悬沙浓度分布对鸭绿江河口流速结构的影响.docx

1、ISSN1009-2722MarineGeologyLetters海洋地质动态2007,23(10)：612文章编号：1009-2722(2007)010-0006-07悬沙浓度分布对鸭绿江河口流速结构的影响白凤龙。高建华1(1南京大学海岸与海岛开发教育部重点实验室，南京210093)摘要：对鸭绿江河口1994和1996两年两个站位共4个潮周期的数据进行了分析，通过流速对数剖面公式计算了边界层参数，并对各个潮周期内的边界层参数的变化规律进行了分析，同时也对悬沙输送可能对垂向流速结构以及边界层参数造成的影响进行了探讨，分析结果表明，正是由于悬沙分布的影响，打破了原有的温度、盐度、水体密度在水层间

2、的分布格局，改变了原有水体的纵向密度梯度，除少数时刻对应的水体R值减小之外，水体的R值被普遍提高，并且分层稳定。应用改造后的Vonkarmen-Prandtl流速对数分布剖面公式.重新对原先公式计算的边界层参数进行了修正，修正后结果表明，.Cioo和r分别比通过原公式的计算值平均减少了21%、56%和36%,而由于水体悬沙则使r比在没有悬沙存在的情况下的r值平均减少了22%。关键词：鸭绿江河口；流速结构；悬沙分布；边界层参数中图分类号：P737.4文献标识码：A在边界层厚度内，由于河床底边界层作用使水流的垂向流速结构发生改变，但在均匀、恒定流以及底床平坦、固定的条件下，流速随高度的变化呈现对数

3、分布，即符含Vonkarmen-Prandtl流速对数分布剖面公式；但是由于该式是在理想条件下得到的，而自然界中非单向恒定的波浪、潮流、内波等的大量存在不但形成各白的内边界层，而且他们之间还往往伴随着非线性相互作用，因此，自然条件下的流速分布常常偏离Vonkarmen-Prandtl流速对数分布形式。造成流速分布偏离对数分布剖面的原因有很多，Wilkinson将其系统归纳为以下几点：潮流的加速和减速;底部地形分布的影响；悬沙的分布的影响可能会改变底床糙度和收稿日期：2007-09-28基金项目：国家自然科学基金(40506022)作者简介：白风龙(1984)，男，硕士，主要从事海洋沉积动力学研

4、究工作.Email：niubflVon-karmen常数；由于盐度、温度以及悬沙浓度在层间的不均匀分布引起的水体分层现象；由于泥沙输送可能造成水体下部底床微地貌的改变,观测上的误差。Soulsby和Dyer指出，通过onkarmen-Prandtl流速对数分布剖面公式得出的U.和乙值在流速加速时期偏小，而在减速时期偏大。造成流速对数分布剖面弯曲可能是由于物理原因，本文对鸭绿江口的边界层潮流流速结构以及边界层参数进行了分析，并对悬沙输送对其可能造成的影响进行了讨论。1区域概况鸭绿江位于中国一朝鲜边境.发源于长白山麓全长790km,是一条沿断裂发育而成的河流，流程短、比降大，是典型的山溪型河流。鸭

5、绿江的年径流最为3.02X108m'/a,年输沙量2.04X104t/a,水沙大多集中在夏季,7-9月份3个月的径流量就占全年径流总量的36%,其中8月份最多，占15%,2月份最少，占5.9%,径流的年内分配不均衡。鸭绿江河口是一个湾顶位于浪头镇附近的喇叭状河口湾，扭岛以上部分因为众多岛屿的屏障作用，径流作用强烈，在涨潮流和径流的共同作用下形成三角洲平原和广阔散乱的草坪，其中，扭岛至蚊子沟共长约24km的地区为潮流和径流交互作用的地区，形成最大浑浊带，蚊子沟到大沙河口地区为径流控制区，长约20km。扭岛以下到口门地区则以潮流控制为主，在潮流和波浪的共同控制下形成了大面积的潮流沙脊和潮流

6、通道；但是，20世纪70年代以来，由于上游建水库以及两岸大量的人工护岸工程使河口地区除少量地区淤积以外，大部分地区都处于稳定和侵蚀状态，此外.由于上游来沙供应量不足，口外历史上形成的潮流沙脊在风浪和潮流作用下开始重新分配和运移，河口三角洲的发育也已经停止。鸭绿江口为一强潮强混合型河口，具有潮大流急的特点，潮汐类型为正规半日潮，但由于受鸭绿江近海段的河床比降、河槽断面、江水深度，河道弯曲度以及河流径流髭等因素的影响使河口地区存在着明显的潮汐口不等现象，涨潮历时小于落潮历时，越向上游，这种现象愈明显。2数据采集和分析方法2.1数据采集1994年8月和1996年6月辽丹112调查船分别在C1站和C2

7、站进行了全潮水文观测。1994年的数据采集采用六点法，1996年则在垂向上采用0.5m间距采集水样和测量温度、盐度、水深和浊度等数据。流速仪采用LSC9-2型直读式海流计，浊度采用直读式CTD和透射式浊度仪，悬浮物质含量的确定采用过滤称重法，建立浊度仪记录与悬浮浓度关系曲线.由浊度仪记录换算。2.2水体分层及边界层参数的计算Prichard等根据河口水体的分层和盐度分布的特点将河口的类型划分为：高度分层型、部分混合型和充分混合型河口。但在有潮河口区，随着涨落潮的变化.河口水体也发生往复流动，与底部产生摩擦、涡动，使咸淡水发生混合作用，减弱了纵向密度梯度，使上下层间的水体发生混合，当底床速度乾切

8、力产生很强的涡动时，水体垂向混合将使密度分层无法维持。通常用FluxRichardsonnumber(R)来判断水体的分层情况，但由于Ri(GradientRichardsonnumber)可以直接由实测流速和密度求出，在计算和应用上更为简便，Mellor和Yamada给出了R和R之间的经验关系式®:Rf=0.0725R+0.186-(1?;-0.316R+0.316)(2)式中:p为水体密度；为距离底床z(m)处的流速；g为重力加速度(9.8m/s2)e水体和水沙混合物的密度转换公式如下：.（ps佝）（3）式中:伽为水沙混合物的密度（kg/m3）；Pf为水体的密度（kg/m'

9、;）；°为沉积物的密度（kg/m3）,数值为2650kg/m3;。为悬沙浓度（kg/n?）。边界层参数“和匀根据流速剖面法，将不同层次的“和之的数值带入Vonkarmen-Prandtl流速对数分布剖面公式，通过线性回归的方法推导求出。摩擦系数G。使用公式（5）计算：5估（4）河床剪切力（）表示在单位时间、单位面积上通过的动量通量：3结果3.1流速j-On0.2/20a-6-04/-V-06W198b15:0020:001:006:0011:00时间/h001_.|_I_I_212:0017:0022:003:008:00时间/h图2不同层次流速随时间变化(H为对应时刻的水深)Fig

10、.2Velocitychangeswithtimeindifferentlevels(Histhedepthcorrespondingtotime)鸭绿江河口的潮流主要有以下几个特征（图2）：C2站的水位过程线大致呈现正态分布，但随着潮波向内河推进，变形逐渐加大，落潮历时增大,涨潮历时缩短，涨落潮历时差不断加大；涨潮最大流速一般出现在高平潮前的12h,落潮最大流速一般出现在高平潮后的23h；Cl站的落潮平均流速小于涨潮平均流速，而C2站的落潮平均流速大于涨潮平均流速;C2站的流速分层现象要比C1站显著，从图2可以看出，在涨潮时段内，各层次流速分布在流速增加阶段比较均匀，而在流速减小阶段分层现象

11、比较明显。在落潮时段内，无论是在流速增加阶段.还是流速减小阶段，各层次间的流速分层现象都比较显著。3.2悬沙浓度由图3可见,94-Cl站位的最大悬沙浓度0.996g/L为22：00底层悬沙浓度，出现于低平潮后1h；最小悬沙含量为0.016g/L,对应于10:00的表层悬沙浓度，为低平潮。94-C2站位最大悬沙浓度出现于低平潮位后1h,为0.88g/L,为4：00的底层悬沙含量，最小悬沙含量出现于高平潮前1h（12；00）的表层悬沙含量，为0.016g/Lo96-C1站位最大悬沙含量为0.43g/L,对应于9：00的高平潮位的近底层悬沙浓度；最小悬沙含量为6：00的低平潮，为0.074g/L,各

12、层次悬沙浓度分布均匀。96C2最大悬沙含量1.243g/L；最小悬沙含坦0.12g/L,分别对应于低平潮（15：00）和高平潮（10：00）后1h的底层和表层悬沙含景。3.3流速剖面及边界层参数3.3.1流速剖面在通过流速剖面公式得出的100组数据中，总共有65组数据的线性回归方差（R?）大于0.8（显著性水平大于95%）,即65%的剖面通过线性回归分析°】。从流速的垂向分布来看,C1、C2站位在大潮期间的流速分布要比中潮复杂，96-Cl、96-C2两个站点的绝大多数流速垂向分布曲线在0.8H处有一个明显的坡折，这可能是由于上边界层再加之在大潮期间浪一流作用明显增强造成的，因而，其流

13、速垂向结构更加符合在浪一流共同作用下的水流边界层分布形式。在去掉坡折以上的数据后，流速沿垂向对数分布的线性显著性水平明显提高。经过数据处理后，通过线性回归的剖面达到了84个，在不符合对数流速剖面分布的16组数据中，发生在流速增减速时段内的有4个，发生在憩流时段内的有12个，这是由于在憩流时段内，流速普遍变小，流向不稳定，从而使流速的结构发生改变。OO.O,O.O./水-O-壬壬1.00.»0.&0.4-0.20.Q1()8-4(二0、回姓28图3悬沙浓度随时间变化图（H为对应时刻的水深）Fig.3Variationofsuspendedsedimentconcentratio

14、nwithtime(Histhedepthtotime)94-clTW5T94-c2fwttTe|<0QPOOt98?l00?5-<X»I00)0050093H.OUI>*>TD0010002200Oa：*4«4P080010：00U00unniano：is09jooo；96-cl落湖落潮.赧德：14V*1600UOU：00U22OOO：0。400.:00SOOI：00-rIT11on11w1500I?OOI9<x>0®WI00，-rIIl30”<OIF1900-210025*0I00图4各个站位边界层参数随时间序列的分布

15、Fig.4Distributionoftheboundarylayerparameterswithtimesequenceineverystation3.3.2边界层参数鸭绿江河口各站位u,平均值的分布情况是94-C1<96-C1<94-C2<96-C2,对应的值分别为0.0625m/s.0.0676m/s、0.0728m/s和0.0845m/s（图4）。其中落潮流的平均值大于涨潮流平均值，在C1站点涨落潮的.平均值相差不大.94-Cl和96-C1两个站点的落潮流和涨潮流的u,比值分别为1.03和1.05,而在C2站点两者之间的比值则达到1.58、1.59。".在潮

16、周期内的变化和平均流速在潮周期内的变化有一些差异，造成这种差异的原因可能是由于本文剔除了一些不符合流速剖面分布的数据，因而对准确反映.的变化会产生一些影响。Z。和G。主要受沉积物粒度和底部微地貌特征、浪一流作用和沉积物运动的影响，U，2o在剔除不符合流速对数分布的数据后：94Cl涨潮平均值1.38cm,落潮平均值0.32cm,潮周期平均值0.57cm；94-C2涨潮平均值1.22cm,落潮平均值2.35cm,潮周期平均值1.82cm；96-C1涨潮平均值1.15cm,落潮平均值1.5cm,潮周期平均值1.33cm；96-C2涨潮平均值3.08cm,落潮平均值4.7cm,潮周期平均值3.61cm

17、。这种94-CK96-CK94-C2V96-C2的变化规律反映了底床糙度由陆向海和由中潮向大潮的变化，同时也表明沉积动力过程也由海向陆和由中潮向大潮逐渐增强。鸭绿江河口地区沉积物的粒度分布以及底部1111地貌特征也反映了这种变化,C2站位于鸭绿江入海口，大量粗颗粒物质堆积于此，同时水下暗滩和潮间浅滩密布，沉积物颗粒的粒径较C1站粗。Goo也反映了和Z。同样的变化规律。底部切应力(r)是研究底部沉积物输送的重要参数，同时也是产生底部沉积物输送的重要原因。4个站位的r值分别为6.6.07,7.74kg/(ms?),分布规律是96-C2>94-C2>96-Cl>94

18、-Cl,C2站位落潮平均值大于涨潮平均值,C1站位的涨潮平均值大于落潮平均值，但C1站的涨落潮平均值相差很小,94-C1和96-C1的涨潮平均值和落潮平均值的比值分别为1.03和1.35,而C2站两者之间的差值比较大，94(2和96-C2的落潮平均值和涨潮平均值的比值分别为2.92和1.79。这说明C2站落潮时由上部向底部传送的动量通量要远大于涨潮，因而，底部的泥沙再悬浮过程也更加强烈，而C1站在整个潮周期内的动量通量传输比较均匀，所以C1站和C2站悬沙浓度随时间分布规律除了受径流和外海来沙以及最大浑浊带分布的影响外，也和r的变化特征有很大的关系。4悬沙分布对流速结构的影响4.1悬沙浓度分布对

19、水体分层的影响通过对比各站位在考虑和不考虑悬沙浓度两种情况下的水体分层情况可知，在没有悬沙分布影响的情况下C1站点的R值稳定为0,而C2站存在着稍许波动，但从总体上来看，各个站的水体大多表现为中等强度的紊动状态，水体中的温度、盐度以及密度在层间的分布较为均一;但是，在水体中存在悬沙输运的情况下，除少数时刻对应的水体R值减小之外，水体的R值被普遍提高，并且分层稳定。4.2密度层化对流速剖面的影响有关悬沙对流速垂向分布结构的影响，前人已做了大量的工作。Heathershaw和Hammond通过测量悬沙浓度发现，由于流速垂向分布结构的改变，使通过Vonkarmen-Prandtl流速对数分布剖面公式

20、得到的以.和Z。被夸大C13-14Gust认为6】，由于悬浮颗粒的紫凝作用和黏弹性引起了黏滞层增厚从而造成摩擦力减小。Li的实验研究也表明，在高含沙量水体中，以实测值比由对数流速剖面公式推得的值减小了70%,摩擦阻力减小也随着浓度的增加和流速的减小而增大，并得到了以.的推测值和实测值之间的关系式u.5=114.93(c/ps)4-0.653w.iog(6)Adams等通过具有稳定分层的海底边界层的研究也发现了类似的现象，他通过建立一个有关于R的修正函数，对Vonkarmen-Prandtl流速对数分布剖面公式做了修正，并且应用于Florida海峡，得到了另人满意的结果U6S;U=-ln-4AI

21、*dz(7)kZoJzxo本文应用公式7重新对通过Vonkarmen-Prandtl流速对数分布剖面公式计算的边界层参数进行了修正(6),修正后的、Goo和r分别比原先通过Vonkarmen-Prandtl流速对数分布剖面公式的计算值平均减少了21%、56%和36%。而由于水体悬沙则使t比在没有悬沙存在情况下的r值平均减少了22%,因此，由于悬沙的输送作用，不但可以改变原先水体密度在垂向的梯度，改变上下层水体之间的紊动强度，还可以通过改变边界层的内部结构而对垂向流速结构产生影响。此外，伴随着r值的周期性变化，泥沙的再悬浮作用改变了底床的地貌微结构，同时也可能使河床底质的粒度结构发生改变，从而对

22、底床糙度也产生了一定的影响。总之，悬沙分布对流速结构的影响是复杂的，很多因素以及它们之间的非线性作用交织在一起对分析其产生的过程和机制造成了一定的困难。从现今的情况来看，很多原理和12推测大多是建立在假定和室内实验基础之上的，室内模拟很难还原野外真实情况，而室外观测的条件和水平还有待于进一步提高.所以，如何提高野外数据的分辨率和精度是今后研究悬沙分布对流速结构影响及计算边界层参数的一项重要任务。5结论悬沙分布对鸭绿江河口的流速结构以及水体结构和边界层参数造成了很大的影响，悬沙分布的影响，打破了原有的温度、盐度、水体密度在水层间的分布格局，加大或减弱了原先的纵向密度梯度，除少数时刻对应的水体R值

23、减小之外，水体的R值被普遍提高，并且分层稳定。本文应用公式7,重新对通过Vonkarmen-Prandtl流速对数分布剖面公式计算的边界层参数进行了修正，修正后的“、G。和r分别比原先公式的计算值平均减少了21%、56%和36%。而由于水体悬沙则使r比在不考虑悬沙存在情况下的r值平均减少了22%。参考文献：1 WilkinsonLD.Benthicboundarylayersofestuarineandcoastalenvironmentswaveimposedonboundarylayers_J.ReviewinAquaticScience,1986,1：75-95.2 SoulsbyRL,

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