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关于舟山海域悬浮体的沉降情况的研究

2020-07-11 511 上传者：管理员

摘要：悬浮体沉降行为的研究对于海域内地质地貌、生态环境、海洋渔业等至关重要。为了了解舟山海域悬浮体的沉降情况，在2018年夏季大潮进行了现场观测，包括水文和悬浮体的观测等。结果显示，一个全日潮周期内，悬浮体垂向上的平均粒径及质量浓度均大致随水深的增加而逐渐增加。悬浮体的沉降速度从表层0.01±0.02mm•s-1到近底部0.19±0.07mm•s-1随水深增加而增加，与其有效密度、平均粒径、质量浓度在各水层基本成正相关。

关键词：
垂向分布
悬浮体
沉降
海洋地貌学
舟山海域
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1、引言

悬浮体是细颗粒沉积物的前身，通常由陆源碎屑、浮游生物等细颗粒物组成。陆源的悬浮体是边缘海沉积物的主要来源，河口和陆架上广泛分布的泥质沉积体就是细颗粒物质沉降、堆积的产物。作为陆源有机碳的重要储库，悬浮体的变化对全球碳循环和气候变化有重要影响，同时其循环过程控制了营养盐的输运，一定程度上也影响了海洋生态系统。

早在上世纪80年代开始，学者就已开始对东海悬浮体展开了大范围的调查研究。薛文静利用遥感反演出长江口近岸海域表层悬浮体浓度大潮高于小潮，落潮大于涨潮，高潮大于低潮；王文娟通过遥感反演得到海底沉积物的再悬浮是表层海水悬浮体物质的重要来源；陈曦发现长江口细颗粒泥沙的沉速会随着含沙量增加呈先增大后减小的趋势。

上述研究着眼于东海北部海域的长时间、大范围观测，对于舟山群岛附近海域的悬浮体研究较少，且多集中于峡道、岛间海，我们对于舟山群岛以东的悬浮体沉降情况更是知之甚少。本文在水文和悬浮体观测资料的基础上，分析了夏季大潮期间观测站位的水文条件，以及悬浮体的分布情况，计算了悬浮体的有效密度、沉降速度，讨论了悬浮体沉降及其影响因素，对研究站位悬浮体的沉降行为有了初步的认识。

2、资料来源和研究方法

2.1资料来源

浙海科一号于2018年6月29日至6月30日夏季大潮期间，在舟山群岛附近海域（122.5°E,29.70°N）进行了27小时的连续观测（图1，观测站位如黑色三角形所示）。观测内容包括水动力、温盐深和悬浮体水样等。

2.2研究方法

悬浮体的有效密度代表其在水中的真实密度，能够更加真实地反映其物质组成和结构特征，可表达为：

图1研究区域和观测站位图（观测站位如黑色三角形所示）

其中，为悬浮体有效密度，为海水密度，为颗粒物的密度，C为悬浮体质量浓度，VC为悬浮体体积浓度。

计算沉降速度的公式有很多，但较适合舟山海域的是基于LISST的Stokes沉降公式：

其中，为悬浮体的沉降速度，为悬浮体有效密度，为悬浮体的平均粒径，可通过LISST观测。g为重力加速度，为运动粘滞系数。

3、结果和讨论

3.1水文及悬浮体特征

观测区域的平均水深约为27m，涨潮历时小于落潮历时，涨潮阶段的流速较落潮阶段大，最大值出现在水体的中上层，底层流速较小，流向顺时针方向旋转（图2）。悬浮体的平均粒径在表层较低，在下部水体与水深成正比，在底部达到最大，由表到底逐渐增大（图3a）。悬浮体质量浓度表现出相同的趋势，上层水体数值较低，底部水体的质量浓度数倍于上部水体（图3b）。

3.2悬浮体的沉降速度

利用式（1）计算各水层悬浮体的有效密度（图4a），发现10mbs(metersbelowsurface）处数值最小，表层最大。将计算结果代入式（2）得到相应的沉降速度。基于LISST的Stokes沉速从海表至海底分别为0.01±0.02,0.01±0.01,0.09±0.14,0.15±0.05,0.19±0.07mm·s-1（图4b），随水深增加而增加。其中10mbs及以上水体中悬浮体沉速变化范围较大，从0.002mm·s-1到0.23mm·s-1之间变化，而10mbs以下水体中悬浮体的沉降速度较稳定。

图2流速箭矢图

图3悬浮体平均粒径（a）及质量浓度（b）时序图

图4悬浮体有效密度（a）和沉降速度（b）时序图

3.3悬浮体的沉降影响因素

按照Stokes沉降公式颗粒沉速与其有效密度和平均粒径成反比，其中有效密度又由质量浓度和体积浓度决定，考虑到体积浓度与平均粒径相似，故本文仅讨论悬浮体的沉降速度与其有效密度、平均粒径、质量浓度之间的关系。同时由于悬浮体沉降在垂向上发生，也应考虑垂向流速对于沉速的影响。

沉降速度在小于0.01mm·s-1的时候其数值变化与有效密度、平均粒径、垂向流速、悬浮体质量浓度关系不明显（图5），为方便观察，绘制沉速在不同水层与这些影响因素之间的关系。可以发现在本次单站位观测中，沉降速度在各水层均存在与有效密度成正比的趋势，且随距底高度的增加变化趋势增加（图6a-e）；沉降速度在0.01-0.1mm·s-1以后开始随平均粒径的增大而增加（图5b、6f-j），在底部变化关系较不明显。垂向流速对各层水体中悬浮体沉速的影响很小（图7a-e），略微表现出负相关的趋势但不明确；沉速在整个水体中随质量浓度增加而增加（图7f-j）。

图5悬浮体的沉降速度与有效密度（a）、平均粒径（b）、垂向流速（c）与质量浓度关系图（d)

图6悬浮体沉降速度与有效密度（a-e）、平均粒径（f-j）在不同水层关系图（斜线为趋势拟合线）

图7悬浮体沉降速度与垂向流速（a-e）、质量浓度（f-j）在不同水层关系图（斜线为趋势拟合线）

悬浮体的平均粒径和质量浓度均大致随水深增加而增加，故悬浮体在表层（包括5mbs）体积最小，尽管有效密度较高但由于其质量浓度最低，所以此处水层沉降速度最小；10米水深附近，悬浮体有效密度虽然小，但其大小和质量浓度均较适中，所以沉速相应的也较适中；底层（20mbs和近底部）悬浮体有效密度在平均值（图4a中粉色线）附近波动，平均粒径与质量浓度均达到最大，故此处沉速也达到最大，数值是表层的20倍。

4、结论

观测站位于舟山海域，长江沉积物南下的必经之路上。通过分析2018年夏季大潮期间的观测数据，得出如下结论：

（1）观测区域为不正规半日潮，流速呈顺时针旋转；表、底层流速较小，中部流速较大。

（2）悬浮体垂向上的平均粒径、质量浓度及沉降速度均大致随水深的增加而逐渐增加。

（3）观测站位悬浮体的沉速在各水层中基本与有效密度、平均粒径和质量浓度成正比，垂向流速对沉速影响较小。

参考文献：

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