連云港近岸海域沉積物再懸浮及懸沙動(dòng)力研究.pdf

1、沉積物再懸浮是一個(gè)比較普遍的物理現(xiàn)象,“波浪掀沙、潮流輸沙”是淤泥質(zhì)近岸海域泥沙運(yùn)動(dòng)的主要機(jī)制。沉積物再懸浮直接關(guān)系到生態(tài)環(huán)境變化、地貌演變、物質(zhì)循環(huán)、人類的生存空間和社會(huì)的可持續(xù)發(fā)展。揭示再懸浮作用的過(guò)程和機(jī)制是沉積動(dòng)力學(xué)研究領(lǐng)域的一個(gè)重點(diǎn)和難點(diǎn)問(wèn)題,許多問(wèn)題尚待深入研究。本文以沉積物再懸浮交替發(fā)生、形態(tài)變化較明顯的連云港淤泥質(zhì)近岸海域?yàn)檠芯繉?duì)象,運(yùn)用小波分析、懸沙通量機(jī)制分解、懸沙顆粒級(jí)配分析與數(shù)值模擬等方法,依據(jù)連云港近岸海域夏冬

2、兩季4次大中潮不同天氣狀況下多站同步實(shí)測(cè)水文泥沙數(shù)據(jù)進(jìn)行了沉積物再懸浮及懸沙動(dòng)力方面的綜合分析,研究了淤泥質(zhì)近岸海域泥沙再懸浮及其動(dòng)力機(jī)制。主要內(nèi)容和結(jié)果如下:
　　 1.連云港近岸海域懸沙濃度時(shí)空變化規(guī)律明顯。在時(shí)間域中,懸沙多以濃度峰的形式出現(xiàn),并往往集中在某一深度內(nèi),懸沙由海底向上擴(kuò)散的程度也不同。夏季近岸懸沙濃度峰一般在距底2m內(nèi),遠(yuǎn)岸懸沙濃度峰相對(duì)較高,具有明顯的層化現(xiàn)象;冬季懸沙濃度峰較高,有時(shí)出現(xiàn)上下層均勻的現(xiàn)象。

3、在空間上,近岸懸沙濃度較遠(yuǎn)岸大,隨著離岸距離的增大,懸沙濃度有逐漸降低的趨勢(shì)。在垂向上,懸沙濃度通常隨深度增加而增大,大致符合準(zhǔn)直線型、斜線型、拋物線型和混合型四種基本變化類型,但變化的幅度不同季節(jié)和潮周期有所不同。根據(jù)懸沙濃度變化特征,以近底懸沙濃度變化作為沉積物是否發(fā)生再懸浮的判定指標(biāo),結(jié)合水文變化,對(duì)泥沙再懸浮現(xiàn)象進(jìn)行了研究,分析了泥沙的再懸浮與沉降變化過(guò)程、動(dòng)力機(jī)制、周期及其影響因素。利用小波分析揭示了懸沙濃度周期性變化主要受控

4、于流速的更迭。
　　 2.運(yùn)用通量機(jī)制分解將懸沙通量分解成多個(gè)動(dòng)力項(xiàng),分析了不同季節(jié)、不同天氣狀況下潮周期內(nèi)懸沙通量及其機(jī)制分解量變化,定量研究了懸沙運(yùn)動(dòng)的內(nèi)在動(dòng)力機(jī)制,探討了本地再懸浮和異地再懸浮。結(jié)果表明,連云港近岸海域懸沙通量中主要?jiǎng)恿Ψ猪?xiàng)是平流作用和潮泵效應(yīng)。平流作用在整個(gè)潮周期內(nèi)顯著,其方向同漲潮流方向基本一致。潮泵效應(yīng)在近岸顯著,是懸沙濃度周期性變化的主要因素,主要向岸方向輸沙,表明懸沙濃度周期性分量以濃度峰的形式在

5、底部向岸輸移。
　　 3.沉積物周期性再懸浮和沉降使部分泥沙顆粒進(jìn)入或脫離懸浮狀態(tài)必然導(dǎo)致懸沙級(jí)配的變化,懸沙級(jí)配的時(shí)空變化蘊(yùn)含著再懸浮和沉降的重要信息。根據(jù)實(shí)測(cè)懸沙粒度特征,利用懸沙級(jí)配反演了再懸浮和沉降過(guò)程,分析了懸沙級(jí)配特征及其動(dòng)力響應(yīng),定量計(jì)算了底層中粗粒級(jí)再懸浮量。結(jié)果表明,連云港近岸海域懸沙級(jí)配變化在潮周期內(nèi)表現(xiàn)為細(xì)顆粒主峰的波動(dòng)變化和粗顆粒小峰的出現(xiàn)和消失。統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)不同站位大部分細(xì)顆粒主峰峰值位于7phi,隨時(shí)間的

6、變化,級(jí)配曲線偏向粗方向或者偏向細(xì)方向,粗顆粒小峰峰值通常發(fā)生在4phi以下。懸沙級(jí)配曲線的變化是水動(dòng)力作用下泥沙再懸浮和沉降的結(jié)果,粗峰為底層沉積物再懸浮的具體表現(xiàn),據(jù)此估算出粗顆粒在底層再懸浮量。
　　 4.提出一個(gè)波流共同作用下底切應(yīng)力的簡(jiǎn)化表達(dá)式,并利用底切應(yīng)力法分別計(jì)算了潮致再懸浮通量、浪致再懸浮通量和波流共同作用下的再懸浮通量。結(jié)果表明,波流共同作用下的再懸浮通量變化范圍大于潮致再懸浮通量和浪致再懸浮通量變化范圍,但

7、不是兩者的簡(jiǎn)單疊加。
　　 5.波浪與懸沙濃度的關(guān)系表明,懸沙濃度的變化趨勢(shì)和波高變化趨勢(shì)基本一致,兩者有一定的時(shí)間滯后,懸沙濃度的周期性變化受潮流周期變化影響顯著,波浪作用使懸沙濃度的周期性變化與潮流周期性變化之間的規(guī)律變差。
　　 6.通過(guò)三維懸沙數(shù)值計(jì)算,探討了不同動(dòng)力因素與懸沙濃度變化之間的相互關(guān)系,研究了波浪掀沙、潮流輸沙這一過(guò)程中的泥沙再懸浮及其機(jī)制,分析了波浪作用對(duì)沉積物再懸浮的影響。結(jié)果表明,連云港近岸海