悬浮絮凝体特征及其影响因子的综合作用——以长江口内河槽和口门最大浑浊带为例

杨天,杨世伦,杨海飞,朱琴,张文祥,张朝阳,王如生

(1.华东师范大学河口海岸学国家重点实验室,上海200062; 2.长江口水文水资源勘测局,上海200136;3.国家海洋局第二海洋研究所,杭州310012)

悬浮絮凝体特征及其影响因子的综合作用
——以长江口内河槽和口门最大浑浊带为例

杨天1,杨世伦1,杨海飞1,朱琴1,张文祥1,张朝阳2,王如生3

(1.华东师范大学河口海岸学国家重点实验室,上海200062; 2.长江口水文水资源勘测局,上海200136;3.国家海洋局第二海洋研究所,杭州310012)

絮凝对河口细颗粒悬沙运动起着极其重要的作用.为深入探讨长江口悬浮絮凝体的特征及其主要影响因子的综合作用,于2014年10月19—23日(长江口径流量、潮差、风浪均接近多年平均值)利用多种仪器在人类活动干扰较小的南支-北港-口外海滨水域进行了综合现场观测和取样,获得了四个潮流特征时刻(涨急、涨憩、落急、落憩)的悬浮絮凝体粒径、分散粒径(即分散悬沙的原始粒径)、悬沙浓度、体积浓度、流速流向、盐度等数据.利用灰色关联度分析方法分析五大影响因子(悬沙浓度、体积浓度、流速、盐度和分散粒径)对絮凝体粒径和有效密度影响程度.结果表明,在相同体积水体中,口门最大浑浊带测点的絮凝体相对口内河槽测点数量多、粒径小,絮凝体内粘土颗粒少、空隙大、自由水多.在口内河槽,絮凝体粒径主要受悬沙浓度、分散粒径和体积浓度控制,有效密度主要受到分散粒径、悬沙浓度和流速控制;在口门最大浑浊带,絮凝体粒径的主控因子是流速,有效密度主要受到盐度、悬沙浓度控制.

悬浮絮凝体;影响因子;灰色关联度分析法;长江口

0 引言

细颗粒泥沙具有比粗颗粒泥沙更大的比表面积,往往不是以单一颗粒形式存在,而是多个颗粒聚集形成絮凝体,这一聚集过程改变了泥沙的大小与密度等物理性质[1].泥沙中絮凝体粒径和有效密度直接影响泥沙沉降速度[2-4],进而直接影响河口泥沙的沉积过程[5-8].

絮凝体的野外观测技术一直是许多学者关注的对象.为了研究现场絮凝体的大小、密度等性质,从20世纪80、90年代开始,很多国外学者尝试使用水下拍照观测方法[5,9-11].水下拍照方法虽然对河口水体絮凝体大小有最直观的反映,但在统计上工作量大,而且无法适用于中高浊度的水体.Bale和Morris利用水下激光散射仪器对絮凝现象进行了初步研究[12].Mikkelsen和Pejrup在2001年首先使用美国SEQUOIA公司生产的现场激光粒度仪(LISST-100)对絮凝进行现场观测研究,该仪器利用激光衍射原理及Mie散射理论现场测量絮凝体的粒径[3].这一方法很快得到了国内外许多学者的广泛使用与认可[3-4,13-14].在近期长江口对絮凝现象的野外观测中,程江研究了徐六泾洪季大潮的垂线絮凝体粒径[4],唐建华等等研究了枯季南槽表层的絮凝体粒径[15],李九发等研究了洪枯季南、北槽水面以下3 m处的絮凝体粒径[16].

前人对长江口絮凝现象研究,主要集中在固定水层的多点观测或多水层的单点观测,基于多水层(六层)的多点准同步研究并不多,且对在长江口不同区域絮凝体影响因子缺乏深入的研究.邓聚龙在1982年创立灰色系统理论给我们提供一个动态指标的量化分析方法:灰色关联度分析[17].这是一种用灰色关联度顺序来描述因子间的权重、大小、次序的方法,其基本思想是:以特征行为序列为依据,用数学的方法研究因子之间的几何对应关系[18-19].本质上是多条曲线间的几何形状变化分析与比较,认为曲线几何形状越接近,则发展变化态势越接近,关联程度越大.因此以此作因素分析时存在以下优点:①对数据量没有太高的要求;②不要求因子满足线性、对数、指数和幂函数等典型分布;③计算过程中不会导致极性误差[17-19].近年来这一方法也广泛应用于地学领域中的多因子统计问题[20-22].本文拟在灰色关联度分析的基础上,探讨长江口门内到口门区近100 km范围中絮凝体的不同特征,并对影响絮凝的五大影响因子(悬沙浓度、体积浓度、流速、盐度和分散粒径)在不同区域所占的权重进行分析.

1 研究区概况

长江口是典型的分叉型河口,呈三级分汊、四口入海格局[23].当前长江主流走南支,北支分流比不到5%,近年来甚至不到2%,南、北港分流比相近[24-25],南港水道受人类活动影响较北港大[26].经南、北槽分汊口贯穿南港和北港的横断面是一条分界线,其向海一侧至大约10 m等深线之间的范围因发育拦门沙而成为最大浑浊带[27];其向陆一侧至南、北支分汊口之间为口门内河槽.本次现场准同步观测的四个测点位于受到人类活动影响相对较小的南支-北港-口外海滨水域中,其中A和B两点位于口门内河槽,C和D两点位于口门最大浑浊带(见图1).

图1 研究区域Fig.1 Study area

本次观测时间为2014年10月19—23日,处在长江洪枯季过渡阶段和大小潮之间的平常潮阶段.根据长江大通水文站数据,长江(大通站)多年平均流量为28 420 m3/s,2014年长江(大通站)平均流量为28 240 m3/s,本次观测期间的平均流量为29 400 m3/s[28-29].观测期间的长江流量不仅与该年的平均流量相近,也与长江的多年平均流量相近[30].根据堡镇站潮汐数据,该站多年平均潮差为2.45 m,本次观测期间平均潮差为2.57 m[31].根据长江口海洋预报,观测期间长江口堡镇与横沙观测站平均浪高0.85 m[32],小于长江口多年平均浪高0.90 m[33].因此,本次观测期间的径流、潮汐和风浪条件代表了长江口的一般状况.

2 研究方法

2.1现场观测与室内实验

本次观测于2014年10月19—20日在B点、20—21日在A点、21—22日在C点和22—23日在D点分别在一个完整潮周期的落憩、落急、涨憩和涨急4个特征时刻进行水文观测.本次观测使用仪器如表1所示,具体步骤如下:将多普勒流速剖面仪(ADCP-300 k)安装在船身一侧,探头垂直朝下,入水深度为0.8 m,它记录盲区(水深1.8 m)以下的流速流向数据;使用自容点式流速仪(Valeport-106)测得表层水体流速流向,来补充ADCP-300k的盲区部分的数据,将特征时刻前后1 min的剖面流速数据平均,获得最终的剖面流速流向;在不扰动天然絮凝体的情况下,利用LISST-100在潮周期4个特征时刻进行垂向剖面测量,测得现场悬沙粒级分布数据;在水柱高度为H的水体中,按照六层法在相对水柱高度为0.05H(底层)、0.2H、0.4H、0.6H、0.8H和1H(表层)处取悬沙样(每瓶600 mL),取回实验室用库尔特激光粒径分析仪(Coulter-1320)分析得到分散悬沙的粒级分布与分散粒径(即分散悬沙的原始粒径),粒径分布以1/8Φ为间隔(Φ单位用来表示粒径,Φ=−log2d,式中d的单位为mm),一共74个粒径区间;利用光学后向散射浊度计(OBS-3A)在潮周期特征时刻进行垂向剖面测量,得到浊度和盐度数据.

表1 现场观测所用仪器及其观测项目Tab.1 Observation instruments and measured parameters

现场取100 L悬沙水样用于室内标定OBS-3A,通过浊度数据反演悬沙浓度数据[34-35].标定实验结果如图2所示,图中SSC指悬沙浓度,单位为kg/m3;T指浊度值,单位为NTU,该关系式的相关系数R2达到0.99以上,拟合关系良好,可用于浊度值反演悬沙浓度.

图2 浊度与悬沙浓度的回归关系Fig.2 Regression between turbidity and SSC

2.2 絮凝体有效密度计算

絮凝体有效密度(∆ρ)单位为kg/m3.常用以下公式计算[3]:

式(1)中,∆ρ指的是絮凝体有效密度,单位kg/m3;SSC为悬沙浓度,单位kg/m3;VC为絮凝体体积浓度,单位µL/L.

2.3 灰色关联度分析法

首先将本观测的4个观测点的4个潮周期特征时刻的数据按照六层法进行平均,并筛选出未超过仪器量程的73组有效数据序列,利用区间相对值化法对序列进行无量纲化处理.无量纲化后各变量的取值范围限于0∼1,使得序列无量纲化且在量纲与数量级上归一[36].

其次,计算特征序列与相关因子序列在各时刻的差值(γ).令系统特征行为序列(絮凝体粒径或有效密度序列)为X0,

令系统的相关因子序列(体积浓度、流速、盐度、悬沙浓度和分散粒径序列)为Xi,

其中,Xi为第i个相关因子数序列,xi(k)为第i个因子在k时刻的值.于是特征序列与相关因子序列在各时刻的差值(γ)可表示为[19]

式中,k=1,2,3,···,n,i=1,2,3,4,5;γ(x0(k),xi(k))是特征序列X0与第i个相关因子Xi在第k个时刻的相对差值,这种形式的相对差值称为Xi对X0在k时刻的关联系数.

最后,计算关联度.将特征序列与相关因子序列的差值(γ)序列取平均值,其表达式为

3 结果

3.1 沿程对比

3.1.1 絮凝体粒径与分散粒径

位于口内河槽的,A、B测点絮凝体中值粒径在30µm与56µm之间,平均值为40.2µm.口门最大浑浊带C、D测点中值粒径在10µm与28µm之间,平均值为18.0µm.口内河槽絮凝体中值粒径显著大于口门最大浑浊带(见图3a).四个观测点的分散中值粒径在5µm与10µm之间,沿程变化不大(见图3b).口内河槽的泥沙颗粒的粒度频率分布曲线较口门最大浑浊带扁平(见图4),口内河槽悬沙的粘土含量(41.8%)大于口门最大浑浊带的粘土含量(36.3%).

图3 长江口4个测点4个特征时刻时絮凝体中值粒径(a)、分散中值粒径(b)、悬沙浓度(c)、体积浓度(d)、有效密度(e)的剖面平均值Fig.3 The vertical average value of the floc median sizes(a),single particle median sizes(b), suspended sediment concentrations(SSC)(c),volume concentrations(VC)(d)and eff ective densities(e)in the four characteristic moment at the four observation sites in Yangtze Estuary

图4 长江口分散悬沙的粒度频率分布曲线图Fig.4 The frequency distribution versus log diameter of suspended sediments in Yangtze Estuary

3.1.2 悬沙浓度、絮凝体体积浓度与有效密度

口内河槽的体积浓度和悬沙浓度显著小于口门最大浑浊带(见图3c和3d).各测点平均有效密度从高到低依次是B、A、C、D(见图3e),口内河槽的絮凝体有效密度高于口门最大浑浊带.由于细颗粒泥沙聚集成絮凝体时,细颗粒泥沙之间会禁闭一部分自由水,这部分禁闭自由水不易排出,这样就增加了絮凝体的粒径,同时减少絮凝体的有效密度[1].反之,絮凝体有效密度越高,则絮凝体内单颗粒悬沙之间空隙越小,禁闭的自由水也随之减少.结合上节絮凝体粒径与分散粒径分布情况,按照比例建立长江口的絮凝体分布模式(见图5):在相同体积的水体中,口门最大浑浊带相对口内河槽絮凝体数量多、粒径小,絮凝体内粘土颗粒少、空隙大、自由水多.

图5 口内河槽与口门最大浑浊带水体中的絮凝体分布模式Fig.5 The flocs distribution patternsin the waters between the inner estuary and the Turbidity Maximum Zone of the mouth area

3.2 关联度分析

将口内河槽测点与口门最大浑浊带测点的数据序列分别用灰色关联度分析法计算得出关联度如图6所示.从口内河槽到口门最大浑浊带,絮凝体粒径和有效密度与其主要影响因子之间的关联度存在较大差异:体积浓度与悬沙浓度的关联度从正相关变为负相关,分散粒径的关联度显著变小,流速的影响明显增加.在口内河槽,影响絮凝体大小的关键因子是悬沙浓度(关联度为0.810)、分散粒径(关联度为0.783)和体积浓度(关联度为0.748);在口门最大浑浊带,影响絮凝体大小的控制性因子则变为流速(关联度为–0.807).在口门最大浑浊带,除盐度外的相关因子与有效密度的关联度都较口内河槽区域降低.口内河槽有效密度主要受到分散粒径(关联度为0.766)、悬沙浓度(关联度为0.745)与流速(关联度为0.708)控制;在口门最大浑浊带有效密度的控制性因子变为盐度(关联度为–0.711)和悬沙浓度(关联度为0.684).

4 讨论

4.1 悬沙浓度对絮凝的影响

由灰色关联度分析可知,悬沙浓度是口内河槽影响絮凝体粒径的最重要因子(见图6),悬沙浓度与絮凝体粒径的关联度为0.810.从长江口实际情况来看,口内河槽絮凝体粒径随着悬沙浓度的增加而增加,这主要是由于随着悬沙浓度的升高,水体中悬沙颗粒增多,颗粒之间的碰撞概率增加,促进絮凝体粒径增大.口门最大浑浊带絮凝体粒径随悬沙浓度的变化不显著,甚至呈负相关关系(见图7a).由于其关联度显著小于流速的关联度(见图6),推测其原因可能是口门最大浑浊带的水流剪切作用强于悬沙浓度对絮凝体增大的促进作用.

图6 口内河槽测点与口门最大浑浊带测点关联度比较Fig.6 The relational grade’s contrast between the inner estuary and the Turbidity Maximum Zone of the mouth area

悬沙浓度与有效密度的关联度在口内河槽与口门最大浑浊带分别是0.745和0.684(见图6).随着悬沙浓度的增加,如果絮凝体的体积不变,必然导致水体中絮凝体有效密度增加.无论在口内河槽还口门最大浑浊带,悬沙浓度都对有效密度的增长起着一定的促进作用(见图7b).但在口门最大浑浊带,盐度对有效密度增长的强烈抑制作用使得其关联度相对占优势(见图6),这一作用使得口门最大浑浊带的有效密度随悬沙浓度的变化速率较口内河槽平缓.

4.2 体积浓度对絮凝的影响

随着体积浓度的升高,絮凝体所占体积变大,不仅使得空隙中充满更多的低于泥沙密度的水,使得絮凝体有效密度减小,还使得絮凝体粒径有增大的可能.在口内河槽,这一规律得到很好体现(见图7c和7d),体积浓度是口内河槽絮凝体粒径的主要控制性因子之一.在口门最大浑浊带,絮凝体受到水流剪切与盐絮凝等其他作用,体积浓度的作用不如口内河槽显著(见图7c和7d).

4.3 流速对絮凝的影响

无论是口内河槽还是口门最大浑浊带,絮凝体粒径都随着流速的增大而降低(见图7e).水流对絮凝的影响主要在于使大絮凝体在剪切力作用下破碎成小絮凝体[37].观测期间,口门最大浑浊带最大流速能达到口内河槽最大流速的两倍.更快的流速使得絮凝体粒径与流速的关联度在口门最大浑浊带显著高于其他4个因子(见图6),是口门最大浑浊带絮凝体粒径的主要控制因子.絮凝体有效密度随着流速的增大而增大(见图7f).这也和水流的作用密不可分:絮凝体受剪切力作用破碎成小絮凝体,同时释放出大絮凝体内的禁闭自由水,使得有效密度降低.在口内河槽,这一作用与分散粒径和悬沙浓度共同作用,促进有效密度的增加;在口门最大浑浊带,虽然水流剪切释放出絮凝体内一部分禁闭自由水,但该区域有效密度受高盐度的控制,其絮凝体内部的禁闭自由水仍保持一定水平.

4.4盐度对絮凝的影响

观测期间口内河槽测点的盐度在0.19∼0.20 PSU,变化并不显著,盐度的影响主要体现在口门最大浑浊带.絮凝体粒径随盐度的增加而增加(见图7g),更高的盐度使得有效密度显著减小(见图7h).从絮凝机理上,盐度对细颗粒悬沙的影响,就是通过减小泥沙颗粒双电层间的排斥作用,降低泥沙颗粒稳定性,从而促进颗粒之间形成一定的结构[38].这一结构的强弱就决定了絮凝体的抗剪强度[38].盐度能够提高一部分小絮凝体的抗剪强度,但由于口门最大浑浊带的强水动力条件,盐度对絮凝体的粒径影响有限.而由灰色关联度分析可知,盐度是影响有效密度最重要的因子(见图6).盐度的增加,促进颗粒之间形成更多结构,从而更容易封闭自由水,减小絮凝体有效密度.

4.5 分散粒径对絮凝的影响

絮凝体是由若干个分散悬沙单颗粒聚集形成.作为絮凝体的直接组成部分,分散颗粒的粒径与絮凝体的大小和有效密度有着直接的联系.随着组成絮凝体的悬沙分散粒径增大,絮凝体的粒径呈逐渐增大的趋势(见图7i和7j).长江口上下游的分散粒径大小区别并不显著[39],但依关联度分析可知,分散粒径在口内河槽是絮凝体粒径与有效密度的主要控制性因子之一,在口门最大浑浊带这一影响并不明显.这一现象可能是由口门最大浑浊带主要控制性因子(盐度与流速)所导致的.另外,值得注意的是口内河槽比口门最大浑浊带粘土颗粒含量高13%(见图4).一方面粘土颗粒的比表面积更大,吸附的负电基团更多,从而有更强的阳离子交换容量,Zeta电位更高[40-41].粘土颗粒遇到阳离子和其表面负电荷后,电位下降,更容易增加颗粒之间的粘结力,提高絮凝体抗剪切能力,从而增大絮凝体粒径.另一方面粘土颗粒体积小,小颗粒的粘土可以聚集在大颗粒间的间隙中,絮凝体内的自由水减少、泥沙颗粒增多,从而增加有效密度.这一因素可能是影响上下游絮凝体差异的原因之一,有待进一步研究.

5 结语

研究时段内长江口口门最大浑浊带的絮凝体与口内河槽存在明显差异,在相同体积水体中,口门最大浑浊带絮凝体数量多、粒径小,絮凝体内粘土颗粒少、空隙大、自由水多.由关联度分析可知:在口内河槽,影响絮凝体粒径的关键因子是悬沙浓度、分散粒径和体积浓度,有效密度主要受到分散粒径、悬沙浓度与流速控制;在口门最大浑浊带,絮凝体粒径的主要控制性因子是流速,有效密度的主要控制性因子是盐度、悬沙浓度.长江口口内河槽与口门最大浑浊带絮凝体粒径与有效密度的这种差异其根本机制是上下游不同的水动力条件,水与悬沙特性的差异,使得上下游主要控制性因子不同,导致了口内河槽与口门最大浑浊带不同的絮凝体特性.

致谢参加野外工作与室内实验的还有研究生陆叶峰、朱强、苗丽敏等,谨致谢忱！

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(责任编辑：李万会)

Characteristics of suspended fl ocs and the combined action of contributing factors in Yangtze Estuary:A case study on the signifi cant diff erences between the inner estuary and the mouth area

YANG Tian1,YANG Shi-lun1,YANG Hai-fei1,ZHU Qin1, ZHANG Wen-xiang1,ZHANG Chao-yang2,WANG Ru-sheng3
(1.State Key Laboratory of Estuarine and Coastal Research,East China Normal University,Shanghai 200062,China; 2.Survey Bureau of Hydrology and Water Resources of Changjiang Estuary,Shanghai 200136,China; 3.Second Institute of Oceanography State Oceanic Administration,Hangzhou 310012,China)

Flocculation plays a vital role in the transport of estuarine fi ne suspended sediments.To study the naturalsituation and the main infl uencing factors of fine suspendedsediment flocculation,in-situ observations were carried out along the South Branch to the North Channel of the Yangtze Estuary from 19th to 23th October 2014(During that time, river discharge,tidal range and wind waves have same value to annual mean value).Floc size,dispersed particle size,volume concentration(VC),suspended sediment concentration (SSC),salinity,temperature and flow velocities were measured at four characteristic moments at four sites.We study the relation between median fl oc size,as well as eff ective density,and the five influencing factors with the Grey relational analysis.The results shows that,in the same water volume,flocs in the Turbidity Maximum Zone has more floc numbers and smaller floc size;that fl oc inside has less clay particles,larger gap and more free water compare to the inner estuary.In the inner estuary,critical factors influencing floc sizes are SSC,dispersed particle size,VC,and critical factors infl uencing eff ective density were dispersed particle size,SSC,velocity.In the Turbidity Maximum Zone of the mouth area,the critical factor influencing fl oc sizes is velocity and the critical factors influencing eff ective density are salinity and SSC.

suspended flocs;influencing factors;grey relational analysis;Yangtze Estuary

P343.5

：A

10.3969/j.issn.1000-5641.2017.04.013

1000-5641(2017)04-0149-11

2016-10-26

科技部重点专项(2016YFA0600901);国家自然科学基金委-山东省联合基金项目(U1606401)

杨天,男,硕士研究生,研究方向为河口动力沉积与地貌.E-mail：yangtian1018@qq.com.

杨世伦,男,教授,研究方向为海岸沉积动力学和地貌学.E-mail：slyang@sklec.ecnu.edu.cn.