現(xiàn)代黃河三角洲沉積物臨界剪切應力研究

鄭杰文，賈永剛，劉曉磊*，劉保華，付騰飛，張麗萍

（1.國家海洋局第一海洋研究所海洋沉積與環(huán)境地質(zhì)國家海洋局重點實驗室，山東青島 266061；2.中國海洋大學海洋環(huán)境與生態(tài)教育部重點實驗室，山東青島 266003；3.國家深海基地管理中心，山東青島 266061）

現(xiàn)代黃河三角洲沉積物臨界剪切應力研究

鄭杰文1，2，賈永剛2，劉曉磊2*，劉保華3，付騰飛1，張麗萍2

（1.國家海洋局第一海洋研究所海洋沉積與環(huán)境地質(zhì)國家海洋局重點實驗室，山東青島 266061；2.中國海洋大學海洋環(huán)境與生態(tài)教育部重點實驗室，山東青島 266003；3.國家深?；毓芾碇行模綎|青島 266061）

為研究現(xiàn)代黃河三角洲沉積物臨界剪切應力空間分布特征及其影響要素，本文在現(xiàn)代黃河三角洲不同沉積區(qū)域，垂直海岸線布設測線，采用黏結(jié)力儀進行沉積物臨界剪切應力測試，并在相應測點開展沉積物物理力學性質(zhì)與粒度成分測量工作。研究結(jié)果表明高潮灘沉積物臨界剪切應力最高，在1.1～4.02 Pa之間，沉積物不易發(fā)生侵蝕，含水量低、干容重大、黏粒與粉粒含量高、平均粒徑小、不排水剪切強度大是高潮灘沉積物臨界剪切應力偏高的重要因素；中潮灘沉積物受生物活動影響顯著，臨界剪切應力在0.10～1.90 Pa之間，生物活動擾動、生物排泄及遺體遺跡的程度與數(shù)量是造成不同區(qū)域測試差異的重要原因；低潮灘沉積物臨界剪切應力很低，在0.08～0.80 Pa之間，沉積物極易發(fā)生侵蝕，含水量高、干容重偏低、砂礫含量高、平均粒徑大、不排水剪切強度小是其典型的沉積物物理力學性質(zhì)，也是造成低潮灘沉積物臨界剪切應力普遍低于高潮灘的重要原因；現(xiàn)代黃河三角洲沉積物臨界剪切應力區(qū)域特征表現(xiàn)為北部沉積物臨界剪切應力水平最低，在0.11～0.4 Pa之間，東部最高，在2.8～4.55 Pa之間，南部與東北部居中，分別在0.63～0.84 Pa與0.83～2.99 Pa之間，東北部空間非均勻性分布顯著，粒度組分的分異是導致沉積物臨界剪切應力區(qū)域差異顯著的重要因素，黏粒含量高的沉積區(qū)域沉積物臨界剪切應力普遍高于砂礫含量高的沉積區(qū)；與世界其他大型河口三角洲相比，現(xiàn)代黃河三角洲沉積物臨界剪切應力水平偏低但非均勻程度較高。

臨界剪切應力；沉積物；黏結(jié)力儀；河口三角洲；侵蝕

1 引言

現(xiàn)代黃河三角洲與世界很多河口三角洲普遍面臨著嚴重的侵蝕問題［1］。沉積物侵蝕過程的發(fā)生，一方面與海洋動力作用密切相關(guān)，另一方面，也取決于沉積物類型、性質(zhì)、粒度成分等自身屬性特征因素［2］。在泥沙動力過程研究中，沉積物臨界剪切應力被視為表征沉積物抗侵蝕性大小的一個重要指標。在未達到侵蝕發(fā)生閾值范圍內(nèi)，臨界剪切應力越大，沉積物抗侵蝕性越高，沉積物越不易發(fā)生侵蝕。理論上，當波浪、流產(chǎn)生的剪切力大于沉積物臨界剪切應力時，判斷沉積物侵蝕發(fā)生［3］。

對于沉積物臨界剪切應力的確定，主要通過直接測量與間接計算兩種方法實現(xiàn)。直接測量裝置主要有直沖式?jīng)_刷水槽［4］、循環(huán)水槽［5］、聲學多普勒速度計［6］與黏結(jié)力儀［7］。間接測量是通過獲取沉積物粒度組成、物理力學性質(zhì)參數(shù)，采用經(jīng)驗公式進行臨界剪切應力計算［8—13］。由于沉積物區(qū)域差異的存在，導致建立的很多臨界剪切應力計算公式具有不同程度的局限性。與之相比，臨界剪切應力的直接測量具有更普遍的應用性。影響沉積物臨界剪切應力的地質(zhì)因素有沉積物粒度組分、容重、含水量、液塑限、孔隙比、黏聚力、內(nèi)聚力等［14—15］。不同沉積物臨界剪切應力的顯著影響因素與影響程度存在差異，這也是導致臨界剪切應力計算方法存在局限性的重要原因。

在現(xiàn)代黃河三角洲海域，沉積物侵蝕的發(fā)生表現(xiàn)為獨特的非均勻分布特征，不同沉積區(qū)域、相同沉積區(qū)域的不同空間位置均存在不同的侵蝕過程、侵蝕程度與侵蝕地貌［16］。沉積物臨界剪切應力的分布特征與規(guī)律的研究對于現(xiàn)代黃河三角洲侵蝕地質(zhì)災害發(fā)生機制與預測均具有重要意義。

基于此，本文研究工作采用英國Partrac公司生產(chǎn)的黏結(jié)力儀對現(xiàn)代黃河三角洲不同沉積年代、不同沉積區(qū)域的沉積物臨界剪切應力進行了貫穿高潮灘、中潮灘與低潮灘的垂直海岸線的直接測量，并同時進行了沉積物物理力學性質(zhì)與粒度成分特征的測試。研究了現(xiàn)代黃河三角洲沉積物臨界剪切應力的空間分布特征及其重要影響因素；對采用黏結(jié)力儀測量沉積物臨界剪切應力與理論計算方法間的差異性進行了對比分析；并與世界其他河口三角洲沉積物臨界剪切應力進行了比較，探討了現(xiàn)代黃河三角洲沉積物臨界剪切應力的世界水平和非均勻分布特征。

2 研究區(qū)概況

現(xiàn)代黃河三角洲位于渤海灣南岸，萊州灣西岸，地處36°55′～38°16′N，117°31′～119°18′E之間，中國第二大油田東營勝利油田即位于此。1855年，黃河決堤于河南省銅瓦廂，奪大清河道，北入利津鐵門，黃河入?？谟牲S海遷徙至渤海，經(jīng)過150多年的發(fā)展，形成了以寧海為頂點，西北方位至挑河河口，東南延伸至小清河河口，向東延伸入海的現(xiàn)代黃河三角洲扇形沖積體，如圖1所示。

黃河尾閭改道頻繁，至今，決口改道50余次，其中較大改道10次，主要形成10個沉積葉瓣?，F(xiàn)代黃河三角洲不同時期河道流路位置分別為：（1）1855－1889年河道，（2）1889－1897年河道，（3）1897－1904年河道，（4）1904－1929年河道，（5）1929－1934年河道，（6）1934－1938年與1947－1964年河道，（7）1964－1976年河道，（8）1976－1996年河道（圖1）。

圖1 現(xiàn)代黃河三角洲測點分布Fig.1 Distribution of stations in the modern Yellow River Delta

3 現(xiàn)場測試

3.1 測點布設

沿現(xiàn)代黃河三角洲海岸線，在不同沉積區(qū)域，確定8個研究區(qū)（圖1），分別為S1、S2、S3、S4、S5、S6、S7、S8。在研究區(qū)S2、S3、S5、S6、S8進行垂直岸線方向的沉積物臨界剪切應力測試。其中，研究區(qū)S8確定2條測線，高、中、低潮灘均分別布設2、2、3個測點；研究區(qū)S2、S3、S5、S6，布設1條測線，其中，研究區(qū)S2，高、中、低潮灘分別布設1、2、3個測點；研究區(qū)S3，高、中、低潮灘分別布設3個測點；研究區(qū)S5，高、中、低潮灘分別布設1、2、2個測點；研究區(qū)S6高、中、低潮灘分別布設2、1、2個測點；研究區(qū)S1、S4與S7潮灘沉積物承載強度太低，測試工作只在近岸區(qū)進行測點站位測試。

3.2 沉積物臨界剪切應力測試

測試臨界剪切應力的黏結(jié)力儀（CSM）產(chǎn)自英國Partrac公司。原理是通過氣壓驅(qū)使儀器內(nèi)水流動產(chǎn)生具有逐漸增強的噴射水流，水流產(chǎn)生的剪應力作用于土體表面使沉積物發(fā)生侵蝕再懸浮。

試驗過程中，首先將實驗艙插進土層到2 cm深度后，用細針管向?qū)嶒炁搩?nèi)緩慢注入蒸餾水；然后啟動儀器，釋放氣壓，排除管內(nèi)空氣；最后調(diào)節(jié)試驗模式，本測試工作選擇試驗模式（見表1），開始試驗。試驗過程中，儀器自動記錄測試時間、噴射強度及透光率，當透光率基本不變時，停止測試。儀器停止后，利用內(nèi)部氣壓沖洗實驗艙，并釋放剩余氣體，最后關(guān)閉儀器。儀器停止后，利用內(nèi)部氣壓沖洗實驗艙，并釋放剩余氣體。

表1 現(xiàn)代黃河三角洲沉積物臨界剪切應力試驗模式參數(shù)Tab.1 Test parameters of critical shear stress for sediments in the modern Yellow River Delta

3.3數(shù)據(jù)處理

剪應力作用于海床沉積物表面，沉積物懸浮使艙內(nèi)透光率T產(chǎn)生變化，從而得到實驗艙內(nèi)懸浮物濃度C（g／L）的變化。透光率與懸浮物濃度關(guān)系式如下式所示，

沖刷水流產(chǎn)生的剪切應力計算公式為：式中，P為噴射強度（單位：kPa），τ為水流產(chǎn)生的剪切應力（單位：Pa）。

按照式（1）和式（2）將噴射水流強度與透射率分別換算為水平剪切力與懸浮泥沙濃度，建立懸浮泥沙濃度隨水平剪切力的變化曲線。隨噴射強度的增加，透射率逐漸降低，當透射率降低90%時對應的噴射強度為臨界噴射強度［17］。在現(xiàn)代黃河三角洲采用黏結(jié)力儀測試沉積物臨界剪切應力過程中，當投射率降低90%時對應的懸浮泥沙濃度為1 kg／m3，因此，在測試得到的剪切力與懸浮泥沙濃度關(guān)系曲線上（圖2），懸浮泥沙濃度1 kg／m3對應的剪切力為臨界剪切應力。

圖2 黏結(jié)力儀測試得到的剪切應力與懸浮泥沙濃度的關(guān)系曲線（部分測點）Fig.2 Variations of suspended sediment concentration with critical shear stress measured by Cohesive Strength Meter（some of test points）

3.4 沉積物物理力學性質(zhì)與粒度成分測試

在每個黏結(jié)力儀測試點，現(xiàn)場分別用電子天平及烘箱測試沉積物容重及含水量，貫入強度采用中國沈陽自動化儀表研究所制造的電子數(shù)顯微型貫入儀測試，剪切強度使用的是中國沈陽建科儀器研究所生產(chǎn)的袖珍十字板剪力儀，采用篩分與密度計聯(lián)合試驗法進行粒度分析。

沉積物干密度、孔隙比與飽和度分別采用式（3）、（4）與（5）計算得到。

干密度計算公式：

式中，ρd為干密度（單位：g／cm3）；ρ為天然密度（單位：g／cm3）；w為天然含水量百分量。

孔隙比計算公式：

式中，e為孔隙比；ρs為土粒密度，本文黃河口粉質(zhì)土沉積物經(jīng)驗值為2.71 g／cm3。

飽和度計算公式：

式中，Sr為飽和度；ρw為孔隙流體密度，本文取海水密度1.025 g／cm3。

4 數(shù)據(jù)分析與討論

4.1 沉積物臨界剪切應力垂直岸線分布特征

潮間帶不同分區(qū)（低潮灘、高潮灘與中潮灘）由于所處空間位置的不同，導致其經(jīng)歷的潮汐、波浪作用與海水覆蓋的時間不同。不同的海洋動力作用下，底床沉積物動力響應存在明顯差異［18］，長期差異動力作用過程將導致潮間帶海域沉積物物理力學性質(zhì)及粒度成分特征垂直岸線方向表現(xiàn)出獨特的非均勻分布特征，進而導致沉積物臨界剪切應力在低潮灘、高潮灘與中潮灘存在明顯差異。

低潮灘發(fā)育有大量沙波，大致平行于海岸線方向，有少量生物洞穴存在。中潮灘生物活動普遍存在，其中，豐富發(fā)育的底棲生物種類有托氏昌螺、四角蛤蜊、光滑河藍蛤、剖刀鴨嘴蛤、日本大眼蟹、麂眼螺、泥螺［18］。底棲動物群落及其底棲效應對于河口潮灘獨特沉積特性形成、演變及穩(wěn)定具有重要作用。生物擾動以及生物排泄物等使得沉積物發(fā)生物理和化學變化，對于潮灘地貌形態(tài)及沉積物顆粒物理化學膠結(jié)特征均能夠產(chǎn)生重要影響作用。在黃河三角洲不同沉積區(qū)域的中潮灘，不同種類底棲生物密度不同且呈非均勻分布，對不同粒度組成的沉積物的影響程度不同，導致不同沉積區(qū)域中潮灘沉積物臨界剪切應力存在差異。

高潮灘密實度較高，普遍處于硬塑狀態(tài)，含水量偏低?；跍y試數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)，潮間帶沉積物濕容重差別不大，一般在18.7～19.5 k N／m3變化，高潮灘沉積物干容重普遍高于中潮灘與低潮灘，孔隙比偏低，表層剪切強度與貫入強度普遍偏高。就粒度成分而言，與其他河口海域沉積物向陸細化的規(guī)律一致［19－20］，高潮灘沉積物粒度成分偏細，砂粒含量普遍明顯少于低潮灘，黏粒含量略高，中潮灘由于不同研究區(qū)生物活動的影響存在差異，所以從粒度成分上沒有呈現(xiàn)普遍一致的分布規(guī)律。傳統(tǒng)沉積動力過程的研究認為，沉積物向海方向粒度變粗是由于海洋動力作用向岸方向變?nèi)?，粗顆粒沉積于動力作用活躍的低潮灘，細顆粒沉積于海洋動力作用弱的高潮灘［21］。另一種觀點認為低潮灘沉積物的粗化現(xiàn)象與波浪破碎有關(guān)［22］，在波浪破碎帶，波浪破碎，能量大幅度耗散，從而使粗顆粒泥沙大量沉積，導致低潮灘粒度成分偏粗。沉積物波浪動力響應過程研究表明海底沉積物在波浪動力循環(huán)荷載作用下，內(nèi)部孔隙水壓力會發(fā)生累積，從而導致海床內(nèi)部產(chǎn)生自下向上的滲流梯度力，在滲流梯度力驅(qū)動下，充填于大顆粒骨架之間的細粒組分沿滲流通道向海床表面輸運，輸運至海床表面的細粒組分在海流沖刷作用下輸運至異地，導致原始海床發(fā)生粗化［23］。

縱觀現(xiàn)代黃河三角洲5個研究區(qū)6條測線沉積物臨界剪切應力分布特征可以發(fā)現(xiàn)，高潮灘沉積物臨界剪切應力普遍高于低潮灘；中潮灘在生物活動影響較大的研究區(qū)，沉積物臨界剪切應力偏低，如研究區(qū)S2與S5，而在生物活動影響較小的研究區(qū)，沉積物臨界剪切應力偏高，如研究區(qū)S8與S6，但極少高于高潮灘沉積物的臨界剪切應力（見圖3）。沉積物干容重、含水量與孔隙比是影響臨界剪切應力的顯著物理因素［14］，沉積物粒度組分是決定沉積物黏聚力、內(nèi)聚力與內(nèi)摩擦力的重要物質(zhì)因素，也在很大程度上對臨界剪切應力產(chǎn)生影響［16］，沉積物剪切強度與貫入強度等宏觀力學指標在一定程度上能夠反映其臨界剪切應力的大小?，F(xiàn)代黃河三角洲高潮灘沉積物臨界剪切應力普遍高于低潮灘的重要影響因素是其顯著偏低的含水量、孔隙比與平均粒徑以及顯著偏高的砂礫含量，干容重、粉粒含量、黏粒含量、剪切強度對其影響程度則相對次之?，F(xiàn)代黃河三角洲中潮灘沉積物臨界剪切應力的分布特征與Andersen等歐洲大西洋海岸的現(xiàn)場調(diào)查結(jié)果一致，其認為生物活動與生物排泄物等影響了表層沉積物的物理性質(zhì)進而影響其動力過程［24］。

圖3 不同研究區(qū)沉積物臨界剪切應力垂直海岸線分布Fig.3 Distribution of sediment critical shear stress perpendicular to the coastline in the different study sites

低潮灘海洋動力作用較活躍，而沉積物臨界剪切應力偏低，現(xiàn)代黃河三角洲海域為0.08～0.80 Pa；高潮灘海域海洋動力作用較弱，沉積物臨界剪切應力偏高，現(xiàn)代黃河三角洲海域為1.1～4.02 Pa，因此，低潮灘侵蝕過程顯著。在現(xiàn)代黃河三角洲海域中潮灘侵蝕特征受生物活動控制顯著，臨界剪切應力為0.10～1.90 Pa，現(xiàn)代黃河三角洲不同海區(qū)中潮灘沉積物侵蝕特征差異較大?；谏鲜龀遍g帶沉積物臨界剪切應力垂直海岸線分布特征可以看出，現(xiàn)代黃河三角洲沉積物侵蝕發(fā)生的難易程度由低潮灘向高潮灘普遍存在兩種變化模式，一種是沉積物抗侵蝕能力逐漸變強（如研究區(qū)S8與S3），一種是沉積物抗侵蝕能力先降低后升高（如研究區(qū)S2與S5）。

4.2 沉積物臨界剪切應力區(qū)域分布特征

現(xiàn)代黃河三角洲低潮灘沉積物濕容重均在19.1～20.1 k N／m3范圍內(nèi)變化，差異較小；干容重在14.5～15.8 k N／m3范圍內(nèi)變化，位于三角洲北部的裕支溝研究區(qū)S1，位于三角洲東部的新灘研究區(qū)S4，與位于三角洲東北部的樁106研究區(qū)S7沉積物干容重偏大；含水量在26.6%～33.0%范圍內(nèi)變化，飽和度均在90%以上，其中研究區(qū)S1沉積物含水量最低，位于三角洲東北部樁292附近的研究區(qū)S8含水量最高；表層沉積物孔隙比在0.72～0.90范圍內(nèi)變化，研究區(qū)S1與S4孔隙比最低，研究區(qū)S8最高；表層沉積物剪切強度在3.9～14.2 kPa范圍內(nèi)變化，貫入強度在0.5～2.8 N范圍內(nèi)變化，其中，位于三角洲北部的車子溝流路入?？诟浇难芯繀^(qū)S2，與位于三角洲東部的孤東海域的研究區(qū)S6，沉積物剪切強度與貫入強度均非常低。就粒度成分而言，現(xiàn)代黃河三角洲低潮灘沉積物砂粒（2～0.075 mm）含量在2.0%～44.3%范圍內(nèi)變化，粉粒（0.075～0.005 mm）含量在48.2%～75.9%范圍內(nèi)變化，黏粒（小于0.005 mm）含量在1.0%～37.4%范圍內(nèi)變化，平均粒徑在8～54μm范圍內(nèi)變化。

就沉積物臨界剪切應力平均水平而言，現(xiàn)代黃河三角洲表層沉積物臨界剪切應力在0.11～3.45 Pa范圍內(nèi)變化（見圖4）。不同沉積區(qū)潮灘沉積物抗侵蝕能力差別較大，其中，現(xiàn)代黃河三角洲北部裕支溝（S1）與車子溝（S2）表層潮灘沉積物臨界剪切應力最低，沉積物極易被侵蝕，現(xiàn)場調(diào)查研究表明在車子溝開敞海域海岸線蝕退速率高達56.6 cm／d［25］。其次，位于現(xiàn)代黃河三角洲南部的海紅港海域（研究區(qū)S8），位于三角洲北部的飛雁灘（研究區(qū)S3），位于三角洲東部的孤東海域（研究區(qū)S6）以及三角洲東北部樁292（研究區(qū)S8），沉積物臨界剪切應力平均水平較低。已有研究表明，海紅港（研究區(qū)S4）附近海域由于近年來來沙量的大量減少，處于輕微侵蝕階段［26］，原位于陸地的飛雁灘油田現(xiàn)在高潮時有70%的油井被淹，淪為海上油田［27］，2002年孤東北大堤水深已經(jīng)超過2 m［27］，研究區(qū)域的侵蝕狀況與沉積物臨界剪切應力水平密切相關(guān)。

圖4 現(xiàn)代黃河三角洲沉積物臨界剪切應力柱狀分布圖Fig.4 Histogram distribution diagram of critical shear stress of sediments in the modern Yellow River Delta

相比較而言，位于現(xiàn)代黃河三角洲東部的新灘（研究區(qū)S4）與位于三角洲東北部的樁106（研究區(qū)S7），沉積物臨界剪切應力很高，沉積物不易發(fā)生侵蝕，加之黃河來沙量的大量補給，泥沙收支供大于輸，導致目前整體處于侵蝕階段的現(xiàn)代黃河三角洲在清水溝與清八叉向海推進，處于淤積階段［28］；樁106附近的海域1985－2004年的嚴重侵蝕狀況逐漸變緩，局部地區(qū)發(fā)生淤積［29］。

從圖4中還可以看出不同研究區(qū)沉積物臨界剪切應力的非均勻程度差別顯著，在相同研究區(qū)臨界剪切應力最高值可達到最低值的1.63～50.25倍。新灘附近海域的研究區(qū)S1沉積物差別最小，飛雁灘附近海域的研究區(qū)S3差別最大，由此也可以看出現(xiàn)代黃河三角洲不同沉積區(qū)域的潮間帶沉積物侵蝕特征非均勻程度差別也是比較大的。Keller等通過現(xiàn)場鉆孔取樣分析也發(fā)現(xiàn)現(xiàn)代黃河三角洲不同沉積區(qū)域沉積物物理性質(zhì)存在差異［30］。Meng等于2008年采用循環(huán)水槽在現(xiàn)代黃河三角洲不同研究區(qū)潮間帶上進行的臨界剪切應力測試表明其值在0.088～0.254 Pa范圍變化［31］。在其研究工作中同樣發(fā)現(xiàn)現(xiàn)代黃河三角洲不同沉積區(qū)域的沉積物臨界剪切應力的空間分布差異，然而，由于循環(huán)水槽測試工作需要的時間周期較長，測試點非常少，多數(shù)研究區(qū)僅為1個測試點，測點距離也很小，未體現(xiàn)出同一沉積區(qū)域侵蝕特征的非均勻空間分布。許國輝等在現(xiàn)代黃河三角洲大王北、刁口、新灘與廣利港4個位置的中潮灘進行的長寬各200 m、深0.5 m范圍內(nèi)的沉積物貫入強度的測試也表明淺表地層土體強度在平面上與深度剖面上普遍存在著小尺度上的不均勻性，具有強弱變化的韻律特征［32］。

4.3 沉積物臨界剪切應力影響要素分析

沉積物臨界剪切應力是表征沉積物抗侵蝕能力的一個重要指標，是沉積物抵抗外界剪切力的典型臨界閾值，由沉積物物理力學性質(zhì)與成分組成共同控制。不同沉積物屬性參數(shù)對其影響程度不同。本文基于現(xiàn)代黃河三角洲不同沉積區(qū)域潮灘沉積物臨界剪切應力的現(xiàn)場測量數(shù)據(jù)與對應測點沉積物物理力學性質(zhì)指標的測量數(shù)據(jù)，分別建立了沉積物濕容重、干容重、含水量、孔隙比、飽和度、剪切強度、貫入強度、砂粒含量、粉粒含量、黏粒含量，以及平均粒徑間的統(tǒng)計回歸分析。

如圖5所示，沉積物臨界剪切應力與含水量、孔隙比、剪切強度、砂粒含量、粉粒含量、黏粒含量，以及平均粒徑間的相關(guān)性相對良好，相關(guān)系數(shù)均在0.5以上。其中，與干容重、剪切強度、貫入強度、粉粒含量、黏粒含量呈線性正相關(guān)關(guān)系；與含水量、飽和度、砂粒含量、平均粒徑呈負線性相關(guān)關(guān)系；與孔隙比呈冪函數(shù)相關(guān)關(guān)系。以上沉積物參數(shù)與其臨界剪切應力的統(tǒng)計關(guān)系表明具有高干容重、高剪切強度、高粉粒含量、高黏粒含量的現(xiàn)代黃河三角洲沉積物，具有較高的臨界剪切應力，而具有高含水量、高砂粒含量、大平均粒徑的現(xiàn)代黃河三角洲沉積物，則具有較低的臨界剪切應力。從而解釋了現(xiàn)代黃河三角洲高潮灘沉積物臨界剪切應力普遍高于低潮灘沉積物臨界剪切應力垂直岸線的分布特征。沉積物濕容重、飽和度、貫入強度與臨界剪切應力之間的統(tǒng)計關(guān)系較差，離散性高，對沉積物臨界剪切應力的影響趨勢不明顯。

圖5 現(xiàn)代黃河三角洲沉積物臨界剪切應力與其物理力學性質(zhì)及粒度組成參數(shù)相關(guān)分析統(tǒng)計圖Fig.5 Correlation analysis of sediment critical shear with parameters of physical and mechanical properties and particle compositions of sediments in the modern Yellow River Delta

現(xiàn)代黃河三角洲含水量與沉積物臨界剪切應力相關(guān)系數(shù)最高，是影響沉積物臨界剪切應力的顯著要素。沉積物含水量的增加直接導致沉積物顆粒間的摩擦力與黏聚力降低，進而降低沉積物臨界剪切應力。Aberle等研究發(fā)現(xiàn)同一類型沉積物含水量高，沉積物干容重則偏低，沉積物易發(fā)生侵蝕，與本文研究結(jié)果一致［14］?？紫侗茸鳛楸碚鞒练e物顆粒排列結(jié)構(gòu)的宏觀參數(shù)，同樣是影響沉積物臨界剪切應力的重要物理參數(shù)。Stevens等在意大利Adriatic海西部海灘的調(diào)查研究表明冬季潮灘沉積物孔隙比與沉積物侵蝕量呈良好負線性相關(guān)性，表明沉積物孔隙度越高沉積物越不易侵蝕［33］。本文冬季在現(xiàn)代黃河三角洲的現(xiàn)場調(diào)查研究表明冬季潮灘沉積物臨界剪切應力與孔隙比呈較好的冪函數(shù)關(guān)系，同樣表明沉積物孔隙度越高沉積物越不易發(fā)生侵蝕。剪切強度與臨界剪切應力均是表征沉積物抵抗外力的力學指標，Watt等落錘試驗測試得到沉積物不排水剪切強度與沉積物臨界剪切應力線性正相關(guān)函數(shù)回歸相關(guān)系數(shù)達到0.81［13］，文本微型剪切儀測試得到的不排水剪切強度與沉積物臨界剪切應力的正相關(guān)線性回歸相關(guān)系數(shù)也達到0.51以上。沉積物粒度組分不僅影響沉積物容重、含水量、孔隙比等物理性質(zhì)，對沉積物剪切強度、臨界剪切應力等力學性質(zhì)同樣具有重要影響。Salehi和Strom在美國圣哈辛托河口細粒沉積物潮灘開展的研究表明沉積物平均粒徑與臨界剪切應力呈反比［34］；Zheng等在現(xiàn)代黃河三角洲北部潮灘兩個不同區(qū)域開展的物理模型試驗中同樣發(fā)現(xiàn)沉積物臨界剪切應力隨平均粒徑的變大而降低［35］。而從臨界剪切應力與沉積物不同粒組含量的統(tǒng)計關(guān)系中發(fā)現(xiàn)其隨粉粒含量與黏粒含量的增加均呈現(xiàn)出增長趨勢，只隨沉積物砂粒含量的增加而表現(xiàn)為降低趨勢，而平均粒徑測試值均在粉粒粒徑范圍內(nèi)，由此可以推測對于現(xiàn)代黃河三角洲沉積物細粒土而言，粉粒與黏粒含量對沉積物臨界剪切應力具有控制作用。

4.4 臨界剪切應力直接測量與理論計算對比分析

20世紀60年代，河道沉積物起動問題已經(jīng)被關(guān)注，基于沉積物容重、粒度、水深等參數(shù)建立臨界起動流速的計算方法，如唐存本建立的式（6）［8］、楊美卿和王桂玲建立的式（7）［9］、李華國等建立的式（8）［10］；近幾年基于測試手段的發(fā)展，海洋學家則基于實驗室與現(xiàn)場臨界剪切應力與沉積物物理力學指標的同步測量，建立了多種臨界剪切應力經(jīng)驗公式，如Dickhudt等建立的式（9）［11］、Winterwerp等建立的式（10）［12］、Watts等建立的式（11）［13］。

式中，Vc為臨界起動流速（單位：cm／s）；ρs為土粒密度（單位：g／cm3）；ρ為流體密度（單位：g／cm3）；g為重力加速度（單位：N／kg）；γd為干容重（單位：k N／m3）；γdc為穩(wěn)定干容重（單位：k N／m3）；h為水深（單位：m）；d為平均粒徑（單位：mm）；c為黏結(jié)力系數(shù)；m為常數(shù)因子。

式中，ks為床面粗糙高度；κ為卡門常數(shù)；θm為常數(shù)因子；其他參數(shù)同式（6）。

式中，各項參數(shù)同式（7）。

式中，τcr為臨界剪切應力（單位：Pa）；φsm為沉積物固結(jié)因子；a、m、n為常數(shù)因子。

式中，PI為塑性指數(shù)；a、n為常數(shù)因子。

式中，τf為不排水剪切強度（單位：kPa）；m、n為常數(shù)因子，本文計算中分別取值0、0.12。

本文基于現(xiàn)代黃河三角洲已有沉積物物理力學性質(zhì)與臨界剪切應力的現(xiàn)場同步測量參數(shù)，采用式（6）、式（7）、式（8）、式（11）對現(xiàn)代黃河三角洲沉積物臨界剪切應力分別進行了計算，按照式（6）、式（7）、式（8）計算得到的臨界起動流速，采用式（12）、式（13）和式（14）進行臨界剪切應力換算。并將計算得到的臨界剪切應力與采用黏結(jié)力儀現(xiàn)場測量的沉積物臨界剪切應力進行了對比分析，如圖6所示。

式中，u是距海床y（本文y＝20 mm）處的沖刷水流流速（單位：cm／s）；u*為摩阻流速（單位：cm／s）；v為運動黏滯系數(shù)，本文取值為10－6m2／s。其中，黏結(jié)力儀的測試流速u由其可以進行記錄存儲的噴射強度P（見表1）依據(jù)式（13）進行計算；臨界剪切應力依據(jù)式（14）代入由式（12）計算得到的臨界摩阻流速以及沖刷海水密度計算得到沉積物臨界剪切應力。式中，P為黏結(jié)力儀水流噴射強度（單位：kPa）；M為黏結(jié)力儀試驗倉內(nèi)水體質(zhì)量（單位：kg）。

圖6 現(xiàn)代黃河三角洲潮灘不同測點沉積物臨界剪切應力現(xiàn)場測試與計算值Fig.6 Comparison between measured data and calculated data of the critical shear stress of sediments in the modern Yellow River delta

基于沉積物物理性質(zhì)與粒徑特征建立的沉積物臨界剪切應力計算模型能夠描述某一種類型沉積物臨界剪切應力與其物理特征參量之間的定量關(guān)系，但由于其理論計算模型是基于模型砂等理想土質(zhì)條件進行構(gòu)建，在進行現(xiàn)場沉積物臨界剪切應力的計算中也存在不同程度的局限性。而基于現(xiàn)場測量建立的經(jīng)驗公式，由于存在沉積物沉積特征差異，也很難建立普遍應用于任何研究區(qū)的確定方法。本文對比現(xiàn)代黃河三角洲不同沉積區(qū)域潮灘沉積物臨界剪切應力與采用唐存本［8］、楊美卿和王桂玲［9］、李華國等［10］建立的數(shù)學方法計算得到的臨界剪切應力進行了對比分析，如圖6所示。

現(xiàn)代黃河三角洲臨界剪切應力低于0.8 Pa時，楊美卿和王桂玲［9］與李華國等［10］計算模型能夠較好地進行預測，預測值略微偏高?；趯D3沉積物臨界剪切應力垂直岸線分布柱狀圖可知臨界剪切應力低于0.8 Pa的測點均位于低潮灘。由此可以推測此兩種模型較適用于預測含水量高、干容重小、孔隙比偏大的低潮灘沉積物臨界剪切應力；而對于臨界剪切應力偏高的高潮灘與中潮灘沉積物適用性較差。唐存本［8］計算模型臨界剪切應力計算值普遍高于潮間帶不同測點沉積物臨界剪切應力現(xiàn)場測量值，適用性較差。楊美卿和王桂玲［9］與李華國等［10］計算模型均是基于電化學理論建立的適用于淤泥質(zhì)沉積物的臨界剪切應力預測模型，其試驗沉積物物理性質(zhì)參數(shù)與低潮灘沉積物類似，與含水量低、干容重大、密實度高的高潮灘沉積物與生物活動影響顯著的中潮灘沉積物差異顯著；而唐存本［8］基于泥沙受力平衡分析建立的計算模型過高估計了沉積物顆粒自重在泥沙起動中發(fā)揮的作用，不適用于粒度組分偏細的沉積物臨界剪切應力的計算。

4.5 與世界其他河口三角洲對比分析

世界各大河口海域潮灘細粒土沉積物將可能表現(xiàn)出各自不同的侵蝕特征，對于近岸侵蝕發(fā)生過程的差異性的形成具有重要作用。由于測試裝置不同的測試數(shù)據(jù)可比性差，本文統(tǒng)計了循環(huán)水槽與黏結(jié)力儀兩種不同的測試裝置對世界不同河口海域潮灘臨界剪切應力的現(xiàn)場測試數(shù)據(jù)［6，13，16—17，20，24，31，36—40］，對現(xiàn)代黃河三角洲潮灘沉積物侵蝕特性及其分布特征分別進行了對比分析。從圖7統(tǒng)計的臨界剪切應力最高值與最低值的對比分析可以看出，世界河口海域潮灘沉積物侵蝕特性普遍存在著不同程度的空間非均勻特征，循環(huán)水槽測試數(shù)據(jù)顯示臨界剪切應力最高值與最低值差值可高達1.70 Pa，黏結(jié)力儀測試數(shù)據(jù)顯示臨界剪切應力最高值與最低值差值可高達6.88 Pa。

就循環(huán)水槽的測試數(shù)據(jù)而言，現(xiàn)代黃河三角洲潮灘沉積物臨界剪切應力在世界河口海域潮灘范圍內(nèi)整體處于較低水平。由于采用循環(huán)水槽測試現(xiàn)代黃河三角洲潮灘沉積物的測試點較少，所以與圖7a相比，圖7b黏力儀測試數(shù)據(jù)更能體現(xiàn)現(xiàn)代黃河三角洲潮灘沉積物侵蝕特性的整體水平。與其他地區(qū)相比，現(xiàn)代黃河三角洲沉積物臨界剪切應力統(tǒng)計最低值在世界范圍內(nèi)處于最低水平，臨界剪切應力最高值則僅次于荷蘭謝爾德河口潮灘沉積物，一方面可以看出現(xiàn)代黃河三角洲區(qū)域空間非均勻性顯著，另一方面基于臨界剪切應力最低值普遍出現(xiàn)在低潮灘，最高值普遍出現(xiàn)于高潮灘，也可以推測與世界其他河口三角洲相比，現(xiàn)代黃河三角洲低潮灘極易發(fā)生侵蝕。由此可以進一步推測現(xiàn)代黃河入?？陔x岸輸運的泥沙中，與黃河攜帶泥沙的向海輸運量相比，河口區(qū)已沉積的沉積物侵蝕再懸浮量同樣占有重要比重。

圖7 世界不同河口海域潮灘沉積物再懸浮臨界剪切應力測試數(shù)據(jù)Fig.7 Critical shear stress of the intertidal sediments distributed in different estuarine areas

5 結(jié)論

（1）對于現(xiàn)代黃河三角洲潮間帶不同位置而言，高潮灘密實度較高，普遍處于硬塑狀態(tài)，含水量偏低，干容重大，孔隙比低，剪切強度與貫入強度普遍較高，粒度成分細粒含量較高，沉積物臨界剪切應力高，在1.1～4.02 Pa范圍，沉積物不易發(fā)生侵蝕；中潮灘沉積物受生物活動影響顯著，沉積物侵蝕特征因地而異，變化較大，臨界剪切應力在0.10～1.90 Pa范圍；低潮灘沉積物侵蝕特征空間非均勻性顯著，臨界剪切應力很低，在0.08～0.80 Pa范圍，極易發(fā)生侵蝕。

（2）現(xiàn)代黃河三角洲不同沉積區(qū)域沉積物具有不同的沉積物物理力學性質(zhì)與粒度組成，導致沉積物臨界剪切應力的區(qū)域分布差異。其中，現(xiàn)代黃河三角洲北部潮灘沉積物臨界剪切應力最低，極易發(fā)生侵蝕；東部新灘海域與東北部樁106潮間帶沉積物臨界剪切應力最高，不易發(fā)生侵蝕；現(xiàn)代黃河三角洲南部海紅港、東部孤東與東北部飛雁灘及樁292潮間帶沉積物再侵蝕特性居中。

（3）在現(xiàn)代黃河三角洲沉積物物理力學性質(zhì)參數(shù)中，干容重、含水量、孔隙比、不排水剪切強度、砂粒含量、粉粒含量、黏粒含量、平均粒徑與沉積物臨界剪切應力均存在較好的統(tǒng)計關(guān)系，相關(guān)系數(shù)均達到0.5以上。隨干容重、孔隙比、不排水剪切強度、粉粒含量與黏粒含量的增加，沉積物臨界剪切應力表現(xiàn)為增長的趨勢；而隨含水量、砂礫含量與平均粒徑的增長，沉積物臨界剪切應力表現(xiàn)為降低的趨勢。

（4）現(xiàn)代黃河三角洲沉積物臨界剪切應力現(xiàn)場測量與已有臨界剪切應力計算模型對比分析發(fā)現(xiàn)，楊美卿和王桂玲［9］與李華國等［10］計算模型能夠較好的對含水量高、干容重小的低潮灘沉積物臨界剪切應力進行較好預測；唐存本［8］計算模型臨界剪切應力計算值普遍高于潮間帶不同測點沉積物臨界剪切應力現(xiàn)場測量值。

（5）世界各大河口海域潮灘沉積物臨界剪切應力普遍呈現(xiàn)出不同程度的空間非均勻分布特征?，F(xiàn)代黃河三角洲沉積物臨界剪切應力空間非均勻性顯著，且臨界剪切應力處于世界較低水平，沉積物極易在海洋動力作用下發(fā)生侵蝕，由此推測黃河入海泥沙的遠距離分布與現(xiàn)代黃河三角洲已沉積的沉積物的侵蝕再懸浮輸運過程密切相關(guān)。

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Field measurement of sediment critical shear stress in the modern Yellow River Delta

Zheng Jiewen1，2，Jia Yonggang2，Liu Xiaolei2，Liu Baohua3，F(xiàn)u Tengfei1，Zhang Liping2

（1.Key Laboratory of State Oceanic Administration for Marine Sedimentology and Environmental Geology，F(xiàn)irst Institute of Oceanography，State Oceanic Administration，Qingdao 266061，China；2.Key Laboratory of Marine Environment&Ecology，Ministry of Education，Ocean University of China，Qingdao 266003，China；3.National Deep Sea Center，Qingdao 266003，China）

Cohesive sediment meter was used to measure sediment critical shear stress along the measuring line perpendicular to coastal line in different sedimentary lobes in the modern Yellow River delta.These obtained sediment critical shear stress，combined with the test results of sediment physical and mechanical properties and granularity composition，then were used to study on the distribution of sediment erodibility in the modern Yellow River Delta and its relationship with the influencing factors.This study indicated that，（1）high tidal flat was hard to be eroded with high critical shear stress ranging from 1.1 to 4.02 Pa，which was due to the following factors including the low water content，high dry bulk density，high content of silt and clay particles，small average particle diameter，and high undrained shear strength；（2）middle tidal flat was characterized with obviously different critical shear stress ranging from 0.10 to 1.90 Pa，which was mainly influenced by biological activities in different sedimentary lobes including biodisturbation，biological waste，remains and remnants with different amounts and degree；and（3）low tidal flat can be easily eroded with low critical shear stress ranging from 0.08 to 0.80 Pa，which was induced by the high water content，low dry bulk density，high sand content，gentle average particle diameter，and low undrained shear strength.For the whole modern Yellow River Delta，low，middle and high the critical shear stress occur in the northern part，middle part and the southern part of the delta，respectively.The discrepancy of particle compositions can be considered as the critical factor for causing the variety of sediment critical shear stress in different areas.Compared with other main estuarine deltas in the world，non-uniform degree of sediment erodibility was higher and anti-erosion strength was lower in the modern Yellow River Delta.

critical shear stress；sediment；cohesive strength meter；estuarine delta；erosion

TV148

A

0253-4193（2015）03-0086-13

鄭杰文，賈永剛，劉曉磊，等.現(xiàn)代黃河三角洲沉積物臨界剪切應力研究［J］.海洋學報，2015，37（3）：86—98，

10.3969／j.issn.0253-4193.2015.03.009

Zheng Jiewen，Jia Yonggang，Liu Xiaolei，et al.Field measurement of sediment critical shear stress in the modern Yellow River Delta［J］.Haiyang Xuebao，2015，37（3）：86—98，doi：10.3969／j.issn.0253-4193.2015.03.009

2014-04-18；

2014-11-04。

國家自然科學基金項目（41272316，41402253）；中國博士后基金項目（2014M561963）；山東省博士后創(chuàng)新基金項目（BSH2014001）。

鄭杰文（1984—），女，河北省衡水市人，博士后，主要從事海洋沉積動力過程與地質(zhì)災害。E-mail：jiewenzheng＠126.com

*通信作者：劉曉磊，講師，從事海洋地質(zhì)災害與海洋巖土研究。E-mail：xiaolei＠ouc.edu.cn