余 丹，于之锋，窦文洁，雷 惠，2，潘玉良，凌在盈，周 斌

(1.杭州师范大学遥感与地球科学研究院,浙江 杭州311121；2. 卫星海洋环境动力学国家重点实验室(国家海洋局第二海洋研究所)，浙江 杭州 310012)

水中悬浮泥沙是最重要的水质参数之一, 其含量的多少直接影响水体透明度、浑浊度、水色等光学性质[1].悬沙质量浓度变化是水动力作用下泥沙输移、沉积和再悬浮等运动过程的直接表现[2]，近岸悬沙质量浓度(SSC)的变化对底床冲淤、营养盐和污染物的输送、生物初级生产力、旅游业等具有重要影响，是多学科关注的焦点[3].因此研究水体悬浮泥沙质量浓度对于确定水流挟沙能力和研究河口水流泥沙运动规律具有重要作用，掌握其浓度变异可以为河口区的潜在地貌演变等提供分析依据[4].

在涨落潮流、风浪、沿岸流、地形等的共同作用下, 沿海水体悬浮泥沙的含量呈现出复杂的时空变化特征[5].影响河口悬浮泥沙质量浓度的因素很多,不同的区域存在着不同的特征, 即使同一区域也存在表层和底层的差异以及各个时间尺度上的差异[6].国内外在对于河口水体由潮流引起悬浮泥沙的短周期变异的研究中，多数是针对由大小潮和涨落潮过程中流速的变化引起悬浮泥沙质量浓度变异的研究.Kreeke等[7-9]对相应河口的悬浮泥沙质量浓度的涨落潮变化进行了研究，他们的观测数据表明悬浮泥沙质量浓度存在潮内、大小潮变化，并且和流速大小存在很强的正相关关系.对于杭州湾悬浮泥沙质量浓度的短周期变异同样有相关分析.早期学者陈沈良等[10]得出大小潮周期流速变化和水位变化是杭州湾海区各站悬沙质量浓度变化的主要影响因素.时钟[11]对在杭州湾深水航道的站点处观测到的水文泥沙数据进行分析发现该处的表层悬沙质量浓度随时间、空间变化有一定的规律:悬浮泥沙质量浓度一般在涨急、落急附近达到最大值.但也有研究者不仅针对由潮流引起的流速水位变化对悬浮泥沙质量浓度的影响进行了分析，同时结合风浪因素，对悬浮泥沙质量浓度的变化进行了相关研究.例如张明等[12-14]对相应海域悬浮泥沙时空变化研究时提出不同风况对于悬沙质量浓度的变化会造成一定影响.而对于长江口和杭州湾海域的悬浮泥沙质量浓度变化的研究中，诸多学者[2,15-19]也提到风浪会引起该海域悬沙质量浓度的季节性变化，并且指出由于冬季盛行北风且风速较大，导致冬季的悬沙质量浓度明显高于夏季.

属于半日潮地区的杭州湾海域因长期受到长江口南下浑浊水的输沙影响[20-21], 水动力条件变化非常复杂，具有潮大、流急的特点[15]，由于其水深较浅，平均水深一般在7～10 m，因此水动力条件的变化对悬浮泥沙质量浓度的影响很大.本研究将综合流速和风速等因素，通过在3个代表性站位的日内连续观测对杭州湾地区的悬浮泥沙质量浓度分布差异进行研究，分析不同的潮时、潮型以及风速等因素对悬浮泥沙质量浓度变化的影响，从而可以更加全面直观地了解杭州湾水域水体表层悬浮泥沙质量浓度的逐时变异特征.

1 数据和方法

1.1 研究区概况

杭州湾是一东西走向的典型喇叭型强潮河口湾.东西长85 km, 湾口宽100 km, 湾顶澉浦断面宽约21 km, 湾内水深最大约10 m, 总水域面积约5000 km2,河床起伏不大, 但是平面收缩强烈,沿程潮差急剧增大, 在长江口南下水、钱塘江径流和东海潮波共同影响下, 具有潮强流急、悬浮泥沙质量浓度高的特点[10].杭州湾海域潮流受正规半日潮控制, 常年平均潮差约5.0～6.0 m, 由于潮流垂向掀沙作用强烈, 水体中泥沙颗粒的悬浮-絮凝沉降规律明显, 水体悬浮泥沙质量浓度随涨落潮的日变化表现出很强的周期性.

1.2 采样时间与点位

图1 杭州湾定点观测站位分布图

研究主要以2011年12月2日-13日的杭州湾水体现场定点观测数据为依据，所选择的3个代表性观测站位分别是乍浦(S01)、庵东(S02)和金山(S03)，如图1所示.S01号站点的观测日期为2011年12月2日、6日和13日，S02号为2011年12月3日和12日，S03号为2011年12月4日和11日.其中，12月2日—5日为小潮，12月6日—9日为中潮，12月10日—13日为大潮.各站位的观测时间为7:00-17:30，每隔一小时采样一次.

1.3 测定方法

1.3.1 悬浮泥沙质量浓度测量

实验中滤膜采集的总颗粒物包括无机颗粒物和有机颗粒物，而无机颗粒物主要指悬浮泥沙.为保证实验的科学性和精确性，水样全部采用现场过滤.总悬浮物浓度测定使用0.45 μm的GF/F滤膜，先进行烧膜处理(去除膜上原附有的有机质及水分).将冷却后的膜进行称量，用来过滤水样.量取一定体积的水样，利用过滤器和真空泵过滤水样，残留在膜上的物质即为总悬浮物.将过滤后的总悬浮物滤膜放入马弗炉，经过550 ℃高温煅烧，去除有机悬浮物，然后将煅烧好的滤膜冷却并称量，用含有无机悬浮物的膜的质量减去膜质量，得到无机悬浮物质量(此处将得到的无机悬浮物质量近似为悬浮泥沙的质量)，利用无机悬浮物的质量除以水样的体积即可得到悬浮泥沙质量浓度(单位mg/L).

1.3.2 流速与风速数据的测定

多普勒流速剖面仪(ADCP)利用发射出固定频率的声波，再接收水中散射体的后向散射信号，根据多普勒效应，计算水体流速.本次杭州湾数据采集，采用Teledyne RD ADCP仪器进行流速、流向的测量，利用船沿的钢杆将仪器固定并伸入水下约50 cm深处，在仪器测量开始之前对仪器进行校正和调试.利用WinADCP软件进行数据查看和提取，流速单位为m/s.另外，整个现场观测中各观测站位所采集的风速数据由手持式气象站NK4000所测，风速单位为m/s.

2 结果和分析

2.1 杭州湾表层水体悬浮泥沙质量浓度概况

表1显示了杭州湾各站位所采集的悬浮泥沙质量浓度统计结果，由表1可得所有站位表层水体悬浮泥沙质量浓度的最大值、最小值、平均值和标准差分别为2102.8、110.0、764.8、497.3 mg/L.

表1 杭州湾各站位表层水体实测的悬浮泥沙质量浓度统计结果

图2 乍浦港大、中、小潮潮高对比

2.2 悬浮泥沙质量浓度影响因素分析

杭州湾表层水体悬浮泥沙质量浓度分布差异较大，即使在同一个站位，不同的潮型、潮时以及风力等因素都会对悬浮泥沙质量浓度的变化构成影响.除海面风速外，影响悬浮泥沙质量浓度的水动力环境还包括潮高和流速.

2.2.1 潮高

以乍浦1号站点为例，对比潮高图(图2)可以看出，大潮时的潮高变化幅度要比小潮大，大潮时期的最大潮差为597 cm，而小潮期为448 cm.

2.2.2 流速

由ADCP得出的流速数据(图3)可以看出，大潮的流速要显著高于小潮，大潮时乍浦1号点的最大流速为2.45 m/s，而中潮和小潮时分布为1.45 m/s和1.83 m/s.涨急和落急时刻对应的流速最大，而流速最小时则为涨落潮交接的时刻.

图3 乍浦(S01)站位ADCP流速(1 m深处)时间序列(左：不同潮型；右：流速与潮高)

图4 杭州湾乍浦(S01)站位大潮期间(2011.12.13)表层水体悬浮泥沙质量浓度与流速时间变化序列

选择2011年12月13日乍浦(S01)在大潮期间的现场实测数据为例进行分析.由现场观测可知，当日全天风速小且较稳定，平均风速仅为0.7 m/s，最大风速也只有1.7 m/s.因此，表层水体悬浮泥沙质量浓度变化受风速的影响较小.图4为乍浦(S01)站位表层水体悬浮泥沙质量浓度与流速时间变化序列图，从中可以看出，8:16和13:16这2个观测点对应了2个浓度峰值，浓度值分别为699.0、669.4 mg/L.根据潮位数据，这个时间段分别处在流速较快的落急和涨急期.而11:16和16:16分别对应着2个浓度谷值，分别为303.4、110.0 mg/L，所处潮位为涨平和落平期，此时流速较慢.因此，通过在风速较小且稳定时的实测数据分析表明，涨落潮引起的流速差异是杭州湾表层水体悬浮泥沙质量浓度变化的重要因素，并且浓度曲线相对于流速曲线有一定的延迟效应，这是由于泥沙再悬浮由潮流驱动引起，泥沙运动总是要落后水流运动，而泥沙的起动、再悬浮扩散都需要一个时间过程.

2.2.3 风速

图5 杭州湾乍浦(S01)站位小潮期间(2011.12.02)表层水体悬浮泥沙质量浓度时间变化序列

选择2011年12月2日乍浦(S01)在小潮期间的现场实测数据为例进行分析.由现场记录可得，当日海面风速较大，平均风速为3.5 m/s，最大风速达6.4 m/s，最小风速为1.8 m/s.图5为当日乍浦(S01)站位表层水体悬浮泥沙质量浓度时间变化序列图，从中可以看出，图中出现了3个波峰.从12月13日的数据分析结果来看，在风速不大且稳定的时候，不同涨落潮时引起的流速变化是悬浮泥沙质量浓度变化的主要原因，一般出现2个波峰和2个波谷，分别出现在涨、落急和涨落交接的时候.此处出现3个波峰，而且最后几个样点的浓度差异较小.由现场记录分析，16:16时该站位处在涨落交接时刻，应该是流速较缓的时刻，而此时的风速达到最大6.4 m/s，产生的大风浪能引起悬浮泥沙的再悬浮，可能是导致此时悬浮泥沙质量浓度变大的主要原因之一.所以在风力较大且不稳定时，风力作用引起的泥沙再悬浮，可能是悬浮泥沙质量浓度变化异常的主要原因.

2.3 相同站点不同潮型悬浮泥沙质量浓度对比分析

乍浦(S01)站位于12月2日、6日和13日进行的采样分别对应着小潮、中潮和大潮数据.由图6可以看出，该站位小潮的悬浮泥沙质量浓度最高，其次是大潮，中潮最低.小潮期间的平均悬沙质量浓度为738.58 mg/L，大潮为427.27 mg/L，中潮为321.02 mg/L.由于小潮(12月2日)该站位风速较大，平均风速为3.54 m/s，最大风速达6.4 m/s，而大潮(12月13日)的平均风速仅为0.7 m/s，最大风速也只有1.7 m/s，中潮(12月6日)平均风速为3.23 m/s，最大风速为4.1 m/s，故风引起波浪造成泥沙的再悬浮，可能是小潮悬浮泥沙质量浓度显著高于大潮的主要原因.

图6 杭州湾乍浦(S01)站位大、中、小潮期间风速和表层水体悬浮泥沙质量浓度对比

由于12月8日风力太大，所以庵东(S02)站位的中潮数据没有采集，只有大潮和小潮数据.从图7中可以看出，该站位小潮悬浮泥沙质量浓度要显著高于大潮，小潮平均悬浮泥沙质量浓度为1485.00 mg/L，大潮为889.55 mg/L.其中大潮12:16时的质量浓度要略高于小潮，主要是由于大潮(12日)12:16为涨急，流速很快，而小潮(3日)12:16为涨落交接时段，流速较慢，所以导致该时刻大潮质量浓度要高于小潮质量浓度.由现场记录表得出，庵东2号点小潮(3日)的平均风速达到4.96 m/s，最大风速为6.1 m/s，而大潮(12日)平均风速仅为1.82 m/s.强风引起较大的海面波浪，从而导致了泥沙再悬浮作用剧烈，可能是该站位小潮悬沙质量浓度显著高于大潮的原因.

图7 杭州湾庵东(S02)站位大、小潮期间风速和表层水体悬浮泥沙质量浓度对比

金山(S03)站位采集了大潮(11日)和小潮(4日)的悬浮泥沙质量浓度数据(图8).11日该站位实测时间从上午10:16开始到18:16结束，较4日实测时段短.大潮平均悬沙质量浓度为812.13 mg/L，小潮为513.95 mg/L，图8可见，除了13:16，14:16和15:16这3个时刻之外，该站位大潮的悬沙质量浓度都要高于小潮，即使当日平均风速要比小潮期间小得多，说明在金山站位与乍浦和庵东不同，其表层水体悬沙质量浓度受风速本身的影响不大.由于该站位所处的湾口区域平均水深要大于乍浦和庵东所处的湾顶地区，因此风浪导致的底质再悬浮效果并不明显，而潮汐引起的悬沙水平运移则可能是该区域悬沙质量浓度变异的更主要因素.

图8 杭州湾金山(S03)站位大、小潮期间风速和表层水体悬浮泥沙质量浓度对比

综上所述，大风浪对于庵东和乍浦站位悬浮泥沙质量浓度的变化影响较大，导致2个站位小潮悬沙质量浓度均明显高于大潮，而金山站位悬沙质量浓度的变化受大风浪影响不明显，这是由于金山站位所处的湾口区域平均水深要大于乍浦和庵东所处的湾顶地区，致使风浪所引起的底质再悬浮作用不明显，因而潮汐作用对金山站位悬沙质量浓度变化的影响可能更为显著，并且其大潮悬浮泥沙的质量浓度要高于小潮.

2.4 相同潮型不同站位的悬浮泥沙质量浓度对比分析

3个站位都有小潮的记录.由图9可以看出，庵东(S02)站位要显著高于乍浦(S01)和金山(S03)站位，乍浦(S01)比金山(S03)质量浓度要高一些.3个站位小潮平均悬浮泥沙质量浓度分别为1485.00 mg/L(S02)，738.58 mg/L(S01)和513.95 mg/L(S03).小潮期间3个采样站点的风速都比较大，平均风速分别达到了4.96 m/s(S02)，3.54 m/s(S01)和4.6 m/s(S03)，所以3个站位的风浪都对表层水体悬沙质量浓度产生了较大影响.悬浮泥沙差异的原因主要与3个站位的地理位置有关.S02处于庵东浅滩地区，S01处于乍浦河口中心地带，而S03位于金山湾口附近.

图9 3个站位小潮期间的风速和表层水体悬浮泥沙质量浓度对比

图10 3个站位大潮期间的表层水体悬浮泥沙质量浓度对比

大潮期间3个站位的悬浮泥沙平均浓度由高到低依次为889.55 mg/L(S02)，812.13 mg/L(S03)和427.27 mg/L(S01)(图10).大潮期间的质量浓度变化要比小潮剧烈很多，S01、S02和S03站位在小潮期间的质量浓度标准差分别为189.27、281.135 mg/L(去除前2次采样)和161.95 mg/L，而大潮期间的标准差分别为227.07、409.05和471.67 mg/L，都要显著大于小潮时期.除此之外，3个站位之间的质量浓度差异可能主要受流速和风速的综合影响(图11).乍浦悬沙质量浓度较低可能与该站位当日的风速相对较小有关.

图11 3个站位大潮期间的风速和流速对比

总体而言，由每个站位数据分析对比可知，影响其总体质量浓度变化的主要因素为潮型和风浪的变化，影响其短时间内质量浓度变化的主要因素为潮时不同而引起的流速差异.

3 结 论

以杭州湾水体现场定点观测数据为依据，通过在3个代表性站位的日内连续观测，研究了不同潮型、潮时以及风速情况下杭州湾表层水体悬浮泥沙质量浓度的逐时变异特征，结果表明：1)风速较小且稳定时，不同涨落潮时引起的流速变化是杭州湾悬浮泥沙质量浓度变化的主要原因，一般出现2个波峰和2个波谷，分别出现在涨、落急和涨落交接的时候，且悬浮泥沙浓度相较于流速变化有延迟效应.2)大风浪能引起悬浮泥沙的再悬浮，因此在风力较大且不稳定时，风力作用引起的泥沙再悬浮，可能会导致悬浮泥沙质量浓度变化异常(如乍浦、庵东站位小潮悬浮泥沙浓度显著大于大潮).3)风速和潮汐引起的悬沙水平运移会共同作用于同一站点不同潮型悬浮泥沙质量浓度.4)地理位置的差异以及风速流速的综合作用是同一潮型的不同站点悬浮泥沙质量浓度差异的主要因素.

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