珠江口磨刀門泥沙絮凝特征

鄧智瑞，何青*，楊清書，林建良

(1.華東師范大學 河口海岸學國家重點實驗室，上海 200062；2.中山大學 河口海岸研究所，廣東 廣州 510006)

珠江口磨刀門泥沙絮凝特征

鄧智瑞1，何青1*，楊清書2，林建良1

(1.華東師范大學 河口海岸學國家重點實驗室，上海 200062；2.中山大學 河口海岸研究所，廣東 廣州 510006)

本文利用激光粒度儀實測得到珠江口磨刀門河口2013年夏季懸浮泥沙現場絮凝及絮凝體特征，同時對比懸沙分散粒徑和含沙量，研究表明：懸沙分散粒徑平均值為27.9 μm，現場實測絮團粒徑平均值為91.6 μm，表明磨刀門口外的懸浮泥沙絮凝現象顯著；實測絮團平均粒徑變化范圍為13.0～273.8 μm，小潮期間絮團粒徑平均值為131.5 μm，大于大潮平均值76.9 μm；絮凝體粒徑在垂向上的變化表現為由表及底先變大再變小。絮團體積濃度、沉速與粒徑的關系在不同情況下有差異，體積濃度和絮團粒徑在表層和中層有明顯正相關關系，絮團沉速在大潮時刻隨著粒徑的增大而增大。綜合分析影響絮凝的因素，得知在珠江口鹽度對于絮團大小影響不明顯；而流速大小的差異是影響大小潮之間絮團大小不同的主要因素。研究結果有助于了解珠江口細顆粒泥沙輸移特性和相關生物化學過程。

珠江口；磨刀門；懸浮泥沙；絮凝

1 引言

黏性細顆粒泥沙一般指小于62 μm的、具有顆粒間黏性的泥沙，其絮凝現象是河流和河口懸沙起動、運移和沉積的一個重要過程。懸浮泥沙顆粒在顆粒間電荷引力、水體膠質等的作用下，多顆粒結合在一起，形成更大顆粒、低密度(相對于泥沙顆粒)的絮凝體，即絮團。絮團的沉降速度要遠遠大于分散的泥沙顆粒，因此研究懸浮泥沙絮凝一直是細顆粒泥沙研究中的一個重要內容。同時絮凝體也促成物質吸附作用，因此作為水體污染物和營養鹽等物質輸送的載體，對河口水質環境和生物化學物質輸運等具有重要作用。

絮凝體的組成、動力過程和形成機制在室內實驗、現場觀測和數值模擬等方面已經有大量研究[1—3]。傳統室內實驗方法可獲取懸沙的級配和沉速數據，但其工序相當復雜，從水樣采集、保存到分析，脆弱的絮凝體均可能被打碎，因而分析得到的數據往往不能真實反映絮凝體的特性[4]。現場激光粒度儀LISST-100則可以現場實時獲取水中懸浮顆粒物現場絮團粒徑譜和沉速譜[5]，功能較全面，測驗效率高，精度好。程江[6]使用LISST-100在長江口現場觀測到絮團，并使用譜分析方法研究了絮團隨潮流的周期變化。唐建華[7]分析了水動力、懸浮物濃度、鹽度等因素對絮團的影響，并且提出了基于現場資料的絮團沉速算法。陳錦山等[8]、Guo和He[9]從長江口絮凝現象的觀測延伸至整個長江流域。在珠江口，僅有夏小明等[10]使用LISST-ST實測分析了枯季磨刀門懸沙絮凝沉降特征，得到絮團中值粒徑10～96 μm、現場沉速1～20 mm/s；同時認為低懸沙濃度對于絮凝的影響不顯著，而水體污染物的存在可能增大絮凝體沉速。國內對于河口區絮團的研究主要集中在長江口，對于珠江口泥沙絮凝現象的研究較少，認識還不夠深入，因此有待進一步研究。

珠江是由西江、北江、東江及珠江三角洲諸河匯聚而成的復合水系，年總徑流量為3.26×1012m3，西江作為珠江流域的最大支流，河流總長為2.21×103km，年徑流量和輸沙率分別為2.28×1011m3和6.45×109t，懸沙濃度為0.23 g/L；北江流域河流長468 km，年徑流量和輸沙率分別為4.49×1010m3和5.45×108t，懸沙濃度為0.13 g/L；東江河流長562 km，年徑流量和輸沙率分別為2.34×1010m3和2.36×108t，懸沙濃度為0.10 g/L。這3條河流總徑流量和輸沙率分別占整個珠江流域的80%和95%[11]。珠江河口由8個口門入海，其中磨刀門位于廣東省珠海市洪灣企人石，是西江徑流的主要出海口門。磨刀門多年平均徑流量為9.23×1010m3，占馬口站徑流量的1/3，占西、北江徑流量的1/3，居珠江三角洲八大口門之首。磨刀門口門潮差小、潮流弱，年均潮差為0.86 m，多年最大潮差平均為2.04 m，在八大口門中是最小的。磨刀門屬強徑流弱潮流河口，多年平均山潮比為5.78，洪水期以徑流作用為主[12]。國內學者已較全面地分析了珠江磨刀門河口懸浮泥沙的來源、路徑、通量以及河口沖淤演變規律[13—14]，在此基礎上，本文利用LISST-100C在珠江磨刀門口外定點觀測洪季大潮和小潮懸浮絮凝及其絮團的分布與變化情況。

圖1 珠江口地形及磨刀門觀測點Fig.1 Map of the Pearl River Estuary topography and the sample site in Modaomen Estuary

2 資料與方法

2.1 數據來源

在磨刀門攔門沙外側布設垂線進行水文測驗，測點如圖1所示。觀測時間為2013年7月22日14：00至7月25日14：00(大潮)和7月28日8：00至7月29日11：00(小潮)。測量過程中，采用LISST-100現場激光粒度儀進行水體懸浮物現場粒度的逐時垂線測量，垂線測量采樣間隔為2 s；同時用OBS-3A與LISST-100同步測量懸沙濃度(NTU)及鹽度，采樣間隔同樣為2 s。另外，每整點時刻按6層法采取各層水體水樣，用作室內含沙量分析及鹽度標定，同時部分特征時刻如漲急、漲憩、落急、落憩時刻，額外采集一份水樣，帶回實驗室內做懸浮泥沙分散粒度分析。

2.2 樣品和數據處理

水樣含沙量的分析方法是：用濾膜(孔徑為0.45 μm的醋酸纖維膜，先烘干稱重)進行過濾，過濾后的膜在120℃的烘箱內烘干8 h，然后稱重，由此重量差和水體體積計算得出懸浮含沙量。懸浮泥沙分散粒度的分析方法是：先加入0.16%的六偏磷酸鈉(NaPO3)6作為分散劑，浸泡24 h并用超聲波震蕩，用英國馬爾文公司生產的Master sizer 2000型激光粒度儀進行粒度分析，獲得1/4Φ(Φ=-log2D)間隔的粒度分布。由粒度分布曲線可計算平均粒徑等代表參數。

OBS濁度和含沙量之間的校正：根據現場獲取的水樣含沙量，與同一時刻、同一層位的OBS濁度相比較(見圖2)，在濁度小于2 000 NTU的情況下，懸浮物濃度與濁度變化呈線性相關[15]，因此可由OBS的濁度換算得到更多時間序列的含沙量。

圖2 濁度和含沙量之間的關系Fig.2 Relationship between turbidity and suspended sediment concentration

2.3 沉速計算方法

Fettweis提出了現場絮團有效密度的計算公式[16]：

(1)

式中，Δρ是有效密度(單位：kg/m3)，ρW為水的密度，ρP為泥沙顆粒密度(取2 650 kg/m3)，ρF為絮團密度(單位：kg/m3)，MP可用質量濃度代替(單位：kg/m3)；VF為體積濃度(單位：μL/L)，由LISST-100直接測得。

沉速計算根據Mikkelsen和Pejrup[17]的研究建議，采用Stokes公式：

(2)

式中，Dm為絮團代表粒徑，此處取為平均粒徑(單位：μm)，μ為水的動力黏滯系數(單位：Pa·s)，根據水溫選取相應的值。

3 結果

3.1 基本水文泥沙特征

觀測期間的水文數據項目有粒度、流速、含沙量、鹽度和溫度等。由于觀測期間為夏季，水體水溫較高，水溫變化范圍在27.9～29.0℃之間，同時觀測點水深較淺(約6～8 m)，因而溫度在垂向上的變化不大。

現場的含沙量在大潮和小潮的分布規律相似，底部的含沙量都大于表層和中層，表層和中層含沙量約在0.05 g/L以下，并且隨著潮周期的變化不顯著；但底層的含沙量平均為0.1 g/L，在大潮和小潮期間均出現多個峰值達到0.2 g/L，出現峰值的時刻接近急流特征時刻(漲急、落急)。

分散粒徑隨時間的變化與特征時刻相對應。泥沙的分散粒徑最大為60.7 μm，最小為8.3 μm；磨刀門口外的泥沙主要為粉砂和砂，黏土成分較少，泥沙顆粒較粗。在大潮時刻，分散泥沙的平均粒徑變化范圍約為10～140 μm，中層的分散粒徑比表層和底層的大，而表層和底層的分散粒徑較為接近，總體看來，分散粒徑隨著潮汐周期變化呈現出一定的規律性，在漲急、漲憩時刻分散粒徑較大，落憩時刻分散粒徑較小。

3.2 絮團大小及絮凝效率

根據LISST-100所測數據，現場絮團平均粒徑基本特征如表1所示。大潮時最大絮團出現在底層，平均粒徑為212.6 μm，最小絮團也出現在底層，平均粒徑為13.0 μm，大潮時絮團平均粒徑大小為76.9 μm；小潮時最大絮團出現在表層，平均粒徑為273.8 μm，最小絮團出現在底層，平均粒徑為25.9 μm，小潮時絮團平均粒徑大小為131.5 μm。小潮絮團平均粒徑大于大潮。現場絮團的粒徑在特征時刻變化范圍為14.0～212.6 μm；在大潮時刻表層絮團大小多數大于底層，而在小潮時刻則相反，底層大多數絮團粒徑大于表層絮團。

大潮時刻表層和底層絮團大小較接近，平均大小約為60 μm，中層絮團最大，平均為107 μm；表層和底層泥沙分散粒徑平均約為23 μm，中層泥沙顆粒最粗，平均粒徑為63 μm。絮團粒徑與分散粒徑均呈現出中間大，表底小的規律，在小潮中也是如此。

總體看來，垂向各水層懸浮物的絮團粒徑基本大于其對應時刻的分散粒徑，甚至達10倍以上，由此可推斷磨刀門河口的懸浮顆粒可能相互黏結形成絮團而使懸浮物粒徑增大，即該區域發生明顯的絮凝作用。對應特征時刻，發現絮團粒徑與分散粒徑的分離在憩流時刻尤為明顯，表明潮周期動力環境變化會影響磨刀門河口的泥沙絮凝效應。此外，對觀測數據進行垂向對比發現，懸浮物絮團粒徑與分散粒徑的分離在中層最為明顯，由此向表、底分離均減弱，表明絮凝作用隨水深的增加呈先增后減的變化趨勢。

表1 磨刀門河口大小潮期間實測絮團平均粒徑的比較Tab.1 Comparison about the mean floc diameter of two tidal cycle

續表1

圖3 磨刀門絮團體積濃度、有效密度、沉速隨時間分布Fig.3 Variation of floc volume concentration，effective floc density and settling velocity along the Modaomen Estuary

圖4 特征時刻現場和室內粒度頻率曲線Fig.4 Representative accumulative size distributions of dispersed particles and flocs in the estuary

3.3 絮團特征隨時間變化

圖3為絮凝體體積濃度、有效密度和沉速隨時間的變化。絮凝體體積包括絮凝體中水的體積和所有顆粒物的體積。絮凝體體積濃度是指單位體積水體中所含絮凝體的體積，單位為μL/L[6]，即體積濃度越大，絮凝體之間的碰撞幾率越大，相互作用也越明顯。大潮時刻磨刀門水體底層的體積濃度要明顯大于表層和中層，而小潮時刻表、中、底層體積濃度較為接近。陳錦山等[8]研究了長江流域的絮凝現象指出，絮團體積濃度與懸浮物濃度呈良好的線性關系，即懸浮物濃度高的區域，絮團體積濃度也很高，而絮團粒徑反而很小。

絮凝體的有效密度是絮凝體在水中的真實密度，是絮團的沉速計算的關鍵部分。圖中顯示有效密度變化范圍較大，在0～500 g/L之間，且底層的有效密度明顯大于表層和中層，大潮期間的表層和中層有效密度比小潮的略大。

絮凝體沉速在大小潮時刻存在差異。大潮時刻，最大沉速為1.2 mm/s，大部分沉速小于0.8 mm/s，沉速垂向分布從大到小依次為底層、中層、表層，而小潮時刻底層沉速明顯大于表層和中層，最大可達1.3 mm/s，表層和中層沉速較接近，均小于0.6 mm/s。

4 討論

4.1 絮團特性

4.1.1 絮團組成

圖4a中展示了特征時刻的粒徑累計百分比。對比絮團的現場觀測和泥沙室內分散粒徑的累計頻率曲線可知，現場粒徑頻率和室內粒徑頻率分布差別很大，形成絮團后，細顆粒組分所占頻率明顯減小，而較大顆粒組分所占比例較高，可見在磨刀門口外，水體中的細顆粒參與了絮凝，并且更多的形成大絮團。從垂向分布上看，表層的分散粒徑最細，且現場形成的絮團最小，而中層的分散粒徑最粗，絮團也大于表層和底層，說明在珠江磨刀門河口泥沙分散粒徑的大小與形成的絮團大小有密切關系。

4.1.2 體積濃度與絮團粒徑

Van der Lee[18]認為，在高體積濃度情況下，絮凝體顆粒增多，加大了絮凝體之間的碰撞幾率，有利于形成大的絮凝體，絮凝體粒徑隨著體積濃度的增大而增大。程江[6]觀測了長江口徐六涇的絮凝現象，認為絮凝體平均粒徑和體積濃度的關系存在兩個階段，在臨界體積濃度(75 μL/L)之下時絮凝體平均粒徑隨體積濃度增加而增大，超過臨界值(75 μL/L)時絮凝體平均粒徑隨體積濃度的增加變化不大。本次的觀測結果與之略有不同，大、小潮中由于表層和中層的體積濃度基本處于75 μL/L以下，因而呈現出隨著體積濃度的增大而增大的關系，但是底層卻無明顯的相關性，這有可能是底部較大含沙量產生再懸浮作用，增加絮團間碰撞，因而并未產生隨體積濃度增加而絮團增大的現象。

4.1.3 沉速與絮團粒徑

絮凝體沉速和其平均粒徑之間的關系可以用ωS=α·Dmβ來表示[17]。從圖5中可以看出，大小潮時刻的絮團沉速均沒有明顯的分層現象，大潮時刻絮團沉速隨著絮團粒徑增大而增大，α值在0.000 005～0.000 7之間，β值在1.1～2.3之間，但小潮時刻則沒有這一明顯關系。根據Stokes公式，絮團的沉速由有效密度和絮團粒徑共同控制，同時也會受到其他物理、化學和生物因素的影響，因而小潮時刻的特殊性還需進一步研究。

圖5 絮團粒徑和體積濃度、沉速的關系Fig.5 Ralationship between floc diameter，volume concentration and settling velocity

4.1.4 珠江口絮凝特性

表2展示了國內外河口的絮團研究成果，對比可知，珠江口磨刀門絮團平均粒徑較大，與國外幾個河口相接近，變化范圍從10～600 μm不等，略大于長江河口的14～191 μm；同時絮團的有效密度在5～500 kg/m3，比國外河口及長江口小；總體沉速較小與長江口絮團沉速相接近。造成這些差異的原因主要與珠江口磨刀門河口的水動力特性有關，磨刀門河口含沙量為0.05～0.2 kg/m3，遠低于長江口的0.1～0.6 kg/m3，并且流速小于長江口(最大0.8 m/s)，易形成比長江口大的絮團，同時珠江口相比于國外的河口較大，徑流量大，水體交換劇烈，因而產生較低的有效密度，且沉速也相對較小。此外，珠江河口泥沙絮凝現象在不同季節也有不同的特征，對比夏小明等[10]在枯季的觀測結果，發現珠江河口洪季的絮團粒徑，沉速等均大于枯季，這可能與徑流量、潮流及溫度等因素的季節性變化有關。總體看來，珠江河口擁有特殊的動力條件，其泥沙運動中絮凝過程是一個值得深入研究的課題。

表2 國內外河口絮凝研究結果比較Tab.2 Comparison about the floc from different researchers

4.2 絮團時空差異及影響因素

4.2.1 垂向變化

程江[6]觀測了長江口絮凝現象，發現絮凝大小在垂線上表現為從表層到底層逐漸增大的規律。但本次綜合磨刀門河口大、小潮絮凝體在不同特征潮位的垂線變化(圖6)發現，泥沙絮凝體粒徑大小在垂線上基本表現為由表及底先增后減的趨勢，在中層出現最大值，表、底層粒徑相對較小且大小相接近。從鹽度垂向分布圖(圖6)可知，鹽度在垂向上表現為從表層到底層逐漸增大的趨勢，且水體分層較為明顯，小潮時刻水體層化現象大于大潮時刻(見圖7)。

圖6 大小潮絮團大小和鹽度的垂向分布Fig.6 Profile of floc diameter and salinity along the flow depth

圖7 鹽度與絮團大小的關系Fig.7 Relationship between mean floc diameter and salinity

有對長江口的研究表明[24—26]，鹽水會促進絮團的形成，鹽度對絮凝體大小的影響分兩個階段，在較低的鹽度下，鹽度的增加會促使大絮團的產生，而當超過一定鹽度之后，對于絮凝體大小的影響不明顯，有學者在長江口研究得到最佳絮凝鹽度范圍為3～16[6—7,26]。但夏小明等[10]在珠江口的研究中發現河口鹽度與現場平均粒徑和沉速之間似乎沒有較好的相關性，并且在不同的河口水域會呈現出不同的規律，鹽度的絮凝效應具有明顯的區域變化特征。本次在珠江磨刀門河口的觀測中，研究區域鹽度較高，大潮鹽度在15～30之間，小潮鹽度在7～30之間，將絮團粒徑與鹽度作相關性分析(見圖7)，發現絮團粒徑大小與鹽度沒有明顯相關關系，大絮團多出現在20～30的鹽度范圍內，鹽度可能超過了影響絮凝形成的最佳范圍，因此鹽度對絮凝的形成影響較小，說明在珠江磨刀門河口，鹽度并非制約絮團形成的主要因素。

4.2.2 大小潮差異

水動力條件是制約水體中絮凝形成的關鍵因素。阮文杰[27]對絮凝形成機理的研究結果顯示，流速對于絮凝的影響應分為兩個階段：在流速較小時，水體的紊動使得水體中泥沙顆粒碰撞增加，利于形成絮團；當流速增加到一定值之后，絮團體積也達到峰值，此時流速的增加使得絮團受到的剪切力增加，絮團自身會被分解，因而會阻礙大絮團的產生。現場流速和絮團大小關系如圖8，由圖可知，小潮時刻總體的絮團粒徑要大于大潮時刻，粒徑變化范圍也比大潮時刻大。流速與絮團大小并無明顯相關性，但在大小潮時刻流速對絮團的影響明顯不同，在小潮時刻，會有大于150 μm的絮團產生，而在大潮流速較大時，絮團反而會變小，由此可見，在珠江磨刀門河口，大小潮之間的動力差異是導致絮團大小不同的主導因素，但由于其他因素的影響，流速與絮團大小的關系較為復雜，絮團大小的變化規律還需進一步研究。

圖8 流速與絮團大小的關系Fig.8 Relationship between mean floc diameter and velocity along the Modaomen Estuary

5 總結

本文根據洪季珠江口磨刀門口外定點觀測數據，分析討論了懸沙絮凝特征，得到以下主要結論：

(1)珠江口磨刀門懸沙絮凝現象顯著，絮團平均粒徑是分散粒徑的2.3倍。絮團大小在13.0～273.8 μm之間。小潮絮團大于大潮，大潮平均大小為76.9 μm，小潮平均大小為131.5 μm。絮團的體積濃度受懸沙濃度影響，垂向分布規律為底層最大，最高可達200 μL/L，表層和中層則大多不超過50 μL/L。珠江口形成絮凝的泥沙以粒徑小的細顆粒為主，并且泥沙分散粒徑對于形成絮團的大小有密切關系；

(2)通過計算得到有效密度、沉速的分布規律，其在空間分布上表現為底層水體較大，中層和表層水體較小，有效密度變化范圍在5～500 g/L，沉速則在0～1.3 mm/s之間，在時間分布上，大小潮的差異不顯著。通過相關性分析可知，表層和中層的體積濃度和絮團大小有較明顯的正相關關系，而底層則由于較高的含沙量使絮團碰撞沉降，絮團并未隨著體積濃度的增加而增大；沉速和絮團粒徑大小的關系在大小潮不同，大潮時沉速隨粒徑增大而增大，但小潮時刻沒有明顯的相關性；

(3)通過分析鹽度和流速對于絮團大小的影響可知，在珠江口高鹽度(鹽度10～30)的環境下，鹽度對于絮團大小的影響很小；絮團粒徑在大小潮之間的差異主要由流速差異引起，大潮時刻流速較大，難以形成大于150 μm的絮團，而在流速較小的小潮時刻，可以形成大于150 μm的大絮團，由此可見流速對于絮團大小的影響分兩個階段，當流速較小時促進絮團的形成，當流速較大時則會破壞絮團，抑制大絮團的形成。

致謝：本研究現場采樣得到中山大學河口海岸研究所的協助，特此感謝!

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Observations of in situ flocs characteristic in the Modaomen Estuary of the Pearl River

Deng Zhirui1，He Qing1，Yang Qingshu2，Lin Jianliang1

(1.StateKeyLaboratoryofEstuarineandCoastalResearch，EastChinaNormalUniversity，Shanghai200062，China；2.InstituteofEstuarineandCoastalResearch，SunYat-SenUniversity，Guangzhou510275，China)

The Laser In Situ Scattering and Transmissometry-100(LISST-100)was used to the field observation in the Modaomen Estuary of the Pearl River during the July 2013(flood season). Based on the in situ data，we get some flocculation information: the dispersion of suspended sediment particle size is about 27.9 μm，the measured floccules mean diameter is about 91.6 μm，it indicated that suspended sediment flocculation phenomenon significantly. The in situ mean diameter of floc varied from 13.0 to 273.8 μm，the neap tidal floc was larger than spring tide. The variation of floc particle size was decreases at first，and then increases. The relationship between floc diameter and volume concentration，settling velocity were vary from case to case. The volume concentration and particle size of the floccules had positive correlation in surface and middle layer，floccules settling velocity increases with the increase of particle size in spring time. Comprehensive analysis of the factors affecting flocculation，the results show that the salinity have no significant relationship with floccules size，the influence of velocity to floccules had two kinds of circumstances，large flow motion will hinder the development of the floc size. These knowledge will contributes to a further understanding of fine sediment transport characteristics and biochemical process in the Pearl River Estuary.

Pearl River Estuary; Modaomen Estuary; suspended sediment; flocculation

2015-01-22；

2015-04-09。

國家自然科學基金項目(41276080,41476073，51320105005)；科技部科技基礎性工作專項重點項目“中國典型河口動力沉積地貌本底數據調查”(2013FY112000)。

鄧智瑞(1990—)，男，廣西省來賓市人，博士研究生，主要從事河口海岸泥沙研究。E-mail：52132601012@ecnu.cn

*通信作者：何青，教授，主要從事河口海岸水沙運動研究工作。E-mail：qinghe@sklec.ecnu.edu.cn

10.3969/j.issn.0253-4193.2015.09.015

P737.14

A

0253-4193(2015)09-0152-10

鄧智瑞，何青，楊清書，等. 珠江口磨刀門泥沙絮凝特征[J]. 海洋學報，2015，37(9):152-161，

Deng Zhirui，He Qing，Yang Qingshu，et al. Observations of in situ flocs characteristic in the Modaomen Estuary of the Pearl River[J]. Haiyang Xuebao，2015，37(9):152-161，doi：10.3969/j.issn.0253-4193.2015.09.015