南黄海辐射沙脊群海域水动力与悬沙输运过程

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南黄海近岸海域地貌和水动力条件复杂多变,由北向南包括海州湾、废黄河口和辐射沙脊群三个地貌单元,其中辐射沙脊群海域以弶港为中心,流场、沙脊-潮汐水道系统均呈辐射状向外海呈扇面展开,在其内侧沿岸分布着广阔的潮滩-潮沟体系。为了定量、全面了解该海域的水动力与悬沙输运状况,本文在野外现场调查资料的基础上,建立了南黄海近岸海域的二维流-浪-悬沙耦合数值模型,重点对2006年夏、冬辐射沙脊群海域的流场、悬沙场、波浪场进行了模拟,采用同时间内在锚系站实测水动力(水位、流速和流向)、悬沙浓度、波浪数据进行验证,证实了模型的可靠性。此外,数值模拟的悬沙浓度时空分布与大面站实测的悬沙浓度、遥感方法反演的悬沙浓度也基本一致。在此基础上,本文进一步对悬沙的季节分布及其影响因素、悬沙输运进行了综合分析。  水动力模块综合考虑了潮汐、风、径流因素。由于近海海域波浪作用显著,根据实测风场,基于风生浪及浅水波浪传播模型,进行波浪模拟,并耦合到水动力模块中。结果表明:(1)风对流场具有重要影响,而温盐度的影响相对较小,因此水动力模拟中不考虑温盐的影响作用。由于冬季风明显强于夏季风,冬季风对水动力的影响相对较大,尤其是波高受风速的影响较为显著。(2) M2分潮在南黄海辐射沙脊群海域的潮汐作用中占绝对优势,并决定了潮汐分布的整体状况。M2分潮的无潮点位于废黄河口外海域(121.686°E,34.6°N),与前人的研究结果基本一致。M2分潮振幅也是南黄海辐射沙脊群海域潮差的主要组成部分,两者的空间分布态势基本相似,比如潮差的最小值中心与M2分潮的无潮点对应,而潮差最大值(可达5m以上)与M2分潮振幅最大值(达2m以上)均分布于辐射沙洲的岸域中心区。影响次子M2分潮的的其他分潮主要包括S2、K1、O1、M4。(3)区域流场的分布显示出流场在弶港附近海域辐聚/辐散的特征。潮周期内的流场具有明显的区域差异,在射阳河口至弶港以北地区以往复流为主,而弶港以南地区旋转流的特征较为显著。波浪模拟显示远海有效波高大于近岸,且近岸地区受地形等因素的影响,有较大的空间差异。(5)深水区(尤其是辐射沙洲外缘海域)的欧拉余流对拉格朗日余流有显著影响,并决定着拉格朗日余流场的整体分布格局;而斯托克斯漂流则在近岸和浅滩地区有重要影响,是近岸沙洲的形成和潮滩淤长的重要动力条件。夏季拉格朗日余流显著大于冬季,而斯托克斯漂流则基本不存在季节差异。冬季风浪对余流的影响较大,可改变局部余流的空间分布;而夏季正常天气下的风浪仅能造成余流数值上的微小变化。  研究区主要由粘性沉积物覆盖,是典型的高悬沙浓度海域,沉积物输运以悬移质输运方式为主。因此,本文重点考虑粘性沉积物输运过程,在上述水动力模型的基础上进行悬沙输运的耦合。获得主要结论如下:(1)通过去除单个因素的方法验证了潮汐、风、波浪和径流对区域悬沙浓度的影响。结果表明,潮汐作用是影响悬沙浓度时空分布最为关键的动力因素;风的影响次之,在极端天气条件下影响较大。在日常天气下,风生浪对悬沙浓度的影响较为有限,而径流的影响仅局限于河口附近。悬沙浓度的潮周期变化和流速变化有一定的相关性,但滞后于流速的变化,表明该海域有较显著的再悬浮效应。(2)2006~2007年的四个季节分别对南黄海近岸海域69个站位进行了大面观测,结果表明,南黄海悬沙浓度存在从岸向海递减的规律,并且常年存在多个悬沙浓度的高值中心,包括废黄河口-射阳河口附近、长江口附近,尤其在辐射沙脊群中心区悬沙浓度常年保持较高水平。冬季悬沙浓度最高,夏季最低,春秋季节受风向易变特征的影响,导致区域悬沙浓度空间分布的复杂性。数值模拟的结果验证了悬沙浓度的季节变化与上述水动力因素、初始条件以及温度的变化相关。温度变化将造成悬沙沉降与沉积速度变化,进而影响底床剪切应力和悬沙输运。(3)根据模拟结果计算了悬沙输运通量,结果表明,悬沙输运的分布与拉格朗日余流密切相关,呈现相似的分布趋势。冬季悬沙输运大于夏季,近岸悬沙输运方向与斯托克斯漂流相似,有利于沙洲的形成与潮滩的淤长。(4)在月的时间尺度内,悬沙输运造成的冲淤变化特征与悬沙输运特征对应,与前人海图地形对比以及粒径趋势分析计算的结果大致相同。模型结果还显示,区域冲淤变化与底床剪切应力分布密切相关。冬季的冲淤幅度较大,最大冲刷厚度可达3m,最大淤积厚度达1.5m,而夏季最大冲刷和淤积厚度仅分别为1m和0.2m。从整个辐射沙脊群海域来看,基本处于冲刷状态,且冲刷量值与水深相关,在辐射沙脊群外缘深海地区,水深越大,冲刷越不明显。辐射沙脊群内冲刷和淤积相间分布,深槽为强度冲刷地区,而浅滩与近岸则为淤积地区。此外,辐射沙脊群海域向南的沉积物净输运为长江口提供了物源,该过程可能起到缓和由于长江输沙量减少造成的长江水下三角洲潜在侵蚀的作用。
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