連云港近岸海域沉積物再懸浮及懸沙動力研究.pdf

1、沉積物再懸浮是一個比較普遍的物理現(xiàn)象,“波浪掀沙、潮流輸沙”是淤泥質(zhì)近岸海域泥沙運動的主要機制。沉積物再懸浮直接關系到生態(tài)環(huán)境變化、地貌演變、物質(zhì)循環(huán)、人類的生存空間和社會的可持續(xù)發(fā)展。揭示再懸浮作用的過程和機制是沉積動力學研究領域的一個重點和難點問題,許多問題尚待深入研究。本文以沉積物再懸浮交替發(fā)生、形態(tài)變化較明顯的連云港淤泥質(zhì)近岸海域為研究對象,運用小波分析、懸沙通量機制分解、懸沙顆粒級配分析與數(shù)值模擬等方法,依據(jù)連云港近岸海域夏冬

2、兩季4次大中潮不同天氣狀況下多站同步實測水文泥沙數(shù)據(jù)進行了沉積物再懸浮及懸沙動力方面的綜合分析,研究了淤泥質(zhì)近岸海域泥沙再懸浮及其動力機制。主要內(nèi)容和結果如下:
　　 1.連云港近岸海域懸沙濃度時空變化規(guī)律明顯。在時間域中,懸沙多以濃度峰的形式出現(xiàn),并往往集中在某一深度內(nèi),懸沙由海底向上擴散的程度也不同。夏季近岸懸沙濃度峰一般在距底2m內(nèi),遠岸懸沙濃度峰相對較高,具有明顯的層化現(xiàn)象;冬季懸沙濃度峰較高,有時出現(xiàn)上下層均勻的現(xiàn)象。

3、在空間上,近岸懸沙濃度較遠岸大,隨著離岸距離的增大,懸沙濃度有逐漸降低的趨勢。在垂向上,懸沙濃度通常隨深度增加而增大,大致符合準直線型、斜線型、拋物線型和混合型四種基本變化類型,但變化的幅度不同季節(jié)和潮周期有所不同。根據(jù)懸沙濃度變化特征,以近底懸沙濃度變化作為沉積物是否發(fā)生再懸浮的判定指標,結合水文變化,對泥沙再懸浮現(xiàn)象進行了研究,分析了泥沙的再懸浮與沉降變化過程、動力機制、周期及其影響因素。利用小波分析揭示了懸沙濃度周期性變化主要受控

4、于流速的更迭。
　　 2.運用通量機制分解將懸沙通量分解成多個動力項,分析了不同季節(jié)、不同天氣狀況下潮周期內(nèi)懸沙通量及其機制分解量變化,定量研究了懸沙運動的內(nèi)在動力機制,探討了本地再懸浮和異地再懸浮。結果表明,連云港近岸海域懸沙通量中主要動力分項是平流作用和潮泵效應。平流作用在整個潮周期內(nèi)顯著,其方向同漲潮流方向基本一致。潮泵效應在近岸顯著,是懸沙濃度周期性變化的主要因素,主要向岸方向輸沙,表明懸沙濃度周期性分量以濃度峰的形式在

5、底部向岸輸移。
　　 3.沉積物周期性再懸浮和沉降使部分泥沙顆粒進入或脫離懸浮狀態(tài)必然導致懸沙級配的變化,懸沙級配的時空變化蘊含著再懸浮和沉降的重要信息。根據(jù)實測懸沙粒度特征,利用懸沙級配反演了再懸浮和沉降過程,分析了懸沙級配特征及其動力響應,定量計算了底層中粗粒級再懸浮量。結果表明,連云港近岸海域懸沙級配變化在潮周期內(nèi)表現(xiàn)為細顆粒主峰的波動變化和粗顆粒小峰的出現(xiàn)和消失。統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)不同站位大部分細顆粒主峰峰值位于7phi,隨時間的

6、變化,級配曲線偏向粗方向或者偏向細方向,粗顆粒小峰峰值通常發(fā)生在4phi以下。懸沙級配曲線的變化是水動力作用下泥沙再懸浮和沉降的結果,粗峰為底層沉積物再懸浮的具體表現(xiàn),據(jù)此估算出粗顆粒在底層再懸浮量。
　　 4.提出一個波流共同作用下底切應力的簡化表達式,并利用底切應力法分別計算了潮致再懸浮通量、浪致再懸浮通量和波流共同作用下的再懸浮通量。結果表明,波流共同作用下的再懸浮通量變化范圍大于潮致再懸浮通量和浪致再懸浮通量變化范圍,但

7、不是兩者的簡單疊加。
　　 5.波浪與懸沙濃度的關系表明,懸沙濃度的變化趨勢和波高變化趨勢基本一致,兩者有一定的時間滯后,懸沙濃度的周期性變化受潮流周期變化影響顯著,波浪作用使懸沙濃度的周期性變化與潮流周期性變化之間的規(guī)律變差。
　　 6.通過三維懸沙數(shù)值計算,探討了不同動力因素與懸沙濃度變化之間的相互關系,研究了波浪掀沙、潮流輸沙這一過程中的泥沙再懸浮及其機制,分析了波浪作用對沉積物再懸浮的影響。結果表明,連云港近岸海