近底悬沙浓度大于2.0g/l，悬沙浓度的垂向梯度大。第Ⅲ类是在落潮时从水面到水底悬沙浓度按指数增加(图5(c))。近底悬沙浓度大于6.0g/l。平均悬沙浓度随水深从0.86g/l变化到0.96g/l。第Ⅳ类是在落急时，悬沙浓度在水体中部呈射流形(图5(d))。近底悬沙浓度大于5.0g/l，悬沙浓度的垂向变化梯度大，平均悬沙浓度从0.77g/l变化到1.24g/l。事实上，图5(a～d)分别代表在涨潮、涨急、落潮和落急时细颗粒泥沙再悬浮(resuspension)过程的图像。 |
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图5 悬沙浓度垂线分布 | ||||
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Vertical profiles of burst averaged suspension concentration over 12 min. period at (a) flood tide (1000h); (b)max.flood tide (1200h); (c)ebb tide (1500h); (d)max.ebb tide (1800h). 28 May 1994. | ||||
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图6表示在涨潮(1000h)时最大流速为1.17m/s，流速和盐度垂向变化梯度均较大。在涨急时流速和盐度垂向变化梯度小。落潮(1500h)时最大流速为1.03m/s，盐度垂线分布表明底部有一盐水楔，水底盐度为26.0‰。在落急(1800h)时，流速和盐度的垂向变化梯度渐缓。 4 讨论 4.1 悬沙浓度垂向分层 图4和图5中最明显的特征是悬沙浓度垂向呈分层，形成这种特征主要是由于紊流能量引起强烈而均匀混合，从而产生陡的密度梯度[23]。 |
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一个稳定的悬沙浓度分层意味着当河口保持盐度和温度充分混合时悬沙有强的分层现象[3]。图4(a)和图5(a)表示在涨潮时，由于物质扩散率较低形成稳定的泥跃层和在上面的水域有较低的泥沙浓度。图4(b)和图5(b)表示在涨急时形成一个浮泥层和二个稳定的泥跃层。图4(c)和图5(c)表示在落潮时形成一个浮泥层(高含沙层)，一个持续的泥跃层以及在上面水域很低的泥沙浓度。图4(d)和图5(d)表示在落急时迅速形成一个流动的浮泥层(高含沙层)和二个起伏不定的泥沙跃层(分别在浮泥层上、下)。图5(d)的瞬时悬沙浓度垂线分布表明有二个泥跃层。Mehta[4]认为下泥跃层主要是由于泥沙沉降受阻引起的，上泥跃层形成与向上的紊流扩散的非线性有很大关系。上泥跃层和下泥跃层二者之间是最小的垂向混合区域[4]。Wolanski等[8]详细地研究了泥跃层混合的问题，他们发现泥沙混合受浮力效应和在高浑浊底层里泥沙引起的紊流破裂二者控制，悬沙受到的浮力阻碍泥沙垂向扰动混合，扰动能够缓和悬沙的沉降速度，并且在扰动方式上有一反馈效应[9]。
4.2 悬沙平衡
在河口最大浑浊带，如不考虑平流影响，悬沙扩散方程可简单表示为
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(1) |
式中 C是平均悬沙浓度；t是时间；ωS是泥沙颗粒沉降速度；z是距底床的高度；εS是紊动扩散系数。事实上，图4中悬沙浓度的垂向分布表示了悬沙向下沉降和向上紊动扩散二者之间的平衡。在涨急和落急时，悬沙强烈地输移，泥沙沉降少。
在1500h，水体上部、中部悬沙浓度均低，近底部悬沙浓度高(图4(c)和图5(c))；而且图5(c)反映了悬沙浓度随水深按指数增加。这可能是由于底床切应力使泥沙再悬浮和泥沙颗粒沉降保持平衡所致，类似的特征在文献里有过报道[24]。这种悬沙浓度垂向分布代表恒定均匀流平衡条件，即垂线上泥沙上下交换质量守恒，并可用以下方程表示
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C=Cαexp(βz) |
(2) |
式中β是与半对数图的梯度成正比。公式(1)中对距离z及时间t的偏微分项均等于零，恒定均匀平衡条件下泥沙紊动扩散方程可表达为
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ωSC+εS(dC/dz)=0 |
(3) |
式中ωS为垂向泥沙扩散系数，它是随水深恒定的，并具有值
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εS=ωS/β |
(4) |
根据公式(2)计算出的β值平均为0.58m-1，因此，由公式(4)可知，泥沙垂向扩散系数εS在数值上大约是泥沙颗粒沉降速度ωS的两倍。图6中流速垂线分布也表明水体上、中部流速变化梯度较小，可视为恒定均匀流；而近底高含沙层对应着盐水楔异重流(图6)。
4.3 再悬浮过程
图5(a～d)分别代表在涨潮、涨急、落潮和落急时细颗粒泥沙再悬浮(resuspension)过程的图像。这种泥沙的再悬浮过程是受近底紊流大小和速度—密度分布的控制[23]。在长江口，由风激起的表面波，潮流、内波破裂和江苏沿岸流(向南)是造成泥沙再悬浮过程的原因。近底观测到大的流速梯度，从而可以认为底部存在大的切应力(图6)，这些海底的切应力是泥沙再悬浮的动力。波浪诱导的河口淤泥再悬浮问题有人做了水槽试验研究[25]以及现场观测研究[26]。在实验室水槽研究基础上，Maa和Mehta[25]认为波引起的底床侵蚀是产生浮泥的原因。由波侵蚀的泥沙保留在近底处，占整个水深的20%，水流仅在水平方向迁移。在长江口，波浪和潮流的特性还需要进一步研究，由此可以估价它们在泥沙再悬浮中的作用和重要性。Graber等[27]在中国东海研究了风暴产生的表面波和泥沙的再悬浮问题。可以相信由风暴产生的波是使泥沙再悬浮的重要动力。
5 结论
在长江口北槽，我们利用“声学悬沙观测系统”，对河口细颗粒悬沙浓度垂向分布进行高时空分辨率观测。悬沙浓度的垂向分布有明显的变化，高含沙层存在于近底或中部。高含沙层是起因于与波、流相关的淤泥底床泥沙的再悬浮和水体中泥沙的沉降。悬沙浓度的垂向分布反映了向下沉降 和引起再悬浮的向上紊流扩散之间的平衡。在涨潮时，悬沙浓度的垂直变化梯度小。在落潮时，悬沙浓度从水面到水底按指数增加。在涨急和落急时，悬沙浓度的垂直变化梯度大。
1 Kirby，R.and Parker，W.R.，Distribution and behavior of fine sediment in the Severn Estuary and Inner Bristol Channel，U.K.Canadian Journal of Fishery and Aquatic Sciences，1983，40(Suppl.1):83-95.
2 Parker，W.R.，Observations on fine sediment transport phenomena in turbid coastal environments.Continental Shelf Research，1987，7:1285-1293
3 Kirby，R.，High concentration suspension(fluid mud)layers in estuaries.In:J.Dronker and Wim van Leussen(Eds.)，Physical processes in estuaries.Springer Verlag，Berlin，Heidelberg，1988，463-485.
4 Mehta，A.J.，On estuarine cohesive sediment suspension behaviour.Journal of Geophysical Research，1989，94(C10):14303-14314.
5 Wolanski，E.，Chappell，J.，Ridd，P.and Vertessy，R.，Fluidization of mud in estuaries.Journal of Geophysical Research，1988，93(C3):2351-2361.
6 Ross，M.A.and Mehta，A.J.，On the mechanics of lutoclines and fluid mud.Journal of Coastal Research Sl，1989，(5):51-61.
7 Smith，T.J.and Kirby，R.，Generation，stabilizations and dissipation of layered fine sediment suspensions.Journal of Coastal Research，1989，5:63-73.
8 Wolanski，E.，Asaeda，T.and Imberger，J.，Mixing across a lutocline.Limnology and Oceanography，1989，34:931-938.
9 Wolanski，E.，Gibbs，R.J.，Mazda，Y.，Mehta，A and King，B.，The role of turbulence in the settling of mud flocs.Journal of Coastal Research，1992，8(1):35-46.
10"Young， R.A.，Merrill，J.T.，Clarke，T.L.and Proni，J.R.，Acoustic profiling of suspended sediments in the marine bottom boundary layer.Geophysical Research Letter，1982，9(3):175-188.
11"Hanes，D.M.，Vincent，C.E.，Huntley，D.A.and Clarke，T.L，Acoustic measurements of suspended sand concentration in the C2S2experiment at Stanhope Lane，Prince Edward Island.Marine Geology，1988，81:185-196.
12"Libicki，C.，Bedford，K.W.and Lynch，J.F.，The interpretation and evaluation of a 3 MHz acoustic backscatter device for measuring benthic boundary layer sediment dynamics.Journal of Acoustic Society of America，1989，85(4):1501-1511.
13"Thorne，P.D.，Vincent，C.E.，Hardcastle，P.J.，Rehman，S.and Pearson，N.，Measuring suspended sediment concentrations using acoustic backscatter devices.Marine Geology，1991，98:7-16.
14"Gao，S.，Xie，Q.C.and Feng.Y.J.，Fine grained sediment transport and sorting by tidal exchange in Xiangshan Bay，Zhejiang，China.Estuarine，Coastal and Shelf Science，1990，31:397-409.
15"沈焕庭，贺松林，潘定安，李九发。长江河口最大浑浊带研究。地理学报，1992，47(5)：472～479.
16"李九发，时伟荣，沈焕庭。长江河口最大浑浊带的泥沙特性和输移规律。地理研究，1994，13(1)：51～59.
17"Li，Y.，Wolanski，E.and Xie，Q.C.，Coagulation and settling of suspended sediment in the Jiaojiang River estuary，China.Journal of Coastal Research，1993，9(2):390-402.
18"Shi， Z.(时钟)，Ren， L.F. and Lin， H.L，Vertical suspension profile in the Changjiang Estuary.Marine Geology，1996，130:29-37.
19"Shi， Z.(时钟)，Ren， L.F，Zhang， S.Y. and Chen， J.Y.，Acoustic imaging of cohesive sediment re entrainment and resuspension in the Changiang Estuary，East China Sea.Geo-Marine Letters，1997，17:162-168.
20"时钟。河口粘性泥沙再夹运和再悬浮声散射观测。第八届全国海岸工程学术讨论会论文集。海洋出版社，北京：1997：67-74.
21"Su，J.L and Wang K.S.，The suspended sediment balance in Changjiang Estuary.Estuarine Coastal and Shelf Science，1986，23:81-98.
22"Milliman，J.D.，Shen，H.T.，Yang，Z.S.and Meade，R.H.，Transport and deposition of river sediment in the Changjiang estuary and adjacent continental shelf.Continental Shelf Research，1985，4:37-45.
23"Scarlatos，P.D.and Mehta，A.J.，Some observations on erosion and entrainment of estuarine fluid muds.In:R.T.Cheng (Ed.)，Residual currents and long term transport.Springer verlag New York，Inc.，1990，321-332.
24"Nittrouer，C.A.，Curtin，T.B.and Demaster，D.J.，Concentration and flux of suspended sediment on the Amazon continental shelf.Continental Shelf Research，1986，6:151-174.
25"Maa，P.Y.and Mehta，A.J.，Mud erosion by waves: a laboratory study.Continental Shelf Research，1987，7:1269 1284.
26"Sanford，L.P.，Wave forced resuspension of upper Chesapeake Bay muds.Estuaries，1994，17:148-165.
27"Graber，H.C.，Beardsley，R.C.and Grant，W.D.，Storm generce waves anated surfad sediment resuspension in the East China and Yellow Seas.Journal of Physical Oceanography，1989，19:1039-1059.