文明征，陳天，胡云壯，李勇，單紅仙,3，賈永剛,3*

(1.中國海洋大學 山東省海洋環(huán)境地質工程重點實驗室，山東 青島 266100；2.中國地質調查局天津地質調查中心，天津300170；3.青島海洋科學與技術試點國家實驗室 海洋地質過程與環(huán)境功能實驗室，山東 青島 266061)

1 引言

波浪、海流等水動力作用導致的沉積物侵蝕再懸浮及輸運改變了陸地和海洋之間的邊界，促進了海洋物理、生物、化學要素的循環(huán)。準確地計算懸浮沉積物垂向分布對于理解海底沉積物再懸浮過程和輸運具有重要的研究意義。從20世紀50年代起，海底沉積物輸運問題被廣泛研究[1]。Davies和Thorne[2]詳細綜述了非黏性沉積物輸運和懸浮沉積物垂向分布等相關問題的研究進展。由于波流作用下海底邊界層沉積物動力響應的復雜性，海底邊界層沉積物再懸浮及其垂向分布特征等問題仍需要進一步研究[3-4]。不考慮平流輸運的影響，在海洋水動力作用下沉積物顆粒所受向上湍流擴散作用與向下沉降作用平衡時發(fā)生再懸浮[5-6]，基于Rouse公式的基本假定，水體懸浮沉積物垂向分布可以采用如下公式進行計算[7-8]，

式中，h為水深；Cz和Ca分別為距離海床界面高度z和a處的懸浮沉積物濃度；ws為沉積物沉降速度；κ=0.4為Von Karmen常數(shù)；u*為摩阻流速。由此可見，海底懸浮沉積物垂向分布形式主要取決于參考濃度Ca和參數(shù)n。參考濃度的大小是懸浮沉積物垂向分布的“初始信息”，決定了懸浮沉積物的量級；參數(shù)n又稱為形狀參數(shù)或Rouse參數(shù)，反映了懸浮沉積物垂向分布的陡度[4]。一般說來，參考濃度Ca和參數(shù)n取決于3個相互影響的因素：懸浮沉積物自身的性質（如粒徑大小和沉降速度），床面形態(tài)和海洋水動力強度（波高、水深、流速等）[2]。沉積物顆粒大小是沉積物再懸浮的先決條件，大顆粒沉積物沉降速度快，發(fā)生再懸浮所需要的動力條件更強，細顆粒沉積物更容易向水體上部擴展；在相同水動力條件下，沉積物垂向分布的陡度隨著沉積物粒徑的降低而增加[9]。其次，海底邊界層底層流速受海床沉積物的摩擦作用逐漸減小，在海床面附近產生較大的流速梯度，從而引起很強的底切應力作用，進一步導致海床沉積物的擾動和再懸??；O'Hara Murray等[10]研究表明，水體懸浮沉積物垂向分布形態(tài)隨著波高增加而變陡，在強烈的水動力作用下，海底邊界層底層形成高濃度懸沙薄層。第三，床面形態(tài)在水動力作用下不斷發(fā)展演化，進一步影響懸浮沉積物垂向分布形態(tài)[4,10]；床面形態(tài)的類型和規(guī)模在一定程度上影響著海底邊界層的厚度[11-12]，床面形態(tài)平坦的情況下，懸浮沉積物濃度沿垂向降低的速度要遠高于波紋式海床[13]；床面形態(tài)根據波流作用下的希爾茲參數(shù) θ的大小可分為多種尺度和類型[14]，每一種類型對懸浮沉積物垂向分布的影響也不同[12,15]。

本文基于山東省海洋環(huán)境地質工程重點實驗室自主研制的海底邊界層綜合觀測平臺，搭載多種聲學、光學觀測儀器對河北省京唐港祥云灣海洋牧場海域的波浪、潮汐、海底流速及海底底層懸浮沉積物濃度變化進行觀測。研究波流相互作用下海底邊界層沉積物再懸浮過程及其垂向分布特征，進一步探究海洋水動力、床面形態(tài)對海底懸浮沉積物垂向分布的影響。

2 現(xiàn)場原位觀測

2.1 觀測點介紹

祥云灣位于樂亭縣東南部，京唐港與北港之間的沿海地帶，位于半封閉的渤海內部。該海區(qū)災害性大浪均為渤海內的風成浪，具有生成快、消失快、周期短的特點。該海域冬季受寒潮影響盛行偏北風，夏季受太平洋副熱帶高壓影響，盛行偏南風。因此，該海域年內波浪分布具有明顯的季節(jié)特征，春夏季波浪相對較弱，秋冬季波浪較強，常浪向為SE，次常浪向為ESE；強浪向為ENE，次強浪向為NE。該海域潮汐類型屬于不規(guī)則半日潮，平均潮差0.88 m；潮流具有明顯的往復流特征，漲潮為西南流，落潮為東北流，潮流流向基本與海岸線平行，等深線7～8 m范圍內平均流速為0.30 m/s，等深線5 m處平均流速為0.25 m/s。灤河入?？谠诒边w過程中，為該海區(qū)提供了大量的沉積物來源。京唐港附近海岸底質沉積物取樣分析表明海底底質為淤泥質粉砂，大風浪作用下，近岸破波帶以內沉積物主要為0.1～0.2 mm的細砂，破波帶以外沉積物主要為粒徑小于0.10 mm的粗粉砂[16-17]。

本文觀測點（39°09′09″N，118°57′18″E）位于祥云灣海洋牧場內，背靠祥云島，該區(qū)水深8～10 m，如圖1a所示。祥云島長約13 km，呈NE-SW走向，島嶼面積20.68 km2。祥云島東北段為潮汐通道，現(xiàn)已人為改造；西南端為大清河口；東部靠海側建有簡易的人工沙堤；中西部靠海側殘留低緩沙丘。潮間帶的沙灘面積約為0.64 km2，潮灘平均坡度3°～8°。沉積物以淺黃色、黃棕色的細沙為主，平均粒徑（Mz）介于2.06Φ～2.34Φ，分選系數(shù)介于 0.24～0.47。

圖1 原位觀測位置及觀測設備示意圖Fig.1 Schematic diagram of field observation area and observation equipment

2.2 觀測方法與過程

2017年9月28日，在選定觀測海域開展現(xiàn)場原位觀測。所采用海底邊界層綜合觀測平臺結構分為上、中、下3部分（圖1b）。上部為一個整體的框架結構，尺寸為1 000 mm×1 000 mm×700 mm，用于固定所搭載的儀器設備。中部為4根支撐桿將上部框架結構撐起，為觀測儀器提供足夠的觀測空間，同時防止各儀器之間的相互干擾，支撐桿底部通過螺栓安裝圓形底座；圓形底座上安裝配重塊以增加觀測平臺的穩(wěn)定性，每個配重塊重量25 kg，可根據觀測海域沉積物類型調節(jié)配重數(shù)量；此外，在每個圓形底座下面配一根長度為50 cm的防滑鋼針，觀測系統(tǒng)布放完成后防滑鋼針插入沉積物內部防止觀測平臺發(fā)生側向滑移。

海底邊界層綜合觀測平臺搭載以下儀器設備：(1)波浪-潮汐觀測：波潮儀RBR virtuoso D|Tidal用于測量水深、潮位信息，波潮儀RBR virtuoso D|wave用于測量波浪信息；(2) 海底流速觀測：搭載一臺聲學多普勒流速儀（Norterk /ADV）用于觀測近底層流速場變化；(3)海底懸浮沉積物觀測：搭載高密度懸浮泥沙濁度剖面測量儀（ASM）實現(xiàn)對海水懸浮沉積物濁度剖面的測量，同時搭載多參數(shù)濁度儀實現(xiàn)對觀測海域鹽度、濁度和溫度測量。觀測平臺搭載各儀器設備相對位置如圖1c所示，參數(shù)設置詳見表1。

表1 海底邊界層綜合觀測平臺搭載儀器簡介Table 1 Introduction of instruments on integrated observing platform of bottom boundary layer

3 數(shù)據分析與處理

3.1 ASM數(shù)據處理

ASM在測量海底邊界層懸浮沉積物濃度方面具有不可替代的優(yōu)勢。ASM由一系列的光學后向散射傳感器垂向排列組成，各光學傳感器垂向間距1 cm，測量范圍為傳感器前方0～100 mm。本次觀測采用的ASM共計144個傳感器，可實現(xiàn)海底邊界層底層海水1.5 m范圍內的懸浮沉積物濃度剖面測量。研究表明ASM與傳統(tǒng)的光學后向散射儀（Optical Back Scattering，OBS）測量結果具有很好的一致性[18]。ASM測量原理同OBS類似：傳感器接收紅外光線在海水中的后向散射強度反演測量水體的濁度信號；通過建立濁度信號與海水懸浮沉積物濃度之間的相關關系，進而確定懸浮沉積物濃度數(shù)值。濁度-沉積物濃度之間的標定受多種因素影響，其中顆粒大小形狀是最主要的影響因素之一[19-20]，不同粒徑的懸浮沉積物得到的濁度-濃度標定曲線不同；在相同含沙量條件下，同類型的沉積物，顆粒越細，所測得濁度值越大，但標定曲線均近似呈現(xiàn)為線性關系，如圖2顯示不同粒徑的懸浮沉積物的標定曲線[18]。本次觀測中，由于缺乏自動采水系統(tǒng)，無法完成現(xiàn)場同步懸浮水樣采集，因此直接采用濁度數(shù)值進行海底邊界層沉積物再懸浮特征的分析與討論。

圖2 ASM測得濁度與泥沙含量標定結果（據參考文獻[18]）Fig.2 Relationship between turbidity and suspended sediment concentration (based on reference [18])

3.2 流速數(shù)據預處理

ADV現(xiàn)場測量采用ENU（東、北、向上）的坐標系統(tǒng)固定于綜合觀測平臺上。在實際應用中，利用ADV測量瞬時流速，估算海底邊界層特征參數(shù)。首先需要對原始數(shù)據進行質量評估，剔除干擾數(shù)據。ADV的數(shù)據預處理過程包含以下兩個方面：（1）觀測數(shù)據質量檢測：ADV聲學信號的信噪比（SNR）和相關系數(shù)是判斷數(shù)據質量好壞的重要指標。一般認為信噪比小于5或相關系數(shù)小于70%的數(shù)據質量較差，應予以舍棄[21-22]；（2）去噪：受外界因素的影響，ADV測得的流速數(shù)據會出現(xiàn)明顯的“虛假”信息。本文通過“相空間臨界值法”對流速分量時間序列進行去噪。

3.3 底床切應力的計算分析

底床切應力是控制海床沉積物侵蝕、沉降和再懸浮最主要的參數(shù)之一，波浪、海流及其耦合作用是導致沉積物再懸浮的主要因素之一。海流作用下導致的流致底床切應力（τc）采用下式計算[23]，

波浪的軌道運動增加海底的切應力，波浪對底床切應力作用采用如下公式計算，

式中，ρ為海水密度；Uw為波浪軌道流速幅值；fw為波浪摩擦系數(shù)；根據線性波理論[16,23]

式中，H為波高；L為波長；T為波周期；Aw=UwT/2π。

波流作用下的最大切應力（τmax）為

式中，τm為波流作用下的平均切應力；φ為波流傳播角度，這里取 90°。

4 結果與討論

4.1 海洋水動力變化

圖3 2017年9-10月現(xiàn)場長期原位觀測結果Fig.3 Results of long term in-situ observation during September to October, 2017

現(xiàn)場原位觀測時間為2017年9月28日14:00至10月6日10:30，觀測結果如圖3所示。按照有效波高大小，觀測期間有3次風暴浪事件（有效波高超過1.0 m，如圖3a陰影）。第1次發(fā)生于9月29日05:00-13:45，持續(xù)時間8個小時；第2次發(fā)生于9月30日22:00至10月1日08:30，持續(xù)時間約10個小時；第3次發(fā)生于10月1日20:15至10月2日15:00，持續(xù)時間長達19個小時，期間最大有效波高為2.95 m。觀測海域水位變化7.86～9.76 m，觀測期間有一次明顯的增水和減水現(xiàn)象。增水現(xiàn)象發(fā)生于10月1日04:00之后漲落潮后，最大水位高達9.76 m，減水現(xiàn)象發(fā)生于第3次風暴時間之后，水位降至最低7.86 m。觀測期間平均海流流速為16.38 cm/s，最大流速可達45 cm/s。如圖3c為懸浮沉積物濁度隨時間序列變化，多參數(shù)濁度儀與ASM對應深度的傳感器測得的懸浮沉積物濁度具有很好的一致性。3次風暴浪事件下，海水中懸浮沉積物明顯增加。平靜海況下懸浮沉積物濁度平均小于200 NTU。

基于底床切應力計算分析，結果如圖4所示海流單獨作用下的切應力τc、波浪荷載導致的切應力τw及波流共同作用下最大底床切應力τmax?；谙柶潊?shù)計算海床臨界切應力τcr[16]，如圖4虛線所示。取研究區(qū)海床中值粒徑D50=110 μm計算得臨界切應力τcr=0.148 N/m2。很明顯，海流單獨作用下的切應力明顯小于海床沉積物侵蝕再懸浮的臨界切應力，表明波浪荷載是導致沉積物再懸浮的主要控制因素，特別是在風暴浪事件作用下，底床切應力可以達到臨界切應力的10～15倍。另外，海流作用沒有引起足夠大的切應力，表明觀測期間波浪和海流之間的相互作用是非常小的，如圖4中波流共同作用下最大底床切應力基本與波浪荷載導致的切應力一致。

4.2 沉積物再懸浮動力響應過程

基于ASM獲得的懸浮沉積物濁度剖面數(shù)據，結合波浪、海流動力條件分析波流作用下海底邊界層懸浮沉積物垂向分布特征及影響因素。圖5顯示了距離海床界面0.3 m, 0.6 m和1.0 m高度處懸浮沉積物時間序列變化：風暴浪作用下，海底邊界層懸浮沉積物濁度明顯增加，底層懸浮沉積物在波浪荷載下向上層水體擴展，水體懸浮沉積物濁度在垂向上普遍高于沒有波浪荷載的情況；在沒有波浪荷載或者波浪荷載較小的情況下（如圖5中2017年10月3-6日期間），海底邊界層懸浮沉積物濁度隨時間和空間的變化幅值均較小，這表明觀測期間周期性的水流作用沒有引起邊界層底層沉積物強烈地再懸浮。此外，風暴浪荷載對底層沉積物的再懸浮具有明顯的滯后性，底層沉積物的再懸浮滯后于風暴浪作用2～3 h。

圖4 2017年9-10月海流單獨作用下的底床切應力（τc）、波浪荷載導致的底床切應力（τw）及波流共同作用下最大底床切應力（τmax）Fig.4 Bottom skin friction shear-stresses of current alone (τc), waves alone(τw), and maximum wave-current (τmax) during September to October, 2017

圖5 2017年9-10月海底邊界層不同深度處懸浮沉積物變化Fig.5 Variation of suspended sediment of bottom boundary layer at different depth during September to October, 2017

圖6 風暴荷載下懸浮沉積物垂向分布與波高的關系Fig.6 Vertical distribution of suspended sediments and wave height during storm

在風暴浪作用下，海底邊界層沉積物再懸浮與擴散過程始于底部，并逐漸向上擴散。如圖6為第3次風暴浪事件下海底邊界層懸浮沉積物濁度垂向分布特征，圖中Time=0作為第3次風暴浪事件的起始時刻，對應于2017年10月1日20:30。在風暴浪作用前，海底邊界層內懸浮沉積物濁度垂向趨于均勻分布，垂向坡度較陡，波浪荷載加劇了海底邊界層的底床切應力，使得淺表沉積物不斷侵蝕再懸浮，隨著波浪荷載作用時間增加，懸浮沉積物逐漸向上擴散（圖6曲線a-e），最大擴展高度可達1.0 m；海底邊界層內懸浮沉積物垂向分布特征由最初的“I”型（圖6曲線a）向“L”型擴展（圖6曲線e）。第3次風暴浪期間，0～12.5 h內，有效波高持續(xù)增加，12.5 h之后，波浪荷載逐漸減小。圖6曲線e至曲線f，隨著有效波高的降低，初始懸浮的沉積物逐漸沉降，距離底床高度70 cm以上懸浮沉積物明顯減小，70 cm以內懸浮沉積物濁度增加，使得懸浮沉積物垂向分布坡度減緩。這表明海底邊界層水體垂向懸浮沉積物沉降速度存在明顯的差異性：前期較大的波浪荷載導致較粗的沉積物顆粒擴散至上層水體，波浪荷載減小初期上層水體的粗顆粒沉積物最先最快沉降，海底邊界層內懸浮沉積物垂向分布形式由圖6曲線e過渡到曲線f。隨著波浪荷載強度降低和波浪作用時間的增加，初始再懸浮的沉積物顆粒進一步沉降，海底邊界層懸浮沉積物垂向分布曲線由圖6曲線f過渡到曲線g，波浪荷載強度降低，粗顆粒沉降，懸浮沉積物垂向分布的整體幅值降低，水體剩余細顆粒懸浮沉積物的沉降速率差異性減小，導致懸浮沉積物垂向分布坡度變陡。

O'Hara Murray等[10]通過半真實的三角洲水槽實驗，研究水動力對懸浮沉積物垂向分布特征時指出，懸浮沉積物垂向分布曲線隨著波浪荷載增加坡度逐漸增加，其原因在于波浪荷載導致整個水體懸浮沉積物濃度增加，即懸浮沉積物向上擴散的作用更加顯著。另一方面，波浪荷載改變海床形態(tài)，懸浮沉積物垂向分布特征是由水動力和海床形態(tài)共同作用的結果（下一節(jié)討論床面形態(tài)的變化）。海底邊界層內，在整個第3次風暴浪事件期間平均懸浮沉積物濃度垂向分布呈現(xiàn)冪指函數(shù)關系，如圖6曲線h。

4.3 床面形態(tài)對懸浮沉積物的影響

研究表明水動力作用導致床面形態(tài)的規(guī)模和類型呈現(xiàn)多樣性變化，每一種形態(tài)對海底沉積物的再懸浮都具有不同的影響[24]。如圖7b所示，床面形態(tài)的類型根據波、流作用下的希爾茲參數(shù)可以分為不同類型[5,14,25]。海底邊界層近底流速較小時容易形成小的波紋，水動力作用強烈（如風暴浪）時，海床面往往形成平坦海床，沉積物的再懸浮和垂向分布發(fā)生很大的變化。床面出現(xiàn)波紋時，波浪引起的振動流在波紋上方發(fā)生分流和旋渦作用，促進了沉積物的再懸浮。另一方面，波紋的形狀和大小會增加流體的阻力，同時波紋的形成與發(fā)育本身又是局部沉積物輸運的結果。因此，海洋水動力、沉積物的再懸浮輸運與床面形態(tài)的演化是相互關聯(lián)的?；诂F(xiàn)場原位觀測數(shù)據，根據Kleinhans[14]研究理論計算波流作用下的希爾茲參數(shù)θw和θc以及沉積物臨界希爾茲參數(shù)θcr，繪制觀測海域床面形態(tài)如圖7a所示，按照希爾茲參數(shù)θw和θc的相對大小，床面形態(tài)可分為4類主要類型：（1）無擾動型，在波、流作用較小時，不足以使沉積物發(fā)生侵蝕再懸?。唬?）純波浪控制型；（3）純流控制型和（4）波流相互作用型，根據水動力大小，后三者床面形態(tài)類型由波紋向沙丘過渡。研究表明，床面形態(tài)平坦時，海底邊界層底部一定范圍內懸浮沉積物含量較高，但隨著距離海床高度的增加，懸浮沉積物濃度迅速下降[26-28]。觀測期間床面形態(tài)涵蓋了上述4種類型，以第3次風暴事件為例，隨著波浪荷載強度和作用時間增加，床面形態(tài)由最初的波紋逐漸發(fā)展，如圖7a中灰色箭頭所示，該過程對應于圖6曲線a-f階段。這表明較高的希爾茲參數(shù)θw能夠引起更高的懸浮沉積物，同時高濃度的懸浮沉積物又改變了床面形態(tài)。

另外，Li和Amo[28]根據觀測數(shù)據計算波、流摩阻流速比值u*w/u*c，結果表明不同控制要素下形成的床面形態(tài)與u*w/u*c值之間存在明顯的對應關系：u*w/u*c≥2時為純波致床面形態(tài)；2＞u*w/u*c≥1.25為波浪主控床面形態(tài)；1.25＞u*w/u*c≥0.75為波流聯(lián)合作用床面形態(tài)；0.75＜u*w/u*c為流主控的床面形態(tài)。本研究基于現(xiàn)場原位觀測數(shù)據，計算摩阻流速繪制波、流摩阻流速比值u*w/u*c隨時間序列變化如圖8所示。結果表明對應于圖7a中不同動力條件控制下的床面形態(tài)與摩阻流速比值u*w/u*c具有很好的相關性。波浪和海流起主導控制作用下的u*w/u*c值具有明顯的界線u*w/u*c=1.00，純波浪荷載作用的u*w/u*c值要明顯高于波浪主控下的u*w/u*c值，但二者之間的界線隨著波浪荷載的增加而升高。

5 結論

基于現(xiàn)場原位觀測數(shù)據，對祥云灣海洋牧場海域在波流作用下海底邊界層沉積物再懸浮及其影響因素進行研究，探究了海底沉積物在波、流作用下再懸浮過程、垂向分布特征及海底床面形態(tài)的變化等問題，得出以下幾點結論：

（1）研究區(qū)波流之間的相互作用不顯著，沉積物再懸浮受控于風暴浪作用。觀測期間，海流單獨作用下的底床切應力明顯小于海床沉積物的臨界切應力，海流對沉積物再懸浮的作用較小；風暴浪作用下底床切應力可以達到臨界切應力的10～15倍，底層沉積物的再懸浮滯后于風暴浪作用2～3 h。

圖7 基于觀測數(shù)據繪制床面形態(tài)圖（a）和Kleinhans[14]床面形態(tài)分類（b）Fig.7 Shield stability diagram with occurences of ripple type (a), and bedform stability diagram after Kleinhans[14] (b)

圖8 2017年9-10月波、流摩阻流速比值u*w/u*c時間序列變化Fig.8 The ratio of wave and current friction velocityu*w/u*cplotted as a function of time during September to October, 2017

（2）海底邊界層懸浮沉積物垂向分布形式受控于波浪荷載的大小和作用時間。在沒有波浪荷載或波浪荷載微小的情況下，懸浮沉積物垂向分布呈現(xiàn)“I”型。波浪荷載下，海底邊界層懸浮沉積物垂向分布呈現(xiàn)冪指函數(shù)分布，表現(xiàn)為“L”型。

（3）風暴浪作用改變床面形態(tài)的類型，同時床面形態(tài)與懸浮沉積物的分布形式相互影響。波、流作用下不同類型的床面形態(tài)與摩阻流速比值u*w/u*c存在明顯的對應關系，u*w/u*c=1.00可作為波浪和海流起主導控制作用的床面形態(tài)的判別依據，純波浪荷載作用下的u*w/u*c顯著高于波浪主控作用下，但二者之間的界線隨著波浪荷載的增加而升高。

致謝：衷心感謝中國海洋大學山東省海洋環(huán)境地質工程重點實驗室研究生季春生、李斯臣、彭子奇等在現(xiàn)場觀測中提供的支持與幫助！