江蘇海岸中部近岸沉積物重力流輸運過程

彭雲，于謙，萬潔穎，杜智運，王黎，王韞瑋，高抒

1.南京大學地理與海洋科學學院，南京 210023

2.華東師范大學河口海岸學國家重點實驗室，上海 200062

3.南京師范大學海洋科學與工程學院，南京 210023

0 引言

重力流是一種高密度流體，由于其流體密度大于周圍環境水體密度，能在重力的驅動下離岸下坡輸運[1-3]。因觸發機制與支撐機理的不同，重力流的類型多種多樣，如濁流、碎屑流、異重流等[3-6]。本研究中的重力流，指的是波浪和潮流支撐的浮泥層運動[1-2]。波浪和潮流支撐的浮泥層運動是一種比較特殊的重力流，特殊在維持其輸運的機理不是自懸浮，而是波浪和潮流提供的底部切應力。因此，相比于依靠自懸浮維持，需要較大坡度才能發生的濁流，波浪和潮流支撐的浮泥層運動在坡度很緩的海岸和陸架區域也能發生[1-2]。

過去30 年間，在世界范圍內的許多海岸和陸架區域都發現了波浪和潮流支撐的浮泥層運動，如中國黃河口渤海灣海域[1]、南美亞馬遜陸架[7-8]、美國Eel河鄰域陸架[9-10]、意大利Po 河水下三角洲[11]、新西蘭Waipaoa河鄰域陸架[12-13]、和荷蘭萊茵河海岸[14]等。波浪和潮流支撐的浮泥層運動能輸運大量的沉積物跨過陸架[1-2]，對地貌演化產生重要影響，如大尺度水下三角洲和傾斜地層的演化[15]，以及中部陸架泥質沉積的形成[16]。因此，研究波浪和潮流支撐的浮泥層運動這一重力流輸運過程具有重要意義。

然而，波浪和潮流支撐的浮泥層（重力流）的發生具有偶然性，其持續時間也很短暫[1-2]。重力流的這兩個固有特性，導致在野外現場捕捉其輸運過程一直以來都是一個巨大挑戰。已有研究表明，充足的細顆粒沉積物物源供給和較強的水動力是觸發重力流的必要條件[2]，盡管最近在砂質海岸近岸海域也觀測到了重力流[14]。江蘇海岸中部近岸海域素以潮流強勁著稱，最大潮差可達9.39 m[17]。自黃河1855年北歸以后，江蘇北部的廢黃河三角洲遭受到嚴重侵蝕，侵蝕下來的沉積物在蘇北沿岸流的作用下向南輸運，為江蘇海岸中部近岸海域提供了大量的沉積物供給[18-19]。因此，江蘇海岸中部近岸海域是研究沉積物重力流輸運過程的絕佳場所。

Penget al.[20]在江蘇海岸中部近岸海域，于不同季節實施了三次野外觀測（2019年春季、2019年秋季和2020 年秋季），均捕捉到多次（大于15 次）重力流輸運過程，其研究表明重力流發生的頻率可能更高[20]。然而，Penget al.[20]觀測到的數次重力流的觸發機制具有多樣性，對重力流的維持和停止機理也沒有進行詳細的介紹。長久以來，觸發、維持和停止重力流的準確機理，一直都是重力流研究的難點和熱點之一[2,13]。因此，有必要依靠更多的觀測數據，更加細致地研究重力流的觸發、維持和停止機理。

Penget al.[20]的研究表明重力流可能有著更加復雜的動力行為。最普遍用于描述重力流動力行為的理論分析模型是由Wrightet al.[1]首次提出的浮力—阻力模型。過去二十年間，不論是對重力流野外觀測數據的分析[11-14,21]，還是對重力流數值模擬[22-24]，以及水槽實驗[25]研究，Wrightet al.[1]的浮力—阻力模型被多次運用，模型中的參數也被多次驗證。Penget al.[26]繼續分析了Penget al.[20]中2020年秋季的觀測數據，運用在2020 年秋季觀測到的23 次重力流事件，對Wrightet al.[1]的浮力—阻力模型中的兩個關鍵參數（底部拖曳系數CD和整體理查德森數Rib）進行了驗證。結果顯示，CD明顯大于前人研究報道的0.001～0.006 的區間范圍，Rib接近于模型給出的臨界值0.25。然而，也有關于重力流的研究表明，Rib不一定是0.25，而是維持在0.01 附近，比0.25 要小一個數量級[11,14]。因此，有必要基于重力流的野外觀測數據，對Wrightet al.[1]的浮力—阻力模型中的重要參數（CD和Rib）進行驗證。

研究的主要目的：（1）展示2018年秋季在江蘇海岸中部近岸海域觀測到的重力流事件；（2）基于現場觀測到的重力流事件，分析重力流的形成、維持和停止機理；（3）基于重力流觀測數據，對重力流進行參數化，檢驗重力流浮力—阻力模型中重要參數（CD和Rib）的敏感性。

1 觀測區域

研究區域位于江蘇海岸中部近岸海域（圖1）。1128—1855 年，黃河在700 多年的時間里從江蘇北部入海，黃河攜帶的巨量沉積物造就了廣闊的水下三角洲（向海延伸到40 m水深）和江蘇沿岸的濱海平原[18]。自1855 年黃河北歸以后，由于沉積物供應急劇減少，1128—1855 年由黃河輸運而來的沉積物所形成的三角洲遭受到強烈的侵蝕，開始急劇后退，形成廢黃河三角洲。不斷受侵蝕的蘇北廢黃河三角洲提供了巨量的沉積物，在蘇北沿岸流的作用下向南輸運，為江蘇中部海岸近岸海域提供了大量的沉積物供給[18-19]。

圖1 觀測區域示意圖（a）區域概況，紅色矩形表示研究區域；（b）野外觀測站位概況；（c）使用多波束于2018年8月測量的跨岸地形剖面（子圖b中的虛線）；子圖（b）中的黑色箭頭指示沿岸和跨岸流速正方向；子圖（c）的橫坐標S和縱坐標h分別表示向海距離和水深；藍色三角形表示三腳架的放置位置Fig.1 Map of observation area(a) inset showing general setting of the Jiangsu coast,China;the red rectangle denotes the study area;(b) field measurement site;and (c) cross-shore profile measured by a multibeam survey in August 2018 (dashed line in (b));the black arrows in (b) denote the positive alongshore and crossshore current directions;the abscissa and ordinate in (c) denote distance seaward and water depth;the blue triangle denotes the location of the tripod

由于沉積物供給豐富，研究區是中國最渾濁的海岸之一[27-28]。研究區懸沙濃度在冬季最高，夏季最低。自潮灘向岸外淺水區，懸沙濃度不斷減小[28]。研究區近岸10 m 水深范圍內，底質類型主要是砂和砂質粉砂，平均粒徑介于50.8～133.9 μm[29]。

研究區主要受兩大潮波系統的影響，分別是來自南黃海的旋轉潮波和來自東海的前進波[15,30]。研究區域的潮汐類型為正規半日潮，平均潮差介于3.9～5.5 m。潮流以漲潮流為主導，最大流速超過1.5 m/s，沿岸流速相對于跨岸流速占據主導地位。研究區余流較為復雜，大小潮變化較大，余流值介于0.007～0.370 m/s，余流方向變化趨勢不明顯。受岸外輻射沙脊群的阻擋，研究區波浪相對較弱，有效波高大于2 m的出現頻率僅為5%[18]。

2 研究方法

2.1 野外觀測

野外觀測時間為2018 年11 月25 號7 點00 分至2018年11月29號8點30分，覆蓋8個潮周期。觀測站位位于江蘇中部海岸岸外水下岸坡（33.415° N，120.748° E），該觀測站位附近，沿岸方向上的地形起伏不大，而垂直于海岸的跨岸方向上的地形有明顯坡度變化。近岸6 km，平均水深小于13 m的范圍內，沒有發育明顯的溝槽。觀測站位附近潮灘上的潮溝尺度均相對較小，并沒有延伸到岸外水下岸坡[18]。2018年8月4日，在江蘇海岸中部斗龍潮灘岸外水下岸坡區域，利用多波束隨機測量了一條跨岸地形剖面（圖1c），結果顯示，近岸5 km，平均水深小于12 m的范圍內，跨岸方向上的地形有明顯坡度變化，但并沒有發育明顯的溝槽。

野外觀測采用底基三腳架進行，三腳架放置在由多波束于2018年8月4日測量到的跨岸海底地形上，平均水深約7 m（圖1b，c）。海底三腳架具有能夠搭載多種水文儀器，長期、連續、穩定和自容進行幾乎無干擾原位觀測的優點。三腳架上搭載一系列水文儀器，用于長時間原位連續觀測水體的流速和濁度等信息。

在距底1.25 m 處放置1 個上視聲學多普勒流速剖面儀（ADP，1 MHz），用于測量上覆水體的流速剖面，采樣分辨率為0.2 m 一層，采樣頻率為2 Hz。在距底0.3 m 處放置1 個聲學多普勒流速儀（ADV），用于測量近底三維高頻（16 Hz）流速，每15 min 的采樣間隔內測量128 s。水深由ADV 的壓力記錄經過壓力校正后得到。底床高度變化由ADV換能器與底床之間的相對高程得到[31-32]。

水體濁度由AQUAlogger 310 TY 和光學后向散射儀（OBS-3A）這兩種濁度儀器測量，在距底0.1 m處放置1 個AQUAlogger 310 TY，在距底0.3 m 和1 m 處分別放置一個OBS-3A。三個濁度儀器的采樣參數均設置為以1 Hz 頻率每3 min 測量30 s。濁度儀器的詳細標定流程見Wanget al.[33]。三腳架上搭載的所有儀器的采樣參數設置詳情見表1。觀測時間段內風場信息選自歐洲中期天氣預報中心（ECMWF）第五代全球大氣再分析資料（ERA5）再分析近地面10 m 風速數據。ERA5 再分析風速數據具有時空分辨率高的特點，時間分辨率為1 h，空間分辨率達到0.25°×0.25°，能夠較好地提供研究區域的背景風場信息。

表1 野外觀測儀器的采樣參數設置詳情Table 1 Deployment scheme for the measurements

2.2 數據處理

基于ADV的壓力記錄，通過譜分析方法[34]，計算得到有效波高（Hs），波浪譜峰周期（Tp），按照線性波理論，計算得到波浪軌道速度（Uw）。

浪致底部切應力的計算方法如下[35]：

式中：τw是浪致底部切應力，ρw是海水密度，fw是波浪摩擦系數，計算方式為[35]：

式中：A=UwTp/2π 是波浪的半軌道偏移量（semiorbital excursion），Z0是摩阻高度。

將ADV 和ADP 測量的流速分解到沿岸和跨岸方向，正方向分別為沿岸向南和跨岸向海（圖1b），沿岸正方向為從正北順時針旋轉157°。海上實測的水流，包括周期性潮流和余流兩部分，余流是指從實際海流中去掉周期性潮流后的剩余部分，對水體各層的沿岸和跨岸流速的調和分析得到的非周期項即為余流，對垂向上各個層位的余流流速進行平均即得這些層位的垂向余流平均值。

潮致底部切應力可以由雷諾應力法得到[31,36]：

式中：τcx和τcy分別是平行和垂直于主流向方向的切應力，u′，v′和w′是距底某一高度處水平（平行和垂直于主流向方向）和豎直流速的瞬時湍流部分，可以表示為測量的瞬時流速與測量間隔平均流速之差（比如：′），上橫線表示測量間隔的時間平均。由此：

式中：τc是潮致底部切應力。

3 結果

3.1 時間序列的觀測

觀測得到的時間序列數據如圖2 所示。水深在4.43～8.86 m 范圍變化，平均水深為6.94 m（圖2a）。風速最大值小于5.00 m/s，平均風速為2.82 m/s，主要風向為西北（NW）（圖2b）。距底0.1 m、0.3 m 和1 m處懸沙濃度的變化范圍分別為1.17～15.75 kg/m3、0.73～7.88 kg/m3和0.67～3.78 kg/m3（圖2c）。距 底0.3 m處的沿岸流速介于-0.47～0.87 m/s（圖2e），而距底0.3 m處的跨岸流速介于-0.24～0.22 m/s（圖2d），說明沿岸流速相對于跨岸流速占據主導地位。距底0.3 m 處的沿岸余流和跨岸余流流速分別為0.07 m/s和-0.01 m/s，上覆水體（＞1.25 m）垂向平均的沿岸余流和跨岸余流流速分別為0.13 m/s 和-0.04 m/s。在觀測中發生了一次強度相對較小的波浪事件，持續時間約31 h（圖2f 中的黑色矩形）。波浪事件前，有效波高小于0.25 m（圖2f），波浪軌道速度小于0.05 m/s（圖2d），浪致底部切應力小于0.15 Pa（圖2g）。隨著波浪事件的發生，有效波高、波浪軌道速度和浪致底部切應力均先增大后減小，它們的最大值分別為0.89 m、0.16 m/s和0.68 Pa（圖2e～g）。波浪譜峰周期介于3.46～9.33 s，平均值為5.10 s（圖2f）。潮致底部切應力變化范圍為0.03～3.02 Pa，最小值大致出現在漲憩和落憩相位，最大值大致出現在漲急和落急相位，且漲急相位附近的最大值通常要比落急相位附近的最大值更大（圖2g）。底床高度在0.03～0.13 m范圍變化（圖2h）。

3.2 浮泥層與重力流事件

時間序列的懸沙濃度清楚地揭示了浮泥層事件的存在（圖2c）。波浪事件前和波浪事件期間，均觀測到近底高懸沙濃度（＞10 kg/m3）現象。在研究觀測區域，已有研究報道過浮泥層的存在，并將區分近底高濃度浮泥層和上覆低濃度水體的懸沙濃度臨界值取為5 kg/m3[20]。以5 kg/m3為臨界值，觀測期間一共出現了8 次短暫的浮泥層事件，持續時間為0.25～2.75 h，按出現的時間順序，依次標記為E1～E8（圖2）。其中，發生在波浪事件前的4 次浮泥層事件均出現在低水位時段（E1～E4）。而發生在波浪事件期間的4次浮泥層事件，有2次出現在低水位時段（E5，E7），2 次出現在高水位時段（E6，E8）。發生在低水位和高水位時段的浮泥層事件分別用黃色和綠色陰影區域表示（圖2）。發生在低水位時段的浮泥層事件（E1～E5，E7）包含晚落潮和始漲潮相位，發生在高水位時段的浮泥層事件（E6，E8）僅包含始落潮相位。

距底0.3 m處的沿岸流速（UA0.3）具有明顯的潮變化特征，漲潮時流向向南，落潮時流向向北（圖2e）。距底0.3 m處的跨岸流速（UC0.3）和深度平均的上覆水體跨岸流速（UCU＞1.25 m）也具有明顯的潮變化特征，漲潮時流向向陸，落潮時流向向海（圖2d）。然而，對應于浮泥層事件發育期間的某些時段，UC0.3會出現異常（圖2d），具體時間段為：E2 和E5 的始漲潮相位（early flood，縮寫為ef），E6和E8的始落潮相位（early ebb，縮寫為ee），E7 的晚落潮相位（late ebb，縮寫為le），詳細解釋如圖3所示。

圖3 跨岸流速（UC）和懸沙濃度（SSC）剖面（a～e）上覆水體跨岸流速剖面（藍色點）和距底0.3 m處的跨岸流速（UC0.3：紅色點）；（f～j）近底層懸沙濃度剖面。從左至右的五列子圖分別表示浮泥層事件E2的始漲潮（ef）、E5的始漲潮（ef）、E6的始落潮（ee）、E7的晚落潮（le）和E8的始落潮（ee）相位；流速正方向為跨岸向海Fig.3 Vertical profiles of cross-shore current velocity (UC) and suspended sediment concentration (SSC)(a-e) UC profiles of the upper water layers (blue dots) and cross-shore current velocity at 0.3 m asb (UC0.3: red dot);(f-j) SSC profiles of the near-bottom layers.From left to right,the first to fifth columns correspond to early flood (ef) tide of E2;early flood (ef) tide of E5;early ebb (ee) tide of E6;late ebb (le) tide of E7;and early ebb (ee) tide of E8,respectively.Positive current speed denotes the offshore direction

在浮泥層事件E2和E5的始漲潮相位（ef），上覆水體的跨岸流速符合潮變化，流向向陸，但UC0.3的方向卻是離岸向海的，大小約0.02 m/s（圖3a，b，f，g）。在浮泥層事件E6的始落潮（ee）、E7的晚落潮（le）、和E8 的始落潮（ee）相位，上覆水體的跨岸流速和UC0.3均符合潮變化，流向向海，但是，UC0.3值卻非常大，約0.2 m/s，明顯大于上覆水體整個剖面的跨岸流速（圖3c～e，h～j）。區別于上覆水體的異常離岸流速和浮泥層事件同時發生，是重力流發生最明顯和最直接的證據[11,14,20,32]。因此，在浮泥層事件E2 的始漲潮（ef）、E5 的始漲潮（ef）、E6 的始落潮（ee）、E7 的晚落潮（le）、和E8的始落潮（ee）相位，基于現場觀測的流速和懸沙濃度證據直接顯示了重力流的存在。

4 討論

4.1 重力流證據

研究觀測到8次短暫的浮泥層事件（圖2c），僅在其中5次發現了重力流輸運過程（近底異常離岸流速和浮泥層同時發生）（圖2c，d）。而且，近底異常離岸流速（UC0.3）并不是在浮泥層持續時間段內均有，而是發生在浮泥層發育時間段內的某個相位，如E2事件的始漲潮相位（圖3）。

在E1、E3 和E4 事件發育期間，均未觀測到類似E2 事件期間的異常離岸流速（圖2c，d）?？赡艿慕忉屖?，E1 和E4 事件的持續時間太短，約半小時（圖2c），重力流離岸流速不容易被觀測到，或是浮泥層還無法形成重力流，就已經被潮流的作用停止[1,32]。而在E3 事件的始漲潮相位，雖然沒有觀測到如E2事件始漲潮相位UC0.3一般的離岸流速，但此階段的UC0.3具有類似E2 事件始漲潮相位UC0.3的特征，即存在微小的凸起（圖2c，d）。同樣地，在E7 事件始漲潮相位也沒有觀測到異常的UC0.3，但此階段的UC0.3也存在微小的凸起（圖2c，d）。由此推測，在E3 和E7 事件的始漲潮相位，也可能發生了重力流，但由于重力流流速所處的垂向區間小于0.3 m，從而沒有被捕捉到[1,32]。

在E6和E8事件的始落潮相位，均觀測到異常離岸流速（圖3c，e，h，j），且均發生在SSC0.3大于5 kg/m3期間（圖2 中的綠色陰影區域）。由此推測，在E6 和E8事件發育期間，重力流持續的時間可能更久，但由于其厚度小于0.3 m而未被觀測到[1,32]。

在研究觀測區域，已有研究報道過發生在低水位和高水位時段的重力流事件[20,26]，近底高分辨率流速剖面（距底0.3 m，分辨率為0.01 m一層）顯示，近底異常離岸流速并不是僅發生在浮泥層發育期間的某一個相位，而是在浮泥層發育的整個時間段均有（見Penget al.[20]中的圖5和Penget al.[26]中的圖3）。因此，在研究觀測到的浮泥層事件發育期間，極有可能均發生了重力流輸運過程，只不過由于重力流厚度小于0.3 m，導致在浮泥層事件發育期間的某些時段未觀測到重力流流速。

4.2 浮泥層與重力流的形成、維持和停止機理

浮泥層形成最可能的兩種機制是波浪導致的底床沉積物再懸浮[2,8-14]，和落憩或漲憩時段上覆水體沉積物沉降[2,37-38]。波浪事件前，對發生在低水位時段的浮泥層事件E2，波浪軌道速度（Uw）小于0.03 m/s（圖4e），說明波浪對底床沉積物的再懸浮作用是可以忽略的[1]。因此，潮的作用是首要考慮因素。落憩相位前，當距底0.3 m 處的沿岸流速（UA0.3）減小到約-0.17 m/s 時（圖4 左邊列子圖的第一條黑色豎直虛線），距底0.1 m處的SSC（SSC0.1）開始快速增大（大于5 kg/m3），而距底0.3 m（SSC0.3）和1 m（SSC1）處的SSC卻不斷減?。▓D4a，c）。落憩相位前后，即UA0.3從-0.17 m/s 變化到0.20 m/s 期間（圖4左邊列子圖的第一條和第二條黑色豎直虛線之間），SSC0.1增大到15.75 kg/m3的最大值后幾乎保持不變，SSC0.3先減小后增大，SSC1一直減小，且SSC0.3和SSC1均小于5 kg/m3，說明上覆水體的沉積物沉降形成了約0.1 m厚的浮泥層[37-38]。

圖4 浮泥事件E2 和E5 的時間序列（a，b）水深（h）與距底0.1、0.3和1 m處的懸沙濃度（SSC）；（c，d）距底0.3 m處的沿岸（UA0.3）和跨岸（UC0.3）流速；（e，f）波浪軌道速度（Uw）；流速正方向為沿岸向南和跨岸向海Fig.4 Observed time-series of fluid-mud events E2 and E5(a,b) water depth (h) and SSCs at 0.1,0.3 and 1 m above sea bed (asb);(c,d) along-shore (UA0.3) and cross-shore (UC0.3) velocities at 0.3 m asb;and (e,f) wave orbital velocity (Uw).Positive current speeds denote offshore and southward alongshore directions

當UA0.3＞0 m/s時，SSC0.3開始增大，SSC1仍在減小。當UA0.3＞0.20 m/s 時，SSC0.3和SSC1均不斷增大（圖4a，c），說明潮流不斷懸浮近底浮泥層內的沉積物向上擴散[12]。SSC0.3增大到大于5 kg/m3且一直大于5 kg/m3的時間范圍內，UC0.3發生異常，具有約0.02 m/s的離岸流速（圖4左邊列子圖的黃色陰影區域），說明潮流導致的再懸浮觸發了重力流，并維持其運動[11-14,20]。當UA0.3增加且大于0.40 m/s 后（圖4 左邊列子圖的第三條黑色豎直虛線），SSC0.1、SSC0.3和SSC1均快速降低（圖4a，c），指示了在潮流的作用下，浮泥層內沉積物不斷向上擴散，直至浮泥層消亡[1-2,12]。

需要指出的是，針對E2事件期間SSC0.1不隨時間變化的區間（圖4a），最可能的原因是真實濁度值超過了濁度儀的量程，從而導致濁度儀測量到的濁度一直維持在量程最大值附近[39]。因此，真實的SSC0.1可能更高。

浮泥層事件E1、E3和E4也發生在波浪明顯變大前的低水位時段，且這些事件發育期間的近底SSC的變化情況同E2事件發育期間的近底SSC的變化情況類似（圖2c）。因此，可以認為，對發生于波浪事件前低水位時段的浮泥層事件E1到E4，形成機理均為上覆水體的沉積物沉降[37-38]。

與發生在波浪事件前的E1 到E4 事件相比，E5和E7 事件也發生在低水位前后，但E5 和E7 發生在波浪事件期間（圖2）。與E2事件相比，在E5事件落憩相位前后，即UA0.3從-0.17 m/s變化到0.20 m/s期間（圖4右邊列子圖的第一條和第二條豎直虛線之間），SSC0.1同樣是先急劇增大到最大值15.75 kg/m3后幾乎保持不變，SSC1不斷減小，然而，SSC0.3卻是先增大后減?。▓D4b），且E5 事件期間的Uw大于0.04 m/s（圖4f）。因此，除了上覆水體的沉積物沉降這一觸發機理外，波浪再懸浮對E5 事件的形成也有影響[9-12,16]。在E5 事件的始漲潮相位，即UA0.3從0.20 m/s 變化到0.40 m/s期間，近底SSC的變化情況同E2事件始漲潮相位近底SSC 的變化情況類似，且觀測到了約0.02 m/s 的異常離岸流速（圖4b，d）。而且，在E5 事件始漲潮相位，Uw從0.04 m/s增大到大于0.10 m/s（圖4f）。因此，E5事件始漲潮相位的重力流是由潮流和波浪共同導致的底部切應力維持[1-2,9-14]。

雖然均是發生在波浪事件期間的低水位前后，但與E5 事件相比，在E7 事件的UA0.3從-0.15 m/s 變化到0.15 m/s 期間（圖5的第一條和第二條豎直虛線之間），SSC0.1不斷增大，SSC0.3和SSC1均是先增大后減?。▓D5a），顯現出很強的再懸浮特征。此階段的Uw大于0.05 m/s（圖5c），且SSC0.1、SSC0.3和SSC1增大期間，Uw大于0.08 m/s（圖5）。因此，對E7 事件，波浪導致的底床沉積物再懸浮是其形成的主要機理，上覆水體的沉積物沉降是次要機理[9-13]。E7 事件始漲潮相位的近底SSC 變化情況與E2 和E5 事件始漲潮相位的近底SSC 變化情況大致相似，即隨著UA0.3不斷增加，潮流不斷地懸浮近底約0.1 m厚的浮泥層內沉積物，并致其向上擴散，浮泥層因而消亡（圖5a，b）[32]。

圖5 浮泥事件E7 的時間序列（a）水深（h）與距底0.1 m、0.3 m和1 m處的懸沙濃度；（b）距底0.3 m處的沿岸（UA0.3）和跨岸（UC0.3）流速；（c）波浪軌道速度（Uw）；流速正方向為沿岸向南和跨岸向海Fig.5 Observed time-series of fluid-mud event E7(a) water depth (h) and SSCs at 0.1 m,0.3 m and 1 m above sea bed (asb);(b) along-shore (UA0.3) and cross-shore (UC0.3) velocities at 0.3 m asb;and (c) wave orbital velocity (Uw).Positive current speeds denote offshore and southward alongshore directions

波浪事件期間，浮泥層事件不僅發生在低水位時段，也發生在高水位時段，即E6 和E8（圖2）。在E6 和E8 發育期間，SSC0.1和SSC0.3均是先增大后減?。▓D6a，b），呈明顯的再懸浮特征。E6事件期間的Uw均大于0.09 m/s（圖6e），E7 事件期間的Uw均大于0.05 m/s（圖6f）。因此，E6 和E8 均是由波浪再懸浮底床沉積物而形成[9-11,13]。在E6 和E8 事件的始落潮相位，近底SSC的變化情況與E2、E5 和E7 事件始漲潮相位的近底SSC變化情況大致相似，即隨著UA0.3不斷增加，潮流不斷地懸浮近底0.1～0.2 m 厚的浮泥層內的沉積物，并致其向上擴散，浮泥層因而消亡（圖6）[32]。

圖6 浮泥事件E6 和E8 的時間序列（a，b）水深（h）與距底0.1 m、0.3 m和1 m處的懸沙濃度（SSC）；（c，d）距底0.3 m處的沿岸（UA0.3）和跨岸（UC0.3）流速；（e，f）波浪軌道速度（Uw）；流速正方向為沿岸向南和跨岸向海Fig.6 Observed time-series of fluid-mud events E6 and E8(a,b) water depth (h) and SSC at 0.1,0.3 and 1 m above sea bed (asb);(c,d) along-shore (UA0.3) and cross-shore (UC0.3) velocities at 0.3 m asb;and (e,f) wave orbital velocity (Uw).Positive current speeds denote offshore and southward alongshore directions

綜上，對觀測到的浮泥層與重力流的形成、維持和停止機理總結如下：低水位時段上覆水體的沉積物沉降會形成約0.1 m 厚的高濃度浮泥層（E1～E4），波浪再懸浮和上覆水體沉積物沉降的共同作用也會導致浮泥層事件在低水位時段形成（E5，E7），厚約0.1 m，波浪的再懸浮作用會導致浮泥層事件在高水位時段形成（E6，E8），厚度為0.1～0.2 m。浮泥層事件一旦形成后，能在重力的作用下離岸下坡輸運，依靠潮致的底部切應力（E2），或波浪和潮流共同導致的底部切應力維持（E5～E8）。隨著沿岸流速的增大，近底0.1～0.2 m 厚的浮泥層會被沖淡，直至消亡。以上基于研究觀測數據的推論，與重力流數值模擬研究得到的結果類似[40]。

4.3 理論模型運用

對于波浪和潮流支撐浮泥層這一比較特殊的重力流類型，Wrightet al.[1]基于觀測數據，首次提出了理論分析模型。近20 年來，該理論分析模型被廣泛用于重力流參數化和動力行為研究[11-14,21-25]。Wrightet al.[1]的理論分析提出，重力流所受的重力驅動的離岸下坡梯度力和底部阻力處于平衡態，可表示為：

式中：左邊和右邊分別代表浮力異常項和阻力項；B=gsCH是浮力異常；g 是重力加速度；s是沉積物相對于海水的比重，取值為1.6；C=Cs/ρs是基于浮泥層厚度平均的體積濃度；Cs是基于浮泥層厚度平均的質量濃度；ρs=2 650 kg/m3是沉積物密度；H是浮泥層的厚度；sina是底床坡度。CD是底部拖曳系數，取值0.003，，其中，Uw、Vc和Ug分別為波浪軌道速度、浮泥層頂部的沿岸流速和重力流流速。

整體理查德森數Rib是Wrightet al.[1]理論分析模型的另一種描述方式：

一般來說，B和Ug難以在現場觀測中直接獲得，尤其是在早期的野外觀測中。因此，通常假定沉積物物源供給是無限的，以Rib等于0.25 的臨界值作為重力流處于平衡態的邊界。反饋機制如下：如果Rib＜0.25，增加的湍流將會懸浮更多的沉積物，Rib增大到0.25。反之，如果Rib＞0.25，懸沙濃度梯度導致的沉積物分層將會抑制湍流，沉積物沉降，從而Rib降低到0.25[1,12,20-23]。

研究中，近底可獲得的最低層流速是距底0.3 m處的，可獲得的近底懸沙濃度是距底0.1 m、0.3 m 和1 m處的。因此，對觀測到的重力流事件（距底0.3 m處的異常離岸流速和浮泥層同時發生），根據圖3～6，取浮泥層厚度H=0.3 m，Ug=0.2 m/s，Vc=0.24 m/s，Uw=0.09 m/s，觀測站位的坡度為0.007 2（圖1c）。

重寫公式（6）得到：

將上述基于觀測數據選取好的參數代入公式（8），得到Cs=15.26 kg/m3。重力流發育期間，實測距底0.1 m處的懸沙濃度約為15 kg/m3（圖3）。因此，由理論模型得到的距底0.3 m 內深度平均的質量懸沙濃度與實測結果高度吻合。

或者，對觀測到的重力流事件，假設湍流混合和沉積物分層之間的反饋達到平衡，即Rib=0.25。重寫公式（7）得到：

將Rib=0.25 的臨界值和其他上述基于觀測數據選取好的參數代入公式（9），得到Cs=14.88 kg/m3，同樣與觀測結果高度吻合。

拖曳系數（CD）和整體理查德森數（Rib）是重力流參數化研究中的關鍵參數[11-14,22-25]。近底高濃度浮泥層內的高分辨率懸沙濃度和流速剖面的野外觀測，一直以來都是重力流研究的難點之一，尤其是在早期的野外觀測中，從而浮力異常B和重力流流速Ug難以從野外觀測中直接獲得[1-2]。因此，許多重力流參數化的研究，假設沉積物的供給是無限的，以保證重力流始終處于臨界分層狀態，從而將Rib等于0.25的臨界值用于實現模型閉合[9-10,19-20]。模型給的CD等于0.003 的參考值，也是當Wrightet al.[1]的理論浮力—阻力模型被用于重力流野外觀測數據分析[12-13,21]和數值模擬研究[22-24]時，最常運用的CD值。

基于江蘇海岸重力流觀測數據，對重力流進行參數化后，不僅提供了又一個野外觀測實例支持理論模型給的CD等于0.003和Rib等于0.25 的假設，也說明當Wrightet al.[1]的理論浮力—阻力模型被用于野外重力流參數化[1,12-13,21]和重力流數值模擬[22-24]研究時，Rib取值0.25和CD取值0.003的合理性。

5 結論

（1）2018 年秋季，在江蘇海岸中部近岸海域實施的野外觀測中，捕捉到了8 次高濃度浮泥層事件，其中5次發生了短暫的重力流輸運過程。

（2）重力流由上覆水體沉積物沉降或波浪再懸浮底床沉積物形成，由潮致底部切應力或波浪與潮流共同導致的底部切應力維持，近底高濃度浮泥層內的沉積物在潮流的作用下，會不斷向上擴散，重力流從而消亡。

（3）研究區域觀測到的重力流的動力行為支持經典重力流浮力—阻力模型的使用。

致謝 南京大學樊一陽和林杭杰參加了野外工作和室內標定，廣東海洋大學祁雅莉幫助繪圖。謹致謝忱！