长江口泥沙输移扩散与沉降过程高分辨率声学现场观测

河口悬沙属性的现场观测对于泥沙输移和沉积过程研究具有重要的意义,现场超声探测较其他观测技术和方法具有较大的优势.本文应用ASSM-Ⅱ型声学悬浮泥沙观测系统对长江口悬沙输移扩散进行高分辨率观测,洪季涨潮期现场观测发现:①在潮流和颗粒重力共同作用下,抛泥泥沙同时存在输移扩散和沉降过程;②抛泥泥沙输移扩散存在2种基本的模式,即表层低密度羽状流和底层高密度羽状流.在正常天气涨潮流作用下,泥沙沉降可形成二级泥跃层,平流输送和沿程密度差产生的压力梯度形成底层高密度羽状流,它是泥沙输移扩散的主要方式.     

渤海表层悬浮泥沙的空间模态及其时间变化

针对整个渤海海域悬浮泥沙分布全貌研究的不足,基于2000-2004年连续5年的354个SeaWiFS反演的渤海表层悬沙浓度资料,经多年月平均得到其季节变化特征;通过经验正交函数分解,给出其空间模态及时间系数,揭示渤海表层悬浮泥沙的空间分布特征及其随时间的变化。渤海表层悬沙浓度除秦皇岛海域外近岸高,离岸低,辽东湾东岸浓度远大于西岸;冬季浓度最高,春秋次之,除河口海域外夏季浓度最低;河口海域冬夏季均为浓度高值区。经验正交分解显示第一空间模态反映渤海悬沙浓度的总体分布特征,其显著变化周期为12个月,显示渤海表层悬沙的季节变化特征。第二空间模态反映黄河入海径流对渤海表层悬沙浓度分布格局的影响, 其周期为6个月,代表黄河口海域悬沙浓度的变化周期。第三模态显示渤海不同海域悬沙浓度的增加或减小过程并不同步,存在明显的位相差异。     

河口最大浑浊带数学模拟研究的进展

分三个方面介绍了河口最大浑浊带研究中数学模拟研究的进展：（１）利用通量分析计算河口盐度、污染物和泥沙通量，分析带内泥沙富采机制；（２）由物质平衡原理建立一维和较简单的机理模型，讨论最大浑浊带的成因；（３）据水动力方程和物质平衡方程建立二维或三维数值模型，计算最大浑浊带的水流结构和物质浓度分布，模拟并探讨不同条件下最大浑浊带的成因和演化机制。     

河流型水库垂向二维水沙数学模型

在垂向二维水动力模型的基础上,叠加了泥沙模型,建立了垂向二维泥沙模型,该模型的主要特点是水动力模型采用斜压模式,可以模拟由于水库水温度分布时空变化对其水动力结构及泥沙沉降速度的影响;泥沙模型采用分步法求解,简化了计算;独立求解粘性泥沙及非粘性泥沙的沉降速度及水土界面交换通量;运用经验公式估算泥沙及水动力模型参数,弥补了资料不足的缺点。最后运用实测资料对所建泥沙模型进行了有效性验证,结果表明:悬沙模拟值与实测值相对误差较小,时空分布特征相似;同时,模型能较为准确反映由于水库出入流引起的库首与库尾水温及泥沙分布特征。     

淤泥质河口水沙运动数学模型相关问题

为研究淤泥质河口的水沙运动规律,建立了用于模拟淤泥质河口水沙运动的二维数学模型。该模型采用基于无结构三角网格下的有限体积法对方程组进行离散,结合Roe-MUSCL方法及时间方向的预测-校正格式,使模型在时空方向具有二阶计算精度。模型中分别采用不同方法计算粘性和非粘性泥沙的输移源项,并引入粘性泥沙的起动流速和冲刷率计算公式。采用已有的概化水槽试验数据对模型进行了初步验证。然后模拟了1995年10月小潮及大潮期间海河口的潮流运动与泥沙输移过程,计算得到的潮位、潮流速及含沙量过程与实测过程符合较好,结果表明模型能够用来模拟淤泥质河口粘性和非粘性泥沙的不平衡输移过程。同时还比较了泥沙输移源项的不同处理方式对计算结果的影响,计算表明在淤泥质河口水沙运动数学模型中必须同时考虑粘性和非粘性泥沙的输移。     

亚热带中小型山溪性河流—宽陆架系统“源—汇”过程

中小型山溪性河流易受极端事件和人类活动影响,且对环境变化响应敏感,在大陆边缘物质循环过程中发挥着十分重要的作用,但学术界对它们的重视程度不够。以闽江—东海陆架系统为例,通过资料收集、遥感解译、样品采集与分析等方法,系统研究了亚热带中小型山溪性河流—宽陆架系统的“源—汇”过程。研究结果表明,人类活动引起的土地利用变化使得闽江入海径流量和泥沙通量在波动中略有增加,但水库的建设显著减少了入海泥沙通量,并且减弱了水沙通量的季节差异,河流入海泥沙通量变化对流域人类活动敏感且响应迅速;河口水体环境、悬浮体浓度、沉积物粒度组成及陆源有机碳埋藏的空间分布格局均显示,闽江入海泥沙主要分布在闽江河口附近海域,其中粗颗粒泥沙在水动力的作用下主要堆积在河口水下三角洲平原及前缘,细颗粒泥沙主要堆积在水下三角洲前缘斜坡及前三角洲附近海域,仅有少量细颗粒泥沙沿岸向外输运并沿途沉积,与大河流—宽陆架系统及中小型山溪性河流—窄陆架系统显著不同。河口人类活动及极端事件通过改变沉积物组成、环境动力、入海泥沙通量等方式对河流—陆架系统的“源—汇”过程产生显著影响。在当前流域来沙量锐减、河口地区海砂开采等人类活动强度增大的情况下,有必要加强相关研究。     

伶仃洋茅洲河口动力地貌演变过程

利用长系列的水文泥沙、水下地形和遥感影像等数据,通过数字地形高程模型和水动力数学模型等方法,探讨了伶仃洋茅洲河口的动力地貌演变过程及主要原因。结果表明:伶仃洋中滩海区近年冲刷态势明显,拦江沙与矾石浅滩呈现逐渐分离并有发育形成"新中槽"的演变趋势;茅洲河口门深槽的形成发育以落潮流动力作用为主,交椅湾深槽具有涨潮沟的性质,交椅沙形成发育对于稳定周边海区滩槽格局具有重要作用;大规模围涂造地和海床采砂等人类开发活动显著改变了伶仃洋的地形边界条件,进而影响河口水沙输移和滩槽格局,亟需加强监控。     

抽水式含沙量在线测量系统的方案设计

现有的悬移质含沙量测验采用人工外业采样和实验室分析的方法,工作周期长,效率低,不能实时测量。目前研制的测沙仪器均设置在河流中,采集的信号会受到水温、流速和水深、压力等因素干扰,造成测量系统运行失稳。其中泥沙测验规范推荐的测沙仪器为同位素密度计,但其有一定的放射性,对环境和人体有潜在影响。设计采用含沙量比重置换法测量原理,将仪器模块安装到岸上以减少干扰仪器因素,通过潜水泵定时抽取水样到差压式在线密度计实时测量含沙量。经过对密度计进行科学合理的安装,使其工作环境接近于实验室静压状态,保障其测验精度,为含沙量测验提供一种新的解决方案。     

长江口泥沙运动形式分类及对深水航道淤积影响

潮汐河口泥沙运动复杂多变,科学划分泥沙运动形式并评估其对航道淤积的影响,是厘清航道淤积泥沙来源、制定有效减淤措施的关键。基于长江口深水航道所处南港—北槽河段2015年和2018年洪季、枯季表层沉积物和近底悬沙的现场采样数据,分析提出潮汐条件下推移质、悬移质和时推时悬泥沙3类泥沙运动形式的粒径划分方法,量化3类泥沙对深水航道淤积的贡献比例。结果表明：近底悬沙级配曲线上拐点粒径对泥沙由推移质向悬移质转化具有较好的指示意义;长江口南港—北槽悬沙、底沙交换显著,深水航道淤积物中除仅做推移质或悬移质运动的泥沙外,还包括大量的时推时悬泥沙,其在航道淤积泥沙中的占比最高,约达50%～60%;南港段航道洪季、枯季推移质淤积占比分别为36%和26%,高于悬移质的6%和13%;北槽段航道悬移质落淤泥沙占比为44%～48%,明显较推移质3%～6%的占比高。3类泥沙运动形式粒径划分方法为深化潮汐河口泥沙运动规律认识、判别航道淤积泥沙来源提供了新途径。     

海洋环境沉积物输运研究进展

海洋环境中沉积物的输运涉及复杂的过程和机制。20世纪后半叶发展起来的悬沙输运数学模型已经成为海洋沉积动力学的一个有力的研究工具。悬沙输运数学模型的有效运行需要正确的数值解法和模型中所含参数的确定,包括悬沙沉降速度、扩散系数、底床糙度和切应力,以及底边界上的沉降-再悬浮通量。由于复杂的水动力条件、屏蔽效应以及海底生物扰动等因素的作用,海洋环境推移质输运的经验、半经验公式具有一定的局限性。因此,充分考虑以上各种因素是正确预测海洋环境中推移质输运的关键。海洋环境沉积物输运理论的进一步发展需要着重进行各种过程和机制的研究,而这项工作依赖于高精度、高分辨率现场观测仪器的发展和更先进的颗粒态物质运动理论的建立。     

不平衡输沙含沙量垂线分布研究

采用理论推导和数值计算的方法,进一步研究了不平衡输沙条件下的含沙量垂线分布,首次提出了非饱和泥沙通量的概念及其表达式,推导了不平衡输沙含沙量垂线分布的理论解,包括不平衡输沙含沙量垂线分布指数公式和幂函数公式,以及相应的底部含沙量确定方法。同时利用差分法求解剖面二维扩散方程,得到了不同参数的不平衡输沙含沙量垂线分布。其结果除少数误差稍大外,两种途径得出的含沙量垂线分布彼此符合良好。     

大通站水沙关系演变驱动因素分析

大通水文站是长江进入河口的第一个关键界面,其水沙关系的变化不但直接影响河流本身的发展演变,也影响着河口三角洲的发育过程。深入研究大通站水沙关系的驱动因素,有助于更好地认识长江流域的输沙规律,可为流域地貌演变和对人类活动响应的深入研究提供科学依据。本文基于数理统计方法,重点从降水变化、径流变化、水利水土工程等方面定性定量地研究了气候变化和人类活动对大通站水沙演变过程的影响,结果表明：1954—2000年间降水量和输沙量变化特征较为一致,说明气候变化在一定程度上影响着大通站泥沙输移的变化过程,其更多地体现在对泥沙输移长期性变化的影响方面;2001—2010年输沙量急剧下降,大型水利工程的实施等人类活动对泥沙输移的影响是近10年来大通站入海泥沙急剧变化的直接诱因和主要原因,其主要体现在短时间尺度上。     

强潮河口区近底部沉积动力过程的高分辨率观测与分析

现场试验表明,三角架观测系统稳定性良好,获取了边界层内多层位、连续的温、盐、流速、浊度同步观测数据,适用于浅海近底部沉积动力过程高分辨率观测及物质输运研究。观测结果显示:观测期间,边界层内存在向陆的余流,并呈现逐渐减小的趋势,其主要由涨、落潮流的不对称造成,大风天气和密度环流亦是影响余流强弱的重要因素;观测期间多数时刻底部切应力大于起动切应力,底质沉积物可产生明显的搬运甚至再悬浮;悬沙浓度对沉积动力的响应在涨、落潮,大、小潮阶段均有各自的特点,水动力的变化、潮流加/减速时间的长短、床面泥沙的供应量、上部水体泥沙的沉降是导致悬沙浓度变化的主要原因;底部边界层内,涨、落潮期间不对称输沙导致潮周期内悬沙净向河口湾内输运。     

现场抽滤法在悬浮物浊度分析中的应用探讨

以悬浮物浊度标定为研究对象,通过对不同分析方法得到的浓度结果与浊度仪之间相关性的分析,探索悬浮物浓度测量的较佳方案。根据实测数据的对比分析,发现现场抽滤法相较于自然焚烧法、室内抽滤法和沉淀烘干法,具有省时间、低费用、高效率和可靠性高的特点。主要原因为室内各类分析方法相较于现场抽滤会出现较多不确定的影响因素,包括运输存储过程中容器瓶壁的吸附作用、水样微生物的滋长以及方法本身的系统误差,如焚烧法操作过程,有机物在高温环境下挥发,致使分析处理的研究对象与观测仪器所测不同,导致产生比较大的误差。现场抽滤法不但适合在水流比较平稳的内河使用,而且在流态复杂,泥沙浓度变化较大的河口地区的泥沙浓度测量中也具有的较强实用性。     

Sediment transport and trapping in the Hudson River estuary

The Hudson River estuary has a pronounced turbidity maximum zone, in which rapid, short-term deposition of sediment occurs during and following the spring freshet. Water-column measurements of currents and suspended sediment were performed during the spring of 1999 to determine the rate and mechanisms of sediment transport and trapping in the estuary. The net convergence of sediment in the lower estuary was approximately 300,000 tons, consistent with an estimate based on sediment cores. The major input of sediment from the watershed occurred during the spring freshet, as expected. Unexpected, however, was that an even larger quantity of sediment was transported landward into the estuary during the 3-mo observation period. The landward movement was largely accomplished by tidal pumping (i.e., the correlation between concentration and velocity at tidal frequencies) during spring tides, when the concentrations were 5 to 10 times higher than during neap tides. The landward flux is not consistent with the long-term sediment budget, which requires a seaward flux at the mouth to account for the excess input from the watershed relative to net accumulation. The anomalous, landward transport in 1999 occurred in part because the freshet was relatively weak, and the freshet occurred during neapetides when sediment resuspension was minimal. An extreme freshet occurred during 1998, which may have provided a repository of sediment just seaward of the mouth that re-entered the estuary in 1999. The amplitude of the spring freshet and its timing with respect to the spring-neap cycle cause large interannual variations in estuarine sediment flux. These variations can result in the remobilization of previously deposited sediment, the mass of which may exceed the annual inputs from the watershed.     

A modeling study of the Satilla River estuary,Georgia. II: suspended sediment

A three-dimensional (3-D) suspended sediment model was coupled with a 3-D hydrodynamic numerical model and used to examine the spatial and temporal distribution of suspended sediments in the Satilla River estuary of Georgia. The hydrodynamic model was a modified ECOM-si model with inclusion of the flooding-drying cycle over intertidal salt marshes. The suspended sediment model consisted of a simple passive tracer equation with inclusion of sinking, resuspension, and sedimentation processes. The coupled model was driven by tidal forcing at the open boundary over the inner shelf of the South Atlantic Bight and real-time river discharge at the upstream end of the estuary, with a uniform initial distribution of total suspended sediment (TSS). The initial conditions for salinity were specified using observations taken along the estuary. The coupled model provided a reasonable simulation of both the spatial and temporal distributions of observed TSS concentration. Model-predicted TSS concentrations varied over a tidal cycle; they were highest at maximum flood and ebb tidal phases and lowest at slack tides. Model-guided process studies suggest that the spatial distribution of TSS concentration in the Satilla River estuary is controlled by a complex nonlinear physical process associated with the convergence and divergence of residual flow, a non-uniform along-estuary distribution of bottom stress, and the inertial effects of a curved shoreline.