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Journal of Tropical Oceanography >

2022 , Vol. 41 >Issue 4: 38 - 50

DOI: https://doi.org/10.11978/2021167

Marine geomorphology

Analysis of the variations of suspended sediment concentration in vertical profile near the bed of Aegiceras corniculatum tidal flat

  • HUANG Zuming , 1 ,
  • ZHOU Xiaoyan 1 ,
  • DAI Zhijun , 1 ,
  • CHE Zhiwei 2
Expand
  • 1. State Key Lab of Estuarine & Coastal Research, East China Normal University, Shanghai 200241, China
  • 2. Haikou Ocean Environmental Monitoring Center, State Oceanic Administration, Haikou 570100, China
DAI Zhijun. email:

Copy editor: YAO Yantao

Received date: 2021-12-01

  Revised date: 2022-01-26

  Online published: 2022-02-06

Supported by

National Natural Science Foundation of China(41930537)

Guangxi Key Research and Development Program(AB21076016)

Fold

Abstract

Suspended sediment concentration(SSC)observation in vertical profile near the bed of mangrove tidal flat under the waves and tidal currents, is important to understand the mechanisms of energy dissipation and deposition promotion by vegetations, and the ecological restoration in coastal zone. In this study, we measured the hydrological data using HR, ADV, Twave and ASM and the typical plants’ parameters of Aegiceras corniculatum for 3 consecutive days of flood tides in the summer of 2019. Then the process of the near-bed vertical SSC of mangrove tidal flat was analyzed in response to waves, tidal currents and spatial structure of Aegiceras corniculatum. The results showed that: (1) the variations of suspended sediment flux and SSC near bed in Aegiceras corniculatum tidal flat had the characteristic of tidal asymmetry, the SSC of flood tide was significantly greater than that of ebb tide. The vertical high SSC area of the profile changed from 0.1~0.37 m to 0.5-0.67 m from the bottom in the early flood tide to flood maximum, and from the upper to the bottom in ebb maximum to end. (2) In the intra-tide, the suspension and resuspension stages occurred at the early flood and latest ebb that were dominated by waves. The advection and deposition stages occurred at the whole period from flood maximum to ebb maximum dominated by tidal currents. (3) Dense branches and leaves in the canopy of Aegiceras corniculatum intercepted more than 40% of the suspended sediment in the upper canopy during flood tide. The SSC decreased by more than 71% when the flow during ebb tide. This dynamical deposition mechanism of asymmetrical flood and ebb tide was conducive to sediment transportation landward which then led to flat expansion.

Key words： spatial structures of Aegiceras corniculatum; profile near bed; suspended sediment concentration; wave-current interaction

Cite this article

HUANG Zuming , ZHOU Xiaoyan , DAI Zhijun , CHE Zhiwei . Analysis of the variations of suspended sediment concentration in vertical profile near the bed of Aegiceras corniculatum tidal flat[J]. Journal of Tropical Oceanography, 2022 , 41(4) : 38 -50 . DOI: 10.11978/2021167

*感谢庞文鸿、王杰、马彬彬、冯炳斌等参与本次野外测量工作。
红树林是广泛生长在热带或亚热带潮间带区域的耐盐植物, 为海岸抵御洪水、风暴潮和加速滩涂淤涨提供重要保障(戴志军 等, 2021)。红树林根部具有土壤粘结力, 悬沙受枝叶拦截后沉降到滩面上被根部固结(Cahoon et al, 1997), 同时潮滩扩张反馈于红树林而提供向外发育的生长环境。然而, 近年来全球变暖引起的风暴潮加剧将增强对红树林潮滩的破坏强度(Analuddin et al, 2020), 流域泥沙急剧减少也进一步影响红树林潮滩物质的来源, 由此导致近底层水体悬沙浓度减小而阻滞红树林的滞沙、固沙能力。红树林的生长很可能因局地悬沙浓度的迅速变化而受到限制, 进而在海平面上升背景下被淹没, 对河口海岸的人类经济活动造成巨大潜在威胁(Lovelock et al, 2015; Saintilan et al, 2020; 戴志军 等, 2021)。显然, 开展红树林潮滩近底层悬沙浓度变化过程的研究具有重要意义。
红树林植被根茎叶表面通过减缓近底层水动力, 致使水体中的泥沙发生沉降, 并随时间推移而堆积形成湿地“堤坝”(Mitsch et al, 1993)。通过湿地“堤坝”工程, 红树林每年仅边缘泥泞的开放水域就能捕获1000 t·km-2悬沙(Gedan et al, 2011)。张乔民等(1996)的研究表明, 以红海榄为主的红树林区潮滩悬沙最高沉积速率为12.5mm·a-1, 年均沉积厚度达4.1mm。Furukawa等(1997)估算澳大利亚凯恩斯红树林湿地在大潮阶段从近岸水域截留了80%的悬沙, 长度上约10~12kg.m-1的悬沙使得床面以0.1cm·a-1的速度上升。Kitheka等(2002)通过分析肯尼亚浅滩中不同退化程度的红树林区域悬沙交换动态, 估计高、中度退化程度的红树林种群平均捕沙效率分别为30%和65%。Victor等(2006)在波纳佩州湿地部署多个站点实测表明, 仅覆盖泥河3.8%集水区的红树林在一场风暴后却能截住河流40%的水体悬沙。江锐捷等(2020)对比光滩和红树林近底层点的悬沙浓度大小, 认为红树林对于潮滩发育具有明显的促淤作用。此外, 已有学者就不同密度的红树林分布对缓流截沙效果进行了相关研究(Wolanski, 1995; Braatz et al, 2007; Gedan et al, 2011; Zhou et al, 2022)。但对于红树林植株空间结构与剖面水动力的交互作用, 以及对近底层垂向悬沙浓度的研究甚少, 尤其是位于我国西南区域的北部湾红树林潮滩。
南流江作为北部湾独流入海的第一大河, 近半个世纪以来入海泥沙急剧下降, 其潮滩却因受河口区域的红树林植被保护而对水沙通量变化的响应不明显(Long et al, 2022)。七星岛是南流江河口南部的典型冲积岛, 同样是抵御局地海平面上升与台风灾害的首要防线, 因此对于该地红树林地貌演化过程的研究具有重要意义(Zhou et al, 2022)。王日明等(2021)通过遥感影像发现近15年来七星岛岛内桐花树种群的扩张趋势与潮滩面积发育趋势保持高度一致。由于水文数据的现场观测条件困难, 对于潮滩红树林不同垂向结构与水动力交互作用引起的剖面悬沙浓度变化是否能促进潮滩面积扩张的研究极为缺乏, 尤其是当植被处于不同淹水状态下的研究。基于此, 本文通过分析南流江河口红树林潮滩2019年夏季大潮期间连续3天的剖面水文与悬沙数据, 着重探讨其涨、落潮过程中剖面水动力及悬沙浓度的变化, 进而阐明七星岛桐花树不同高度上枝叶分布差异性的缓流截沙机制, 以期为绿色海堤生态工程的建设与环境灾害抵御提供科学依据。

1 研究区域概况

南流江是广西沿海第一大河, 全长287km, 向南注入廉州湾(莫永杰, 1988)。南流江入海汊道口门附近为悬沙浓度高值区(蒋磊明 等, 2008), 出海口形成面积约5500hm2以红树林为主的粉砂质潮滩(王日明 等, 2021)。廉州湾海域大、中潮为不规则全日潮, 小潮为不规则半日潮, 平均潮差3.24m, 最大潮差4.5m。南流江河口区域流速总体趋势为涨潮大于落潮, 涨潮流速0.62m·s-1, 落潮平均流速0.58m·s-1(赵焕庭 等, 1999)。由于受到陆岸影响, 南流江河口区波浪年变化不大, 以风浪为主, 最大波高2.0m, 平均波高0.28m(林镇坤 等, 2019)。七星岛位于廉州湾北部(图1), 区域潮滩以桐花树种群为主。桐花树是七星岛潮滩的优势种群, 植被普遍低矮, 树龄自海向陆为1~6年, 测点处以2年生为主。
图1 研究区域和测站点位置

该图基于国家测绘地理信息局标准地图服务网站下载的审图号为GS(2020)4630的标准地图制作

Fig. 1 Research area and observation sites

2 数据采集与指标计算

2.1 数据采集

2.1.1 仪器布设

大潮期间潮滩水体悬沙浓度变化是影响潮滩沉积的重要因素。本文在2019年8月15—18日(农历七月十五至十八), 开展了持续3个大潮的连续完整潮周期的悬沙观测。观测点在南流江河口七星岛岛尾的红树林潮滩, 测点位于1~2年生的中-低矮型桐花树种群之间。观测开始前, 利用4根铝型材架成“门”字框并固定在潮滩上。铝型架上配备的仪器为(图2a): 1) 剖面流速测量采用Nortek公司的脉冲相干多普勒流速剖面仪HR-Profiler, 架设在铝型材上方, 探头朝下, 盲区10cm, 采样频率1Hz, 采样时间间隔为5min。2) 铝型材中间架设Nortek AS声学多普勒点流速仪(Acoustic Doppler Velocimeter, ADV), 以测量三维高分辨率流速(u, v, w), 速度分量u以向东为正, v以向北为正, w以向上为正。ADV探头朝下, 测点离底部上方约30cm, 频率设置为32Hz, 以每20min为一个脉冲记录, 工作10min, 采样数为19200个。3) 浪潮仪用以收集水深和波浪参数等, 型号为TWR2050, 量程10m, 误差范围为±0.005%, 采样频率4Hz, 设置每20min内工作时长512s, 即每20min采集2048个数据。4) 剖面水体浊度测量采用德国Argus公司的悬浮物剖面测量仪(Argus Surface Meter, ASM), 仪器的探头部分总长度为1m, 共96个探头, 探头间隔为10mm。浊度观测利用850nm光学后向散射传感器, 测量范围为0~4095FTU, 观测期间ASM以1min为采样间隔。其中, 第76~96个探头埋在土壤内部以固定ASM底部, 在图2a中标记对应HR所测高度数据的ASM探头位置, 分别是探头15、25、35、45、55。由于浊度杆暴露在空气中时或潮水未完全浸没探头时浊度值在500~4095FTU间浮动, 为提高数据准确率, 根据水位变化对浊度大于500FTU的数据予以筛除。
图2 观测架仪器布置和浊度杆标定结果

Fig. 2 Observational instrument deployment and calibrated result of ASM

2.1.2 典型植被参数测量

以稀疏、中等与密集程度为划分标准, 在仪器架附近共选取6个(每个标准2个)5×5m2的样方。测量样方内多棵典型植株桐花树的植株数目N、每棵植株的总高度H、植株茎直径D, 以及植株冠层的长L和宽W。其中, 根茎直径为自底部0.1m、0.3m、0.5m(最高点以现场为准)高度测得的枝杆直径(图3)。
图3 七星岛岛尾桐花树的平均高度结构

Fig. 3 Average height structure of Aegiceras corniculatum on the Qixing Island

2.2 研究方法

2.2.1 悬沙浓度的获取

观测开始前, 在清水环境下对ASM各个探头进行空白测量并记录背景值, 同时以ADV测量高度对应的探头进行所有ASM探头灵敏度的误差校正。待观测结束后, 室内将野外观测架旁所采集的泥样烘干, 把仪器ASM垂直固定在标定桶中, 随后缓慢倒入一定量的清水和干泥, 并不停地搅拌。直到ASM读数稳定后, 选取ADV对应高度探头(即探头60)附近采集的水样550cm3, 分别记录该探头取水前后的浊度大小, 并计算其平均值。最后准备一定量的滤膜, 将所取水样进行过滤、漂洗、烘干和称重, 泥沙质量与水样容积之比即为悬沙浓度, 并得到ASM浊度和悬沙浓度的拟合关系式(图2b), 同时运用到误差校正后的剖面浊度上。

2.2.2 悬沙通量计算

潮滩近底层单位面积的悬沙通量根据剖面不同高度的悬沙浓度与垂直岸线的流速分量进行计算, 公式为:
$q={{V}_{z}}\times SS{{C}_{z}}\times \cos \theta $
式中: q为悬沙通量; Vz和SSCz分别表示z高度上的水平流速(单位: m·s-1)和悬沙浓度(单位: kg·m-3); θ表示水平流速和岸线之间的夹角。

2.2.3 剪切应力的计算

2.2.3.1 单纯流引起的剪切应力

湍流动能法(Turbulent Kinetic Energy, TKE)被广泛应用到近岸区域的泥沙悬浮研究中(Christensen et al, 2018; Pang et al, 2020, 2021)。本文基于湍流动能法, 从高频的水平和垂直速度中提取湍流分量, 进而分析七星岛岛尾红树林潮滩底床能量的紊动程度。湍流动能TKE的具体计算公式为:
$\text{TKE}=\frac{1}{2}{{\rho }_{\text{w}}}\left( \overline{{{{{u}'}}^{2}}}+\overline{{{{{v}'}}^{2}}}+\overline{{{{{w}'}}^{2}}} \right)$
式中: u、v和w分别为速度在x、y和z方向上的分量, 而'表示湍流震荡分量; ρw为海水密度, 取1025kg·m-3。
在靠近底床区域, 能量产生与能量耗散数值相等, 底床剪切应力与湍流动能成正比, 由此引入系数k计算单纯流引起的底床剪切应力τc(Stapleton et al, 1995), 公式如下:
${{\tau }_{\text{c}}}=k\cdot \text{TKE}$
假设系数k在各种条件下恒定不变, 取值为0.19(Soulsby, 1983)。

2.2.3.2 单纯浪引起的剪切应力

由波浪引起的剪切应力τw采用Van Rijn(1993)模型计算公式, 如下:
${{\tau }_{\text{w}}}=\frac{1}{2}{{\rho }_{\text{w}}}{{f}_{\text{w}}}\overset{\scriptscriptstyle\frown}{U}_{\delta }^{2}$
${{\overset{\scriptscriptstyle\frown}{U}}_{\delta }}=\omega {{\overset{\scriptscriptstyle\frown}{A}}_{\delta }}=\frac{\text{ }\!\!\pi\!\!\text{ }H}{T\sin h\left( \frac{2\text{ }\!\!\pi\!\!\text{ }}{L}h \right)}$
式中: fw为波浪摩擦系数; ${{\overset{\scriptscriptstyle\frown}{U}}_{\delta }}$为波浪水质点的峰值轨迹速度(单位: m·s–1); ${{\overset{\scriptscriptstyle\frown}{A}}_{\delta }}$为峰值轨迹位移(单位: m); ω为角速度(单位: m·s–1); T为1/3有效周期(单位: s); H为1/3有效波高(单位: m); h为水深(单位: m); L为波长(单位: m)。利用迭代法计算波长L, 公式如下:
$L=\frac{g{{T}^{2}}}{2\text{ }\!\!\pi\!\!\text{ }}\tan h\left( \frac{2\text{ }\!\!\pi\!\!\text{ }h}{L} \right)$
式中: g为重力加速度, 取9.81(单位: m·s-2)。
波浪摩擦系数fw与波浪雷诺数(Rw)有关(Soulsby et al, 2005):
${{f}_{\text{w}}}=\left\{ \begin{align} & 2{{R}_{\text{w}}}^{-0.5},\ {{R}_{\text{w}}}\le 5\times {{10}^{5}} \\ & 0.0521{{R}_{\text{w}}}^{-0.187},\ {{R}_{\text{w}}}>5\times {{10}^{5}} \\ & 0.237{{r}^{-0.52}} \\ \end{align} \right.$
${{R}_{\text{w}}}=\frac{{{{\overset{\scriptscriptstyle\frown}{U}}}_{\delta }}{{{\overset{\scriptscriptstyle\frown}{A}}}_{\delta }}}{v}$
$r=\frac{\overset{\scriptscriptstyle\frown}{A}\delta }{{{k}_{\text{s}}}}$
式中: v为海水运动粘度(单位: m2·s-1); r为相对糙率; ks是床面粗糙高度, 约等于2.5D50。

2.2.3.3 波-流耦合作用下的剪切应力

波-流耦合作用引起的总剪切应力τcw的计算公式如下(Soulsby, 1995):
${{\tau }_{\text{cw}}}={{\tau }_{\text{c}}}\left[ 1+1.2{{\left( \frac{{{\tau }_{\text{w}}}}{{{\tau }_{\text{c}}}+{{\tau }_{\text{w}}}} \right)}^{3.2}} \right]$

2.2.3.4 临界剪切应力

非粘性颗粒临界侵蚀剪切应力τcr的计算方法为(Soulsby, 1997):
${{\tau }_{\text{cr}}}={{\theta }_{\text{cr}}}\left( {{\rho }_{\text{s}}}-{{\rho }_{\text{w}}} \right)g{{D}_{50}}$
${{\theta }_{\text{cr}}}=\frac{0.24}{{{D}_{*}}}+0.055\left[ 1-\exp (-0.02{{D}_{*}}) \right]$
${{D}_{*}}={{\left[ \frac{g(s-1)}{{{v}^{2}}} \right]}^{\frac{1}{3}}}{{D}_{50}}$
式中: ρs、ρw分别是沉积物和海水的密度;D50是中值粒径, 为0.091mm, 属于非粘性颗粒, 但有少部分小于0.063mm, 属于粉砂, 处于粘性和非粘性颗粒的过渡区间, 因而使用公式(10)仍具有一定误差, 需进一步分析; θcr是临界希尔兹参数; D*是无量纲沉积物颗粒粒径; s为ρs与ρw的比值。

3 结果分析

3.1 桐花树潮滩波浪和潮流特征

T1、T2、T3指代2019年8月15—18日的3个完整的潮周期, 观测期间七星岛岛尾红树林潮滩在这3个潮周期的水位最高值分别为1.98m、1.93m和1.84m(图4a)。研究区域的波浪有效波高(Hs)和有效波周期(Ts)具有相同的变化规律, 均为先上升后减小(图4b)。观测期间, 红树林潮滩测点的最大有效波高为0.17m, 即波浪始终处于低能状态(Hs< 0.5m), 有效波周期在0.57~5.58s间变化。此外, T1—T3的有效波高随潮位降低整体亦呈递减趋势, 有效波周期则相反, 整体呈递增趋势, T2、T3较T1增加的幅度分别为37.8%和19.9%。类似地, 测点处波长L在各潮周期的憩流时刻达到最大值, 有效波峰越低, 波长峰值越大, 在T3时达22.8m(图4b、4c)。同时, 峰值轨迹速度则与波长的整体变化趋势相反, T3的最大峰值轨迹速度比T1小了近40%(图4c)。
图4 桐花树潮滩近底层的水动力变化

横轴上的时间分两行标示, 上行为日期(月/日), 下行为时刻(时/分)

Fig. 4 Hydrodynamic characteristics of Aegiceras corniculatum tidal flat near bed

根据HR和ADV的布设方式, 分别获取水位高于0.8m期间自探头向下共5层的水平流速数据和高于0.30m的近底高频流速数据。ADV共记录了92个有效的脉冲数据, 将每个脉冲水位与流速平均后绘制成随时间变化的序列图(图4a)。由图可知, 近底层流速呈现涨潮明显大于落潮的潮汐不对称现象: 涨潮初期流速快速上升, 在涨急时刻达到峰值, 随后在憩流转向期时刻流速降低至于0m·s-1。3个潮周期内近底层最大流速随潮位的减小而同步减小, T1、T2、T3的最大流速分别为0.36m·s-1、0.28m·s-1、0.26m·s-1(图4a)。同样地, 剖面各层流速的变化亦具有涨潮流速较大的潮汐不对称现象(图5)。距底0.2m、0.3m、0.4m、0.5m、0.6m的流速在T1涨急时刻达到最大值, 分别为0.36m·s-1、0.41m·s-1、0.36m·s-1、0.37m·s-1、0.36m·s-1(图5a)。T1、T2、T3落潮阶段剖面各层流速在0~0.2m·s-1内波动, 在初始时达到最小值。在垂向变化上, 平均流速自距底0.2~0.6m呈现先增后减到再增的变化特征。其中, 观测期间涨潮阶段距底0.2~0.3m的流速整体最大, T1落潮时距底0.6m的流速最大(图5a), 而T2、T3落潮时的流速变化规律不明显(图5b、c)。整个观测期间, 距底0.4m的流速整体最小, T1、T2、T3距底0.4m高度的流速分别在0.03~0.36m·s-1、0.03~ 0.23m·s-1和0.04~0.26m·s-1间波动。
图5 测点剖面近底层的水平流速变化

横轴上的时间分两行标示, 上行为日期(月/日), 下行为时刻(时/分)

Fig. 5 Characteristics of horizontal current velocity in the measured profile near bed

3.2 桐花树潮滩近底层垂向平均悬沙浓度变化

ASM获取的数据有效性随水位涨落而同步增减, 因此对原始数据筛选后求平均值, 结果如图6所示。由图可知, 垂向平均悬沙浓度在T1、T2、T3潮周期内呈现先减后增的变化特征, 范围分别在0~2.4kg·m-3、0~2.5kg·m-3、0~2.0kg·m-3之间。涨潮初期水位较低, 平均悬沙浓度最高, 随后迅速降低, 至涨急时刻T1、T2下降的幅度近50%, 分别为1.2kg·m-3和1.3kg·m-3。当涨潮水位高于0.8m时, ASM浊度杆淹没于水中, 除T1外的2个潮周期内垂向有效探头数量均大于70个。在涨急至涨憩阶段, 垂向平均悬沙浓度呈上下波动的降低趋势, 于水位最高时达到最小值, 其中T1、T2、T3周期内的最小值分别为0.32kg·m-3、0.31kg·m-3和0.53kg·m-3。落潮阶段垂向平均悬沙浓度在憩流时出现小幅度上凸的峰值, 较涨憩时上升近一倍。随水位降低, 垂向平均悬沙浓度发生小幅度减小, T1、T2、T3内分别由0.90kg·m-3、0.76kg·m-3、0.8kg·m-3减至0.33kg·m-3、0.55kg·m-3、0.60kg·m-3, 并且在落急前保持着-0.05~0.05kg·m-3范围内的波动变化。当水位低于0.8m时, 落潮水体进入急流阶段, ASM光学探头所获取的有效数据均匀减少, 垂向平均悬沙浓度再次迅速升高, T2、T3落潮末期的平均悬沙浓度(suspended sediment concentration, SSC)与涨潮初期形成对称特征(图6)。
图6 测点近底层剖面平均悬沙浓度变化

横轴上的时间分两行标示, 上行为日期(月/日), 下行为时刻(时/分)

Fig. 6 Variations of near-bed vertical mean suspended sediment concentration

此外, 涨急—落急阶段浊度杆获取的有效数据相同, 期间垂向剖面平均悬沙浓度呈现涨潮明显大于落潮的潮汐不对称现象(图6: 水位>0.8 m)。T1、T2、T3涨急结束时, 垂向平均悬沙浓度分别是落急开始前的3.16、2.52、2.68倍。

3.3 桐花树潮滩近底层剖面悬沙浓度和底床冲淤变化

在潮滩浅水环境下, 底摩擦对近底层垂向水体运动有着深远影响(Whitehouse et al, 2000), 泥沙起悬后扩散至近底剖面各高度位置。本研究区域观测的3个潮周期内, 悬沙浓度变化在垂向上均呈对称梯形分布, 变化范围介于0~2.5kg·m-3(图7)。在涨潮阶段, 潮水初始淹没探头时悬沙浓度最大, T1、T2各高度的SSC均大于1.5kg·m-3, 同一时刻下悬沙浓度最大值始终往水面迁移, 迁移范围在距底高度的0.05~0.73m之间(图7)。随水位上涨, 相同高度下悬沙浓度逐渐降低, 涨急结束前SSC由2.5kg·m-3降至0.75kg·m-3以下。同时, 在垂向上高浓度悬沙范围伴随水位升高而向上扩散, 使得距底部0.5~0.67m悬沙浓度大于中下部近35%。直至涨憩流时刻, 除T3外距底0.15~0.5m范围内的悬沙浓度接近于0kg·m-3, 0.5~0.67m范围内SSC仍较其他高度大, 超过0.5kg·m-3(图7)。T3周期内距底部0.3~0.7m在涨急初期(16:00—16:20)出现高浊度现象, 悬沙浓度超过2.5kg·m-3, 随后突降至小于1.5kg·m-3。在落潮阶段,距底0.5m以下观测高度范围的悬沙浓度随水位下降变化不明显, 持续处于低值状态, 仅落急近底层(<0.25m)悬沙浓度增大, 但均不超过1.0kg·m-3。此外, 落潮期间距底0.5~0.65m间的悬沙浓度在垂向上较大, 但3个潮周期落潮期间的悬沙浓度仍小于涨潮期间的40%以上(图7)。
图7 测点近底层剖面悬沙浓度变化

横轴上的时间分两行标示, 上行为日期(月/日), 下行为时刻(时/分)

Fig. 7 Variation of suspended sediment concentration in profile near bed

根据各层悬沙浓度和流速大小计算3个潮周期的涨、落潮悬沙通量(表1), 同时通过ADV测量探头在开始和结束这两个时刻的距底距离平均值来反映滩面高程变化, 测量精度为±1mm。观测期间, 涨潮阶段各水深层的悬沙通量明显高于落潮阶段, T1、T2潮周期内垂向上距底0.4m的悬沙通量较小, 分别是0.839和1.686kg·m-2·s-1。此外, T1、T2、T3期间ADV探头距滩面的高程分别在158~165mm、161~165mm、163~171mm间变化。滩面高程变化量的正、负值分别对应于淤积和侵蚀状态, 在T1、T2潮周期内总淤积现象显著(图8)。
表1 近底层剖面各高度在涨、落潮期间的悬沙通量

Tab. 1 Suspended sediment flux per unit area at each height in profile near bed

潮周期 悬沙通量/(kg·m-3)
z=0.6m z=0.5m z=0.4m z=0.3m z=0.2m
T1 涨潮 3.013 1.737 0.839 1.721 1.154
落潮 -0.893 -0.130 -0.002 -0.219 -0.303
T2 涨潮 2.382 2.126 1.686 1.672 1.124
落潮 -0.676 -0.528 -0.374 -0.278 -0.176
T3 涨潮 2.321 2.016 2.231 1.669 1.049
落潮 -0.898 -0.807 -0.714 -0.383 -0.219
图8 ADV反演滩面高程变化

高程变化量正值为淤积, 负值为侵蚀; 横轴上的时间分两行标示, 上行为日期(月/日), 下行为时刻(时/分)

Fig. 8 Flat elevation variations inverted by ADV

4 讨论

4.1 波-流耦合作用下悬沙浓度变化过程

波-流总剪切应力τcw是判断潮滩水动力作用强弱的重要指标(Zhu et al, 2017; Pang et al, 2020)。观测期间T1、T2、T3潮周期内的单纯流剪切应力值τc变化范围分别为0.03~2.05N·m-2、0.04~1.90N·m-2、0.11~1.44N·m-2, 单纯浪剪切应力τw变化范围分别为0.03~1.8N·m-2、0.03~2.09N·m-2、0.02~1.00N·m-2, 波-流总剪切应力τcw变化范围分别为0.07~2.05N·m-2、0.09~1.90N·m-2、0.15~1.44N·m-2(图9)。研究期间, 单纯流引起的剪切应力则呈现先增后减的单峰型变化趋势, 除T1、T2部分落潮时段τc较小外, 滩面在潮流作用下均可能出现底沙起动现象。单纯浪引起的剪切应力呈“U”型变化, 仅涨潮初期和落潮末期两个时段的τw值较大, 且落潮时的τw值明显大于涨潮时。根据两种剪切应力变化的大小, 可判断潮周期内不同阶段悬沙运动的主控因素。
图9 波-流耦合作用引起的底床剪切应力变化

Fig. 9 Variations of bed shear stress induced by the combined wave and current

潮周期内淹水过程可将沉积物运动过程分为4个阶段: 起动阶段、平流阶段、沉降阶段和再悬浮阶段。涨潮初期红树林潮滩水动力以波浪作用为主, 波高迅速增加(图4b), 期间T1和T3的τw大于τc, 床面表层泥沙起动, 近底层悬沙浓度局部出现高值, 超过2kg·m-3。随后在涨急时刻, 前锋水体流速达到最大(图4a), 研究区域水动力以潮流作用为主, 具有极强的紊动作用, 最大底剪切应力比临界剪切应力(0.12N·m-2)大15~20倍, 表层沉积物迅速悬浮上升至整个垂向水体。同时, 潮下带底床切应力使得泥沙悬浮后, 通过平流作用水平输运悬移质到研究测站点(Luhar et al, 2010), 导致悬沙通量同时增大(表1)。此时距底部0.3m以上的悬沙浓度达到峰值, 如图6、图7中T3潮周期的 SSC垂向变化所示。直到涨憩转流期间, 水位达到最高, 潮流和波浪对底部作用减弱, T1、T2中τc逐渐下降至1.2N·m-2, T3中则小于1.0N·m-2, τw更是基本接近于0N·m-2, 剖面各高度的悬沙浓度同步降至最低值。在落潮初期阶段, 垂向上距底0.5m以下的悬沙浓度从0kg·m-3逐渐增加到超过2kg·m-3, 平均SSC小幅度上凸的峰值说明发生泥沙沉降作用, 尤其是在T1、T2潮周期(图6)。然而, 距底0.5~0.67m的悬沙浓度亦较距底0.35~0.5m的浓度要高, 说明前一阶段的悬浮作用对沉积物具有一定程度的分选作用, 使得颗粒较重的泥沙沉入底部, 而较轻的悬移质仍滞留于水体中。最后, 由憩流转向期到落潮末期, 近底层流速大幅度减小, T1、T2内潮流切应力亦减小到小于0.1N·m-2, 而波浪切应力反而增大。落潮末期水深变浅, 潮滩区域的波浪叠加使得水动力状况更为复杂(汪亚平 等, 2006), 剪切应力迅速增大, 沉积物再次起悬, 近底层(距底0.15~0.2m以下)悬沙浓度最大增至1.7kg.m-3(图7)。
显然, 七星岛岛尾红树林潮滩剖面悬沙在波-流耦合作用下经历了起动—平流—沉降—再悬浮的过程, 其中起动和平流过程主要发生在涨潮初期至涨急阶段, 沉降出现在憩流转向前后, 最后落潮末期泥沙再次悬浮。

4.2 桐花树空间结构对潮滩剖面水动力和SSC的影响

水体和植物茎叶的相对摩阻作用导致水平流速减小并引起垂向上流速剖面的变化(Knutson et al, 1982; 杨世伦 等, 1994; Koch et al, 2006), 同时茎叶对悬沙的黏附力影响剖面悬沙运动过程(李华 等, 2010; Gedan et al, 2011)。本文概化植被参数后, 结合剖面流速及悬沙变化, 探讨水文对潮滩红树林的响应过程, 植株参数如表2所示。
表2 七星岛岛尾研究区域典型植株参数平均值

Tab. 2 Average values of typical Aegiceras corniculatum parameters in study area

植株参数 典型中株 典型小株
数目/棵 26 8
高度/cm 66 17
冠层长度/cm 85 15
冠层宽度/cm 45 11
Dz=0.1/cm 1.6 0.5
Dz=0.3/cm 0.8
Dz=0.5/cm 0.4
树枝总数目/条 72 24
树叶总数目/片 210 75
结果表明, 测站点平均分布的中、小型桐花树植株分别有26棵和8棵, 生长高度、冠层长度及宽度加权平均后分别为54.5cm、68.5cm、37.0cm。根据不同高度的根茎直径比例计算叶数, 得出距底0.1m、0.3m、0.5m在同一冠层投影面积下的树叶密度分别为99、198、395片·m-2。剖面流速测量数据显示, 相较于底层和冠层顶部高度, 冠层中部因受最密集枝叶的影响, 使得距底部0.4m和0.5m的水平流速存在总体减小的趋势(图5)。当相对深度为1<d/h<2(d为植株高度, h为水深)时, 植被处于深度淹没状态, d/h>2时为过度淹没状态(Nepf, 2004; Augustin et al, 2009)。HR所测有效数据在水位0.8m以上, 测点处的桐花树经历了由深度淹没至过度淹没的过程。当水位足够大时, 水体紊动减弱, 且桐花树距底0.3m以下枝叶密度较小, 底层流速耗散幅度减弱。当潮水淹没植冠后, 表层水体不受茎叶的直接阻挡(李华 等, 2007), 流速最大。此外, 桐花树“倒三角”截面的树叶密度分布形态对沉积物各运动阶段影响极大。涨潮初期水位较低, 处于冠层下部, 树叶对起悬后的沉积物黏附量较少, 悬沙浓度较大。当植被进入深度淹没状态, 桐花树冠层范围内的枝叶对悬浮颗粒的平流作用加强, 垂向上的悬沙浓度变化明显分层, 距底部0.15~0.5m内的SSC较0.5m以上减小了40%以上。将涨潮平流阶段的剖面水平流速和悬沙浓度作相关分析, 发现除距底0.4m、0.5m外, 其他高度的流速和悬沙浓度均通过正相关99.99%的显著性检验(图10), 说明冠层枝叶亦会通过减缓水体流速而间接降低悬沙浓度, 从而泥沙粘附在冠层叶子上(图11)。
图10 涨潮剖面流速与对应高度悬沙浓度的相关性

Fig. 10 Correlation between the flow velocity in profile and suspended sediment concentration at the corresponding height during flood

图11 桐花树植株不同结构泥沙粘附量

Fig. 11 Sediment adhesion amount at different heights of Aegiceras corniculatum

七星岛岛尾是南流江河口桐花树生长的边缘区域, 岛头靠近堤坝, 近70%以上的红树林生长在堤前(李春干, 2003), 本文研究区域亦是如此。在落潮期间, 落潮水体自陆向海运动时经过成群高分布密度的桐花树进行能量耗散, 仪器布设站点水动力明显减弱, 涨潮流速明显大于落潮流速。同时, 桐花树枝叶会加强悬沙在憩流到落急阶段期间的沉降作用, 并削弱落潮末期床沙再悬浮作用, 进而使得悬沙浓度与悬沙通量均明显低于涨潮期间(表1)。由ADV探头反演的滩面高程变化可知, 涨潮阶段滩面主要处于侵蚀阶段, 落潮阶段滩面淤积幅度大(图8)。简而言之, 涨潮期间桐花树冠层枝叶减缓水体的剖面流速并拦截大量悬浮颗粒, 落潮期间测点水动力较弱, 促进水体泥沙沉降, 滩面高程的增加有利于南流江河口桐花树种群向海快速发育(王日明 等, 2021)。

5 结论

基于南流江河口桐花树潮滩夏季大潮连续的水文实测数据和植被特征参数, 研究了大潮期间桐花树潮滩近底层的沉积动力过程, 主要结论包括:
1) 桐花树潮滩剖面流速和悬沙浓度、悬沙通量均呈现涨潮期间明显大于落潮期间的潮汐不对称现象。在空间垂向上, 距底部0.2~0.3m和0.6m处的水平流速整体最大, 水体平均悬沙浓度高值区亦主要出现在离底0.1~0.37m和0.5~0.67m这两个区间, 最大值超过2.5kg·m-3。
2) 悬沙在波-流耦合作用下发生起动—平流—沉降—再悬浮4个阶段。其中, 泥沙起动和再悬浮阶段出现在以波浪作用为主的涨潮初期和落潮末期, 平流和沉降阶段出现在以潮流作用为主的整个涨急至落急阶段。
3) 桐花树离底0.4~0.5m的冠层枝叶密度大, 通过减缓平流阶段剖面流速的同时可拦截比冠层上部多40%以上的悬沙。落潮水体则自陆向海经过桐花树群落而发生显著的水动力耗散, 波流剪切力减小90%。涨、落潮期间悬沙的动力沉积机制有利于桐花树种群捕获泥沙, 从而促进滩面淤积。

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