Journal of Marine Sciences >

2024 , Vol. 42 >Issue 1: 36 - 46

DOI: https://doi.org/10.3969/j.issn.1001-909X.2024.01.004

Spatio-temporal variation of suspended sediment and its dynamic factors in Liaohe Estuary

  • ZHAO Xuekai , 1 ,
  • GUO Kaiyuan 1 ,
  • ZHOU Yunhao 1 ,
  • JIA Liyuan 1 ,
  • YANG Zhibo 1 ,
  • ZHANG Qinxu 1 ,
  • ZHANG Mingliang , 1, 2, *
Expand
  • 1. College of Marine Science, Technology and Environment, Dalian Ocean University, Dalian 116023, China
  • 2. Technology Innovation Center of Offshore Ecological Environment and Disaster Protection Engineering in Liaoning Province, Dalian 116023, China

Received date: 2023-04-12

  Revised date: 2023-09-07

  Online published: 2024-05-11

Fold

Abstract

Based on the L2B sediment data of HY-1C CZI from 2019 to 2020 and the meteorological and hydrological data of the same period, spatial analysis and statistical methods were applied to analyze the spatio-temporal variation characteristics and dynamic factors of suspended sediment mass concentration in the sea area of Liaohe Estuary. The results show that tide is the dominant factor in the diurnal variation of suspended sediment, and the average suspended sediment mass concentration at ebb period is higher than that at flood period. The influence of runoff on suspended sediment mass concentration in the Liaohe Estuary is mainly in the shore area, and generally does not exceed 5 m isobath. When the flow direction of ebb current is opposite to the wind direction, the turbidity zone expands horizontally in the estuary, while when the flow direction of ebb current is the same as the wind direction, the turbidity zone contracts at the top of the estuary. There is a significant correlation between wind speed and suspended sediment mass concentration, and the closer to the offshore, the stronger the effect of wind on suspended sediment. Under the influence of tidal currents, runoff and wind waves, the inner part of the 8 m contour usually develops into the maximum turbidity zone.

Key words： HY-1C CZI; Liaohe Estuary; suspended sediment; spatio-temporal variations; dynamical factors

Cite this article

ZHAO Xuekai , GUO Kaiyuan , ZHOU Yunhao , JIA Liyuan , YANG Zhibo , ZHANG Qinxu , ZHANG Mingliang . Spatio-temporal variation of suspended sediment and its dynamic factors in Liaohe Estuary[J]. Journal of Marine Sciences, 2024 , 42(1) : 36 -46 . DOI: 10.3969/j.issn.1001-909X.2024.01.004

0 引言

河口是部分封闭的区域,受到陆地径流与海洋动力的双重作用。悬浮泥沙质量浓度(suspended sediment mass concentration,SSC)是河口水体的重要参数之一。悬浮泥沙可以通过改变光强调控水体的初级生产力[1],也可以通过沉积、絮凝和沉降等作用影响河口形态[2],并且可以通过强大的吸附能力,成为水体中各种化学污染物的载体[3-4]。因此,有关河口悬浮泥沙的输运模式和时空演变一直是近岸海域研究的热点。
对测定点进行现场观测是研究悬浮泥沙的传统方法,该方法不仅经济成本高,还存在空间连续性差的问题。目前,大尺度海域SSC的研究一般通过数值模拟和遥感反演实现。数值模拟是研究泥沙驱动机制的有效方法,但模型无法完整展现实际环境中泥沙运动的复杂性,通常需要对涉及的各种参数进行简化,导致模拟精度降低[5]。遥感技术可实时监测海洋水色的动态变化,在悬浮泥沙输送的研究中有着其他方法无法比拟的优势[6]。
虽然已有一些研究表明Landsat 、GOCI等遥感数据源均可用于监测水体悬浮泥沙的变化[7⇓-9],但由于Landsat卫星的重访周期为16 d,数据的时间分辨率较低,不利于观测河口水域高动态SSC变化,而GOCI数据的空间分辨率低,无法捕捉近岸海域悬浮泥沙变化的细节。HY-1C CZI数据来自2018年由中国发射的搭载海岸带成像仪(CZI)的HY-1C卫星,空间分辨率优于50 m,每3 d实现一次成像观测,在河口区水质动态监测、水体富营养化评价[10]、藻类生长区识别[11]、叶绿素变化估算[12]以及海面溢油污染监测[13]等方面都有着广泛的应用。CAI等[14-15]建立了实测SSC与CZI影像敏感波段的拟合关系式,分析了舟山群岛和港珠澳大桥对悬浮泥沙分布的影响;LUO等[16]基于改进的大气校正算法,比较了CZI与OLI在定量评估悬浮颗粒物空间分布方面的差异。
辽河口有丰富的生物资源、油气资源和湿地资源,具有极高的经济价值和生态价值。目前对辽河口海域的较长时间和较大空间尺度上SSC变化规律和动力响应的认识还较为有限。基于此,本文利用HY-1C的CZI遥感数据结合气象、径流和潮汐等资料,分析了辽河口SSC时空分布特征和驱动因素,探讨了辽河口悬浮泥沙演变机制。

1 研究区概况

辽东湾北部有辽河、大辽河、大凌河、小凌河等多条河流汇入,河流挟沙沉积形成了广泛发育的河口三角洲(图1a)。辽河口地势西南低东北高,是中国纬度最高的河口。该区域为温带半湿润季风气候,年平均气温为8.5℃,年平均降水量大约为650 mm,年内降水分布不均匀,大多集中在6—9月。辽河口海流主要由潮流、冲淡水流和风海流三部分组成,其中潮流占据绝对优势,控制着水中物质的运移。辽河口潮汐强度为中等,属于不正规半日潮,潮流方向为NE—SW走向,具有往复流的特征,一般表层流速大于底层流速,大潮潮流流速大于小潮潮流流速,并且愈靠近河口口门,流速愈大,潮波变形越复杂。根据营口气象站2019—2020年的气象数据统计,辽河口海域的年平均风速为3.14 m/s,常风向和次常风向为SSW向和S向,频率分别为29.06%和14.46%,NE向风主要发生在冬季,频率为7.02%。由于辽河口海域水深较浅,一般不超过15 m,波浪以风浪为主,季节变化明显,冬季偏北,夏季偏南,常浪和次常浪方向分别为SSW向和SW向[17]。
图1 研究区地理位置

Fig.1 Geographical location of the study area

辽河口顶部发育众多浅滩,包括西边滩、东边滩、蛤蜊岗子滩以及口内浅滩群(图1b)。蛤蜊岗子滩以西海底冲刷槽交错分布,水下地貌复杂,以东和以南海床平坦开阔,形态单一。辽河口海域表层沉积物以粉砂为主,粒度总体呈东粗西细分布[18],其中蛤蜊岗子滩的底质分选性较好,以中值粒径大于0.1 mm的细砂为主,其他区域的底质分选性较差,以黏土质粉砂和粉砂等细颗粒泥沙为主,中值粒径集中在0.01~0.03 mm[19]。

2 材料和方法

2.1 SSC测定

2019年4月20日—21日、2022年5月1日—2日在辽河口海域开展SSC的现场监测,共布设了10个观测点(采样点),并在5~15 m等深线之间设置1条剖面线(L1)和3个监测点(S1、S2、S3),具体位置如图1所示。在各观测点每隔1 h采集表层海水样本500 mL,过滤、称重,确定SSC。对观测数据进行样条函数插值处理,获得全潮期以及与HY-1C CZI同步的SSC数据。

2.2 影像数据处理及精度验证

HY-1C CZI数据来自国家海洋卫星应用中心(https://osdds.nsoas.org.cn),所用的数据为L2B级别的泥沙产品,成像时间为10:50(北京时间)左右。选择2019年、2020年的3月至11月的非结冰期、云量较少的图像作为研究数据,其中2019年7月的影像因云覆盖严重而未采用。通过ENVI软件的Build GLT工具对图像进行几何校正、裁剪、拼接等处理,最终共获得44景泥沙图像,其中大潮期8景、中潮期21景、小潮期15景,涨潮期18景、落潮期26景。
对实测SSC和HY-1C CZI泥沙产品数据进行皮尔逊相关性检验,结果如图2所示:相关系数为0.79,平均相对误差为24.08%,均方根误差为6.01 g/m3,表明该泥沙产品数据精度高,可以满足辽河口悬浮泥沙研究的需求。
图2 实测悬浮泥沙质量浓度和HY-1C CZI泥沙产品数据对比

Fig.2 Comparison of measured suspended sediment mass concentration and HY-1C CZI sediment data

2.3 径流、潮汐和气象数据

2019—2020年辽河入海日通量和浊度数据来自辽河口盘山闸下游附近监测点,潮位数据来自营口潮汐站,风速、风向数据来自营口气象站和ECMWF的ERA5再分析资料,具体位置见图1。表1列举了部分泥沙图像在成像时刻的潮情和风况。
表1 影像成像时刻的潮情和风况

Tab.1 Tide and wind conditions at the imaging time

成像时间 潮型 潮时 潮高/cm 风速/(m·s-1) 风向
2019-03-22 大潮 落潮起6.37 h 66 5.09 SW
2019-03-31 小潮 涨潮起3.78 h 207 5.96 NW
2019-04-06 大潮 落潮起5.00 h 86 3.43 ENE
2019-04-12 小潮 落潮起2.00 h 225 5.99 SW
2019-04-15 小潮 涨潮起3.38 h 198 7.36 SW
2019-04-21 大潮 落潮起5.30 h 77 3.19 NE
2019-06-23 中潮 落潮起1.83 h 258 3.98 NE
2019-08-16 大潮 落潮起5.00 h 90 2.50 WNW
2019-08-31 大潮 落潮起5.52 h 65 3.47 SSW
2019-10-12 中潮 落潮起6.83 h 47 5.38 NNE
2020-07-11 中潮 落潮起2.00 h 258 2.25 SW
2020-10-15 中潮 涨潮起0.70 h 57 4.74 SW
2020-10-24 小潮 涨潮起6.67 h 371 3.39 S
2020-10-27 小潮 涨潮起2.23 h 185 1.82 ESE
2020-10-30 中潮 落潮起6.58 h 47 3.17 S

2.4 模型

采用FVCOM模型对辽河口海域潮流场进行数值模拟。FVCOM是一种基于有限体积法的海洋数值模型,广泛应用于沿海复杂潮流环境水动力研究中[20],模型设置和验证参考文献[21]。

3 结果与分析

河口海域悬浮泥沙时空变化受潮汐、径流、风浪等多种因素的影响和制约,确定各因素在悬浮泥沙时空变化中的作用,需要针对单个因素选择适合的遥感影像进行对比分析。为便于描述,文中将SSC大于15 g/m3[22]的区域定义为辽河口悬浮泥沙高值区,即最大浑浊带(以下简称浑浊带)。

3.1 潮时对SSC的影响

潮汐是河口地区水动力的主要影响因素,在泥沙输运和扩散中具有重要的调节作用[23]。为探究涨、落潮对辽河口海域SSC的影响,分别选取2020年10月15日、24日、27日和30日的4幅泥沙图像进行对比分析,成像时刻分别为潮周期中的涨潮初期、涨憩、涨急和落憩,当日该地区平均风速均较小(表1)。随着潮汐的涨、落,辽河口海域SSC呈现不同的变化:涨潮初期悬浮泥沙随着水流向口门输运,岸边的SSC明显高于其他区域(图3a);涨急时刻研究海域整体SSC较高(图3c);落憩时辽河口两侧岸边的SSC升高,高值区范围明显增大(图3d)。从图3可以看出,在无风或微风的情况下,潮流对悬浮泥沙的输运有决定性作用。
图3 2020年10月15日—30日SSC分布图

Fig.3 Distribution map of SSC from October 15 to 30, 2020

图4展示了L1剖面在不同潮时的SSC。整体上,涨急和落憩时SSC大于涨潮初期和涨憩时,其中落憩和涨急时刻的SSC范围分别为5.59~15.53 g/m3和4.05~13.38 g/m3,而涨潮初期和涨憩时刻分别为6.16~12.77 g/m3和3.47~9.13 g/m3。SSC在剖面上3个站位的表现不同:S1站位波动最大,其次为S2站位,S3站位的波动最小。
图4 辽河口L1断面不同涨、落潮时刻SSC的对比

Fig.4 Comparison of SSC at different flood and ebb times at L1 section of Liaohe Estuary

已有的研究认为潮汐的再悬浮作用是辽河口SSC日变化的主要因素[24],SSC在整个潮周期内的变化与涨、落潮流流速高度相关[25]。涨潮时,强大的潮流使得水体发生垂向混合,海底细颗粒沉积物发生再悬浮,随着流速增加,垂向混合和沉积物再悬浮加剧,导致涨急时刻河口区的SSC整体高于其他时刻(图3c);随着流速减小,垂向混合和沉积物再悬浮减弱,悬浮泥沙逐渐沉降,使得涨憩时河口区SSC降到最低(图3b)。落潮时,大量近岸细颗粒物被潮流带入水体,并且随着流速增加,之前沉降的颗粒物可能再次发生悬浮,导致河口区水体SSC整体升高(图3d)。

3.2 大、小潮和涨、落潮对SSC的影响

图5展示了不同潮型和涨、落潮状态下L1剖面SSC的平均值,如图所示:大潮期的平均SSC比小潮期略高,变化幅度较小潮期大;落潮期的平均SSC比涨潮期稍高,变化幅度较涨潮期大。
图5 L1断面大、小潮和涨、落潮平均SSC对比

Fig.5 Comparison of average SSC between spring and neap tides, flood and ebb tides at L1 section

图5a还显示,S1—S2 间海域SSC及其变化程度要远大于S2—S3间。结合S1、S2、S3在L1剖面上的位置可知, S2站点大致处于8 m等深线,S1—S2为浑浊带发育区域[26],SSC常年较高,受潮汐动力的影响大;而S2—S3,水深变深,水体中细颗粒泥沙逐渐沉降,到S3处,水深最深,水体中SSC降至最低,受大、小潮和涨、落潮的影响都很小。

3.3 风场叠加潮流场对SSC的影响

对比分析2019年3月22日、3月31日和4月15日、4月21日4幅不同时期的影像(图6),发现不同风场和潮流场叠加条件下水体悬浮泥沙扩散特征不同。图6b中SSC的高值区在大辽河口,与图6a相比,明显向东北方向移动。2019年3月22日和3月31日的风速分别为5.09 m/s和5.96 m/s,虽然相差不大,但风向却不同,前者为SW向,后者为NW向(见表1)。此外,3月22日处于落潮末期,而3月31处于涨潮中期。这表明风向和潮流流向的差异会导致河口区SSC高值区的偏移。
图6 不同时期研究区域SSC对比

Fig.6 Comparison of SSC in the study area in different periods

图6c和6d中SSC差异明显。尽管4月15日处于小潮期,潮流流速较小,但SSC明显高于处于大潮期的4月21日。从表1可知,4月15日风力较强,达到了7.36 m/s,而4月21日风力较弱,仅为3.19 m/s(表1)。以往的研究也发现了类似变化:在弱风天气条件下,悬浮泥沙主要集中在河口区域,并随着涨、落潮流往复运动,而在强风天气条件下,风浪会增加水体的切应力和湍流强度,从而影响底部泥沙的再悬浮量和横向输运量,致使浅滩附近出现泥沙高值区[27]。

3.4 径流对SSC的影响

在河口区,径流不仅影响了咸淡水混合过程,改变了水动力条件,而且输送了大量的泥沙。为评估河流排放对悬浮泥沙变化的影响,选择2019年8月16日和8月31日的两幅SSC影像进行比较(图7)。两幅影像成像时间都为大潮落潮期,潮高相似,分别为0.90 m和0.65 m;当日平均风速均较小,分别为2.50 m/s和3.47 m/s;当日径流量和浊度相差较大,8月16日辽河监测站实测径流量和浊度分别为504.30 m3/s和101.74 NTU,8月31日实测径流量和浊度分别为871.58 m3/s和207.12 NTU,分别为前者的1.73倍和2.04倍。从图7可知,两日辽河口SSC具有相似的空间分布,SSC高值区均局限在近岸浅滩附近(5 m等深线以内),表明径流及其输沙对辽河口悬浮泥沙变化的影响并不显著。产生这一现象一方面可能是由于辽河口上游盘山闸大坝截留了入海泥沙,导致河口泥沙供应不足[28];另一方面,由于悬浮细颗粒物在沿途运输中也会部分沉降,导致河口泥沙含量进一步降低。
图7 不同径流条件下的SSC对比图

Fig.7 Comparison of SSC under different runoff conditions

3.5 辽河口SSC月变化及其影响因素

图8展示了辽河口SSC月平均分布:SSC在洪、枯季存在明显差异,枯季(3—5月及10—11月)的SSC明显高于洪季(6—9月);3月份辽河口浑浊带面积(SSC大于15 g/m3)最大,约占研究区面积的1/3,7月份浑浊带面积最小,仅分布在辽河口顶部;从3月到11月,浑浊带呈先减小后增大的变化趋势。
图8 辽河口SSC月变化

(竖线表示L1剖面。)

Fig.8 Variations of SSC in the Liaohe Estuary from March to November

(The vertical line represents the L1 profile.)

图9展示了辽河口月平均风速和SSC的变化,二者趋势大致相似,即风速较低的月份,SSC也较低,表明风速可能是SSC月变化的主要控制因素。对L1断面的SSC与海域日平均风速进行了相关性分析(图10),结果表明,风速与SSC均呈正相关,即随着风力增强,SSC也不断升高;离岸越近,相关系数越大,S1处的相关系数高达0.63。S1站点风速与SSC的时间变化(图11)显示,两者变化趋势高度吻合。
图9 L1剖面风速和SSC的月平均值

Fig.9 Monthly mean value of wind speed and SSC at L1 section

图10 L1断面风速与SSC的相关关系

Fig.10 Correlation between wind speed and SSC at L1 section

图11 S1站点风速与SSC时间变化图

Fig.11 Time variation of wind speed and SSC at S1 station

已有研究也表明风是影响辽河口SSC月变化的主要因素[29],风速增大导致波浪高度和周期增加,产生更强的搅拌和扰动作用,使SSC升高[30]。不同水深条件下,风、浪协同作用对悬浮泥沙的影响程度不同[31],在浅水区,波浪直接作用于海床,产生较强的底部剪切力,进而影响SSC;在深水区,波浪对底部的影响较弱,对SSC的影响较小。

3.6 浑浊带扩散的动力因素分析

选取2019年4月6日和4月12日的泥沙图像,结合对应时刻的表层潮流场和风场,对辽河口浑浊带的运动特征进行分析(图12)。两日图像成像时间均处于落潮,其中4月6日为落潮末期,流速较大,平均风速为3.56 m/s,风向为东北偏东;4月12日处于落潮初期,流速较小,平均风速为9.06 m/s,风向为西南向。4月6日,浑浊带主要分布在辽河口口门附近,随潮流向外海扩散,呈舌状分布(图12a);4月12日,浑浊带主要分布在辽河口的浅水区域,随着潮汐动力的减弱而收缩在河口顶部(图12b),并且表现出了明显的横向扩散趋势。可见SSC扩散与风况有关,当落潮流流向与风向相反时,最大浑浊带在风浪的影响下更容易横向扩散[32]。
图12 不同时期研究区域浑浊带与动力场的对比

Fig.12 Comparison of turbidity zone and dynamic field in different periods

4 结论

河口及其邻近海域的SSC受到多种动力因素的影响,呈现出动态变化的特征。本文通过HY-1C CZI泥沙产品数据和现场实测资料对辽河口SSC开展了研究,讨论潮汐、径流、风浪等因素对悬浮泥沙时空变化的影响。研究发现,不同动力因素在不同时间尺度上对SSC变化产生不同的驱动作用,具体结论如下。
1)在潮周期内,涨潮期,流速较大时,SSC较高;落潮期,落憩时刻的SSC较高。在8 m等深线内,落潮期的平均SSC较涨潮期大,大潮期的平均SSC比小潮期要大;而在8 m等深线外,涨、落潮和大、小潮时的SSC差异不明显。
2)风力的增强会导致底部泥沙再悬浮,风速与表层SSC呈现明显的相关性,且越靠近岸,两者相关程度越高,风对浑浊带移动、分布产生影响,风浪是悬浮泥沙月变化的主导因素。
3)辽河入海径流对河口SSC的影响相对较小,这可能是流域来沙量减少所致。
4)在辽河口海域,最大浑浊带随着涨、落潮周期性地移动,8 m等深线内侧是SSC的高值中心,当落潮流流向与风向相反时,浑浊带易横向扩散。

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