潮灘表層沉積物臨界起動切應(yīng)力研究

張孝嚴(yán)

(上?？睖y設(shè)計(jì)研究院有限公司，上海 200335)

1 引言

潮灘位于海洋與陸地的交界地帶，是海陸動力相互作用的敏感區(qū)域[1]。潮灘近岸高灘區(qū)生長有多種濱海植被，外海側(cè)光灘區(qū)沉積物富含營養(yǎng)物質(zhì)，為鳥類等生物提供了良好的生境，在海岸生態(tài)系統(tǒng)中起著重要的作用。潮灘與鹽沼帶共同作用，在削弱波浪、潮流能量，形成了一套天然的海岸防御體系的同時，其沉積過程也很大程度上受到了潮汐和波浪引起的水動力的控制，從而使得潮灘具有高度動態(tài)的特點(diǎn)[2]。伴隨著海平面上升和人類活動的加劇，世界上幾乎所有的淤泥質(zhì)海岸都遭受不同程度的侵蝕[3,4]。潮灘對外在條件的變化呈現(xiàn)出的這種脆弱性，引發(fā)了人們對這一敏感生態(tài)系統(tǒng)未來可能退化的擔(dān)憂。

潮灘穩(wěn)定性的研究內(nèi)容主要有垂向潮灘高程和平面潮灘沉積物2種。對垂向潮灘高程的研究主要是針對潮灘地形地貌的演變，在潮灘地形地貌演變過程中水動力和沉積動力過程起到了重要的作用，兩者相互作用，在潮流動力的作用下沉積物產(chǎn)生懸浮、搬移、輸運(yùn)和沉積，進(jìn)而促進(jìn)了潮灘地形地貌的變化。對平面潮灘沉積物的研究主要關(guān)注沉積物輸移和沉積物抗侵蝕能力，沉積物的凈輸移決定了潮灘所處的狀態(tài)，侵蝕狀態(tài)、淤積狀態(tài)還是平衡狀態(tài)，而潮灘表層沉積物落淤后的理化特性對隨后施加于其上的外動力作用、潮灘的進(jìn)一步發(fā)育有著不可忽視的影響，暗含了潮灘的內(nèi)在穩(wěn)定性(抗侵蝕能力)。目前，國內(nèi)外學(xué)者們描述沉積物抗侵蝕性時主要用到兩個參數(shù)：臨界起動切應(yīng)力和侵蝕速率[5]。在未達(dá)到侵蝕發(fā)生閾值范圍內(nèi)，臨界起動切應(yīng)力越大，沉積物抗侵蝕性越強(qiáng)，沉積物越不易發(fā)生侵蝕，而一旦水流或者波浪所產(chǎn)生的起動切應(yīng)力超過臨界侵蝕起動切應(yīng)力，侵蝕現(xiàn)象便會發(fā)生[6, 7]。因此，研究潮灘表面沉積物抗剪強(qiáng)度對認(rèn)識潮灘的地貌演變、沉積過程等具有重要意義。

徐元等[8]根據(jù)有效應(yīng)力理論，選擇沉積物抗剪強(qiáng)度作為潮灘穩(wěn)定性指標(biāo)分析潮灘穩(wěn)定性，并提出潮灘內(nèi)在穩(wěn)定性(抗沖刷能力)概念。潮灘灘面沉積物臨界起動切應(yīng)力的測量主要有直接測量和間接測量兩種方法。直接測量裝置主要有黏結(jié)力儀[9]、直沖式?jīng)_刷水槽[10]、聲學(xué)多普勒速度計(jì)[11]與循環(huán)水槽[12]。間接測量就是分析臨界起動切應(yīng)力的影響因素，建立影響因素與臨界起動切應(yīng)力的關(guān)系模型進(jìn)行臨界起動切應(yīng)力計(jì)算。盡管直接測量方法可以對臨界起動切應(yīng)力進(jìn)行原位測定，但是其操作流程繁瑣、測量效率較低，只能做到點(diǎn)測量，不能反映臨界起動切應(yīng)力在空間上的分布狀態(tài)。因此，學(xué)者們更加關(guān)注沉積物基本性質(zhì)(如沉積物粒度組分、容重、含水量、液塑限、孔隙比、黏聚力、內(nèi)聚力等)與臨界起動切應(yīng)力之間的關(guān)系，希望通過簡單易測的基本性質(zhì)指標(biāo)計(jì)算獲得臨界剪切應(yīng)力。

不同研究區(qū)，沉積物性質(zhì)不同，臨界起動切應(yīng)力的主要影響因子不同。Bale等[11]的研究表明，沉積物容重與臨界起動切應(yīng)力有較好的正相關(guān)關(guān)系，沉積物的歷經(jīng)、含水量等對臨界起動切應(yīng)力的影響相對較弱；Wilbert等[13]的研究表明沉積物臨界起動切應(yīng)力和沉積物干容重之間近似漸近線關(guān)系；但是，Houwing[14]指出沉積物的臨界起動切應(yīng)力與容重和含水量之間均沒有明確的關(guān)系；Tolhurst等[15]的研究中發(fā)現(xiàn)，在硅藻發(fā)育旺盛的區(qū)域，沉積物的臨界起動切應(yīng)力與沉積物干容重呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)關(guān)系；Stevenes等[16]的研究表明，粗顆粒砂在沉積物中含量增加時，沉積物的臨界起動切應(yīng)力將會降低；Mitchener等[17]通過室內(nèi)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，細(xì)顆粒泥沙含量的增加將會提高臨界起動切應(yīng)力；鄭杰文等[18]在黃河三角洲的研究結(jié)果表明沉積物組分與臨界起動切應(yīng)力具有較好的相關(guān)性。此外，也有一些學(xué)者指出生物活動也會對臨界起動切應(yīng)力產(chǎn)生較大影響。Yallop[19]、Paterson等[19]的研究表明生物因素對臨界起動切應(yīng)力具有顯著的影響。Amos[21]、Grant[22]等通過現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)得到結(jié)論：生物因素對潮灘臨界起動切應(yīng)力的影響不容忽視，其影響程度比沉積物組分含量、含水量等因素大。由于各研究區(qū)沉積物源及沉積環(huán)境不同，控制臨界起動切應(yīng)力的主要因素也不同，因此需要通過現(xiàn)場試驗(yàn)確定特定地區(qū)臨界剪切應(yīng)力的主要量化參數(shù)。

基于以上背景，本文以江蘇沿海淤泥質(zhì)潮灘為研究對象，通過野外現(xiàn)場土樣采集和臨界起動切應(yīng)力原位觀測數(shù)據(jù)，以探討沉積物組分與臨界起動切應(yīng)力之間的關(guān)系，構(gòu)建臨界起動切應(yīng)力的反演模型，豐富潮灘穩(wěn)定性的研究方法。

2 材料與方法

2.1 研究區(qū)與采樣

研究區(qū)位于江蘇鹽城斗龍港東南側(cè)潮灘(圖1)，研究區(qū)潮灘灘面平坦，坡度為0.01%～0.03%，平均寬度3～4 km，潮汐為不規(guī)則半日潮，近岸潮差2～4 m。灘面沉積物由陸向海顆粒逐漸變粗，潮間帶上部和中部多為黏土和粉砂，潮間帶下部和潮下帶主要以砂為主。

于2019年9月13日，在研究區(qū)無植被覆蓋的光灘區(qū)域采集了表層(<3 cm)沉積物樣本，并同步進(jìn)行臨界起動切應(yīng)力觀測，共采集8組次沉積物樣本及對應(yīng)的原狀沉積物臨界起動切應(yīng)力(圖1)。

圖1 研究區(qū)位置及采樣點(diǎn)分布

2.2 沉積物顆粒分析

目前沉積物粒度測量多采用馬爾文激光粒度分析儀，該測試方法具有樣品需求少、測量速度快、精度高、結(jié)果重復(fù)性好、數(shù)據(jù)豐富、再編輯能力較強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)。本研究在每次野外采樣返回實(shí)驗(yàn)室后，采用實(shí)驗(yàn)室配備的馬爾文3000激光粒度分析儀器(圖2)對沉積物樣品進(jìn)行顆粒分析，顆分實(shí)驗(yàn)操作流程參考儀器指南和前人粒度測量前預(yù)處理方法[23]。

圖2 馬爾文3000激光粒度分析儀器

2.3 沉積物臨界起動切應(yīng)力原位觀測

本研究采用英國Partrac公司生產(chǎn)的黏結(jié)力儀(CSM)進(jìn)行潮灘臨界起動切應(yīng)力的原位測量，其測量原理是通過氣壓驅(qū)使儀器內(nèi)水流動產(chǎn)生具有逐漸增強(qiáng)的噴射水流，水流產(chǎn)生的剪應(yīng)力作用于土體表面使沉積物發(fā)生侵蝕再懸浮(圖3)。

圖3 臨界起動切應(yīng)力原位觀測

3 結(jié)果與分析

3.1 臨界起動切應(yīng)力計(jì)算

剪切力作用于潮灘沉積物表面，沉積物懸浮使儀器探頭艙內(nèi)透光率T產(chǎn)生變化，沖刷水流產(chǎn)生的剪切應(yīng)力計(jì)算公式為：

τ=67×[1-e(-P/310)]-195×[1-e(-P/1623)]

(1)

式(1)中，τ為噴射水流產(chǎn)生的剪切應(yīng)力(Pa)，P為噴射強(qiáng)度(kPa)。

按照公式(1)將儀器噴射強(qiáng)度換算為水流的水平剪切應(yīng)力，繪制透光率隨水平剪切應(yīng)力的變化曲線，圖4為其中一個測量結(jié)果。隨噴射強(qiáng)度的增加(水平剪切應(yīng)力增加)，懸浮泥沙濃度增加，透射率逐漸降低。剪切應(yīng)力與透射率關(guān)系曲線可以分為A、B、C 3個部分，A部分為測量之初，噴射強(qiáng)度較小，儀器探頭艙內(nèi)泥沙未起動，透射率較高，且基本無變化；B部分為泥沙起動過程階段，隨著噴射強(qiáng)度的增加，泥沙起動，透射率逐漸降低；C部分為泥沙完全起動后，艙內(nèi)懸浮泥沙濃度達(dá)到飽和，透射率基本為0。

臨界起動切應(yīng)力位置處于A和B之間過度的臨界點(diǎn)，Tolhurst以透射率降低至90%時對應(yīng)的噴射強(qiáng)度為臨界噴射強(qiáng)度[24]，但是實(shí)際測量中儀器本身存在電信號誤差，透射率初始值可能在90%以下，因此本研究采用趨勢線方法確定臨界起動切應(yīng)力的位置。分別做A和B部分的數(shù)據(jù)趨勢線1和趨勢線2，取2個趨勢線的交點(diǎn)位置對應(yīng)的水平剪切應(yīng)力為臨界起動切應(yīng)力值(圖4)。

圖4 臨界起動切應(yīng)力計(jì)算

3.2 臨界起動切應(yīng)力與沉積物組分關(guān)系

沉積物臨界起動切應(yīng)力是表征沉積物抗侵蝕能力的一個重要指標(biāo)，是沉積物抵抗外界剪切應(yīng)力的典型臨界閾值，由沉積物物理力學(xué)性質(zhì)與成分共同控制。不同沉積物屬性參數(shù)對沉積物臨界起動切應(yīng)力的影響程度不同，本研究基于斗龍港潮灘沉積物臨界起動切應(yīng)力現(xiàn)場原位觀測數(shù)據(jù)與對應(yīng)測點(diǎn)的沉積物物理性質(zhì)指標(biāo)的測量數(shù)據(jù)，分別建立了沉積物D50、黏土含量、粉砂含量，以及砂含量與臨界起動切應(yīng)力的統(tǒng)計(jì)回歸分析。

如圖5所示，沉積物臨界起動切應(yīng)力與沉積物D50、黏土含量、粉砂含量和砂含量的相關(guān)性相對良好，臨界起動切應(yīng)力與砂含量相關(guān)性最高，與D50和黏土含量的相關(guān)性較低。臨界起動切應(yīng)力與沉積物D50和砂含量呈線性負(fù)相關(guān)關(guān)系，與沉積物黏土含量和粉砂含量呈線性正相關(guān)關(guān)系。以上沉積物參數(shù)與其臨界起動切應(yīng)力的統(tǒng)計(jì)關(guān)系表明具有高粉砂、高黏土含量的沉積物，具有較高的臨界起動切應(yīng)力，而具有高砂含量的沉積物，則具有較低的臨界起動切應(yīng)力。建立沉積物臨界起動切應(yīng)力反演模型，依據(jù)擬合優(yōu)度最大值選擇反演模型，選取砂含量作為臨界起動切應(yīng)力的反演指標(biāo)，反演模型為y=-0.0292x+1.822。

圖5 臨界起動切應(yīng)力與沉積物組分關(guān)系

4 結(jié)論

(1)沉積物臨界起動切應(yīng)力與沉積物D50、黏土含量、粉砂含量和砂含量的相關(guān)性相對良好，臨界起動切應(yīng)力與砂含量相關(guān)性最高，與D50和黏土含量的相關(guān)性較低。

(2)臨界起動切應(yīng)力與沉積物D50和砂含量呈線性負(fù)相關(guān)關(guān)系，與沉積物黏土含量和粉砂含量呈線性正相關(guān)關(guān)系。

(3)具有高粉砂、高黏土含量的沉積物，具有較高的臨界起動切應(yīng)力，而具有高砂含量的沉積物，則具有較低的臨界起動切應(yīng)力。