长江口悬沙输运观测中ADCP的应用

在近些年的声学流速测量仪器当中,ADCP（声学多普勒流速剖面仪）是应用非常广泛的仪器之一。该仪器在获得悬沙浓度数值方面,其工作方式主要构建现场取得水样与回声强度的回归关系式,并利用该关系式来计算悬沙浓度数值。通过ADCP（声学多普勒流速剖面仪）在长江口悬沙输运观测中实际应用,结果显示,在长江南槽与南港的全部悬沙输送的过程中,平均流输运作用发挥着非常重要乃至主导的作用,同时,影响潮平均悬沙输运的各种因素中,斯托克斯漂移效应（Storks-drift）导致的输运作用是非常关键的。在本文中,笔者主要探讨了ADCP（声学多普勒流速剖面仪）在长江口悬沙输运观测中实际应用情况。     

新洋港河口悬沙特征与再悬浮过程

中小型入海河口由于数量众多、分布广泛,其沉积动力学特征对于河口区的地貌环境演化等具有重要意义.新洋港河口是江苏淤泥质平原海岸上的典型中小型建闸河口,本文通过在新洋港河口进行的高精度三船同步现场观测,研究了河口的悬沙特征及沉积物对再悬浮作用的响应状况.结果表明,潮周期内悬沙浓度变化显著,涨潮及开闸放水期间悬沙浓度较大,最大平均悬沙浓度达1.45g·L-1;而在其它时间段内悬沙浓度较小,从口门至闸门悬沙浓度有逐渐增大趋势.潮周期内典型时刻悬沙垂向分布符合"L型"分布特点,表、底层悬沙浓度差异显著.在有径流下泻期间,悬沙浓度垂向变化较为均匀,水体混合作用显著.悬沙平均粒径介于5~10μm;悬沙组分以粉砂为主,平均含量在70%以上.闸下及入海口区域再悬浮作用显著,最大再悬浮通量为10-4~10-3 kg·m-2·s-1,从口门至河闸呈递减趋势;同时,悬沙出现粗化现象,砂组分含量增加.     

动水条件下泥沙絮凝体粒径变化分析实验研究

絮凝体广泛存在于自然界水体中,而在河口海岸动水环境下的黏性细颗粒泥沙的絮凝变化过程是一个重要且有待完善的研究课题。利用长江口北槽现场悬沙样本开展了系统的室内絮凝实验。采用粒径分布与有效粒径两种分析方法,研究了在水流紊动、盐度和悬沙浓度等不同絮凝因子条件作用下对长江口北槽泥沙絮凝体粒径变化的影响。实验结果表明:紊动剪切率对絮凝体粒径作用为先促进后减小,临界值出现在23. 09 s~(-1),此时最大有效粒径为50. 26μm;而悬沙浓度会抑制絮凝体生长;同时长江口北槽悬沙的絮凝饱和盐度要大于高岭土,约为14. 4 ppt。     

位山引黄灌区农田土壤磁化率与粒度特征及其相关性分析

以位山引黄灌区为研究区,测定了农田土壤剖面的磁化率和粒度,并分析了二者的相关关系.结果显示:位山引黄灌区农田土壤低频磁化率(xlf)的变化范围为35.37-97.20×10~(-8)m~3/kg,均值为62.16×10~(-8) m~3/kg;频率磁化率(xfd)的变化范围为0.65%-22.14%,平均值为7.23%.土壤中粘粒(4μm)含量变化范围为3.20%-27.16%,平均值为9.07%;粉砂(4-63μm)含量变化范围为35.82%-90.23%,平均值为68.94%;砂粒(63μm)含量变化范围为1.95%-58.52%,平均值为21.99%;中值粒径的变化范围为9.56-72.86μm,平均值为34.94μm.相关性分析结果表明:剖面0-20cm土壤xlf与粉砂(4-63μm)含量呈显著负相关,与砂粒(63μm)含量及中值粒径呈显著正相关,与粘粒(4μm)含量相关性较弱,土壤xfd与各粒度组分含量及中值粒径的相关性均不显著.剖面20-80cm土壤xlf与粉砂(4-63μm)含量呈显著负相关,与砂粒(63μm)含量呈显著正相关,与中值粒径的相关性较显著,与粘粒(4μm)含量相关性不显著;土壤xfd与粘粒(4μm)及粉砂(4-63μm)含量相关性较显著,与砂粒(63μm)含量及中值粒径的相关性均不显著.研究认为:土壤磁化率在0-20cm耕作层主要受到土壤母质以及灌溉、施肥等人类活动的影响,而在20-80cm主要受土壤母质差异的影响.     

悬浮絮凝体特征及其影响因子的综合作用——以长江口内河槽和口门最大浑浊带为例

絮凝对河口细颗粒悬沙运动起着极其重要的作用.为深入探讨长江口悬浮絮凝体的特征及其主要影响因子的综合作用,于2014年10月19—23日(长江口径流量、潮差、风浪均接近多年平均值)利用多种仪器在人类活动干扰较小的南支-北港-口外海滨水域进行了综合现场观测和取样,获得了四个潮流特征时刻(涨急、涨憩、落急、落憩)的悬浮絮凝体粒径、分散粒径(即分散悬沙的原始粒径)、悬沙浓度、体积浓度、流速流向、盐度等数据.利用灰色关联度分析方法分析五大影响因子(悬沙浓度、体积浓度、流速、盐度和分散粒径)对絮凝体粒径和有效密度影响程度.结果表明,在相同体积水体中,口门最大浑浊带测点的絮凝体相对口内河槽测点数量多、粒径小,絮凝体内粘土颗粒少、空隙大、自由水多.在口内河槽,絮凝体粒径主要受悬沙浓度、分散粒径和体积浓度控制,有效密度主要受到分散粒径、悬沙浓度和流速控制;在口门最大浑浊带,絮凝体粒径的主控因子是流速,有效密度主要受到盐度、悬沙浓度控制.     

潮滩减少对杭州湾悬沙特征的影响

1974至2020年间,杭州湾沿岸潮滩累计减少面积将达1 290 km2,占杭州湾水域面积的25.8%.基于FVCOM水动力数值模型,耦合水沙密度,引入悬浮泥沙对底边界层的影响,并考虑细颗粒泥沙絮凝过程,建立河口三维细颗粒泥沙数值模型,提高了高悬沙浓度河口悬沙数值模拟的准确性.实测及卫星反演数据验证结果显示,该模型能较好地模拟杭州湾水沙运动.基于所建模型,采用不同时期的杭州湾潮滩数据,研究潮滩面积减小对悬沙浓度、悬沙通量及冲淤分布的影响机理.结果显示:潮滩减少过程中湾内流速及底床切应力发生变化,进而影响湾内悬沙浓度.杭州湾潮滩减少导致乍浦以西水域流速降低,月均悬沙浓度最大减幅高达30%.乍浦以东水域流速增大,月均悬沙浓度升高约15%.潮滩减少主要通过影响潮泵效应,进而改变湾内悬沙输运特征,平流输沙项在潮滩减少过程中对杭州湾悬沙特征的影响较小.1974至2003年间,杭州湾潮滩面积减少约787 km2,澉浦断面潮泵效应增强,陆向悬沙净通量增大,金山、芦潮港断面陆向悬沙净通量减小,杭州湾淤积量减少.2003至2020年间潮滩面积减少约503 km2,金山、芦潮港断面潮泵效应增强,陆向悬沙净通量增加,而澉浦断面由于潮泵效应减弱导致悬沙净通量减小.杭州湾内湾淤积量不断增大,外湾冲刷量逐渐增大.研究结果可为河口海岸规划和环境管理提供科学依据.     

靶距对淹没射流冲刷沙床影响的数值模拟

射流冲刷水下淤积物以及破碎板结土在疏浚工程中有着广泛的应用,对其进行研究很有必要。以中值粒径d50=1.8mm的沙床为研究对象,采用泥沙冲刷模型进行二维垂向淹没射流冲刷沙床的数值模拟研究,探究射流靶距h对淹没射流冲刷沙床的影响。数值模拟结果与实验结果吻合较好。结果表明:在冲刷前期,冲刷坑深度εm随h的增大而减小;在冲刷后期,εm随h的增大呈现先增大后减小的趋势。     

三峡建坝后长江宜昌—汉口河段水沙与河床的应变

通过三峡建坝前后1950—2013年的水文、泥沙与2003年和2011年的实测河床底形资料对比,试图讨论长江中游宜昌—汉口河段水沙及河床地形等应变量对三峡建坝的响应,为人们理解河流水沙及河床冲淤对超大型水库应变的幅度提供具体案例.三峡建坝后,宜昌站和汉口站年均流量由建坝前的13 850 m3/s和22 650 m3/s(1950—2002)减少到建坝后的12 450m3/s和21 000 m3/s(2003—2013),分别减少10.1%和7.2%;年均输沙量由5.56亿t和4.02亿t(1950—2002)锐减至0.6亿t和1.5亿t(2003—2013),分别减少89.5%和62.2%;年均悬沙中值粒径则由35μm(1950—2002)和25μm(1955—1975)减少至4μm和15μm(2003—2010).同时,水流挟沙不饱和能力的增加,引起了河床的沿程冲刷及泥沙粗化,宜枝河段、荆江河段和城汉河段深泓处分别平均冲刷了3.7 m、1.5 m和0.4 m,在主槽刷深的同时,河道浅滩有不同程度的萎缩.三峡建坝已导致中游水沙及冲淤条件发生了巨大改变.     

长江口枯季水动力悬沙特征与再悬浮研究

2004年2月13~22日枯季大小潮期间在长江口北港、口门及口外进行了水动力、悬沙浓度和盐度的全潮观测,并对数据进行分析,同时对研究区域的再悬浮/沉降通量进行计算,进而讨论长江口枯季水动力和再悬浮特征.结果表明,长江口外以潮流作用为主,但流速、悬沙浓度和盐度的分布和变化仍与径流作用有关,观测期间再悬浮现象不显著.北港内及口门处,径流作用较强,盐度较低,落潮流速大于涨潮流速,当流速较大时,底部再悬浮作用显著.计算结果表明,再悬浮通量的数量级为10-3~10-6kg m-2s-1,沉降通量为10-9~10-10kg m-2s-1.     

长江河口表层沉积物输移特征分析

基于聚类分析和Gao-Colliins粒径趋势分析模型对长江口948个表层沉积物样品的特征及输移进行研究,结果表明:长江口表层沉积物的变化可划分为3类:第一类沉积物以粉砂为主,主要分布在长江口外东南方向10~40 m等深线以浅区。第二类沉积物主要以粉砂质砂、砂质粉砂为主,主要分布在长江口苏北沿岸以东海域20~40 m等深线之间。第三类沉积物以细砂、中细砂为主,分布区域主要在苏北沿岸地区。长江口外沉积物整体的输移趋势大致可分为沿岸向南和朝口外偏东北两个方向。长江北支出口附近沉积物有向河口内输移的趋势,北支口外20~40 m等深线之间有来自苏北沿岸、外海陆架的来沙在此汇聚后转向东北方向输移。南、北港口外受径流、沿岸流的影响大部分沿岸向南输移,另一部分向外海陆架输移,并在10 m等深线处部分泥沙输移趋势逆时针偏向东北,在研究区域东北角存在有陆架向河口的输移趋势。     

厦门湾悬沙分布特征与动力分析

利用2011年1月厦门湾3个观测站声学多普勒流速剖面仪(ADCP)回波强度数据与现场水样采集反演出了悬沙浓度,并估算了单宽输沙量.经统计分析表明,厦门湾冬季1月份整体悬沙浓度较小,西海域悬沙浓度大于东海域,近水面悬沙浓度小,由表层到底层逐渐递增;而在时序分布上,悬沙浓度变化与潮流密切相关,呈现出往复运移的趋势,并且大潮期间的悬沙浓度大于小潮期间的悬沙浓度.此外,厦门湾内单宽输沙量一般在半潮面时最大,而在湾外,单宽输沙量在接近平潮或停潮时达到最大,冬季净输沙量整体较小.     

钱塘江河口区不同河段表层沉积物粒度特征及其对水动力的响应

钱塘江河口区为典型的喇叭形强潮型河口,受径流、潮流和长江沿岸流及其挟带泥沙的影响,沉积动力环境较复杂.本文通过对钱塘江枯水大潮潮区界(芦茨)以下(近口段、河口段和口外海滨段)表层沉积物的系统采样,分析了其沉积物类型和粒度组成在河口区不同河段和南、北岸的空间分布特征,并探讨了沉积动力环境.结果显示:钱塘江河口区表层沉积物以粉砂、粘土质粉砂为主;从上游至下游,三段沉积物粒度呈细-粗-细的空间变化特征,偏度相应表现为近对称-正偏、极正偏-正偏的特点,频率曲线峰型则具有多峰-高窄峰-矮窄峰的分布规律.其中,河口段受径流和潮流共同作用,在强潮环境下,表层沉积物粒度最粗,分选性最好.河口段和口外海滨段的南、北岸表层沉积物粒度也存在明显差异,反映北岸水动力相对南岸更强.Pejrup三角图分析表明,研究区水动力条件总体较强,其中河口段的水动力最强,不同河段沉积物粒度特征对水动力强度有很好的响应.     

长江口北槽下游河道悬沙浓度垂向分布特征研究

根据2013年10月26日至11月9日在长江口北槽下游河道从小潮到大潮连续14 d的现场定点水沙观测数据,对北槽下游河道悬沙浓度的垂向分布特征进行了研究,并探讨了盐度梯度和流速大小潮变化对悬沙浓度分布的影响.结果表明,北槽下游河道的水动力条件存在显著的大小潮差异,小潮具有流速弱、悬沙浓度低、盐度梯度大、盐度分层显著的特点,而大潮则具有流速强、悬沙浓度高、盐淡水混合程度高、盐度分层弱的动力特点.受较大盐度梯度和弱流速的影响,小潮期间的悬沙浓度分布主要为阶梯型和L型,强盐度密度分层使悬沙难以扩散到水体表层,高浓度悬沙仅出现在水体中下部.在强流速和弱盐度分层的影响下,大潮期间的悬沙浓度分布主要为线性分布,悬沙能够扩散到水体表层,盐度密度分层对悬沙浓度分布的影响显著削弱,在落潮后期悬沙浓度分布表现为典型的垂线型分布,悬沙在水体中充分混合.研究表明,小潮和大潮的悬沙浓度分布基本偏离Rouse分布,仅在小潮落憩时刻符合.在大潮期间,实测的线性分布都很好地符合Soulsby公式,利用该公式能够很准确地预测这些浓度分布.     

高含沙岛礁海区促淤工程动力地貌响应——以舟山海域岱山北部岛礁为例

舟山群岛区岱山北部海区是典型岛礁海岸,水深多在10～20m,最深超过40m,实测最大流速超过2m/s,含沙量年平均约0.6kg/m~3、最大超过2kg/m~3,泥沙运动受波浪和潮流共同作用.该海区近期海床冲淤变化主要由围垦活动引起.为认识该海区促淤工程的动力地貌响应特征,针对该海区岛礁众多岸线曲折、水深大水下地形复杂、潮流强、悬沙含量高且受波浪影响大以及海床演变特点,建立了二维波流泥沙数学模型,2007年和2012年夏季大小潮验证表明,计算潮位、流速、流向、悬沙含量与实测过程吻合良好,计算的泥沙冲淤量和分布趋势与实测值接近.结果表明,促淤工程实施后,海床冲淤变化主要在岱山岛附近,对大范围滩槽稳定影响不大;促淤堤东西侧均淤积且以西侧淤积为主,拟促淤范围内平均淤厚约5.2m;堤头形成扇形冲刷,岱山西南侧和西侧冲刷较大.促淤工程引起的水动力变化导致较大的泥沙冲淤.研究结果可为岛礁海岸开发利用等提供借鉴.     

潮汐与陆架环流作用下的悬沙输运:江苏新洋港海岸冬季观测结果

细颗粒沉积物在海洋动力的作用下往往会以悬移质形式进行长距离的运动,并在海岸和内陆架产生侵蚀和堆积.废黄河三角洲至江苏中部潮滩系统是研究源—汇过程和产物问题的理想区域.遭受强烈侵蚀的废黄河三角洲作为物源,在沿岸陆架环流和潮流的作用下再悬浮起来的泥质沉积物沿岸输运并最终归宿于江苏中部潮滩.本研究于2013年冬季大潮期间在侵蚀—淤积的过渡带的新洋港岸外开展的全潮水文泥沙观测结果表明,近岸6km内区域的具有高悬沙浓度和强南向沿岸输沙的特征,而距海岸12km站位的悬沙浓度大致为内侧站位的1/3,而悬沙输运单宽净通量比内侧站位小一个数量级.计算估计出冬季大潮沿江苏海岸南下的悬沙通量大致为每天46万吨,这一数值可以和江苏海岸侵蚀岸段的侵蚀量相比较.     

潮滩微地貌的声学观测与分析

于2013年6月8日至6月9日在江苏如东潮滩进行海底地貌与沉积动力学观测.采用"差值法"从声呐数据中提取底形信息,并分析底形演化与水动力、悬沙浓度的关系.底形数据结果表明,潮周期内底床形态变化明显;分析同步的沉积动力学观测数据发现,底床形态的起伏程度与流速呈正相关关系.随着流速增加,近底部水体悬沙浓度增加,底床形态起伏程度增加;流速减小,近底部水体悬沙浓度回落,底床形态的起伏程度降低.分别分析东西向与南北向底床起伏程度与流速的关系表明,流向对沙纹的起伏程度具有重要影响,垂直沙纹走向的水流会增大底床形态的起伏程度,平行沙纹走向的水流会减小底床形态起伏程度.     

强潮海湾水动力环境对人类干预的响应——以泉州湾为例

泉州湾平均潮差大于4.2m,最大潮差超过6m,是典型强潮海湾.泉州湾向东面向台湾海峡开敞,年平均波高0.9m,最大波高2~4m,泥沙运动受波浪和潮流共同作用.针对泉州湾海域波浪、潮流、泥沙以及海床演变特点,建立了二维波流泥沙数学模型,2016年大小潮验证表明,计算潮位、流速、流向、悬沙含量与实测过程吻合良好,计算泥沙冲淤量和分布趋势与实测值接近.在此基础上,研究了不同强度人类干预对泉州湾水动力环境的影响.结果表明,1978年以来的边滩围填使泉州湾入口、石湖秀涂断面、洛阳江进出潮量分别减少约4%、8%和14%;人工岛引起的冲淤主要在工程周边,对泉州湾滩槽稳定格局影响较小.纳潮量是维持海湾滩槽稳定的重要指标之一,海湾开发过程中要尽可能不影响海湾以及入湾河口泄洪纳潮.研究结果可为类似强潮海湾滩槽保护、开发利用等提供借鉴.     

植被因素对无定河流域沙尘暴的影响及其侵蚀产沙意义

运用基于遥感方法提取的植被指标NDVI资料、水土保持面积的统计资料、从气象站获取的沙尘暴频率资料以及从水文站获取的悬沙粒度资料,研究了植被因素对无定河流域沙尘暴频率和悬移质泥沙粒径的影响.全流域年平均NDVI的变化在总体上表现出增大的趋势,流域内毛乌素风沙区NDVI的增大更为显著.历年累积的造林和种草面积也表现出显著的增大趋势.植被覆盖状况的改善,特别是作为本区沙尘暴主要物源区的毛乌素沙地植被覆盖状况的改善,导致了沙尘暴发生频率的减小.沙尘暴的减少使得进入河道的风成沙数量减少,进入河道的风成沙数量减少导致了悬沙粒度变细.建立了无定河悬沙中值粒径与沙尘暴频率Dss、全流域汛期(6—9月)面平均雨量P6-9、全流域平均NDVI和全流域林草面积Afg等4个影响变量之间的多元回归方程,并对各个影响变量变化对悬沙粒变化的贡献率进行了估算.按照贡献率的大小,各个影响变量的顺序如下:(1)林草面积;(2)沙尘暴频率;(3)NDVI;(4)汛期降雨量.     

青岛市汇泉湾海水浴场表层沉积物粒度特征及输运趋势

粒径趋势分析以其省力、准确地预测沉积物的输运趋势等优点,在多种海洋环境研究中得到应用,但对研究区域冲淤变化的预测却无能为力.为了弥补这一缺陷,采集并分析了青岛市汇泉湾海水浴场149个表层样品的粒度参数特征,结合沉积物水动力观测资料,对海水浴场沉积物的粒径分布特征及输运趋势进行了研究.结果表明,汇泉湾海水浴场沉积物的分布特征与湾内的水动力条件关系密切,湾内由西向东的沿岸流驱动颗粒较细的泥沙顺海岸线向东运动,而较粗颗粒留在了原地,进而产生了由西北向东南,沉积物类型由细砾、粗沙、中沙、细沙依次分布的特征,且表层沉积物类型分布与平均粒径分布呈现出很好的对应关系.汇泉湾海水浴场由高潮线到沙坝的沉积物输运方向为南东向,沙坝向海一翼的沉积物输运方向为北西向;地形测量数据显示侵蚀区域主要分布在3月份沙坝脊线附近,研究期间总侵蚀量为656.17 m3,而3月份槽线附近为主要的堆积区,研究期间总淤积量为12415.96 m3.潮流观测和地形测量数据很好地验证了粒径分布趋势的分析结果,并弥补了粒径分布趋势分析在预测沉积物输运方面的不足.     

长江输入河口段床沙粒径的变化及机制研究

依据长期系统观测资料,研究了长江进入河口段床沙粒径的变化、原因及其未来发展趋势．研究揭示出大通断面1月份床沙粒径d<0．100 mm的百分含量较7月份多,而0．100 mm≤d< 2．00mm之间的含量较7月份少．床沙与悬沙之间交换是导致这一季节变化的主要原因．1976年以来,长江进入河口段的床沙粒径(d50)显示出显著的粗化趋势,与同期长江入海悬沙量下降密切相关．入海悬沙量下降增大本河段侵蚀能力、减少淤积量和促进粗细床沙交换．1976年以来最大床沙粒径没有出现相同的变化趋势,且变化幅度显著变小,这一现象与葛州坝有密切关系．未来人类活动对河流系统的影响将使长江输入河口段的床沙继续向粗化的方向发展．