论文部分内容阅读
悬沙是河口(特别是高浊度河口)水体的重要物质组成之一。悬沙的空间分布、时间变化和输运对河口和相邻海域的生态环境和工程具有重要意义。尽管国内外对河口悬沙做过大量研究,但是鉴于径流、潮流、波浪、沿岸流和人类活动多因子和多尺度的复杂影响以及不同河口的自然背景差异,河口(尤其是口门水域)悬沙时空变化规律和输运机制的研究还有待深入。本文以长江口崇明岛向海侧近岸水域9个不同测点(从潮间带至20m水深)上18个测次(非风暴天气条件下)的实测资料为基础,探讨悬沙浓度和粒径的垂向剖面特征和变化规律；揭示悬沙浓度和粒径变化的周期性(潮周期、大小潮和季节性)和趋势性(悬沙浓度对流域来沙减少的响应)；通过计算和对比水动力剪切应力及底床沉积物临界侵蚀剪切应力,初步探讨水体和底床泥沙交换的的动力机制；通过单宽输水、输沙量分析,了解泥沙的水平净输运方向和通量。主要的结果和结论有：(1)悬沙浓度的垂向变化。402条单一(即瞬时测量)悬沙浓度剖面形态类型多种多样,可分为“L”型、阶梯型、斜上凹型、斜上凸类型、“S”类型、反“S”类型、斜线型、垂向准直线型、“弓”型等9种基本类型,它们只占总剖面数55%,另45%的剖面是过渡类型。但是,402条单一剖面的平均剖面呈现显著非线性向下(自表层向底层)增大的趋势(越向下增长率越大)(R2=0.99)。基于平均悬沙浓度剖面的近底层悬沙浓度和表层悬沙浓度的比率(R近底床/1H)为2.8,与欧洲学者提出的该比值的假定值3相近)。传统的Rouse公式不能很好地拟合本研究区的平均悬沙浓度剖面,但本文在Rouse公式基础上改进的一个新公式与实测剖面之间的相关系数R2达到0.99。(2)悬沙粒径的垂向变化。尽管41条单一悬沙粒径剖面变化复杂,但其平均剖面呈显著线性向下变粗趋势(R2=0.99),平均剖面上底层悬沙粒径(7.2μm)是表层悬沙粒径的1.6倍。这表明,悬沙浓度的向下增大趋势中包含粒径向下增大的贡献。(3)悬沙浓度变化的周期性和趋势性。潮周期内悬沙浓度变化明显,不同测点和测次的潮周期内变化特点存在一定差异,落急时段出现悬沙浓度极大值,而涨憩时段会出现悬沙浓度极小值,反映潮周期内不同阶段潮动力、径流-潮流相互作用和垂向混合差异的复杂影响。大潮悬沙浓度通常大于小潮悬沙浓度,不同测点和测次的大、小潮悬沙浓度值为0.05～3.10g/l,平均0.36g/l；主要原因是大潮流速明显大于小潮。枯季悬沙浓度一般大于洪季,测点H枯/洪季悬沙浓度比值为1.62,主要原因是洪季径流的稀释作用大于枯季(径流的悬沙浓度明显低于口门研究区悬沙浓度)以及枯季风浪引起的泥沙再悬浮作用大于洪季。目前研究区的悬沙浓度与三十年前相比下降了约25%,反映研究区对流域人类活动引起的长江入海悬沙通量下降有敏感响应。(4)泥沙沉降-再悬浮的动力机制。潮流剪切应力(τc)与流-浪联合剪切应力(τcw)之比值均大于0.82,说明在非风暴天气条件下研究区的水动力以流为主。τcw既有大于(底床沉积物的临界侵蚀剪切应力τcr的时间段(约48%),也有小于τcr的时间段(52%),说明研究区底床和水体之间存在频繁的泥沙交换过程。但是,τcw与悬沙浓度之间的统计相关性不显著,说明潮周期内悬沙浓度的时间变化可能主要受平流作用而不是受局地剪切应力引起的泥沙沉降-再悬浮影响。波浪在研究区内沉积动力的贡献率随着测点水深的减小而增大。(5)悬沙的输运。从表层至底层减小的流速剖面和向下增大的悬沙浓度剖面导致作为两者乘积的悬沙输运率剖面具有不确定的垂向变化趋势：最大悬沙输运率可出现在表层、底层或中层,以中层较为普遍。各测点和测次的潮周期余流速变化于0.07和0.28m/s之间。近口门测点的水沙净输运方向主要为东向(即向海),反映径流的控制作用。在口门以外40～50km的测点水沙净输运方向受风向的影响较大,有时表现为南向或北向,反映风生流的影响。