长江口细颗粒悬沙浓度垂向分布

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1、长江口细颗粒悬沙浓度垂向分布摘要：在长江口利用“声学悬沙观测系统”观测到大潮四种典型的高时空分辨率细颗粒悬沙浓度声学垂向分布图和垂线分布曲线。悬沙浓度垂线分布曲线表明：(1)在涨潮时呈L形，悬沙浓度的垂向变化梯度小(浓度小于1.0g/l)。(2)在涨急时呈射流形，射流顶的悬沙浓度达10g/l，悬沙浓度的垂向变化梯度大。(3)在落潮时从水面到水底悬沙浓度按指数增加，可能代表恒定均匀流中悬沙处于平衡条件的分布，泥沙垂向扩散系数εS在数值上大约是泥沙颗粒沉降速度ωＳ的两倍。(4)在落急时是不连续，并且在水体中部呈射流形，悬沙浓度的垂向变化梯度大。关键词：长江口细颗粒悬沙浓度高时空分辨率声散射1

2、前言　　Kirby和Parker[1]首次用LUTOCLINE(泥跃层)一词描述潮汐河口粘性细颗粒悬沙浓度垂向分布的不连续性，即垂向悬沙浓度出现明显的变化。此后，泥跃层和近底高含沙层被发现普遍存在于许多高浑浊的河口海湾[2～5]。Ross和Mehta[6]、Smith和Kirby[7]以及soNormalstyle="TEXT-ALIGN:left"align=left>　　在海岸工程应用上，如河口航道、港口、码头和系船池，需要对细颗粒泥沙运动定量化。由于河口悬沙浓度随深度迅速变化，因此，悬沙浓度的精确观测是一个关键。至今，为了获得近瞬时的悬沙浓度的垂向分布，已发展了许多新的技术。特别是

3、声学技术被广泛应用于海洋中悬沙浓度的测量[10～13]，使我们能得到高时空分辨率悬沙浓度垂向分布；但是声学技术尚未广泛应用于河口粘性细颗粒悬沙浓度的连续观测。国内，在河口细颗粒泥沙输移现场观测研究中，悬沙浓度资料大多依赖于野外水样的采集[14～16]。Li等[17]利用光学测沙系统研究了浙江椒江河口细颗粒泥沙输移。　　本文作为“声学悬沙观测系统”在长江口北槽口外悬沙运动研究应用的系列成果[18～20]，其目的是为了解河口细颗粒悬沙浓度近瞬时垂向分布提供一种较好的途径。2研究的区域和方法　　长江口是一个中潮河口，平均潮差是2.0m，悬沙年平均达4.9×108t。许多科研工作者对长江口悬沙输

4、移问题进行了研究[15，16，21]，悬沙浓度资料大多依赖于野外水样的采集。在长江口的陆架地区水面悬沙浓度超过0.02g/l，在水底超过0.1g/l[22]。我们的现场观测是于1994年5月28～29日大潮时在长江口9405站(东经122°27′4″，北纬31°05′15″)(图1)进行了28h连续观测(图2)。观测数据的采集工作是在东海舰队东调221军舰上完成的。用于测量悬沙浓度垂向分布的ASSM型声学悬沙观测系统是由中国科学院东海研究站研制的，与Libicki等[12]叙述的观测系统相类似。整个系统(图3)在PC计算机控制下采集数据，并进行预处理，再储存。ASSM型系统发射声脉冲频率

5、为0.5MHz，脉宽为40μs。从悬沙背向声散射测得的垂向分布其垂直(深度)分辨率为10cm，横向(时间)分辨率为1.5s。每小时记录12min数据，其采样频率为75KHz。每幅图是由480条海底和换能器之间悬沙的背向声散射曲线所组成。由泥沙背向声散射信号的强度转化为悬沙浓度的定标工作是在有机玻璃沉降圆筒内完成的。基于实验室定标，绝对悬沙浓度测量的误差约为16%。ASSM系统换能器工作时通常放置在水下2m处。　　同时，利用流速仪测量水流的流速和流向。每小时分别在0.0D、0.2D、0.4D、0.6D、0.8D、1.0D六个点采水样(D为水深)，此法通称“六点法”。由采水器采集到的含悬沙水

6、样，通过63微米滤纸，分离出粗的悬浮颗粒。通过过滤的水样留下来的悬浮物质用蒸馏水漂洗，并在40℃恒温箱内烘干，过滤器烘到60℃，再称重量。悬沙浓度是从最后沉淀物重量(包括粗颗粒)与被滤去总的水体积而换算出来的。图1长江口9405站位Locationofstation9405intheChangjiangEstuary图2潮位和垂线平均悬沙浓度过程图图3实验布设示意图Hydrographsoftidallevelanddepthaveragedsuspensionconcentrationhourlysampledatstation9405Sketchofexperiment3结果　　在

7、上述观察区域内，盛行半日大潮。垂线平均悬沙浓度随潮水位的变化而变化(图2)。平均悬沙浓度从0.45g/l变化到2.41g/l。图4(a～d)是每15min的悬沙浓度垂向分布的声学灰度图。图4(a)表明整个水体中均有悬沙分布；图4(b)中、下部有一高含沙层；图4(c)中70%的水体有较低的悬沙浓度；在图4(d)中的水体中部有较高的悬沙浓度。　　为进一步了解悬沙浓度垂线分布特征，将图4(a～d)中每一个悬沙浓度声学图象等分成7段，悬沙浓