强潮流河口环境泥沙沉降特征数值模拟研究——以浙江沿海椒江口为例

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椒江是浙江省第三大河流,向东注入台州湾。椒江口是山溪性的强潮流河口,是海陆相互作用强烈的地带,系滨海沉积地貌,主要由粉砂、泥质粉砂等粘性细颗粒泥沙组成,其两岸是淤泥质的潮滩。由于粘性细颗粒泥沙较易发生絮凝沉降作用,易引起潮滩毁坏、港口淤塞、水质恶化,甚至是生态环境等问题,同时潮流流速对泥沙的絮凝沉降具有较大的影响。因此开展河口环境泥沙沉降特征的数值模拟研究具有重要的意义。一方面可以得出影响泥沙絮凝沉降速度升降变化点的潮流流速临界值,另一方面可以通过求解出的沉降速度来分析河口环境泥沙的淤积特征,进一步分析影响椒江南北两岸泥沙淤积快慢的主要自然因素,为建设港口、开挖航道、修建防波堤、围海造陆等实际工程提供建设性的意见。  基于上述地质及资料情况,本文以沉积学为理论依据,在资料论证的基础上优选Rouse公式拟合法为计算方法,以椒江口2012和2013年的实测水文泥沙数据为基础资料,综合应用Mapinfo、Matlab、CorelDRAW软件及Excel进行数据分析和制作图件,研究椒江口的絮凝沉降速度和其变化规律。得出影响絮凝沉降速度升降变化点的潮流流速临界值,并通过沉降速度的分布特征分析了影响椒江河口环境泥沙沉积的各种因素及其沉积动力学机制,主要得到如下认识:  1.通过分析椒江河口的地貌、地质特征及水动力特征,得出椒江河口的潮流受河口喇叭型地貌形态的控制。涨潮流受上下游河势的影响,主流始终偏向北岸,而落潮流则受上游强制性弯道河势所逼,主流线偏向南侧。而椒江河床的发育及入海河口的基本格局深受地质构造的影响,其次是全新世海侵以及人类活动的影响。  2.以椒江泥沙粒径、组成成分等特征为基础,分析了椒江河口的粘性细颗粒悬沙的来源。椒江口的悬沙主要由伊利石、蒙脱石、绿泥石和高岭石等矿物组成,大部分来自于上游河床的冲刷、岸边地层的侵蚀及长江入海的泥沙,而据地层资料可推测这些泥沙来源于岸边的第四纪地层以及更内陆的中生代地层的侵蚀。  3.首次将Rouse公式拟合法应用在椒江口-台州湾海域,计算得出了椒江河口S1、S2、S3、S4站位处的悬沙沉降速度及全水域的平均悬沙沉降速度。椒江口外海域的悬沙沉降速度范围在0.551-5.37mm/s,全水域的平均悬沙沉速为2.63mm/s,大潮平均悬沙沉速为2.65mm/s,小潮平均悬沙沉速为2.60mm/s。平均悬沙沉速由大到小的空间分布规律为S1、S2、S3、S4站位,即河口主槽区(S1、S2)的悬沙沉降速度最大,其次是河口浅滩区(S3),最后是口外近海区(S4)。本文计算出的椒江口平均悬沙沉降速率范围在不同学者计算的河口海岸环境悬沙沉降速度范围之内(0.01-10mm/s),并且有更为精确的取值范围。因此,本文计算出的椒江口沉速对研究椒江口悬沙的学者具有一定的参考价值。  4.通过分析悬沙浓度、流速及沉速这三者之间的关系,解释了平均悬沙沉降速度在涨/落憩之后1-2h不断增大,其后沉速逐渐减小的现象,并得出影响椒江口悬沙絮凝沉降速度升降变化点的临界流速是0.416m/s。涨/落憩时刻流速接近于零,而水体中仍存在大量的悬沙,在向落/涨潮转化的1-2h中,最初流速增加,在流速达到0.416m/s之前,悬沙浓度大于平衡挟沙力,泥沙沉降加快引起悬沙沉降速度的增加。而后,随着阻力、流速的不断加大,对沉速有一定的阻滞作用,沉速因此而不断减小。  5.根据4个测站的沉降速度作出椒江口-台州湾整个水域的沉速场分布图,确定了沉降速度的空间分布情况。沉降速度在4个测站处由大到小分别为河口主槽区(S1、S2)、浅滩区(S3)、近海区(S4)。而整个水域的沉速等值线呈现带状分布,靠近湾口较大,远离湾口较小,且由岸向海逐渐降低。以口门外18km的白沙为界,白沙以内的湾口水域,沉降速度较高,而白沙以东的口外水域沉降速度骤降,越往台州湾水域方向沉降速度越小。因此白沙以内的浅滩水域将是主要的泥沙淤积区,尤其是椒江南北两岸。且潮流流速是影响椒江南北两岸泥沙淤积快慢的主要自然因素。
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