潮灘表層沉積物臨界起動切應力研究

張孝嚴

(上海勘測設計研究院有限公司，上海 200335)

1 引言

潮灘位于海洋與陸地的交界地帶，是海陸動力相互作用的敏感區域[1]。潮灘近岸高灘區生長有多種濱海植被，外海側光灘區沉積物富含營養物質，為鳥類等生物提供了良好的生境，在海岸生態系統中起著重要的作用。潮灘與鹽沼帶共同作用，在削弱波浪、潮流能量，形成了一套天然的海岸防御體系的同時，其沉積過程也很大程度上受到了潮汐和波浪引起的水動力的控制，從而使得潮灘具有高度動態的特點[2]。伴隨著海平面上升和人類活動的加劇，世界上幾乎所有的淤泥質海岸都遭受不同程度的侵蝕[3,4]。潮灘對外在條件的變化呈現出的這種脆弱性，引發了人們對這一敏感生態系統未來可能退化的擔憂。

潮灘穩定性的研究內容主要有垂向潮灘高程和平面潮灘沉積物2種。對垂向潮灘高程的研究主要是針對潮灘地形地貌的演變，在潮灘地形地貌演變過程中水動力和沉積動力過程起到了重要的作用，兩者相互作用，在潮流動力的作用下沉積物產生懸浮、搬移、輸運和沉積，進而促進了潮灘地形地貌的變化。對平面潮灘沉積物的研究主要關注沉積物輸移和沉積物抗侵蝕能力，沉積物的凈輸移決定了潮灘所處的狀態，侵蝕狀態、淤積狀態還是平衡狀態，而潮灘表層沉積物落淤后的理化特性對隨后施加于其上的外動力作用、潮灘的進一步發育有著不可忽視的影響，暗含了潮灘的內在穩定性(抗侵蝕能力)。目前，國內外學者們描述沉積物抗侵蝕性時主要用到兩個參數：臨界起動切應力和侵蝕速率[5]。在未達到侵蝕發生閾值范圍內，臨界起動切應力越大，沉積物抗侵蝕性越強，沉積物越不易發生侵蝕，而一旦水流或者波浪所產生的起動切應力超過臨界侵蝕起動切應力，侵蝕現象便會發生[6, 7]。因此，研究潮灘表面沉積物抗剪強度對認識潮灘的地貌演變、沉積過程等具有重要意義。

徐元等[8]根據有效應力理論，選擇沉積物抗剪強度作為潮灘穩定性指標分析潮灘穩定性，并提出潮灘內在穩定性(抗沖刷能力)概念。潮灘灘面沉積物臨界起動切應力的測量主要有直接測量和間接測量兩種方法。直接測量裝置主要有黏結力儀[9]、直沖式沖刷水槽[10]、聲學多普勒速度計[11]與循環水槽[12]。間接測量就是分析臨界起動切應力的影響因素，建立影響因素與臨界起動切應力的關系模型進行臨界起動切應力計算。盡管直接測量方法可以對臨界起動切應力進行原位測定，但是其操作流程繁瑣、測量效率較低，只能做到點測量，不能反映臨界起動切應力在空間上的分布狀態。因此，學者們更加關注沉積物基本性質(如沉積物粒度組分、容重、含水量、液塑限、孔隙比、黏聚力、內聚力等)與臨界起動切應力之間的關系，希望通過簡單易測的基本性質指標計算獲得臨界剪切應力。

不同研究區，沉積物性質不同，臨界起動切應力的主要影響因子不同。Bale等[11]的研究表明，沉積物容重與臨界起動切應力有較好的正相關關系，沉積物的歷經、含水量等對臨界起動切應力的影響相對較弱；Wilbert等[13]的研究表明沉積物臨界起動切應力和沉積物干容重之間近似漸近線關系；但是，Houwing[14]指出沉積物的臨界起動切應力與容重和含水量之間均沒有明確的關系；Tolhurst等[15]的研究中發現，在硅藻發育旺盛的區域，沉積物的臨界起動切應力與沉積物干容重呈現負相關關系；Stevenes等[16]的研究表明，粗顆粒砂在沉積物中含量增加時，沉積物的臨界起動切應力將會降低；Mitchener等[17]通過室內實驗發現，細顆粒泥沙含量的增加將會提高臨界起動切應力；鄭杰文等[18]在黃河三角洲的研究結果表明沉積物組分與臨界起動切應力具有較好的相關性。此外，也有一些學者指出生物活動也會對臨界起動切應力產生較大影響。Yallop[19]、Paterson等[19]的研究表明生物因素對臨界起動切應力具有顯著的影響。Amos[21]、Grant[22]等通過現場實驗得到結論：生物因素對潮灘臨界起動切應力的影響不容忽視，其影響程度比沉積物組分含量、含水量等因素大。由于各研究區沉積物源及沉積環境不同，控制臨界起動切應力的主要因素也不同，因此需要通過現場試驗確定特定地區臨界剪切應力的主要量化參數。

基于以上背景，本文以江蘇沿海淤泥質潮灘為研究對象，通過野外現場土樣采集和臨界起動切應力原位觀測數據，以探討沉積物組分與臨界起動切應力之間的關系，構建臨界起動切應力的反演模型，豐富潮灘穩定性的研究方法。

2 材料與方法

2.1 研究區與采樣

研究區位于江蘇鹽城斗龍港東南側潮灘(圖1)，研究區潮灘灘面平坦，坡度為0.01%～0.03%，平均寬度3～4 km，潮汐為不規則半日潮，近岸潮差2～4 m。灘面沉積物由陸向海顆粒逐漸變粗，潮間帶上部和中部多為黏土和粉砂，潮間帶下部和潮下帶主要以砂為主。

于2019年9月13日，在研究區無植被覆蓋的光灘區域采集了表層(<3 cm)沉積物樣本，并同步進行臨界起動切應力觀測，共采集8組次沉積物樣本及對應的原狀沉積物臨界起動切應力(圖1)。

圖1 研究區位置及采樣點分布

2.2 沉積物顆粒分析

目前沉積物粒度測量多采用馬爾文激光粒度分析儀，該測試方法具有樣品需求少、測量速度快、精度高、結果重復性好、數據豐富、再編輯能力較強的優點。本研究在每次野外采樣返回實驗室后，采用實驗室配備的馬爾文3000激光粒度分析儀器(圖2)對沉積物樣品進行顆粒分析，顆分實驗操作流程參考儀器指南和前人粒度測量前預處理方法[23]。

圖2 馬爾文3000激光粒度分析儀器

2.3 沉積物臨界起動切應力原位觀測

本研究采用英國Partrac公司生產的黏結力儀(CSM)進行潮灘臨界起動切應力的原位測量，其測量原理是通過氣壓驅使儀器內水流動產生具有逐漸增強的噴射水流，水流產生的剪應力作用于土體表面使沉積物發生侵蝕再懸浮(圖3)。

圖3 臨界起動切應力原位觀測

3 結果與分析

3.1 臨界起動切應力計算

剪切力作用于潮灘沉積物表面，沉積物懸浮使儀器探頭艙內透光率T產生變化，沖刷水流產生的剪切應力計算公式為：

τ=67×[1-e(-P/310)]-195×[1-e(-P/1623)]

(1)

式(1)中，τ為噴射水流產生的剪切應力(Pa)，P為噴射強度(kPa)。

按照公式(1)將儀器噴射強度換算為水流的水平剪切應力，繪制透光率隨水平剪切應力的變化曲線，圖4為其中一個測量結果。隨噴射強度的增加(水平剪切應力增加)，懸浮泥沙濃度增加，透射率逐漸降低。剪切應力與透射率關系曲線可以分為A、B、C 3個部分，A部分為測量之初，噴射強度較小，儀器探頭艙內泥沙未起動，透射率較高，且基本無變化；B部分為泥沙起動過程階段，隨著噴射強度的增加，泥沙起動，透射率逐漸降低；C部分為泥沙完全起動后，艙內懸浮泥沙濃度達到飽和，透射率基本為0。

臨界起動切應力位置處于A和B之間過度的臨界點，Tolhurst以透射率降低至90%時對應的噴射強度為臨界噴射強度[24]，但是實際測量中儀器本身存在電信號誤差，透射率初始值可能在90%以下，因此本研究采用趨勢線方法確定臨界起動切應力的位置。分別做A和B部分的數據趨勢線1和趨勢線2，取2個趨勢線的交點位置對應的水平剪切應力為臨界起動切應力值(圖4)。

圖4 臨界起動切應力計算

3.2 臨界起動切應力與沉積物組分關系

沉積物臨界起動切應力是表征沉積物抗侵蝕能力的一個重要指標，是沉積物抵抗外界剪切應力的典型臨界閾值，由沉積物物理力學性質與成分共同控制。不同沉積物屬性參數對沉積物臨界起動切應力的影響程度不同，本研究基于斗龍港潮灘沉積物臨界起動切應力現場原位觀測數據與對應測點的沉積物物理性質指標的測量數據，分別建立了沉積物D50、黏土含量、粉砂含量，以及砂含量與臨界起動切應力的統計回歸分析。

如圖5所示，沉積物臨界起動切應力與沉積物D50、黏土含量、粉砂含量和砂含量的相關性相對良好，臨界起動切應力與砂含量相關性最高，與D50和黏土含量的相關性較低。臨界起動切應力與沉積物D50和砂含量呈線性負相關關系，與沉積物黏土含量和粉砂含量呈線性正相關關系。以上沉積物參數與其臨界起動切應力的統計關系表明具有高粉砂、高黏土含量的沉積物，具有較高的臨界起動切應力，而具有高砂含量的沉積物，則具有較低的臨界起動切應力。建立沉積物臨界起動切應力反演模型，依據擬合優度最大值選擇反演模型，選取砂含量作為臨界起動切應力的反演指標，反演模型為y=-0.0292x+1.822。

圖5 臨界起動切應力與沉積物組分關系

4 結論

(1)沉積物臨界起動切應力與沉積物D50、黏土含量、粉砂含量和砂含量的相關性相對良好，臨界起動切應力與砂含量相關性最高，與D50和黏土含量的相關性較低。

(2)臨界起動切應力與沉積物D50和砂含量呈線性負相關關系，與沉積物黏土含量和粉砂含量呈線性正相關關系。

(3)具有高粉砂、高黏土含量的沉積物，具有較高的臨界起動切應力，而具有高砂含量的沉積物，則具有較低的臨界起動切應力。