潮流和風浪對海底邊界層剪切應力和懸浮物濃度影響的觀測研究*

趙蓋博，邊昌偉，徐景平

(1.中國海洋大學海洋地球科學學院，山東 青島 266100；2.中國海洋大學物理海洋教育部重點實驗室，山東 青島 266100；3.南方科技大學海洋科學與工程系，廣東 深圳 518055;4.青島海洋科學與技術試點國家實驗室 海洋地質過程與環境功能實驗室，山東 青島 266000)

黃河是中國入海大河中含沙濃度最高的河流，多年平均結果顯示黃河泥沙入海量高達109t/年[1]。黃河泥沙在渤海和黃海的輸運機制和源匯過程等問題一直受到科學家的關注，但是在黃河泥沙入海后的再分配問題上至今仍有很大爭論。尤其是Milliman等[2]首先發現了山東半島東南存在水下沉積體，在隨后的研究中認為沉積體的物質來自黃河泥沙并把它稱為山東水下三角洲[3-4]。Liu等[5]通過綜合分析魯北海域的2個鉆孔和約1 700 km淺層地震測線解釋了山東水下三角洲的成因。針對本區域這一輸運體系，國內外學者通過鉆孔沉積物分析、地球物理測線剖面解析、數值模擬等方法開展了大量研究[6-14]。然而本海域的現場原位觀測比較缺乏，尤其是缺乏底邊界層沉積動力觀測數據，無法直接認識和確定沉積物在海底的起動、輸運和沉積的動力過程和機制。

本文依托國家自然科學基金“黃河沉積物環山東半島陸架的搬運和沉積過程及機制研究”，在黃河泥沙繞過山東半島向水下三角洲輸運的關鍵海域(山東半島成山角海域)進行了一次持續156 h的原位座底連續觀測，利用獲取的觀測資料研究了該海區潮流、波浪對底邊界層水動力和沉積物輸運過程的影響，并建立了該海區潮流和波浪對底剪切應力和懸浮物濃度(SSC)影響的參數化公式，可以用于定量研究黃河泥沙向山東半島南端水下三角洲的輸運過程。

1 研究區域及方法

觀測站位(122°52.216′E，36°51.803′N)位于黃河沉積物向山東水下三角洲輸運的關鍵通道—山東半島成山角附近的黃海海域，觀測站位的水深為27 m(見圖1)。該海域潮流類型為不規則半日潮，平均潮差較小，為0.75 m[15]。研究海域屬于典型的季風氣候，冬季盛行偏北風，平均風速6～7 m/s，夏季盛行南到東南風，平均風速為5～6 m/s[15]。研究站位所在海域底質類型為粘土質粉砂，其中粉砂含量可達40%～70%，其次為粘土，其含量為20%～50%[16]。

本文于2018年2月23日～3月2日在觀測點放置座底三腳架平臺，平臺配備了一臺高頻點式流速儀(Nortek 6 MHz ADV)、一臺濁度計(RBR-TU)和一臺流速剖面儀(RDI WorkHorse 600 kHz ADCP)，用以觀測高頻流速、濁度以及有效波高等，來換算底邊界層湍混合強度、懸浮物濃度、水體流速和波浪狀況。其中ADV以脈沖方式進行流速(u，v，w)采樣，脈沖間隔為1 h，每次采樣10 min，采樣頻率為32 Hz，采樣體積位于距離海底71 cm處；RBR-TU每隔10 s記錄一次濁度數據，采樣點距離海底116 cm；ADCP設置為‘仰視’，本研究主要使用其波浪模塊獲取有效波高(Hs)和波周期(T)參數，采樣時間間隔為20 min。除了本文研究所用的觀測站，觀測航次還在附近海域布放了其他四套海底邊界層沉積物動力過程觀測三腳架，并在37°N斷面進行了SSC的大面觀測(見圖1)。

(五星標注的站位為本文研究站位。圖中虛線為研究海區水深(單位：m)，黑色實線為山東水下三角洲厚度分布[17]。The station labeled by the red star is used in this paper.The dotted line is the isobath of the study area (Unit:m),and the black solid line is the thickness distribution of the Shandong underwater delta.)
圖1 連續座底觀測站位(紅色五星和紅點)和大面觀測站位(黑點)分布圖
Fig.1 The distribution of mooring stations (red star and red dots)and transect stations (black dots)

2 觀測結果

圖2所示為觀測站位在觀測期間的氣象、水文和懸浮物分布情況。觀測期間的風速資料來源于美國國家環境預報中心的氣候預報系統 NCEP CFSv2(NCEP Climate Forecast System version 2)，據前人在東中國海的研究結果[18]，NCEP風場數據與實測結果擬合度較高，相關系數達0.91。在觀測初期(1～30 h)有一次較大的偏北風過程，最大風速可達13.33 m/s，隨后風速變小，風向也變為南風，觀測末期(129～156 h)又經歷了一場較強的偏北風大風過程，風速最大達到16.42 m/s。圖2(b)中的有效波高結果來源于座底三腳架ADCP的測波模塊。兩次強風期間有效波高的最大值分別為3.02和3.19 m，而弱風期間有效波高的最大值僅為1.17 m。由于有效波高、懸浮物濃度等參數在兩次強風期間明顯升高，為方便討論，我們以有效波高是否大于1 m為主要依據，將觀測分為強風浪過程(見圖2陰影部分，除152～156 h外Hs>1 m)和弱風浪過程(見圖2非陰影部分，除80～83 h外Hs<1 m)。觀測站位的流速由ADV獲取，將ADV在ENU坐標系下輸出的高頻流速做平均，得到u，v，w方向的10 min平均的流速時間序列(見圖2(c))。在觀測期間，東西方向的最大流速約為0.21 m/s，南北方向的最大流速約為0.49 m/s。圖2(d)所示為觀測站位的濁度時間序列，兩次強風浪過程的濁度較弱風浪期間均有明顯上升，且第二次強風浪過程的濁度峰值(109 NTU)遠大于第一次強風浪過程的濁度峰值(40 NTU)。在強風浪過程臨近結束時，第二次強風浪過程的濁度值也顯著高于第一次強風浪過程。需要指出的是，前人在觀測海區的研究表明，濁度跟懸浮物濃度基本是線性關系[19]，為表述方便，本文直接將濁度計觀測的濁度作為懸浮物濃度進行研究分析。此外，通過ADCP測量的水體剖面可以看出，底邊界層的厚度約為4.1～4.6 m，ADV和RBR-TU的測量點位于海底邊界層中的常應力層內，切應力不隨深度變化。

3 分析與討論

3.1 潮流對底剪切應力的作用

理論上，潮流流速大小(|U|)的平方跟潮致剪切應力成正比。如圖3(a)所示，觀測期間的底剪切應力隨流速大小變化而變化，但是在兩次強風浪期間，底剪切應力會急劇升高。平均流速的平方與底剪切應力的線性擬合結果(見圖3(b))表明底剪切應力跟|U|2相關性較差(τtotal=2.48×|U|2+0.034，r=0.57)。這是由于在強風浪過程中，底剪切應力不再直接受控于潮流流速，浪致剪切應力可能起主導作用(見圖3(a))。為了區分潮流和風浪對底剪切應力的影響，我們按照圖2所示的三種風浪強度過程分別對|U|2和底剪切應力進行擬合(見圖4(a))。結果顯示，在弱風浪期間，底剪切應力與潮流流速的相關系數較高(r=0.89)，結合SPSS顯著相關性檢驗結果(p=0.016)，可認為底剪切應力受潮流流速控制，二者顯著相關，其擬合關系式為：

(圖中陰影區域為觀測經歷的兩次強風浪過程。The shaded areas are observed during two strong wind waves.)圖2 觀測站位氣象、水文和懸浮物濃度時間序列(a)風速與風向(b)有效波高(c)u，v，w方向平均流速(d)懸浮物濃度Fig.2 The time series of meteorological,hydrological and suspended sediment concentration (a)wind speed and direction (b)effective wave height (c)average velocity of u,v and w (d)suspended sediment concentration

圖3 (a)觀測期間平均流速的平方(|U|2)與底剪切應力(τtotal)的時間序列 (b)觀測期間平均流速的平方(|U|2)與底剪切應力(τtotal)的擬合關系Fig.3 (a)The time series of the square of mean velocity (|U|2)and bottom shear stress (τtotal)(b)The fitting relationship between the square of mean velocity (|U|2)and the bottom shear stress (τtotal)during the observational period

(紫色、藍色和橙色分別代表第一次強風浪、弱風浪和第二次強風浪過程。Purple,blue and orange represent the first strong wind wave weak wind wave and second strong wind wave processes,respectively.)
圖4 (a)觀測期間底剪切應力(τtotal)的時間序列和(b)觀測期間平均流速的平方(|U|2)與底剪切應力(τtotal)的擬合關系
Fig.4 (a)The time series of bottom shear stress (τtotal)during the observation and (b)the fitting relationship between the square of mean velocity (|U|2)and the bottom shear stress (τtotal)

τtotal=1.71×|U|2+0.016。

(1)

而在兩次強風浪過程中，底剪切應力不僅受潮流流速大小的影響，更受波浪波軌速度的影響，因此|U|2與底剪切應力相關性較差(τtotal=2.90×|U|2+0.085，r=0.68；τtotal=3.69×|U|2+0.120，r=0.59)。

3.2 風浪對底剪切應力的作用

強風浪期間的底剪切應力(τtotal)既包括波浪導致的浪致剪切應力(τwave)又包括潮流導致的潮致剪切應力(τtide)。如需量化風浪對底剪切應力的作用，需要先將潮致剪切應力從總剪切應力中剔除。在3.1節中，量化了潮流流速和底剪切應力的關系(公式(1))。因此只需要確定風浪期間潮流流速的大小，就可以根據上述關系式計算出強風浪期間潮致剪切應力的大小。需要注意的是，風浪和潮流的相互作用是非線性的，波流相互作用產生的底剪切應力的估算非常復雜。為便于研究，本文假定潮致剪切應力和浪致剪切應力是線性疊加的。基于上述假定可以計算出浪致剪切應力τwave=τtotal-τtide。

(2)

圖5 觀測期間ADV實測平均流速(藍色)和T_tide調和分析模擬的潮流流速(橙色)Fig.5 The measured average velocity (Blue)andthe tidal current velocity (Orange)simulated by T_tide harmonic analysis during the observational period

圖6 (a)第一次強風浪過程潮致剪切應力(Stress_tide)和浪致剪切應力(Stress_wave)(b)第二次強風浪過程潮致剪切應力(Stress_tide)和浪致剪切應力(Stress_wave)(c)兩次強風浪期間波軌速度的平方和浪致剪切應力(τw)的擬合關系Fig.6 The time series of tide-induced shear stress (Stress_tide)and wave-induced shear stress (Stress_tide)during (a)the first strong wind wave process and (b)the second strong wind wave process (c)The fitting relationship between the square of wave orbital velocity and wave-induced shear stress (τw)

3.3 弱風浪情況下潮流對SSC的影響

在陸架淺海區，局地SSC的分布受到潮流和波浪等多種動力因素共同影響。在水平方向上，如果存在SSC水平梯度，則潮流的平流輸運作用會引起局地SSC的變化；在垂直方向上，潮流和風浪導致的湍混合會造成局地懸浮物的垂向擴散，再加上懸浮物本身的沉降，都會引起局地SSC的垂向分布變化。Weeks等[22]和Krivtsov等[23]提出，在任意給定位置，SSC的變化是由平流輸運和局地再懸浮共同決定的。Li等[24]對長江口的水文和泥沙觀測進行定量化分析后指出，平流輸運與局地再懸浮組分對研究區SSC變化的貢獻量大小相當。本節通過原位觀測的流速和懸浮物濃度數據量化平流輸運作用和局地再懸浮作用對觀測站位SSC的影響。

弱風浪過程中，懸浮物的局地再懸浮主要是由潮流流速決定的：潮流流速增大，底剪切應力增強，顆粒物再懸浮就增多，造成SSC升高；反之，潮流流速減小，底剪切應力變弱，顆粒物再懸浮就減少，造成SSC降低。然而，如圖7中陰影時刻所示，隨著流速的增大，觀測點的剪切應力逐漸增強，然而SSC卻隨流速增大而降低。SSC的變化具有顯著的潮周期，但是又明顯與潮流流速不相關。通過觀測海區同步進行的其他站點的SSC分布發現，觀測站位處存在較強的SSC水平梯度，西南方向的SSC高，東北方向的SSC低。因此，當潮流從西南方向流向東北方向時，就會攜帶高SSC水體經過觀測站位，造成觀測的SSC升高；反之，當潮流從東北方向流向西南方向時，就會攜帶低SSC水體經過觀測站位，造成觀測的SSC降低。因此，在研究站位，潮流從兩方面影響SSC分布：潮流引起的底剪切應力變化對懸浮物的局地再懸浮和潮流的平流輸運作用。

為了量化潮流局地再懸浮和平流輸運作用對SSC的影響，建立了一個參數化公式：

SSCvar=SSC0+u×t×dSSCu+v×t×dSSCv+(u2+v2)×dSSCresuspend。

(3)

其中：SSCvar代表t時間段內SSC的變化量；SSC0為背景濃度；u，v為水平潮流流速；dSSCu、dSSCv為東西和南北方向的SSC梯度；dSSCresuspend為潮流再懸浮作用導致的SSC變化。利用弱風浪期間98 h的觀測數據可以確定參數化公式(3)中的SSC水平梯度(dSSCu、dSSCv)和SSC再懸浮量(dSSCresuspend)。

懸浮物的背景濃度在觀測期間也有變化，以SSC最低點的連線作為SSC背景濃度值(見圖8中黃線)。此外，89～98 h內底剪切應力明顯高于其他時刻(見圖4(a))，因此予以剔除。經過上述處理后，利用觀測的88組流速和SSC濃度數據，通過最小二乘法求解公式(3)得到：dSSCu=12.2 NTU/m，dSSCv=-5.1×NTU/m，dSSCresuspend=16.7 NTU/m2·s-2。

圖8所示為觀測的SSC濃度和基于參數化公式(3)計算的SSC濃度。從對比結果可以看出，模擬的SSC跟觀測值符合較好，抓住了SSC變化的主要特征，說明弱風浪期間的SSC變化主要受控于潮流平流輸運和再懸浮作用，公式(3)可以定量反映觀測站位潮流的平流輸運和再懸浮作用對SSC的影響。

(陰影部分代表懸浮物濃度受平流輸運作用控制。The suspended sediment concentration is controlled by advection in shadow area.)圖7 (a)弱風浪期間u方向平均流速(藍色)、v方向平均流速(紅色)和總平均流速(|U|，黑色)的時間序列 (b)弱風浪期間潮流流速(ut)和懸浮沉積物濃度(SSC)的時間序列Fig.7 (a)The time series of averaged u (Blue),v (Red)and total (Black)velocities during weak wind waves (b)The time series of tidal current velocity (ut)and suspended sediment concentration (SSC)during weak wind waves

(黃線為公式(3)中所用的背景濃度值SSC0。The yellow line is the background concentration (SSC0)used in formula (3).)圖8 弱風浪期間觀測SSC(藍色)與基于公式(3)預測的SSC(紅色)的對比Fig.8 Comparisons between observed SSC (Blue)and predicted SSC (Red)based on formula (3)during weak wind waves

3.4 風浪對SSC的影響

強風浪期間，除了上述潮流的平流輸運和再懸浮作用會對SSC產生影響以外，風浪導致的剪切應力增強也會導致SSC升高。為了量化強風浪期間風浪對SSC的影響，需要先將潮流對SSC的影響剔除。這里依然不考慮波流相互作用的影響，假定潮流和風浪對SSC的影響是線性的。利用T_tide調和分析的潮流流速和參數化公式(3)計算強風浪期間潮流對SSC的影響，然后用強風浪過程中實測的SSC減去潮致SSC和背景濃度即可得到浪致SSC(見圖9(a)，9(b))。結果表明，在第一次強風浪過程中，潮流對SSC分布的影響要比波浪過程大，但是在第二次強風浪過程中，浪致剪切應力的急劇升高造成了大量沉積物再懸浮，浪致SSC也就遠高于對應時刻的潮致SSC。

(4)

而在第二次強風過程中(圖9(c)中橙點)，波浪對SSC影響較大，浪致SSC的參數化公式為：

(5)

對比兩次風浪過程可以發現，當波軌速度小于0.6 m/s時，波浪對SSC的影響較小(公式(4))。但是當波軌速度達到0.6 m/s時，波浪導致的剪切應力急劇升高，進而導致SSC顯著增大(公式(5))。并且在強風浪過程后期，波軌速度降到0.6 m/s以下時，強風浪過程造成的高剪切應力和高SSC也不會馬上消失，而是繼續維持強風浪過程的影響。

4 結語

致謝：部分海上觀測工作搭載了“東方紅2”號科考船執行的黃渤海共享航次。感謝中國海洋大學海洋地球科學學院王保鐸老師和諸位同門在現場觀測和室內實驗中提供的支持與幫助。