長江河口泥沙混合和交換過程研究.pdf

1、本文通過全面分析進入二十一世紀初期(2003-2007年)長江口及其臨近海域大面積同步觀測的懸沙粒度、表層沉積物粒度、流速、含沙量和鹽度系列資料,探討了在河口混合環(huán)境下泥沙的交換過程和規(guī)律,從河口-陸架系統(tǒng)的角度研究懸浮泥沙在河口和陸架的輸移和歸宿問題。得到的認識不僅是河口泥沙研究從定性研究向定量研究的進展,而且粒度譜計算方法還為泥沙交換研究提出了適用于其他潮汐環(huán)境的沉積動力分析的新思路。從懸沙粒度的角度分析泥沙在河口-陸架的混合和交換

2、過程,豐富了河口泥沙運動和沉積動力學的理論和方法,對其他河口的相關研究具有借鑒意義。對長江河口懸沙粒度的組成、時空分布特征,特別是對流域來水來沙改變包括流域大型水利工程的響應做了分析。系統(tǒng)探討了高濁度河口混合環(huán)境下泥沙的交換過程和規(guī)律。研究表明長江口懸浮泥沙與表層沉積物高交換區(qū)(交換率＞0.6)主要分布在南槽口外的泥質區(qū)和杭州灣附近海域,懸浮泥沙大量參與造床,其中長江口外泥質區(qū)的交換率高達0.9以上;低交換區(qū)(交換率＜0.1)分布在長興

3、島以上的河口上段和陸架殘留砂區(qū),懸浮泥沙基本不參與造床。而渾濁帶區(qū)域的交換率在0.4-0.6之間,說明河流輸入的懸沙在渾濁帶區(qū)域直接沉積的比例并不是最高,其高沉積區(qū)的泥沙部分來自泥質區(qū)內隨漲潮流再次輸入河口的泥沙。粒度譜計算的結果表明,大約有47％的懸浮泥沙沉積在攔門沙海域及水下三角洲前緣,超過50%的懸浮泥沙擺脫河口的“束縛”進入杭州灣以及向南輸運,這與其他方法得到的結果相近。本文提供了一種研究泥沙輸運和沉積量的新的計算方法。率先對長

4、江河口懸沙粒度的組成、時空分布特征,特別是對流域來水來沙改變包括流域大型水利工程的響應做了分析。認識包括:河口-陸架的懸沙整體呈現“細-粗-細”的變化規(guī)律。攔門沙海域最粗,江陰-南支上段其次,陸架區(qū)最細,認為河口攔門沙區(qū)懸沙中值粒徑的增加主要受到灘槽泥沙交換和床面泥沙再懸浮的影響。長江口懸浮泥沙類型主要為粘土質粉砂,粉砂、粘土和砂組分的平均含量分別約為65%、30%和5%。長江河口區(qū)小潮懸沙中值粒徑平均比大潮減小24%,主要由于小潮期間

5、粗顆粒物質(粗粉砂和砂)部分產生沉降并不易被起動的緣故。2007年長江河口懸沙中值粒徑比2003年減小11%,含沙量比2003年減小22%。其中,河口上段的含沙量2007年比2003年減小66.5%,懸沙中值粒徑的減少不明顯;而在攔門沙區(qū)域,懸沙中值粒徑減小比例達到20%左右,含沙量減少僅10%左右。在長江流域來沙量減小的背景下,長江河口的響應具體表現為,河口上段含沙量急劇減少,但在河口攔門沙區(qū)域仍能維持著較高的含沙量,主要緣于河口系統(tǒng)

6、內部,特別是渾濁帶水域的供沙能力尚未受到影響,近底再懸浮和灘槽泥沙交換的貢獻仍占主導,但懸沙中值粒徑呈明顯減少的趨勢?？傊?河口上段含沙量對流域減沙的響應最為敏感,而攔門沙區(qū)的中值粒徑對減沙的響應最敏感。長江河口懸沙和表層沉積物的混合和沉積特性。長江河口懸浮泥沙和表層沉積物的平均粒徑(Md)與1n{m_v/m_c}值表現出良好的線性關系,懸沙在河口區(qū)表現出線性混合的特征,粘性組分(m_v)和非粘性組分(m_c)在河口均勻混合,并主要以絮

7、團的形式在河口輸運和沉降。表層沉積物卻呈現不同的特征,細顆粒泥沙的粘性組分m_v和非粘性組分m_c顯示出簡單的線性混合特征,而粗顆粒泥沙的粘性組分m_v和非粘性組分m_c之間存在分選沉降。河口上段、北港的攔門沙海域和殘留沙區(qū),表層沉積物主要以單顆粒形式運動或存在。長江口南北槽和杭州灣區(qū)域的表層沉積物主要以絮團的形式沉降。絮團沉積的高值區(qū)在杭州灣和南槽口外泥質區(qū),杭州灣和舟山群島外的長條形泥質帶顯示了長江口懸沙向南輸運的核心路線。長江口懸

8、沙向外輸運的路線和沉積中心。由于受柯氏力和沿岸流系的影響,從長江口輸出的大部分懸浮泥沙先沉積在長江口南槽口外的泥質區(qū),其泥沙交換速率可高達2-3cm/yr以上。隨后在潮流的作用下向長江口內、杭州灣和沿海岸向南輸運,泥質區(qū)充當了長江入海泥沙向南輸送的“中轉站”。上述結論得到遙感圖像、口外流場和泥沙場的分析的支持。根據本文泥沙交換速率研究的結果,在10年～100年尺度上,長江口南槽口外的泥質區(qū)存在著一個顯著的沉積中心,它大致位于121.5°

9、E-123°E和31°N之間的區(qū)域,對細顆粒泥沙沉積動力特征的分析得到了長江口懸沙向外輸運的路線和沉積中心。本文結合同步采集的水沙鹽資料從懸沙粒度的角度探討了懸浮泥沙在河口環(huán)境下的混合特征。分析表明,懸沙粒徑梯度呈現“小-大-小”的變化趨勢,與流速梯度、含沙量梯度和鹽度梯度的變化趨勢一致,高剪切流速和含沙量的垂向分層是引起攔門沙區(qū)粒度分層的主要原因。在河口鹽淡水混合的攔門沙區(qū),流速梯度、含沙量梯度和鹽度梯度最大。水流的剪切作用引起泥沙再

10、懸浮,使得攔門沙區(qū)粉砂組分增加,對近底含沙量和粒徑的貢獻最大。泥沙的存在具有強烈的制紊作用。剪切強度較大時,促進再懸浮的發(fā)生,有利于維持河口較高的懸沙濃度;剪切流速較小時,懸沙沉降量大于再懸浮的量,引起的水沙分層將抑制紊流的發(fā)生。流速梯度增加促進含沙量梯度增加,使紊動作用與懸浮作用之間達到平衡,Richardson數接近臨界值0.25,水流趨于層化。本文不僅對長江口及其臨近海域近期懸沙粒度分布特征和混合過程進行了深入分析,而且還探討了長