潮汐、风和波浪驱动下的废黄河口外海域悬沙输运过程

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苏北废黄河三角洲至江苏中部海域是理想的研究源汇问题和产物过程的区域。1855年黄河从南黄海北归渤海入海以后,废黄河三角洲在水动力作用下不断侵蚀冲刷,成为南黄海海域沉积、地貌演化的重要物源。但目前对废黄河口海域沉积物沿岸输运的时空特征(路径)、数量、动力学机制仍不够了解,特别是缺乏长周期的冬季观测、高悬沙浓度事件的剖析和研究。本文选取废黄河口至江苏新洋港岸外海域为典型研究区,在2014年12月~2015年1月和2016年12月~2017年1月分别在新洋港和废黄河口外海域投放海底三脚架,结合船载剖面和浮标观测系统,进行了为期一个月的冬季沉积动力学观测。通过实测数据分析、Delft3D垂向二维水动力-沉积物输运数值模拟的方法,定量化地分析潮汐、风(风驱环流)、波浪等各因素对该海域悬沙输运过程的影响及其动力机制,以期加深对废黄河口外海域沉积物迁移过程、特别是高悬沙浓度事件发生机理的认识,具体如下所述。(1)新洋港岸外海域潮汐不对称现象明显,涨潮历时比落潮历时短近1 h,涨潮流流速大于落潮流流速,涨落潮以沿岸分量为主、流向从西北到东南,落潮流与之相反。新洋港岸外海域垂向五层的余流均有沿岸向南输运的分量,越接近底部,沿岸输运的余流分量越大。(2)新洋港岸外海域近底部、底床之上0.2 m处悬沙浓度平均值约为1.5 kg/m3,高悬沙浓度事件期间超过4.0 kg/m3,水体中形成明显的悬沙浓度分层现象,高悬沙浓度事件滞后于大风事件1d。(3)本研究建立的模型可以较好地模拟出研究区的水位、流场变化过程。结果表明,废黄河口至新洋港沿岸海域涨落潮流的方向与岸线基本平行,潮流不对称性显著,沿岸水体有往南净输运的趋势。(4)新洋港岸外底质沉积物为极细砂,在风浪事件发生时并不能通过再悬浮作用显著地增加水体的悬沙浓度,高悬沙浓度事件的发生主要是源于废黄河口岸外海域的高强度南向平流输运造成的。实测数据和数值模拟的结果均表明,在强劲北风作用下,会产生往南的风生流和波浪,从而导致南向涨潮流显著加强,北向落潮流减弱;在废黄河口源区由于大风浪起动、悬浮的沉积物,仅需1d便可到达新洋港岸外海域。(5)数值实验表明,在只有废黄河口水下三角洲2 m厚度的粘性沉积物作为物源输入的条件下,废黄河口细颗粒沉积物会在潮流作用下源源不断地往南输运,在沿岸形成与岸线平行的泥质沉积带,并在新洋港以南的岸线前缘大量堆积,为新洋港以南的潮滩淤长提供大量细颗粒沉积物供应。(6)对数值模拟的悬沙输运通量进行分析,发现在废黄河口以南至新洋港岸外水深5~12 m的海域内,存在一股强劲的高悬沙浓度水体(泥沙流)向南输运,悬沙输运通量在10 m等深线附近达到最高值并往两侧海域逐渐减小,其值为 0.177~0.486 kg/s/m。
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