山東半島東部海域泥質(zhì)區(qū)冬季懸浮泥沙時空變化及輸運機制?

冷 星， 朱龍海，2**， 胡日軍，2

(1.中國海洋大學(xué)海洋地球科學(xué)學(xué)院，山東 青島 266100； 2.中國海洋大學(xué)海底科學(xué)與探測技術(shù)教育部重點實驗室，山東 青島 266100)

黃海是一個半封閉式的陸架淺海[1]，是世界上懸浮泥沙含量最高的海域之一，每年有大量來自中國和朝鮮半島河流攜帶的陸源泥沙匯入黃海[2]。山東半島東部海域位于南、北黃海的交界區(qū)域，水動力作用較為強烈，懸浮泥沙含量高，是現(xiàn)代黃河沉積物向外海擴散的重要通道[3]。該海域既是陸源沉積物的匯，也是外海沉積物的源[4]，并且海域內(nèi)沉積有記錄環(huán)境變化信息的泥質(zhì)體，因而引起了國內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注。

泥質(zhì)體主要發(fā)育在大陸架邊緣，不僅記錄著不同歷史時期的海侵海退和氣候變化[5]等信息，同時也記錄了人類活動的信號[6]。二十世紀(jì)八十年代發(fā)現(xiàn)在山東半島東部海區(qū)存在一向海延伸的泥質(zhì)楔[7]，山東半島泥質(zhì)楔保存著全新世以來黃河泥沙及入海口的變化，也保存了山東半島東部海域的海流、氣候、環(huán)境變化等信息[8]。根據(jù)高分辨率淺地層剖面資料[9-10]、同位素測年[9,11-12]、礦物和地球化學(xué)分析[13-14]等多種分析手段，認為泥楔形成于11.6～4 kaBP[8-10]，其表層沉積速率為6～12 mm/a[15]。

黃河入海泥沙大部分在山東半島水下三角洲區(qū)域沉積，剩余約有1%～30%的黃河泥沙通過渤海海峽向北黃海輸運，而這其中有一部分的泥沙沉積在山東半島北岸，其余的泥沙受沿岸流的影響繞過成山頭進入山東半島泥質(zhì)區(qū)，最終可輸運至黃海海域[10,15-18]。泥沙在渤黃海的擴散和沉積具有明顯的季節(jié)性變化[19]，泥沙多在夏季沉積入海，而冬季是泥沙向深海輸運的主要季節(jié)，由于受冬季強東北風(fēng)的影響，山東半島沿岸流增強、溫躍層消失[20]，沿岸流會攜帶大量泥沙沿岸向外海輸運，整個海域沉積物輸運體系呈現(xiàn)典型的“夏儲冬輸”特征[21]；但由于山東半島沿岸流和黃海暖流形成的近岸強海流切變鋒的阻礙，可抑制懸浮泥沙運移至山東半島東部陸架末梢，有利于山東半島Ω狀泥質(zhì)沉積體的形成[22]。

眾多學(xué)者采用大面站觀測、遙感反演和數(shù)值模擬等方法，研究了山東半島東部海域懸浮泥沙輸運特征，但該區(qū)域多站位同步連續(xù)潮周期定點觀測的研究成果較少，而且利用通量機制分解方法進行本海域懸浮泥沙輸運動力機制的研究也很少。本文將在前人研究的基礎(chǔ)上，根據(jù)4個站位25 h海流、懸沙同步觀測和取樣分析，運用通量機制分解方法，研究山東半島東部海域冬季懸浮泥沙濃度時空變化特征，探討山東半島東部海域冬季懸浮泥沙的輸運機制。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于山東半島東部海域地處中緯度，屬于溫帶季風(fēng)氣候，冬季主要是受山東半島沿岸流、黃海暖流的影響[23]。該區(qū)域位于南黃海與北黃海過渡區(qū)域，水深在20～40 m之間，海底凹凸不平，研究站位西側(cè)與山東半島之間有一道近NW向較深的海底沖刷潮槽，發(fā)育一環(huán)繞山東半島的反C形楔狀泥質(zhì)沉積體[8]，整體呈現(xiàn)中間厚、向海和陸減薄的Ω形狀[10]，最大厚度可達40 m，約在123°10′E處尖滅[24]，最遠可以延伸至80 m等深線處[25]。

2 資料與方法

2.1 資料來源

2015年12月12～13日，中國海洋大學(xué)在山東半島東部海域泥質(zhì)區(qū)進行了4個站位的大潮期25 h同步連續(xù)海流觀測和懸浮泥沙取樣，觀測站位見圖1。

(泥質(zhì)沉積體根據(jù)文獻[10]改繪。the mud area is modified from[10].)

采用聲學(xué)多普勒流速剖面儀(ADCP，600 KHz，美國)及直讀式電磁海流計(JFE AEM213-D，日本)觀測各層海流的流向和流速數(shù)據(jù)；采用CTD(美國TRDI公司CTD-NV型CTD ) 獲取剖面溫度、鹽度數(shù)據(jù)，每隔1 h采集一組剖面數(shù)據(jù)；利用采水器現(xiàn)場同步采集水樣；采用蚌式抓斗獲取底質(zhì)樣品；流速、流向和懸浮泥沙按表層、中層、底層三層進行數(shù)據(jù)處理分析。表層沉積物及懸浮泥沙粒度采用Mastersizer 2 000激光粒度儀測定，分析范圍為0.02～2 000 μm，樣品重復(fù)測量相對誤差小于3%。懸浮泥沙濃度采用抽濾實驗測定，測量準(zhǔn)確度約2%，詳細步驟如下：

(1)將雙層微孔濾膜(直徑為47 mm，孔徑為45 μm)在40 ℃條件下烘干至恒重后，在10-4g/g分析天平上稱濾膜重量，并將其置于已編號的空濾膜盒中。

(2)將取得的水樣經(jīng)過濾膜抽濾，抽干后記錄過濾海水體積，用去離子水沖洗濾膜2次。

(3)將帶有懸浮泥沙樣品濾膜烘干至恒重，并稱量樣品和濾膜總重量。

(4)將20%的樣品加空白校正膜平行進行空白校正。

2.2 計算方法

2.2.1 再懸浮、沉降通量 研究區(qū)4個站位懸浮泥沙粒度粒徑全部小于0.062 5 mm(4Φ)，屬于粘性泥沙，故再懸浮通量計算采用Partheniades[26]提出的公式，沉降通量采用Krone[27]提出的公式：

(1)

(2)

式中：E是再懸浮常數(shù)；τ0為底切應(yīng)力；τcr為臨界切應(yīng)力；cb為近底部懸浮泥沙濃度；ws為懸浮泥沙的沉降速度。

2.2.2 理查森數(shù) 在分層的海洋中，理查森數(shù)(Rig)用來判斷動能和密度層化的相對重要性：

Rig=N2/M2，

(3)

N2=-(g/ρ)(dρ/dz)。

(4)

其中N2為浮力頻率，反映了密度層化時，流體質(zhì)點由于浮力而產(chǎn)生垂直振蕩的頻率。Rig<0.25時，流體質(zhì)點的速度的作用大于密度層化的抑制，流體會出現(xiàn)剪切不穩(wěn)定，海洋中產(chǎn)生湍流；Rig>0.25時，水體層化現(xiàn)象明顯。

2.2.3 通量機制分解 根據(jù)Dyer[28]的物質(zhì)通量計算方法將懸浮泥沙通量分解為多個動力項，從而探討各動力項所對應(yīng)的主要動力因子對研究區(qū)懸浮泥沙輸運的相對貢獻大小。瞬時流速可以分解為垂向平均量及其偏差量，和又可分解為潮平均量和潮偏差量，則；同樣含沙量c可以分解為；水深可表示為h=h0+ht，則潮周期Tt平均瞬時單寬懸浮泥沙輸移通量T的計算式為：

(5)

式中：T1為歐拉余流引起的懸浮泥沙輸運；T2為斯托克斯漂移輸運量，T1+T2為拉格朗日平流輸運貢獻項；T3為潮汐與懸浮泥沙濃度的潮變化相關(guān)項；T4為懸浮泥沙與潮流場變化相關(guān)項，T3、T4是一個潮周期內(nèi)漲落潮引起的水體和底部泥沙雙向交換而產(chǎn)生的泥沙輸運，稱為潮泵效應(yīng)；T5為垂向流速變化和懸浮泥沙濃度變化的相關(guān)項，垂向上凈環(huán)流產(chǎn)生的貢獻；T6，T7為時均量和潮汐震動引起的剪切擴散；T8為垂向潮振蕩引起的剪切擴散。

3 結(jié)果

3.1 溫度、鹽度特征

根據(jù)溫度、鹽度調(diào)查結(jié)果，繪制1、2、4號站位溫度、鹽度垂向變化圖(見圖2)和時間序列剖面圖(見圖3)。

研究區(qū)3個站位溫度、鹽度垂向變化較小，混合較為均勻，水平梯度也較小，溫度變化范圍在8.78～10.30 ℃之間，鹽度變化范圍在31.21～31.60之間，整體呈低溫低鹽特征，主要受低溫低鹽的山東半島沿岸流影響。

一個潮周期內(nèi)，溫度、鹽度變化量較小且呈明顯的周期性變化規(guī)律。1、2號站位漲潮時溫度升高、鹽度減小，落潮時溫度降低、鹽度增大；4號站變化規(guī)律正好相反，漲潮時溫度降低、鹽度增大，落潮時溫度升高、鹽度減小。

圖2 1、2、4號站位溫度、鹽度垂向變化圖Fig.2 Vertical profiles of temperature and salinity at station 1, 2 and 4

圖3 1、2、4號站位溫度、鹽度時間序列剖面Fig.3 Time series profile of temperature and salinity at station 1, 2 and 4

3.2 海流特征

海流調(diào)和分析表明，研究區(qū)潮流性質(zhì)為正規(guī)半日潮，漲潮流速略大于落潮流速(見圖4)；潮流運動形式以往復(fù)流為主，表、中、底層流向基本一致(見圖5)，漲落潮方向隨山東半島沿岸走向變化而變化，1號站流向主要為WSW～ENE向，2、3號站主流向為SSW～NNE向，山東半島北部東向海流流經(jīng)成山頭時，由于慣性作用，4號站表層海流流向呈SSE向。

漲落潮最大流速及平均流速波動范圍較大，漲潮流時，研究區(qū)各站位潮流最大流速介于40.67～106.00 cm/s之間(見表1)；落潮流時，最大流速介于42.67～83.33 cm/s之間。總體上，離岸最近的2號站流速最大，距岸最遠的3號站流速整體較小；垂向上，各站位表層最大流速和平均流速均大于底層，流速自表層至底層逐漸減小。

圖4 各觀測站位海流流速、懸浮泥沙濃度時間序列剖面Fig.4 Time series profile of current velocity and suspended sediment concentration at observed stations

圖5 各觀測站位表層(a)、中層(b)、底層(c)實測海流矢量圖Fig.5 Current vectorgraph at surface (a), middle (b) and bottom layer(c)

3.3 懸浮泥沙濃度特征

研究區(qū)漲潮段懸浮泥沙濃度基本大于落潮段，但兩者相差并不大。漲潮段含沙量介于15.4～64.8 mg/L之間(見表2)，落潮段含沙量介于11.6～88.0 mg/L之間。平面上，懸浮泥沙濃度規(guī)律與流速相似，流速最大的2號站懸沙濃度也相對最大，3號站仍最小。垂向上，除1號站落潮段外，各站位平均含沙量自表層向底層遞增，并且3號站和4號站垂向濃度變化較小，混合較好。

研究區(qū)海域潮周期內(nèi)漲、落潮懸沙濃度大小變化過程非常復(fù)雜，懸沙濃度變化與流速的變化存在一定的相關(guān)性，含沙量對流速響應(yīng)較好，流速高值區(qū)對應(yīng)著懸浮泥沙濃度的峰值，但有輕微的滯后現(xiàn)象(見圖4)。

表1 各站位海流觀測結(jié)果統(tǒng)計一覽表Table 1 StatisticalTable of sea current at observed stations

表2 各站位懸浮泥沙濃度統(tǒng)計結(jié)果一覽表Table 2 StatisticalTable of suspended sediment concentration at observed stations

3.4 懸浮泥沙及海底表層沉積物粒度特征

根據(jù)謝帕德分類方法，研究區(qū)各站位、各層懸浮泥沙類型均為粘土質(zhì)粉砂(見表3)，粉砂、粘土含量高，平均值介于91.58%～97.77%之間；砂含量相對較低，平均值介于2.03%～8.42%之間。懸浮泥沙粒徑較小，平均粒徑介于6.66～6.87 Ф之間，各站位粒徑相差不大，相對來說，3號站粒徑較小，4號站位粒徑最大；分選系數(shù)介于1.60～1.99之間，分選較差；偏態(tài)介于-1.51～1.10之間，從極負偏到正偏；峰態(tài)介于2.06～2.86之間，呈寬平分布。

4個站位海底表層沉積物粉砂含量最高，平均值介于65.65%～70.81%之間；1、2號站為砂質(zhì)粉砂，3、4號站為粘土質(zhì)粉砂。平均粒徑較懸浮泥沙要大，介于5.81～6.30之間，3號站粒徑仍最小，2號站粒徑最大；分選系數(shù)介于2.23～2.31之間，分選差；偏態(tài)介于2.56～2.65之間，極正偏；峰態(tài)介于3.40～3.51之間，呈很寬峰態(tài)。

表3 各站位泥沙粒度參數(shù)統(tǒng)計結(jié)果一覽表Table 3 Grain size parameters of sediments at observed stations

3.5 余流特征

余流是指從實測海流中分離出周期性潮流后所余下的非周期的流。通過準(zhǔn)調(diào)和分析得到的歐拉余流，其表征經(jīng)過同一點流體微團的平均速度；斯托克斯漂流表示的是水體的凈漂移量；拉格朗日余流則是歐拉余流與斯托克斯漂流之和，描述了水體中懸浮物潮周期的凈輸移速度，能較好指示懸浮泥沙的輸運。各站位歐拉余流、斯托克斯漂流及拉格朗日余流的計算結(jié)果見表4。

歐拉余流在拉格朗日余流中占主導(dǎo)地位。2、3、4號站拉格朗日余流數(shù)值相近，并且三個站位的斯托克斯漂流較弱，歐拉余流與拉格朗日余流相差較小；1號站斯托克斯漂流是4個站位中最強的，對拉格朗日余流影響相對較大，但其歐拉余流較其他三個站位小得多，故1號站拉格朗日余流最弱。

4 討論

4.1 懸浮泥沙垂向運移特征

4.1.1 懸浮泥沙和表層沉積物的交換 漲停、落停時懸浮泥沙粒徑較小(見圖6)，但漲急、落急時粒徑相對較大，頻率曲線向粗顆粒方向(φ值減小)偏移，表層沉積物平均粒徑較懸浮泥沙要大，說明漲急、落急時刻有底部顆粒沉積物加入水體，發(fā)生了再懸浮。

將實測沉積物粒度、近底懸浮泥沙濃度、流速數(shù)據(jù)帶入式(1)、(2)計算表明，潮周期內(nèi)各站位再懸浮通量、沉降通量值較小(見圖7)，但再懸浮通量略大于沉降通量，且再懸浮通量變化與潮流流速有關(guān)。研究區(qū)海底表層沉積物主要為粘土質(zhì)粉砂和粉砂，顆粒較細，在研究區(qū)較強水動力作用下，泥沙較易起動，流速增大，再懸浮通量隨之增大，反之，再懸浮通量逐漸減小；當(dāng)流速降至最低時，因底部切應(yīng)力小于臨界值，懸浮泥沙發(fā)生沉降。其中，2號站雖表層沉積物粒度最粗，但其流速最大，近底剪切應(yīng)力最大使得再懸浮通量值較高；而1號站表層沉積物粒度較粗，流速較小，因而再懸浮通量值最小、沉降通量值最大。

懸浮泥沙和底沙的交換直接影響底層懸浮泥沙濃度的變化，進而影響研究區(qū)含沙量的變化。但是再懸浮通量峰值與含沙量濃度峰(見圖4)并不完全一致，說明研究區(qū)懸浮泥沙濃度不僅會受到再懸浮的影響，在再懸浮通量峰值發(fā)生后，還受平流輸沙等其他因素影響，懸浮泥沙濃度仍會繼續(xù)升高。

表4 各站位余流Table 4 Residual currents for stations at study area /cm·s-1

圖6 各觀測站位漲急、落急時懸浮泥沙和表層沉積物粒度頻率曲線圖Fig.6 The grain size frequency curve of surface sediments and suspended sediment during maximum flood andebbat observed stations

4.1.2 懸浮泥沙的垂向混合 研究區(qū)海域懸浮泥沙受湍流作用垂向混合劇烈，只有個別時段理查森數(shù)(Rig)略大于0.25，水體有輕微的層化現(xiàn)象(見圖8)。1、2號站Rig略高于3、4號站位，但研究區(qū)4個站位Rig大多都小于0.25，基本無層化現(xiàn)象，水體中懸浮泥沙在強湍流混合作用下擴散到整個水柱中，并且研究區(qū)4個站位表、中、底各層懸浮泥沙粒徑相差較小(見表3)，底層和表層的平均粒徑平均僅差0.08 Ф，表底懸浮泥沙混合均勻；只在1號站19點、2號站18點，Rig大于0.25，此時水體處于層化狀態(tài)，湍流被抑制，懸浮泥沙的垂向混合減弱，致使底層再懸浮的泥沙無法進入上層水體，底層含沙量明顯大于中、上層(見圖4)。

圖7 潮周期內(nèi)各觀測站位再懸浮通量、沉積通量與流速的變化Fig.7 The variation between resuspension, settling flux and velocity in the tidal cycle at observed stations

圖8 各站位理查森數(shù)(Rig)時間序列剖面Fig.8 Time series profile of Richardson number(Rig)at observed stations

4.2 懸浮泥沙輸運機制

根據(jù)懸浮泥沙輸運通量機制分解結(jié)果(見表5)，拉格朗日平流輸移項(T1+T2)占據(jù)主導(dǎo)地位，其次為垂向凈環(huán)流(T5)和潮泵效應(yīng)(T3+T4)，剪切擴散項(T6+T7+T8)數(shù)值極小。拉格朗日平流輸移項(T1+T2)不僅取決于拉格朗日余流的大小，還與懸浮泥沙濃度有關(guān)，1號站余流最小、3號站懸浮泥沙濃度最小，故1、3號站T1+T2較小。四個站位歐拉余流輸運項(T1)對凈輸沙的貢獻最大；2、3、4號斯托克斯余流輸運量(T2)較T1小得多，對整體懸浮泥沙輸運影響較小，而1號站斯托克斯余流相對較大，對平流輸運及整體凈輸沙影響較大；T3+T4主要取決于泥沙再懸浮和沉降作用，T3、T4、T5對懸浮泥沙輸運也有影響，但是數(shù)值都不大，影響十分小；T6+T7+T8貢獻極小，對研究區(qū)整體懸浮泥沙輸運幾乎無影響。

表5 研究區(qū)各站位懸浮泥沙輸運通量機制分解Table 5 Mechanism decomposition of suspended sediment flux at observed stations /g·s-1·m-1

根據(jù)上述計算可知，研究區(qū)漲落潮水體的平流輸運對泥沙運移起主要作用，而再懸浮、垂向交換是相對次要的。這說明研究區(qū)漲落潮流雖然會攜帶搬運大量懸浮泥沙，但其中大部分泥沙只是隨潮流作用往復(fù)搬運，并未產(chǎn)生凈輸運；泥沙再懸浮、沉降與湍流也都會引起研究區(qū)懸浮泥沙濃度變化，但對懸浮泥沙凈輸運的影響較小。而余流是非周期性的，可以攜帶泥沙進行長距離搬運，研究區(qū)4個站位凈輸沙方向與拉格朗日余流方向(見圖9)大致相同，平流輸運才是影響研究區(qū)海域懸浮泥沙運移的最主要因素。

圖9 研究區(qū)各站位懸浮泥沙輸運通量與余流矢量疊置圖Fig.9 Suspended sediment flux and residual current at observed stations

懸浮泥沙凈輸運主要向泥質(zhì)沉積體中心或沿岸輸運。北側(cè)4號站懸浮泥沙主要向東南方向輸運(見圖9)，3號站向正南方向運向泥質(zhì)沉積體的中心(見圖1)，西側(cè)2號站和南側(cè)1號站分別沿岸向西南和西北方向輸沙。3號站與2、4號站的懸浮泥沙輸運通量值差距大，而2、3、4號站余流大小相差較小，這是因為3號站的懸浮泥沙濃度明顯小于2、4號站。3號站位于泥質(zhì)沉積體頂積層之上，頂積層附近海域存在溫度鋒面[29](見圖10)，起到“水障”的作用，故此處流速較低，懸浮泥沙濃度也相應(yīng)較小。

黃海是一半封閉的陸架淺海，幾乎不受外海物質(zhì)的影響[30]。山東半島陸域沉積物通過黃河及沿岸短源河流搬運作用入海，山東半島沿岸流再攜帶入海懸浮泥沙及侵蝕沖刷黃河三角洲、濱岸帶再懸浮的泥沙通過渤海海峽，搬運出渤海[31]，之后沿山東半島沿岸向東輸運，繞過成山頭后繼續(xù)沿岸向南運移到山東半島東部海域。在強冬季風(fēng)作用下，沿岸流增強，山東半島東部海域會發(fā)生再懸浮現(xiàn)象，并且垂向混合劇烈。南下的沿岸流與北上的黃海暖流在山東半島東部海域發(fā)生強海流切變[1]，形成的鋒面抑制懸浮泥沙的離岸輸運，使懸浮泥沙只能擴散至泥質(zhì)體頂積層附近，或者沿岸向山東半島南側(cè)海域輸運，并不能穿越鋒面繼續(xù)向外海輸運[1]，因此山東半島東部海域冬季懸浮泥沙濃度高。而夏季懸浮泥沙不易再懸浮，且溫躍層也阻止底層懸浮泥沙的垂向擴散，有助于平流輸運攜帶的泥沙及之前水體中的泥沙在此沉積，堆積形成山東半島東部海域特有的Ω形泥質(zhì)沉積體。

(根據(jù)文獻[29]改繪。modified from reference[29].)

5 結(jié)論

(1) 研究區(qū)潮流性質(zhì)為正規(guī)半日潮,潮流運動形式為往復(fù)流，各站位漲落潮方向大致與山東半島海岸線平行，潮流流速自表層至底層、由岸向海逐漸減小，漲潮流速略大于落潮流速。

(2) 懸浮泥沙濃度漲潮時段大于落潮時段，且自表層至底層逐漸增大，但變化梯度較小，垂向混合較好。懸浮泥沙濃度變化與潮流流速大致呈正相關(guān)關(guān)系，但相對于潮流流速存在輕微的滯后現(xiàn)象。

(3) 懸浮泥沙類型均為粘土質(zhì)粉砂，粒徑較小，分選較差；海底表層沉積物平均粒徑大于懸浮泥沙，距岸近的站位為砂質(zhì)粉砂，離岸相對較遠的站位為粘土質(zhì)粉砂，分選差。

(4) 懸浮泥沙濃度變化一定程度上受泥沙再懸浮、沉降與湍流的影響。研究區(qū)各站位的再懸浮通量略大于沉降通量，但量值均較小；懸浮泥沙受湍流作用垂向混合劇烈(理查森數(shù)<0.25)，個別時段有輕微的層化現(xiàn)象。

(5) 懸浮泥沙通量機制分解表明，平流輸運是山東半島東部海域懸浮泥沙凈輸運中最主要的輸沙機制、占據(jù)主導(dǎo)地位，懸浮泥沙凈輸運方向主要向泥質(zhì)沉積體中心或沿岸輸運。