李致尚，李占海，李霞，楊海飛，施韓臻，盧婷，汪亞平，

（1.華東師范大學(xué) 河口海岸國家重點實驗室，上海 200241; 2.上海浦河工程設(shè)計有限公司，上海 200333；3.南京大學(xué) 地理與海洋科學(xué)學(xué)院，江蘇 南京 210023）

河口作為河流的尾閭，是連接陸地與海洋的樞紐，也是地球四大圈層（大氣圈、水圈、巖石圈和生物圈）能量和物質(zhì)交換的重要過渡地帶，在全球物質(zhì)和能量交換中有重要意義[1]。河口沉積動力過程是影響河口地貌、初級生產(chǎn)和生態(tài)系統(tǒng)的重要因素，受到沉積地貌學(xué)、生態(tài)學(xué)和港口航道工程專家和管理者的關(guān)注[2-3]。懸沙作為河口水體中的重要組分，對水質(zhì)、生物地球化學(xué)和地貌動力學(xué)有廣泛的影響，其輸運過程和歸宿是河口沉積動力研究的基本問題。長江作為世界性大型河流，攜帶的巨量懸沙在中等潮汐強度的河口沉降，形成了廣袤的河口三角洲沉積體系。近幾十年來因筑壩、通航、圍墾等人類活動的強烈改造，流域來沙持續(xù)減少，對河口懸沙濃度分布格局、懸沙輸運過程、最大渾濁帶形成、三角洲塑造產(chǎn)生顯著影響[4-5]。

河口懸沙輸運與堆積受諸多環(huán)境因素控制，如徑流、潮汐、波浪、陸架環(huán)流、水體層化、河口鋒面和地形等[6]，經(jīng)歷沉降、再懸浮、輸運和堆積等過程[7-8]。徑流和潮汐相互作用形成的平流和潮泵作用是影響懸沙凈輸運的兩個關(guān)鍵因素，其中平流控制河口及其上游河流與海洋之間的水平懸沙交換過程[9]。潮泵效應(yīng)是由于潮汐-地形相互作用，懸沙濃度漲落潮不對稱并與流速存在相位差，致使潮周期內(nèi)懸沙從口外向口內(nèi)、即向河口滯流點和攔門沙海域凈輸移，有助于形成最大渾濁帶[10-13]。河口懸沙輸運的常規(guī)觀測模式包括船載ADCP 和濁度儀的垂向剖面測量，由于儀器觀測盲區(qū)的限制難以獲取近底部流速信息。前人多使用傳統(tǒng)通量分析方法計算時空平均通量來說明河口最大渾濁帶懸沙輸運機(jī)理[14-18]，其不足是缺少近底層懸沙輸運的重要信息。由于河口水體流速、鹽度、懸沙濃度等垂向差異較大，不僅需要從時空平均的角度研究河口懸沙輸運的機(jī)理，更需要關(guān)注垂向各層尤其是近底部區(qū)域的懸沙輸運信息。在海底布設(shè)三腳架，搭載高頻聲學(xué)單點流速儀(Nortek ADV)和濁度計進(jìn)行補充觀測可以解決這一問題。通過近底部懸沙輸運的詳細(xì)觀測，有助于獲得更準(zhǔn)確的懸沙輸運通量，對理解最大渾濁帶形成、航道疏浚和保護(hù)海岸有重要意義[19-20]。

長江口南槽攔門沙海域是最大渾濁帶的核心區(qū)域[21]，其懸沙濃度顯著高于上下游。最大渾濁帶位置可在一定范圍內(nèi)遷移[22]，對河口水道、淺灘以及攔門沙的形成、發(fā)育、演變有重要的作用[23-24]，是河口近岸區(qū)域的布局規(guī)劃、港口航道建設(shè)、漁業(yè)養(yǎng)殖中需要考慮的重要因素[25-26]。前人采用通量機(jī)制分解法對最大渾濁帶懸沙輸運進(jìn)行了較多研究，指出河口環(huán)流、平流作用、潮泵作用和再懸浮是大多數(shù)河口懸沙輸運的主要機(jī)制[13-14，18，27]。沈健等[15]認(rèn)為長 江 口南槽由于潮 汐作用較強，斯托克斯漂移流和潮汐捕集作用是影響南槽最大渾濁帶的主要因素；而北港的徑流作用較強，平流作用和重力環(huán)流是最大渾濁帶形成的主要因素[28]。隨著北槽深水航道工程和南匯圈圍工程建設(shè)，南槽上部徑流作用、分流比加強，即使在枯季平流輸運也是懸沙輸運的貢獻(xiàn)最大者，潮泵效應(yīng)次之；南槽最大渾濁帶海域多處于淤積狀態(tài)[4，29]。

縱向流速一般強于橫向流速，它對河口水體中營養(yǎng)鹽、懸沙、污染物等物質(zhì)的輸運更為重要，前人的研究多關(guān)注河口縱向過程，對橫向懸沙輸運過程了解相對較少[16-17，30-31]。已有研究發(fā)現(xiàn)，橫向斜壓力、潮流以及它與地形之間的相互作用、科氏力等引起的橫向流在懸沙輸運中也起到非常重要的作用[32-35]。為了準(zhǔn)確認(rèn)識長江口的懸沙輸運模式，本文主要基于2017 年10 月在南槽4 個站位，包括近底部三腳架觀測的全水深剖面沉積動力觀測數(shù)據(jù)，采用Scully等[36]和Sommerfield 等[30]改進(jìn)的通量機(jī)制分解方法，定量計算垂向各層的懸沙凈通量，分離得到平流通量和潮泵通量的時間序列，進(jìn)而定量分析懸沙凈輸運驅(qū)動因子的貢獻(xiàn)，探討縱向和橫向懸沙輸運的時空分布特征和輸運機(jī)理，有助于深化對南槽最大渾濁帶海域水沙輸運過程和機(jī)理的認(rèn)識，為河口海岸的水利工程建設(shè)、資源開發(fā)及生態(tài)環(huán)境保護(hù)等提供科學(xué)參考。

1 研究區(qū)概況

長江河口分為南支和北支，近百年來南支水道變化劇烈，沙洲淤長，最終呈現(xiàn)“三級分汊、四口入?！钡牡孛卜植几窬諿37-38]。長江河口作為天然“過濾器”，受長江巨量徑流和外海潮流相互作用影響，河口及其鄰近海域呈現(xiàn)周期性分層現(xiàn)象[39]。長江下游潮區(qū)界大通站測得徑流量約為1×104～6.5×104m3∕s，年均徑流總量約9 000 億m3（1950－2021 年）；受季風(fēng)氣候影響，洪季（5－10 月）徑流量偏大，枯季（11 月至次年4 月）徑流量偏小[40-44]。口內(nèi)為不正規(guī)半日潮，口外為正規(guī)半日潮[45-46]。細(xì)顆粒沉積物在口門處持續(xù)堆積形成攔門沙，該海域平均潮差約為2.66 m，最小潮差為0.17 m，最大潮差為4.62 m[47-49]。

作為長江河口重要的水沙入海通道和航槽（圖1（b）），南槽分流比約占25%，且發(fā)育最大渾濁帶[47]。此外，南槽河槽沉積物以砂質(zhì)粉砂為主，上段北側(cè)為粉砂質(zhì)砂，南側(cè)為粉砂，下段南匯邊灘主要為砂質(zhì)粉砂，九段沙下游為粉砂。主槽沉積物中值粒徑平均為53.6 μm，邊灘為40.3 μm，大體呈槽粗灘細(xì)的分布特征[50]。該海域以往復(fù)流為主，具有顯著漲落潮不對稱特征，以落潮流占優(yōu)勢；落潮流的平均歷時為7.1 h，漲潮流平均歷時則為5.4 h[45]。近年來，由于北槽深水航道和九段沙區(qū)域水利工程建設(shè)的影響，南槽上部分流比顯著增強，對南槽水動力特征、懸沙輸運格局、最大渾濁帶的發(fā)育均有影響[51]。

圖1 長江口位置（a）沉積動力過程錨系觀測站位（b）（圖中深度基準(zhǔn)為理論最低潮面）

2 材料與方法

2.1 現(xiàn)場觀測采樣

2017 年10 月19 日（大潮）至29 日（小潮），在長江口南槽進(jìn)行了兩個時段的沉積動力過程錨系觀測（圖1（b））。此期間，大通徑流量約3.85×104m3∕s。2017 年10 月20 日7 時至10 月22 日8 時為第一時段，2 船同步在沿南槽河道N1、N2站位進(jìn)行觀測；2017 年10 月23 日9 時至10 月26日7 時為第二時段，3 船同步在跨槽斷面N6、N2、N7 三站進(jìn)行觀測。每次觀測持續(xù)2～3 日，每條測船攜帶三腳架觀測系統(tǒng)一套、開展近底部邊界層觀測（儀器配置具體見表1）。其中在N2站進(jìn)行了覆蓋大、小潮的長時間觀測，時間段為2017 年10月20 日7 時至10 月29 日0 時。觀測中，使用船側(cè)裝載的自表向底發(fā)射的聲學(xué)多普勒流速剖面儀（TRDI ADCP）以及座底三腳架上的聲學(xué)單點流速儀（Nortek ADV）進(jìn)行流速和流向測量；在每個整點時刻，使用光學(xué)后向散射濁度計OBS-3A 和溫鹽深儀SBE25-CTD 進(jìn)行濁度、鹽度和溫度剖面觀測，近底部濁度數(shù)據(jù)通過底部三腳架搭載的懸沙剖面測量儀ASM-Ⅳ（德國ARGUS，NTU 量程0～4 000，濁度精度為10%）和OBS-3A 補充獲得。同步使用采水器采集表、中、底3層水樣。

表1 儀器安裝和設(shè)置信息表

2.2 濁度標(biāo)定

現(xiàn)場采集水樣帶回室內(nèi)用于濁度計標(biāo)定，建立濁度和質(zhì)量懸沙濃度的關(guān)系（圖2）。當(dāng)懸沙濃度過高時，濁度與懸沙濃度之間的關(guān)系有一定變化，因此按濁度數(shù)值高低分段來獲得標(biāo)定曲線；總體上各測站濁度與懸沙濃度具有較好的線性關(guān)系。

圖2 長江口各測站的濁度T與懸沙濃度C之間的關(guān)系

2.3 數(shù)據(jù)處理

由于ADCP 獲取的流速剖面存在近底部盲區(qū)，采用座底三腳架搭載的ADV 作為補充觀測。對獲取的每一水層流速數(shù)據(jù)進(jìn)行5 min平均獲取平均流速；以潮流橢圓的長軸方向為主流向，可計算出漲、落潮流的主流向（縱向）和次流向（橫向）流速。為便于數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析，將按照相對水深六點法提取出對應(yīng)水層的流速、懸沙濃度數(shù)據(jù)。垂線平均流速和懸沙濃度按照式（1）和（2）所示進(jìn)行計算：

式中：Uˉ和Cˉ代表垂向平均流速和垂向平均懸沙濃度，U0、U0.2、U0.4、U0.6、U0.8、U1以及C0、C0.2、C0.4、C0.6、C0.8、C1分 別 代 表 相 對 水 深 表 層、0.2H、 0.4 H、0.6 H、0.8 H、底層的流速和懸沙濃度值。

為便于分析，第一時段觀測的潮周期選取為2017 年10 月20 日8 時 至10 月21 日9 時（記 為DC1），第二時段觀測的潮周期選取為10 月23 日11 時至10 月24 日12 時（記為DC2）。由于N7 站位為整點半進(jìn)行剖面測量，因此第二時段N7站位的潮周期選取為10 月23 日11.5 時至10 月24 日12.5 時，時間相近也歸于DC2期間同N6和N2站位對比分析討論。此外，在N2站進(jìn)行了覆蓋大小潮的長時間觀測，選取10 月21 日11 時至10 月22 日12時為大潮的典型時段（記為DC），10月27日0時至10月28日1時為小潮的典型時段（記為XC）。

按不同時空過程的懸沙輸運機(jī)制進(jìn)行通量分析，考查各輸運分量在總通量中的貢獻(xiàn)，從而闡明河口最大渾濁帶懸沙輸移機(jī)理[21]。本文采用改進(jìn)的通量分析方法[30，36]，將凈懸沙通量FT定義為平流分量FA和潮泵分量FP之和，該方法可以詳細(xì)研究各時段和垂向各層位平流和潮泵作用對凈懸沙通量（kg∕（m·s-1））的相對影響，并能得到觀測時段的累計動態(tài)變化，這是以往基于時空平均角度的傳統(tǒng)通量分解法所不具備的。Scully 等[36]和Sommerfield等[30]提出了如下公式：

其中U和C分別為沿程流速和含沙量的瞬時值，瞬時沿程流速分解成潮變化流速U′和潮平均流速(＜U＞)之和，瞬時懸沙濃度也同樣分解為C′和（＜C＞），其中U′和C′表示與潮汐平均值的偏差，z 為水深。潮平均‘＜＞’可通過使用34 h Butterworth 算法的低通濾波器對時間序列進(jìn)行濾波[52]。流速的潮平均（低通濾波）結(jié)果稱為余流，懸沙濃度的潮平均（低通濾波）結(jié)果稱為潮平均懸沙濃度，二者的乘積代表平流通量。平流通量和潮泵通量同瞬時流速和懸沙濃度具有相同的時空分辨率。一般來說，河口余流和懸沙通量主要受重力環(huán)流影響，即向海正壓流和向陸斜壓流。余流的斯托克斯漂移分量并沒有從速度時間序列中去除，斯托克斯補償流產(chǎn)生的懸沙通量包含在FA中。本文規(guī)定，主流向（沿槽縱向）正值表示向陸輸運（漲潮方向），負(fù)值代表向海輸運（落潮方向）；次流向（跨槽橫向）正值表示跨槽向西南向，負(fù)值表示跨槽向東北向。本文中，懸沙總通量（簡稱總通量）代表的是觀測期間內(nèi)不考慮輸運方向的懸沙輸移總量，取觀測時間內(nèi)的絕對值之和；凈懸沙通量（簡稱凈通量）是指考慮去潮后觀測期間內(nèi)懸沙向某個方向的凈輸移量。

3 結(jié)果

3.1 流速與懸沙濃度

觀測期間N1、N2、N6、N7 站位的平均水深分別約為7.67 m、8.51 m、7.18 m、6.79 m，主流向呈東南-西北方向，N1 站位漲（落）潮流流向約為310°（130°），N2 站位漲（落）潮流流向約為315°（135°），N6 站位漲（落）潮流流向約為308°（128°），N7 站位漲（落） 潮流流向約為296°（116°）。

N6、N2 和N7 站位組成跨河道的橫向斷面（圖1（b）），其中N6 北側(cè)靠近主槽，南側(cè)緊鄰淺灘，N7 站位北側(cè)靠近九段沙，南側(cè)匯入主槽。N1、N2、N6 和N7 站位流速最大值出現(xiàn)在水位最高與最低前1～2 h，憩流出現(xiàn)在最高和最低水位后1～2 h（圖3）。總體來說，各站位漲、落潮流速最大值出現(xiàn)在表層，橫向流速弱于縱向流速；與縱向流速結(jié)構(gòu)特征不同，橫向流速高值主要出現(xiàn)在憩流期間（圖3（b1）－（b7））。灘槽流場分布特征具有顯著時空差異，空間上流速呈現(xiàn)“槽內(nèi)大，淺灘小”特征；時間上大潮縱向流速是小潮的1.8倍，橫向流速是小潮的1.4 倍（表2）。觀測期間各站位漲潮歷時5～6 h，落潮歷時為7～8 h，流速縱向上落潮流占優(yōu)，橫向上向西南邊灘占優(yōu)（表2），具有明顯的漲落潮歷時不對稱和流速不對稱特征。潮波變形和觀測期間較強的入海徑流量是導(dǎo)致漲落潮流速、歷時不對稱的重要原因。

表2 長江口南槽觀測站位潮周期垂向平均流速和懸沙濃度

圖3 各站位縱向、橫向和N2站位大潮、小潮的流速剖面圖和懸沙濃度剖面圖

水體近底部出現(xiàn)周期性高懸沙濃度，呈現(xiàn)周期性層化狀態(tài)；強層化期間，近底部區(qū)域懸沙更加富集、難以向上層擴(kuò)散。漲潮期間，底部高懸沙濃度的出現(xiàn)時間N1 站比N2 站滯后約1 h，落潮期間則相反（圖3（c4）和（c5））。N2 站位水動力最強，較強的水動力使得水體的垂向摻混增強，導(dǎo)致更多的懸沙懸揚，整體懸沙濃度偏高（圖3 和表2）。靠近淺灘區(qū)域的N1、N6 和N7 站位的潮周期垂向平均懸沙濃度分別是0.91 kg∕m3（DC1）、0.62 kg∕m3（DC2）和0.71 kg∕m3（DC2），靠近主槽的N2 站位潮周期垂向平均懸沙濃度在3 個大潮階段分別為1.35 kg∕m3（DC1）、0.88 kg∕m3（DC2）和1.23 kg∕m3（DC），懸沙濃度場空間上表現(xiàn)為“槽內(nèi)高，淺灘低”，垂向上表現(xiàn)為“指數(shù)型”或“L型”特征（圖5（c1）－（c5）和圖8（a）、（A）），時間上大潮期間懸沙濃度是小潮期間的5倍（表2），表明潮相和水動力強度的變化對懸沙濃度變化具有重要的影響。高懸沙濃度出現(xiàn)于漲、落急縱向流速較大時刻，憩流期間的懸沙濃度相對較低，表明潮周期內(nèi)有顯著的再懸浮和沉降作用[53]。

張麗芬等[52]對長江口縱向流速做了不同濾波周期的低通濾波計算，發(fā)現(xiàn)當(dāng)濾波周期為34 h時，低通濾波函數(shù)已能基本消除周期性潮流信號、得到有效的縱向余流數(shù)據(jù)，隨濾波周期的持續(xù)增大（36～40 h）余流數(shù)值沒有發(fā)生顯著變化。因此，本文參考其方法選取34 h 為濾波周期對各站位的流速和懸沙濃度進(jìn)行低通濾波，分別獲取余流和潮平均懸沙濃度，結(jié)果見圖5 和圖8?？v向向海和橫向向西南余流主要集中于各站位的中上層（圖5（d1）－（d5）、（e1）－（e5）和圖8（c）、（f）、（C）、（F）），這也是導(dǎo)致垂向平均后余流縱向落潮占優(yōu)、橫向向西南占優(yōu)的原因（圖4（a）和（b））；潮平均懸沙濃度剖面顯示，大部分懸沙聚集在中底部區(qū)域（圖5（c1）－（c5）和圖8（a）、（A）），近底部區(qū)域潮平均懸沙濃度最大值可達(dá)2.86 kg∕m3，較高的潮平均懸沙濃度表明了最大渾濁帶區(qū)域近底部具有豐富的沉積物源。

圖4 N2站位基于4階Butterworth低通濾波計算的流速（縱向和橫向）以及懸沙濃度結(jié)果

3.2 懸沙輸運

3.2.1 縱向懸沙輸運特征分析

大潮期間，縱向上南槽攔門沙海域各站位垂向皆表現(xiàn)為落潮占優(yōu)，并未出現(xiàn)縱向余環(huán)流，水體混合程度較高（圖5（d1）－（d5））。由于漲落潮不對稱和沉降滯后，大量懸沙被落潮流向口外挾帶；N1、N6 和N7 站位垂向各層位落潮階段的懸沙濃度基本大于潮周期平均懸沙濃度，而漲潮階段基本小于潮周期平均懸沙濃度。但N2站由于靠近主槽，且DC1 和DC 為天文大潮期間，徑潮流在河口交匯強烈，漲潮期間近底部潮流較強，湍流混合相對較強，再懸浮作用顯著，懸沙濃度較高并高于落潮期間（圖5（c2）和圖8（a））。

洪季南槽各站位縱向凈通量剖面在垂向上呈現(xiàn)“底層大，中表層小”特征（圖5），且懸沙輸運的主導(dǎo)因子具有顯著的空間和垂向差異，各站位整個水柱通量和近底層懸沙通量（縱向橫向）見表3。縱向上，N1、N2 和N6 站位由平流作用主導(dǎo)懸沙向海凈輸運（圖5 和圖6），潮平均沿深度積分平流通量分別為-0.73 kg∕（m·s-1）、-2.68 kg∕（m·s-1）、-0.63 kg∕（m·s-1），占總通量的62.02%、94.83%、82.23%；而靠近九段沙的N7站位由潮泵作用主導(dǎo)懸沙凈向陸輸運，潮平均沿深度積分潮泵通量達(dá)0.91 kg∕（m·s-1），占總通量的58.82%。受強入海徑流量的影響，4站位的平流通量縱向上各層位皆為向海輸運，沿深度積分平流通量在大潮期間累積增加，增加趨勢基本不變（圖5和圖6）。平流作用是N1站位0.6 H水層和N7站位0.4 H水層以上水體懸沙向海輸運的主導(dǎo)機(jī)制，以下水層則變?yōu)橛沙北幂斶\占據(jù)主導(dǎo)作用，且在近底層潮泵輸運最為顯著（圖10），近底層區(qū)域潮周期平均潮泵通量分別達(dá)-0.22 kg∕（m·s-1）（DC1） 和0.28 kg∕（m·s-1）（DC2），占近底部懸沙總通量的64.28%和59.22%（表3），可能是由于中底部急流侵蝕，再懸浮和滯后效應(yīng)顯著導(dǎo)致潮泵輸運占優(yōu)，中底層的強潮泵通量也是導(dǎo)致N1 和N7 站位沿深度積分累積潮泵通量曲線向海和向陸的原因（圖5 和圖6）。受科氏力作用影響，漲潮流偏北，南槽下部呈復(fù)式河槽，南側(cè)為落潮槽，北側(cè)為漲潮槽，中部發(fā)育淺灘[50]，位于落潮槽內(nèi)的N6 和N2 站位在DC2 期間，潮汐作用開始減弱，徑流作用占優(yōu)，垂向各層平流通量在總通量中占主要地位。

表3 各站位不同潮周期整個水柱和近底部懸沙通量/（kg·m-1·s-1）

圖6 第一時段和第二時段觀測期間各站位沿深度積分瞬時和累積懸沙通量時間序列（縱向和橫向）

3.2.2 橫向懸沙輸運特征分析

橫向流速與縱向流速顯著不同，4 個站位皆出現(xiàn)橫向環(huán)流結(jié)構(gòu)。其中，N1 和N6 站位在漲潮期間出現(xiàn)表層向西南，底層向東北的橫向環(huán)流；N2 站位漲落潮期間皆出現(xiàn)表層向西南，底層向東北的橫向環(huán)流，且橫向流速表底層差距在4 個站位中最大。N7 站位漲潮期間的環(huán)流結(jié)構(gòu)與其他站位相反，且落潮期間出現(xiàn)了方向相反的雙環(huán)流結(jié)構(gòu)（圖5（b1）－（b5）和（e1）－（e5））。

各站位潮平均沿深度積分懸沙通量結(jié)果顯示（表3），橫向懸沙通量在更靠近淺灘的N1、N6 和N7 站位比縱向懸沙通量小一個量級，而靠近主槽的N2 站位的橫向懸沙通量比縱向懸沙通量稍弱，且比其他3 個站位橫向懸沙通量高出一個量級（圖5（g3）－（g5）、圖6（b3）－（b5）和圖6（d3）－（d5））。N1 站位懸沙輸運受潮泵作用影響較強，潮泵通量為-0.16 kg∕（m·s-1）（DC1），占總通量的76.66%。N2、N6 和N7 站位則由平流作用主導(dǎo)懸沙向西南凈輸運，但N6、N2 和N7 的潮泵通量在灘槽交界附近匯合（圖5（g3）－（g5）和6（d3）－（d5））。N6、N2 和N7 站位的平流通量分別為0.14 kg∕（m·s-1）（DC2）、2.20 kg∕（m·s-1）（DC1） 和1.32 kg∕（m·s-1）（DC2）、0.14 kg∕（m·s-1）（DC2），占總 通 量 的60.14% （DC2）、89.86% （DC1） 和93.36%（DC2）、66.06%（DC2）。沿深度積分總通量總體上向西南偏移，其大小在淺灘附近減小，暗示了橫向搬運沉積物的局部補給。

橫向上各站位垂向各層平流通量主要向西南邊灘輸運，但由于橫向余環(huán)流的影響導(dǎo)致N1和N2站平流通量在中底層有所不同（圖5（e1）、（e2）、（g1）和（g2））。N1、N2和N6站位垂向各層潮泵通量皆向東北輸運，N1站位0.4 H水層和N6站位0.6 H水層以上懸沙受平流作用控制向西南邊灘輸運，以下水層受潮泵作用控制向東北輸運（圖5（g1）和（g3）），近底層潮泵效應(yīng)顯著（圖10（b）和（d）），潮周期平均潮泵通量分別為-0.026 kg∕（m·s-1）（DC1）、-0.015 kg∕（m·s-1）（DC2），占近底層總通量的74.34%、77.54%（表3）。N2 站位垂向各層懸沙皆向西南邊灘凈輸運，平流作用占優(yōu)，潮泵作用較弱，與累積潮泵通量曲線在潮周期內(nèi)穩(wěn)定的狀態(tài)一致（圖6（d2）和（d4））。N2站位由于靠近主槽，近底部區(qū)域受地形束縛作用，橫向流速較弱，橫向上輸沙很弱，相較于上部各層位顯著降低（圖5（g2）、（g4）和圖10（a）、（c）、（e）、（g）），近底部橫向懸沙凈通量對整個水柱懸沙凈通量貢獻(xiàn)只有-1.39% （DC1）、0.47% （DC2）、-1.18%（DC）、-0.02%（XC）（表4）。N7 站位0.2 H～0.4 H水層潮泵作用與平流作用相當(dāng)，但方向相反（圖5（g5）），且西南向輸運的懸沙主要由中底層貢獻(xiàn)，近底層潮周期平均懸沙總通量為0.066 kg∕(m·s-1)（DC2），對整個水柱懸沙輸運貢獻(xiàn)達(dá)30.45%（表3）。值得關(guān)注的是，近底層懸沙在N2 站位和N6 站位之間凈輻聚（圖7（d3）－（d5）、圖10（c）和圖12），為攔門沙的堆積提供了重要物源。

表4 近底部懸沙輸運量占整個水柱懸沙輸運量的比重/%

圖7 各站位縱向、橫向和N2站位大潮、小潮的近底層瞬時和累積懸沙通量時間序列和潮平均凈懸沙通量（縱向和橫向）

3.2.3 懸沙通量的大小潮變化

以長時間觀測站N2為例分析大、小潮期間各參數(shù)的垂向分布（圖8）。大潮期間，水體呈持續(xù)性混合狀態(tài)，潮汐應(yīng)變可忽略[52]，未出現(xiàn)縱向余環(huán)流（圖5（d1）－（d5）和圖8（c）），而橫向余流剖面顯示出存在較弱的近底層向東北，中表層向西南的橫向余環(huán)流（圖8（f））。小潮期間，水體呈周期性層化狀態(tài)，對垂向混合抑制增強，南槽中部存在潮汐應(yīng)變，斜壓作用主導(dǎo)縱向上形成了表層向海，底層向陸的縱向余環(huán)流（圖8（C））。大潮期間，N2 站位橫向上出現(xiàn)了中表層向西南，近底層向東北的凈懸沙通量結(jié)構(gòu)以及在小潮期間縱向上出現(xiàn)了近底層向陸，中表層向海的凈懸沙通量結(jié)構(gòu)，或許是由于余環(huán)流的形成導(dǎo)致（圖8（g）和（D））。

圖8 N2站位大小潮期間漲落潮平均流速、懸沙濃度以及余流、潮平均懸沙濃度和懸沙通量的垂向剖面（縱向和橫向）

圖9 N2站位水深時間序列和懸沙通量時間序列（縱向橫向），黃色區(qū)域A、C、E、G為大潮期間（DC）。淡黃色區(qū)域B、D、F、H為小潮期間（XC）

N2 站位懸沙通量垂向各層位懸沙皆受平流作用主導(dǎo)（圖8（d）、（g）、（D）、（G）和圖10（b）、（d）、（f）、（h）），但大潮期間比小潮期間高一個量級，具有顯著的大小潮變化。橫向上，凈通量剖面結(jié)構(gòu)在大小潮期間基本一致，平流作用和潮泵作用都將懸沙向西南邊灘輸運（圖8（g）和（G））?？v向上，N2 站位觀測期間的沿深度積分最大瞬時潮泵通量出現(xiàn)在大潮期間，達(dá)19.77 kg∕（m·s-1），潮泵作用最顯著，沉積物在強水動力環(huán)境下易被起動摻混至高速潮流中，受潮泵作用向陸輸運（圖8（a）和（d）），潮平均沿深度積分潮泵通量達(dá)0.53 kg∕（m·s-1）（表3）。但受高徑流量影響，大潮期間整個水柱懸沙向海凈輸運，潮平均沿深度積分的凈懸沙通量達(dá)-3.21 kg∕（m·s-1），平流通量為-3.74 kg∕（m·s-1），占總通量的87.63%。小潮期間，懸沙仍受平流作用主導(dǎo)向海凈輸運，潮平均沿深度積分平流通量為-0.13 kg∕（m·s-1），占總通量的63.21%，潮泵通量為-0.08 kg∕（m·s-1）（表3），由大潮期間的向陸泵送占優(yōu)轉(zhuǎn)為小潮期間的向海泵送占優(yōu)。小潮期間水動力強度顯著降低，縱向潮周期垂向平均流速是大潮的0.4 倍（表2），再懸浮強度相對較弱，水體懸沙濃度也顯著降低（圖8（A））。

圖10 各站位縱向、橫向和N2站位大小潮的潮平均凈懸沙通量及平流通量和潮泵通量占總通量的比重（縱向和橫向）

近底層縱向平流通量由大潮期間向海輸運轉(zhuǎn)為小潮期間的向陸輸運，潮泵通量由大潮期間的向陸泵送占優(yōu)轉(zhuǎn)為小潮期間的向海占優(yōu)（圖7（c6）和（c7））。橫向上，大小潮期間平流作用皆將懸沙向東北輸運，但潮泵通量由大潮期間的向東北泵送占優(yōu)轉(zhuǎn)為小潮期間向西南占優(yōu)（圖7（d6）和（d7）），小潮加強了近底層懸沙從河口下游向陸遷移至最大渾濁帶區(qū)域的總體趨勢（圖10（e）和（g））。

對N2站位沿深度積分總懸沙凈通量時間序列分解可知（圖9（b））?？v向上，平流通量隨著潮相改變增長減慢，累積曲線趨于平緩（圖9（c）），且在縱向上基本保持向海輸運，橫向上維持向西南邊灘輸運。潮泵通量的大小和方向隨著徑潮流相互作用和沉積物來源的變化而變化[30，54-56]，大中潮期間，縱向上潮泵作用將懸沙向陸泵送占優(yōu)，當(dāng)潮相改變，潮流減弱，徑流作用更加顯著時，小潮期間則轉(zhuǎn)為向海占優(yōu)，累積潮泵通量曲線隨之逆轉(zhuǎn)為向海方向（圖9（c）），但橫向上一直處于向西南邊灘泵送占優(yōu)。雖然縱向沿深度積分懸沙通量比橫向大（圖8、圖9和表3），但是縱向潮泵累積通量曲線在大潮期間與平流累積通量曲線反向，抵消了部分懸沙向海平流通量，因此對更靠近主槽的N2站位而言，在兩個方向上的累積總輸運量相當(dāng)（圖9（c）和（e））。

4 討論

隨著全球變暖、海平面上升以及日益增加的人類活動的影響，大河三角洲的流域來沙持續(xù)減少，普遍面臨沖淤轉(zhuǎn)換的風(fēng)險。對長江口而言，由于流域建壩、調(diào)水等人類活動，自20世紀(jì)80年代以來懸沙年平均輸運量呈明顯的下降趨勢[55-57]，人類活動作為“第三驅(qū)動力”對河口的影響在不斷增強[58-59]。自2003 年三峽大壩建成之后，大量懸沙滯留于庫區(qū)，出庫懸沙減少，長江入海懸沙的減少更為顯著[60-61]，影響了物質(zhì)交換和河口資源可持續(xù)性[62]。大通站觀測資料表明2003－2009年長江入海懸沙僅為1950s－1980s 的30%[63]。本文研究發(fā)現(xiàn)，洪季南槽中部攔門沙海域凈懸沙通量基本向南，推測懸沙向南凈輸運的格局為南槽下段南匯邊灘不斷向海淤長提供了重要物源（圖11）。由平流主導(dǎo)的西南向懸沙供給有助于南匯灘涂抵御、延緩海平面上升和徑流輸沙減少引起的灘涂侵蝕。同時，潮泵效應(yīng)使懸沙向灘槽交界處匯聚的趨勢對最大渾濁帶的發(fā)育有促進(jìn)作用。林益帆等[64]和Li 等[65]基于通量分解法和建立箱式模型指出，南槽洪季中上部區(qū)域懸沙濃度高值主要是由平流輸運引起的，懸沙受平流主導(dǎo)向海凈輸運。同時，受北槽深水航道工程和南匯圍墾工程的影響，南槽的分流比大幅增加，河道上段水流集中，落潮流動增強，呈現(xiàn)出“上段沖蝕加深、中段微沖、下段河槽束窄、兩側(cè)淺灘淤積”的狀態(tài)，且南匯邊灘進(jìn)一步淤積發(fā)展，連成一個整體且有向東展寬的趨勢[4，66]，佐證了本文的分析結(jié)果。

圖11 各站位沿深度積分凈懸沙通量概念圖

最大渾濁帶的形成與河口漲落潮不對稱、余環(huán)流、再懸浮和沉降過程密切相關(guān)[67-68]。張麗芬等[52]通過對2018 年洪枯季南槽上中下游三個站位的實測資料分析（圖1（b）），提出了長江口南槽攔門沙海域存在兩種河口縱向余環(huán)流模式，即在洪季形成于攔門沙外坡的經(jīng)典單環(huán)流，而在枯季形成由攔門沙內(nèi)、外坡環(huán)流構(gòu)成的雙環(huán)流，這種環(huán)流結(jié)構(gòu)可顯著影響河口滯流點及最大渾濁帶懸沙的時空分布。本文觀測位置N2 與其研究中的測站A2 相近，靠近主槽并處于攔門沙內(nèi)坡（圖1（b）），洪季大潮和小潮的縱向余流結(jié)構(gòu)與其研究結(jié)果一致。結(jié)合其口外A3 站位存在表層向海、底層向陸的縱向余環(huán)流的研究結(jié)果，推測存在上、下游區(qū)域懸沙凈輸移方向相反并最終導(dǎo)致其在某一區(qū)域富集的懸沙輸運格局，為最大渾濁帶形成提供物源。

長江口南槽最大渾濁帶懸沙輸運格局具有顯著的洪枯季差異。洪季攔門沙海域受徑流主控，枯季則轉(zhuǎn)為以潮汐作用為主。洪季滯流點位置位于攔門沙灘頂附近，上游豐富的來沙與最大渾濁帶的高懸沙濃度會促進(jìn)攔門沙海域的淤積；枯季潮汐作用增強，滯流點位置上移，上游來沙減少，攔門沙灘頂受到?jīng)_刷[54，69]?？菁灸喜厶幱谟俜e狀態(tài)，再懸浮通量較小，平流輸運在整個懸沙輸運過程中貢獻(xiàn)最大，潮泵效應(yīng)輸運項次之，存在中上部向陸、下部向海的懸沙輸運模式，這種模式可能在枯季短期引起懸沙在南槽攔門沙海域堆積[16-17，29，52]。

雖然懸沙縱向輸移是河口輸沙輸運的主導(dǎo)過程，但其橫向變化也不能忽略，它可能導(dǎo)致淺灘區(qū)域的懸沙凈捕集[33，70]。通過比較縱向和橫向的懸沙凈通量，可以評估縱向和橫向輸沙的相對重要性。在本研究中，靠近主槽區(qū)域的累積橫向懸沙凈通量在觀測期間內(nèi)與累積縱向懸沙凈通量相當(dāng)，這表明在控制河口沉積過程方面，橫向輸運有時可達(dá)到與縱向輸運相當(dāng)?shù)乃健４送?，在長江口南槽西南邊灘與主槽交界附近的近底部觀測到了凈輸沙通量的輻聚區(qū)（圖10（c）和圖12），促進(jìn)了河口最大渾濁帶的發(fā)育。由于現(xiàn)場觀測資料的時空局限性，未來需結(jié)合數(shù)值模擬開展懸沙輸運對不同動力過程下的多情景分析，厘清復(fù)雜地形影響下長江口南槽最大渾濁帶發(fā)育過程和演變趨勢。

圖12 近底層橫向懸沙輸運模式圖

5 結(jié)論

本文主要基于洪季在長江口南槽縱、橫斷面上同步錨系站的沉積動力過程觀測，試圖厘清南槽攔門沙海域縱向和橫向的水沙輸運時空分布特征和輸運機(jī)理。本研究獲得的主要結(jié)果如下：

（1）洪季長江口南槽攔門沙海域灘槽水沙分布特征具有顯著的時空差異。大潮期間，流速呈現(xiàn)“槽內(nèi)大，淺灘小”特征，懸沙濃度場表現(xiàn)為“槽內(nèi)高，淺灘低”?？拷髂线厼┖椭鞑蹍^(qū)域都出現(xiàn)了表層向西南，中底層向東北的橫向余環(huán)流，靠近主槽區(qū)域的橫向余環(huán)流較弱。受洪季徑流量影響，小潮期間南槽攔門沙海域水體呈周期性層化狀態(tài)，出現(xiàn)表層向海、底層向陸的縱向余環(huán)流。

（2）洪季南槽攔門沙海域懸沙（沿水柱積分）基本向南凈輸運，與南匯邊灘向海淤長的趨勢一致，可能是其重要的沉積物來源。凈懸沙通量也表現(xiàn)為“槽內(nèi)大，淺灘小”特征?？v向上，西南邊灘和主槽區(qū)域的平流通量對懸沙總通量的貢獻(xiàn)較大，而靠近九段沙區(qū)域則是潮泵通量的貢獻(xiàn)較大；橫向上，懸沙凈輸運主要由平流主導(dǎo)，但橫向余環(huán)流的形成會導(dǎo)致表、底層平流通量抵消，最終產(chǎn)生由單向潮泵通量控制的懸沙凈通量。

（3）潮泵通量的大小和方向與徑潮流相互作用有關(guān)，并可能隨沉積物來源變化而變化。主槽區(qū)域潮泵通量縱向上由大、中潮期間向陸泵送占優(yōu)轉(zhuǎn)為小潮期間向海凈輸運占優(yōu)，橫向上基本維持向西南邊灘輸運占優(yōu)。大潮期間潮泵通量橫向上表現(xiàn)為在灘槽交界處匯合的特征，有助于最大渾濁帶形成。

（4）近底層（底床之上約0.30 m 范圍內(nèi)）凈懸沙通量呈現(xiàn)從淺灘向主槽凈輻聚的格局，凈輻聚的過程是高濃度懸沙聚集于灘槽界面的重要原因，可能是攔門沙和最大渾濁帶得以形成和維持的重要機(jī)制。淺灘區(qū)域近底層懸沙凈輸運基本由潮泵作用控制，且對整個水柱潮泵通量貢獻(xiàn)顯著，而主槽區(qū)域仍受平流作用控制，但受地形束縛影響近底層橫向懸沙通量顯著減少，對整個水柱橫向上懸沙輸運貢獻(xiàn)較少。

致謝：毛建閃、呂潤清、陳元杰、趙培培、張文祥、張賽賽、徐圣、唐杰平、陳德志、徐堯、吳昊、蘭庭飛、魯號號、周亮、楊陽、楊照祥、劉幀橋、梅亞萍、薛成鳳、石勇、劉強、艾喬和莫力佳在野外調(diào)查和室內(nèi)實驗提供了幫助，一并致謝！