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.     

典型潮汐水道悬沙浓度的潮控机理模拟分析

根据南京大学海岸与海岛开发教育部重点实验室2012年在南黄海辐射沙脊群西洋水道所获的全潮水文观测数据,分析了流速、悬沙浓度以及近底部切应力的时间变化序列.应用均衡态条件建立了悬沙浓度特征值模型,探讨了各个相关参数变化对悬沙浓度均衡态的影响.结果表明:(1)本研究区潮周期内的大部分时间近底部切应力大于沉积物临界起动切应力,再悬浮作用活跃;(2)给定初始悬沙浓度、沉降速率等参数,经过若干潮周期后悬沙浓度会达到均衡态,此时大小潮周期内侵蚀通量和沉降通量的总量相等,此后各个潮周期内悬沙浓度时间序列随潮相发生变化,但在相同潮相的情况下悬沙浓度显现出相同的时空分布;(3)若改变悬沙沉降速率大小而固定其余参数不变,则沉降速率越大,达到均衡态时的悬沙浓度特征值越低;(4)若改变再悬浮系数大小而固定其余参数不变,则再悬浮系数越大,达到均衡态时悬沙浓度特征值越高.因此,潮汐环境中的悬沙浓度特征值不仅受控于潮流的强弱,同时也受控于表层沉积物本身的性质(粒度和粘性,它们决定了沉降速率与再悬浮系数的大小).     

长江口及其邻近海域洪季悬沙分布特征分析

基于近几年大量的实测资料,对长江口及其邻近海域洪季期间悬沙浓度的时空分布特征进行了分析.结果表明,悬沙浓度空间上以杭州湾测点最高,其次是长江口内、长江口外,舟山海域最低;悬沙平面分布总体态势为近岸高而外海低;长江口纵向上自口内经口门向口外悬沙浓度大致呈“低-高-低”分布,沿杭州湾测点则由西向东逐渐降低;横向比较长江口外海滨四个测点发现其悬沙浓度自北向南顺次升高;悬沙浓度一般由表及底逐渐增大,但在不同水域其主要呈现的垂线结构类型则有所不同.时间上由于潮流的大小潮和潮周期变化,悬沙浓度还存在大小潮和涨落潮周期变化.另外,对长江口及其邻近海域悬沙浓度时空分布特征的原因进行了初步分析.     

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.     

台风对长江口表层悬沙浓度的影响

悬沙浓度是衡量水质的重要指标,其变化对底床冲淤、生物初级生产力及土地资源保护有重要影响.以长江河口海岸区域为例,利用六个典型测站的表层悬沙浓度数据(包括徐六泾、青龙港、高桥、横沙、佘山和芦潮港),以及长时间尺度的连续风速风向、波高、波周期等资料,分析2010—2014年间台风事件对长江口表层悬沙浓度的影响特征.结果表明,在六次台风袭扰下,平均有效波高是台风前2.2倍,平均风速是台风前1.7倍.平均表层悬沙浓度短期可达到0.69 kg/m~3,是台风前(0.32 kg/m~3)的2倍,个别台风(圆规;)影响后悬沙浓度可增大4倍.另外,台风对于长江口不同河段的影响程度不同.河口下段的佘山站与芦潮港站短时间内受到台风影响最为显著,悬沙浓度分别增加167.1%、143.7%;而河口中段敏感性不高,受风速影响相对较小.据长时间尺度数据统计,悬沙浓度在风级1-4级内增长幅度较为平缓,5级以上风级越大相应的悬沙浓度变化幅度越明显.高能量的台风引起的风速和波高变化是促使表层悬沙浓度急剧变化的主要因素,在台风期间因台风影响导致的悬沙浓度变化远大于因潮汐和径流量作用的悬沙浓度变化.该研究有利于台风天气下的海岸带防护,并对多学科交叉研究有重要的意义.     

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.     

长江口南支分流分沙比观测与分析

2007年2月在长江口南支进行沉积动力学参数的全潮观测,以获取枯季期间南北槽、南北港的分流分沙特征．结果表明,多数站位涨潮流速大于落潮流速,涨潮历时小于落潮历时,涨潮悬沙浓度大于落潮悬沙浓度,这种涨落潮不对称效应主要与径流作用和潮波变形有关．悬沙浓度与流速也有一定的相关关系,表明再悬浮作用较为显著．从净泄水量看,北港大于南港,南槽大于北槽,形成由陆向海输运的格局．输沙量则为由海向陆,尤以南槽和南港为最大,加之河流上游亦有来沙,最终在南支拦门沙附近海域形成较为显著的淤积状态．     

ADCP在琼州海峡悬沙观测中的应用

根据琼州海峡西口一测站4个季节的声学多普勒流速剖面仪(简称ADCP)回波强度数据以及现场采集的水样反演了悬沙浓度(SSC).结果显示,春季悬沙浓度为0.017～0.05 kg/m3,平均0.025 kg/m3,夏季悬沙浓度为0.012～0.026 kg/m3,平均0.017 kg/m3,秋季悬沙浓度为0.012～0.074 kg/m3,平均0.028 kg/m3,冬季悬沙浓度为0.012～0.1 kg/m3,平均0.028 kg/m3,悬沙的沉积和再悬浮跟潮流密切相关,各季节流速的不同导致夏季悬沙浓度明显的小于其他季节,大小潮流速的差别导致大潮期间的悬沙浓度大于小潮期间的悬沙浓度.观测点海水和悬沙由表到底都是全年向西输送,春季净输沙量为-7.5×104 kg,夏季净输沙量为-1.3×104 kg,秋季净输沙量为-3.03×105 kg,冬季净输沙量为-1.05×105 kg.     

新洋港入海港道冲淤保港需水量研究

为解决入海港道修建挡潮闸后对涵闸排涝效率以及入海港道通航能力产生较大影响的闸下淤积问题,基于MIKE11模型中的CST模块对盐城市入海港道——新洋港冲淤保港需水量进行研究。MIKE11模型中的CST模块由水动力学模型与泥沙输移模型耦合而成,根据闸下60 m、970 m、3 030 m三处断面的实测水位、流量和河床淤积高度资料,进行水动力学模型和泥沙输移模型参数率定,最终在设定闸下淤积高度不超过0.1 m的条件下,由MIKE11 CST模型确定出的新洋港冲淤保港生态流量为80 m~3/s,接近于2006年12月新洋港引江冲淤实验中得出的不冲不淤情况下的保港流量85 m~3/s。     

滨江潮汐型水体水下光场时空分布模拟

建立内江水下光场分布预测模型,选择洪季、枯季两个典型全日潮,研究内江水下光场分布特征.结果表明:洪季内江水下光照条件明显优于枯季,枯季悬沙浓度较低,光强垂向衰减速度略慢于洪季;洪、枯两季水下0.3 m处光强分别比表面光强削减了89.1%和83.5%. 受水量交换及水动力条件影响,洪季内江东部水域光照强度比西部水域平均增加59.2%;枯季内江南北两岸滩地水下光强平均约为主流区的2.63倍. 洪季潮汐作用对内江水下光场分布影响较小;枯季潮差大于洪季,落潮期间,悬沙的落淤,水下光照强度平均较涨潮过程增加47.2%.     

长江河口悬沙颗粒特征变化趋势及成因

以长江口潮区界(大通站)至口外海滨为研究区域,通过对1950~2013年60余年实测水沙数据的分析,研究了长江河口悬沙颗粒变化特征、趋势及成因.主要结论为:(1)1950~2013年期间,潮区界d63μm悬沙百分含量增加,输运量减小,d63μm悬沙输运量和百分比均减小,且该组分悬沙主要沉积在潮区界至潮流界区间;(2)潮区界至潮流界区间沿程上悬沙粒径伴随d63μm悬沙输运量减小而减小,2006~2013年该区间悬沙粒径较1960~1985年期间为细化趋势;(3)2013年7月潮流界至徐六泾河段的悬沙中值粒径(d_(50))较2004年8月明显减小,同时2002~2010年逐年8月徐六泾断面悬沙中值粒径与大通站同步性减小趋势,表明流域悬沙粒径变化已影响至长江口;(4)1998~1999年、2003年、2007年和2010~2011年期间南支、拦门沙、口外海滨及北支河段的悬沙中值粒径为减小趋势,百分含量上黏土增加,粉砂和砂略有减小;(5)南港—南槽为粗颗粒悬沙输运通道,2005年8月、2007年8月和2010年8月南港、北港、南槽和北槽悬沙中值粒径均为减小趋势,百分含量上黏土先增加后减小,粉砂先减小后增加,整体上仍以d63μm泥沙占优势.在成因上,长江流域进入河口d63μm悬沙输运量的锐减为潮区界至口外海滨区域悬沙细化的主要因素.     

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.     

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.     

长江口启海港枯季悬沙浓度的特征分析

分析2012年枯季启海港海域的实测水文泥沙数据,得到如下结论：该港区海域的悬沙浓度与流速成正相关关系;悬沙浓度的峰值一般出现涨、落急后。港区海域悬沙浓度在垂向上分布为：斜线型、准直线型和混合型,近岸水域的泥沙在中上层运动紊乱,离岸水域的泥沙紊乱则集中在下层。盐度对泥沙的再悬浮作用起一定作用,在流速较大时,底部悬沙浓度变化幅度很小,最大含沙量出现在中层。     

江苏入海河道河口治导线研究

为了指导江苏河口滩涂资源合理开发,加强江苏入海河口管理,维持江苏入海河流挡潮闸闸下港道排水能力,采用遥感卫片以及GIS(地理信息系统)分析、水动力数值模拟、泥沙水力特性试验等方法分析了闸下港道变化情势、河口滩涂对闸下港道淤积影响、归槽落潮滩涂保护范围和港道整治工程范围,并在分析结果的基础上,确定了河口治导线划定原则.应用结果表明,河口治导线划定原则可用于沿海滩涂开发利用建设项目,并可指导江苏沿海可持续开发利用和保护.     

波浪作用下悬沙垂向扩散特性的实验研究

采集长江口潮滩的天然沙,利用华东师范大学河口海岸学国家重点实验室的波、流水槽,进行了波浪作用下悬沙垂向扩散特性的实验研究.根据实验数据,分别获得规则波和随机波作用下悬沙浓度垂线分布,并确定了在不同波浪作用条件下的悬沙垂向扩散系数以及其它垂向分布.     

黄浦江河口水沙输运机制研究

受潮汐影响的弯道泥沙输运表现出与径流弯道不一样的现象.本文运用通量分解机制法,以黄浦江河口大潮期间实测水文资料为基础,对黄浦江河口受潮汐影响的弯曲河道水沙输运进行机制分析.结果表明,黄浦江河口水沙输运受弯道环流影响可分为纵向输运和横向输运.纵向水体潮周期净输运因径流作用指向口外,泥沙潮周期净输运因潮泵输运大于平流输运指向口内.潮周期横向水体净输运和泥沙净输运均指向凸岸,其中横向水体输运以欧拉输运为主,横向泥沙属于以平流项为主.通过比较水量输运的纵横比和泥沙输运的纵横比可得黄浦江河口大潮期间水量潮周期横向净输运大于纵向,泥沙是纵向大于横向.说明潮泵输运在黄浦江河口大潮期间起主导作用.     

河口形状对最大浑浊带形成的影响

利用改进的ECOM模式和耦合进的悬沙输运模式,通过设计一个平直和喇叭形理想河口,研究河口形状对最大浑浊带的影响.在滞流点处存在着最大浑浊带, 中心位于南岸, 从动力机制上揭示了最大浑浊带形成的原因.与平直河口相比,喇叭形河口因口门内河口变宽,使得表层向海的流辐散而流速减小,从而造成喇叭形河口段盐水入侵加剧,进而造成底层向陆的密度流及其向西流动的距离增加,盐水在平直河道内向西入侵的距离增加.喇叭形河口悬沙浓度减少,但存在着两个最大浑浊带.一个在平直河道段,因滞流点上移,而相应向上游移动,另一个在喇叭形河口段南岸,主要是由挾带悬沙的径流受科氏力的作用向南岸偏转以及底层横向环流向南岸输送高浓度悬沙造成的.河口形状对河口环流、盐水入侵和最大浑浊带的影响明显.     

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。