基于现场观测和数值模拟的淤泥质潮滩沉积动力过程研究

潮滩(Tidal flat)是细颗粒沉积物(fine-grained sediments)在潮间带(intertidal zone)堆积形成的宽广、平坦的滩地。潮滩在世界海岸线上(尤其是潮汐作用显著、细颗粒沉积物来源丰富、岸外海底坡度较小、波浪作用较弱的岸段)有广泛分布。潮滩是海岸系统中一种重要的地貌形态,与人类的生存和发展息息相关。潮滩的淤涨和向海推进为盐沼植被的发育以及人类的围垦提供了有利的空间。例如,近半个世纪长江口崇明岛的面积就因围垦滩涂而增加了 120%。潮滩还具有显著的消浪护岸功能。然而,在气候变化引起的全球海平面上升以及流域建坝等导致的入海泥沙通量锐减的影响下,潮滩(特别是三角洲潮滩)正面临淤涨减慢或甚至侵蚀的威胁,迫切需要增强潮滩冲淤机制的认识,为潮滩的保护或重建提供科学依据。潮滩沉积动力(sedimentdynamics)过程是潮滩冲淤机制的核心。鉴于潮间带自然环境的复杂性,现场观测是潮滩沉积动力过程研究的重要手段。已有的研究成果主要反映淹没潮周期内和大小潮周期的潮滩流速和悬沙浓度变化过程以及淹没潮周期内滩面相对高程的净变化。流速和悬沙浓度变化过程的认识是基于潮滩淹没期间的连续仪器记录,而淹没潮周期内滩面高程的净变化则是在潮滩淹没的间歇(露出阶段)的测量。鉴于潮滩是一种浅水-极浅水环境,波浪的作用不容忽视(特别是在开敞型潮滩上和强风-风暴条件下)。此外,不了解淹没期间滩面变化的过程就无法深入揭示滩面变化与水动力和泥沙过程之间的联系,也就难以真正解释潮滩冲淤的机制。因此,基于高分辨率波浪、潮流、悬沙和滩面变化系统观测和数值模拟是当前潮滩沉积动力学研究的前沿。本文的主要目标是:1)通过在不同风况和潮况条件下利用先进仪器在潮滩上开展波浪、潮流、悬沙浓度和滩面变化的连续、高分辨率的系统观测,探究波流联合作用下的泥沙输运和底床冲淤的变化过程和特征;2)结合底床沉积物力学特性的测定,计算滩面的临界侵蚀剪切应力,与波流联合剪切应力变化过程进行对比,了解淹没期间的侵蚀和淤积阶段;3)通过侵蚀通量和淤积通量的计算,模拟淹没期间的滩面变化过程,与实测的滩面变化进行对比,改进数值模型,深化冲淤机制认识。拟解决的关键科学问题是滩面冲淤与波流联合作用下沉积物输运之间的深层联系。拟解决的关键技术包括:获取现场连续、高分辨率波浪、潮流、沉积物、底床冲淤数据的先进仪器操作技能;合理的波流联合剪切切应力和底床冲淤临界剪切应力的计算模式和参数的选择;合理的侵蚀速率和沉降速率模型的确定。本文选择三种开敞程度不同的淤泥质潮滩作为研究区域。它们分别是:强开敞型的南汇嘴潮滩、中等开敞型的崇明岛东南岸潮滩、弱开敞型(强遮蔽型)的荷兰Kapellebank潮滩。南汇嘴潮滩岸外至少有100km的开敞海域;崇明岛东南岸潮滩岸外数公里有潮间带浅滩沙洲发育,更向海才是开敞海域;Kapellebank潮滩位于狭长的西斯凯尔特河口内的弯道顶部。本研究利用自制的海底观测架和先进仪器设备,包括波潮仪、声学多普勒流速剖面仪(ADCP,Acoustic Doppler Current Profiler),声学多普勒点流速仪(ADV,Acoustic Doppler Velocity meter),后向散射浊度计(OBS,OpticalBackscatter Sensor),配有后向散射浊度计的C3TM型荧光计和浊度杆(ASM,Argus Surface Meter)等。分别在三个潮滩上观测同步高分辨率水深、波浪、流速流向剖面、近底三维紊动流速、单点悬沙浓度或悬沙浓度剖面、滩面冲淤等第一手资料,累计观测1680小时。在观测过程中还采集了悬浮泥沙样品、表层沉积物样品、短柱状沉积物样品。在实验室进行了沉积物粒度、含水量和硅藻生物量测定,并对仪器参数进行标定。采用国际上流行的计算模型计算了波流联合底床剪切应力τcw(Grant-Madsen模型,vanRijn模型和Soulsby模型)、底床沉积物临界侵蚀切应力τe、侵蚀通量E、沉速ωs、沉降通量D和悬沙输运率Qs等参数。利用上述提及的大量测量和计算资料,分析了潮周期内、大小潮周期和风暴潮周期内水动力变化、悬沙浓度的时空分布、底床抗侵蚀能力分布的特征及其动力机制。建立了基于现场水文泥沙观测的冲淤模型。主要结果和结论如下:1.潮滩动力作用的变化南汇嘴潮滩观测期间的风速为1.7~19.1m/s,平均5.9m/s;潮差为1.4~5.0m,平均3.7m;近底流速为0.001~0.51m/s,平均0.17m/s;有效波高为0.01~3.92m,平均0.32m;τc为0.0005~3.58P3,平均0.56P3;τw为0~1.62P3,平均0.15P3;τcw为0.02~4.79 Pa,平均0.72 Pa。τcw在潮周期内主要受潮汐控制,浅水(水深<1m)受波浪控制,呈现出涨落急阶段大、涨憩阶段小的V型变化趋势。τcw平均值在大潮期间(0.65 Pa)大于小潮期间的平均值(0.35 Pa),在风暴期间显著增加,平均值达到2.13 Pa。崇明岛东南岸潮滩观测期间风速为0.4~10.8m/s,平均6.0 m/s;潮差为0.9-4.7 m,平均2.7 m;近底流速为0.004~0.51m/s,平均0.18 m/s;有效波高为0.07~0.46 m,平均 0.21m;τc为0.01~2.43P3,平均 0.52 Pa;τw 为 0.01-0.68 Pa,平均 0.22 Pa;τcw为0.04-2.47 Pa,平均0.66 Pa。强风事件期间(平均风速6.8 m/s)和正常天气(平均风速2.6 m/s)τcw平均值分别为1.07 Pa和0.35 Pa。Kapellebank潮滩观测期间风速为0~18.0m/s,平均5.6m/s;潮差为3.2~5.3 m,平均4.5 m;近底流速为0.001-0.47 m/s,平均0.20m/s;有效波高为0.005~0.43 m,平均 0.06 m;τc 为 0.0004~2.27 Pa,平均 0.14 Pa;τw 为 0~1.26 Pa,平均 0.08 Pa;τcw为0.002~2.55Pa,平均0.18Pa。风暴前、中、后期τcw平均值分别为1.32 Pa,2.10 Pa 和 0.57 Pa。2.潮滩沉积物的临界侵蚀切应力τe及其与τcw的对比南汇嘴潮滩中潮滩测点表层沉积物中值粒径为34 μm,表层2 mm和10 mm层沉积物含水量分别为72%和34%,τe分别为0.085 Pa和0.119 Pa。低潮滩表层沉积物中值粒径21 μm,表层沉积物含水量为73%,τe为0.084 Pa。总体上,90%的观测时段τcwe,反映侵蚀倾向。正常天气下,τcwe发生在高水位憩流期,占淹没时长的15%,而风暴期间τcwe发生几率为0;τcwe在大潮和小潮期间发生几率分别为19.3%和26.5%。崇明岛东南岸潮滩表层沉积物中值粒径为34 μm,含水量为32%,τe为0.29 Pa;风暴过后的新淤沉积物中值粒径为26μm,含水量为98%,τe为0.14Pa。总体上,88.3%的观测时段τcwe,反映侵蚀倾向。τcwe在小潮至转入大潮阶段的强风天气下发生几率为6.1%,在大潮正常天气下为23.1%。Kapellebank潮滩表层沉积物中值粒径为20.2~30.6μm,含水量为106-148%,τe为0.11-0.13 Pa。垂向上τe在表层11 cm内向下递增至0.75 Pa。不考虑生物作用时,总体上,21.6%的观测时段τcwe,反映淤积倾向。τcwe在大潮和小潮期间发生几率分别为53.9%和85.9%,风暴期间为86.9%。当滩面存在硅藻时,τe为0.44 Pa,是无生物作用下τe的4倍。3.潮滩上悬沙浓度的变化南汇嘴潮滩中潮滩悬沙浓度变化范围为0.4~8.4kg/m3,近底6、15、35和75 cm高度平均悬沙浓度为3.1 kg/m3、1.8 kg/m3、1.4 kg/m3和1.0 kg/m3。低潮滩悬沙浓度变化范围为0.02~19.9 kg/m3,近底10、35、50、100 cm高度平均悬沙浓度为4.4 kg/m3、2.4 kg/m3、2.2 kg/m3和1.7 kg/m3。近底悬沙浓度垂向分布在涨落急时段呈上小下大的对数分布趋势,近底水体悬沙浓度分布较均匀(1~2kg/m3)涨憩阶段呈L型分布,上下层差异明显。背景悬沙浓度在中潮滩和低潮滩分别为1.4 kg/m3和2.0 kg/m3,悬沙沉降时在近底形成数厘米厚的浮泥层,其厚度在中潮滩<6cm,在低潮滩为20-40cm,持续时间0.5~1h。风暴期间背景悬沙浓度为3.3kg/m3,涨憩阶段浮泥层厚度达到48cm,持续时间可大于6h。此外,在涨急或落急阶段出现30 cm厚度浮泥层。崇明岛东南岸潮滩近底悬沙浓度变化范围为0.005~3.64 kg/m3,平均0.91 kg/m3。悬沙浓度随时间变化规律为:强风(平均风速6.9 m/s)作用时段平均悬沙浓度为0.44 kg/m3;在此之后滩面历经恢复阶段(平均风速3.5 m/s),此时平均悬沙浓度1.53 kg/m3;第二次强风过程(风速5.4m/s)中,平均悬沙浓度为2.4 kg/m3。Kapellebank潮滩近底悬沙浓度变化范围为0.01~8.6kg/m3,平均0.53 kg/m3。正常天气和风暴期间平均悬沙浓度分别为0.48 kg/m3和0.58 kg/m3。4.潮滩冲淤变化正常天气下,南汇嘴潮滩在潮周期内总体呈现涨落急冲刷、涨憩淤积的趋势,潮周期内最大侵蚀深度为2~3 cm,大于潮周期净侵蚀深度(0.7 cm)。低潮滩在风暴前期最大冲淤幅度为2.2cm,滩面处于平衡状态;风暴期间由于存在层状侵蚀,ADV和埋板法测得结果不一致,但局部最大冲淤都达到8~9cm。ADV测点上,在风暴后期滩面有异常快速淤积,淤积厚度达9.5 cm,而在风暴过后有异常刷深5.6 cm,这种剧烈变化可能是层状侵蚀边缘出现引起的。崇明岛东南岸潮滩中潮滩在强风期间发生侵蚀,历经11个潮周期,最大侵蚀深度为10.6 cm;滩面恢复过程历经5个潮周期,最大淤积厚度为8.3 cm。总体上,光滩冲淤幅度大于草滩,埋板法结果表明,侵蚀阶段中潮滩侵蚀深度约为3 cm,低潮滩和草滩冲淤范围为±0.5 cm;淤积阶段,中潮滩淤积幅度最大(2.3 cm),其次是光草滩过渡带(1.5cm),再次是低潮滩(0.8cm),草滩淤积幅度最小(0.4 cm)。Kapellebank潮滩最大冲淤幅度在低潮滩、中低潮滩和中潮滩依次为11.8 cm、4.3cm和3.6cm,风暴期间仅在低潮滩发生明显冲刷过程。潮周期内,滩面冲刷过程只发生在水深小于1m阶段,其余时段滩面相对稳定,无明显冲淤。5.潮滩沉积动力过程的相互联系潮滩沉积动力过程受到潮汐、风况和沉积物特性的共同制约,存在涨落潮、大小潮和风事件的变化。底床的冲或淤不仅取决于τe和τcw的对比,也取决于背景悬沙浓度。潮滩上存在侵蚀时段和淤积时段的频繁交替。通常情况下,潮周期内的高流速阶段出现侵蚀,而憩流阶段出现淤积。但在风暴天气下,淤积时段明显缩短或甚至消失。在无风浪影响的情况下,潮滩沉积动力过程表现出明显的潮汐周期循环。但非周期性的风浪干扰往往会打乱潮滩沉积动力过程的周期性。本文的研究表明,波浪(尤其是强风条件下)在潮滩沉积动力过程中的作用是不能忽视的。即便是在强潮、高度遮蔽型潮滩,波浪的作用有时也很明显。当然,在开敞程度越高的潮滩,波浪的相对作用会越大。风暴潮周期内τcw增大引起滩面冲刷,风力增强对增强cw增大体现在以下两方面。其一,风力增大引起波高增大,增加近底波浪轨迹质点运动幅度,从而增大τw。其二,风生流进一步增大τc,一种形式是风生湍流向底部传播,虽然平均流速仍表现出大小潮变化规律,但潮流湍流项上叠加了风引起的湍流;另一种形式是风生流,在滩槽过渡带上易形成特殊水流结构,打破潮周期内原有的流速周期性变化。风暴潮后伴随滩面淤积过程,快速淤积通常满足以下条件:ⅰi)大潮期间水流挟沙力增大,带来更多沉积物;ⅱ)流速和悬沙浓度在潮周期内呈涨潮优势;ⅲ)水动力减弱τcwd在潮周期内比例增大;ⅳ)近底悬沙浓度增大,形成絮凝体加速下沉。6.冲瘀模型的建立和应用通过上述τcwed,悬沙浓度和底床冲淤之间关系的建立,结合经典Partheniades-Krone冲淤模型,本文建立了结合现场观测资料的冲淤模型,并通过现场观测和数值模型相结合的方法,进一步论证到强风对潮滩沉积动力过程的作用,定量研究冲淤模型中侵蚀参数分布和对强风事件的响应。强风事件过后新淤沉积物含水量是原先半固结沉积物的3倍,侵蚀常数M减小60%;垂向上,τe向下呈幂函数减小,M值数量级为10-3~10-4s/m,无明显变化趋势。这说明在冲淤模型和地貌模型中,侵蚀常数τe不应简单定义为常数,而M可取常数。冲淤模型还探讨了 τd在模型中的合理性,试图解决对τd的争议。本文研究表明,应当区分沉降过程和沉降结果,即沉降过程始终发生,但下沉泥沙能否沉降到滩面上引起滩面实质性淤积,取决于近底动力条件τcw是否能小于一临界值,即τd。因此,冲淤模型中需引入τd,取值范围为0.5~1τe。本研究有助于淤泥质潮滩沉积动力过程的研究从宏观到微观,从定性到定量、从单一科学指标向多学科指标融合的深化,从而加深对淤泥质潮滩物理特性和过程的认识,并为淤泥质潮滩冲淤演变数值模型的建立和完善提供重要参考数据。此外,本文的部分工作还为相邻学科(如涉及泥沙运动的海岸工程学,涉及底栖动物影响滩面稳定性的生态学和涉及颗粒输移的海岸环境科学等)的深入研究提供借鉴。本文的创新点有:(1)突破了潮滩波浪、潮流、悬沙浓度、底床冲淤高分辨率集成观测的技术难点,引入了波流联合作用剪切应力、底床侵蚀临界剪切应力、侵蚀通量和沉降通量等概念,基于沉积动力过程模拟的冲淤值与实测冲淤值高度吻合,从而推动了潮滩沉积动力过程研究方法的创新;(2)发现波浪即使是在弱开敞型的强潮潮滩上也可能扮演重要角色,风暴期间的平均τcw可超过正常天气τcw的数倍,且没有τcwe的时段,从而深化了波浪在淤泥质潮滩沉积动力过程中的作用的认识。今后工作的展望:本文通过分析不同风况下淤泥质潮滩动力沉积要素的变化,强调近底边界层波流联合综合观测在沉积动力过程研究中的重要性,因为i)潮滩这样的浅水环境容易满足波高水深比大于0.25这一条件,此时近底流速就包含波浪轨迹运动;ⅱ)高浊度潮滩近底50 cm以内通常发育有浮泥层,正常天气下发育厚度只有数厘米至十几厘米,因此在此高度上需放置浊度传感器;ⅲ)大部分悬沙输运发生于近底水层内,70%悬沙输运在近底50 cm水层内进行。其次,本文对冲淤模型和地貌模型底边界定义具有的指导意义有:ⅰ)因模型稳定性限制,通常会设置临界模拟水深(一般为数厘米到数十厘米)。而本文研究结果表明开敞潮滩在极浅水(水深0.3~1m)阶段仍然有明显的冲淤,半遮蔽潮滩的低潮滩在此阶段发生剧烈侵蚀,因此模型需要考虑更优化的干-湿处理,降低临界模拟水深;ⅱ)侵蚀参数τe和M的的数值和垂向分布应当考虑在底床层化模型中,对风暴潮模拟尤为重要;ⅲ)生物作用的季节性分布也应考虑在底床模型中,本文只考虑了硅藻固滩作用,底栖动物的干扰作用定量化研究有待深入。

沉积动力; 潮间带; 淤泥质潮滩; 现场观测; 冲淤模型; 波流联合作用; 风; 近底边界层; 长江口; 杭州湾; 西斯凯尔特河口;

杨世伦; 王正兵; Bram C.van Prooijen;

P736.21

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