Modelling of sediment movement in the surf and swash zones

Under the action of marine currents, non-cohesive sediments evolve by bed-load, by saltation or suspension depending on their granulometry. Several authors have considered that the movement of sediment...     

长江口崇明东滩水域悬沙粒径组成和再悬浮作用特征

根据2006年10月在崇明东滩潮间带和潮下带两个站位的大小潮水文泥沙观测资料和悬沙水样的室内粒度分析资料,对悬沙粒径的时空分布特征及其与流速等的关系进行了分析,并对再悬浮特点进行了探讨,结果表明,大小潮期间的悬沙颗粒组成较细,平均粒径的均值仅为6μm;大潮时的悬沙粒径略粗于小潮的,潮间带的略粗于潮下带的;由底床向上悬沙粒径趋于减小。悬沙粒径与流速、悬沙含量无明显的统计学关系,底质粒径、再悬浮强度和再悬浮泥沙粒径的空间变化以及浮泥的悬浮作用等是主要的影响因素。由于底质粒径的空间分布复杂,在东滩水域再悬浮具有明显的空间变化。在底质平均粒径大于60μm的粗颗粒沉积区,大小潮的再悬浮作用微小,底质以推移质运动为主。在底质平均粒径介于5~11μm的细颗粒沉积区上,悬沙级配与底质级配基本相同,该区域是再悬浮的主要发生源地;悬沙级配的变化过程揭示,再悬浮对底层悬沙的贡献率平均为8%~20%,大潮时的再悬浮强度是小潮的5~10倍,由底质再悬浮产生的悬沙在底部水层中的平均含量约为0.03~0.47 kg/m3。     

海底土的电阻率特征及其腐蚀性评价

海底土的电阻率对于海底土的腐蚀性评价具有重要意义．综述了海底土电阻率的特征及洲定方法,介绍和分析了国内外利用土壤电阻率进行土壤腐蚀性评价的方法,并结合我国海底土特征提出了根据海底土电阻率进行腐蚀性评价的分级标准。     

Field Observation and Analysis of Wave-Current-Sediment Movement in Caofeidian Sea Area in the Bohai Bay, China

In order to study the mechanism of flow-sediment movement, it is essential to obtain measured data of water hydrodynamic and sediment concentration process with high spatial and temporal resolution in the bottom boundary layer (BBL). Field observations were carried out in the northwest Caofeidian sea area in the Bohai Bay. Near 2 m isobath (under the lowest tidal level), a tripod system was installed with AWAC (Acoustic Wave And Current), ADCP (Acoustic Doppler Current Profilers), OBS-3A (Optical Backscatter Point Sensor), ADV (Acoustic Doppler Velocimeters), etc. The accurate measurement of the bottom boundary layer during a single tidal period was carried out, together with a long-term sediment concentration measurement under different hydrological conditions. All the measured data were used to analyze the characteristics of wave-current-sediment movement and the BBL. Analysis was performed on flow structure, shear stress, roughness, eddy viscosity and other parameters of the BBL. Two major findings were made. Firstly, from the measured data, the three-layer distribution model of the velocity profiles and eddy viscosities in the wave-current BBL are proposed in the observed sea area; secondly, the sediment movement is related closely to wind-waves in the muddy coast area where sediment is clayey silt: 1) The observed suspended sediment concentration under light wind conditions is very low, with the peak value generally smaller than 0.1 kg/m3 and the average value being 0.03 kg/m3; 2) The sediment concentration increases continuously under the gales over 6-7 in Beaufort scale, under a sustained wind action. The measured peak sediment concentration at 0.4 m above the seabed is 0.15-0.32 kg/m3, and the average sediment concentration during wind-wave action is 0.08-0.18 kg/m3, which is about 3-6 times the value under light wind conditions. The critical wave height signaling remarkable changes of sediment concentration is 0.5 m. The results show that the suspended load sediment concentration is mainly influenced by wave-induced sediment suspension.     

振荡流层移输沙条件下悬沙层泥沙扩散系数垂向分布特征研究

层移输沙是海岸带泥沙运动的主要形式之一,其垂向悬沙浓度分布规律的研究一直是海岸工程关心的重点。一般情况下,经典的纯扩散模型被用来描述和解释悬沙浓度的试验数据,该模型认为周期平均悬沙浓度主要由参考浓度、泥沙沉速和泥沙扩散系数确定。泥沙扩散系数可以由泥沙沉速和悬沙浓度的垂向梯度反演得到。既往研究大多直接给出泥沙扩散系数的结果,对于不同反演计算方法间结果差别的研究较少。本研究汇总了已有振荡流层移输沙试验数据,采用曲线拟合方法和直接差分方法计算了相应的泥沙扩散系数,研究表明两种方法得到的计算结果在垂向位置z 0.15 m处差异不大,随着垂向位置的升高,差分方法的计算结果略微大于拟合方法。考虑到拟合方法可以得到连续的泥沙扩散系数垂向分布,本研究推荐使用幂函数形式的曲线拟合方法求解悬移泥沙扩散系数。基于此,对比分析了层移输沙悬沙层泥沙扩散系数随泥沙粒径、振荡流周期、均方根流速和振荡流类型等物理参数的变化规律。在纯振荡流层移输沙条件下,泥沙扩散系数随泥沙粒径的增大而增大,而振荡流周期和均方根流速几乎不影响泥沙扩散系数。在振荡流和定常流共同作用下,泥沙扩散系数受振荡流周期和定常流流速的影响,泥沙扩散系数随着振荡流周期的增大或定常流流速的减小而增大。     

基于多维度声学特征优选的多波束海底底质分类

海底表层底质分布信息的准确获取在构建海洋基础地理数据库中发挥着重要作用。目前,多波束是实现大范围海底底质分类的有效手段之一,基于多波束测深和反向散射强度数据所派生的声学特征被广泛应用于底质分类建模。然而,随着特征维度的增加,特征空间中存在的无关和冗余特征严重影响底质分类精度。为了定量评估声学特征对底质类别的表征能力,并消除无效特征对分类结果的干扰,本文提出了基于多维度声学特征优选的海底底质分类方法。首先,结合实际底质样本的物理属性对多维特征进行排序和优选,排除冗余和无关特征。其次,分别应用支持向量机、随机森林和深度信念网络构建海底底质监督分类模型。通过利用爱尔兰海南部多波束调查数据和实地取样信息进行试验,结果表明提出方法对海底底质的总体分类精度和Kappa系数分别最高达到了86.20%和0.834,相较于主成分分析和熵指标特征选择方法有明显提高,突出了该方法在海底底质探测及制图的应用潜力。     

Field observation and analysis of wave-current-sediment movement in Caofeidian Sea area in the Bohai Bay,China

In order to study the mechanism of flow-sediment movement, it is essential to obtain measured data of water hydrodynamic and sediment concentration process with high spatial and temporal resolution in the bottom boundary layer （BBL）. Field observations were carried out in the northwest Caofeidian sea area in the Bohai Bay. Near 2 m isobath （under the lowest tidal level）, a tripod system was installed with AWAC （Acoustic Wave And Current）, ADCP （Acoustic Doppler Current Profilers）, OBS-3A （Optical Backscatter Point Sensor）, ADV （Acoustic Doppler Velocimeters）, etc. The accurate measurement of the bottom boundary layer during a single tidal period was carried out, together with a long-term sediment concentration measurement under different hydrological conditions. All the measured data were used to analyze the characteristics of wave-current-sediment movement and the BBL. Analysis was performed on flow structure, shear stress, roughness, eddy viscosity and other parameters of the BBL. Two major findings were made. Firstly, from the measured data, the three-layer distribution model of the velocity profiles and eddy viscosities in the wave-current BBL are proposed in the observed sea area; secondly, the sediment movement is related closely to wind-waves in the muddy coast area where sediment is clayey silt： 1） The observed suspended sediment concentration under light wind conditions is very low, with the peak value generally smaller than 0.1 kg/m^3 and the average value being 0.03 kg/m^3; 2） The sediment concentration increases continuously under the gales over 6-7 in Beaufort scale, under a sustained wind action. The measured peak sediment concentration at 0.4 m above the seabed is 0.15-0.32 kg/m^3, and the average sediment concentration during wind-wave action is 0.08-0.18 kg/m^3, which is about 3-6 times the value under light wind conditions. The critical wave height signaling remarkable changes of sediment concentration is 0.5 m. The results show that the suspended load sediment concentration is mainly influenced by wave-induced sediment suspension.     

人工岬角和海滩养护下泥沙输运与海床演变

实施人工岬角和海滩养护的软硬措施相结合的方法是探索解决海滩侵蚀问题的新举措之一。基于验证良好的水动力模型建立了泥沙输运和海床演变模型,对秦皇岛市新开河口至南山岸线海滩经整治修复工程实施后的泥沙输运和海床演变规律进行模拟分析。结果表明:大潮与常浪耦合作用下,研究区域周围海域流速整体上落急时刻大于涨急时刻,沙坝掩护水域的流速较弱,波浪在沙坝处增强并在沙坝后破碎并减弱;在沙坝处出现高悬沙浓度区域,悬沙浓度分布主要由底床切应力控制,部分受水动力影响。大潮与强浪耦合作用下,在沙坝处出现远大于常浪时的增强水流(波生流),方向与强浪向一致,波浪在沙坝处已破碎且沙坝对强浪的削减效率大于常浪;与常浪作用下不同,悬沙浓度场在强浪作用下沙坝处没有出现明显的高浓度区域。波流耦合作用下,人工岬角单独存在时护岸效果有限,工程实施后在人工岬角和人工沙坝的配合下,沙坝处侵蚀而沙坝后侧掩护区域淤积,沙坝起到了有效养护海滩的作用。     

海洋表层沉积物类型分布图绘制方法研究

介绍一种绘制海洋沉积物类型分布图的新方法.假定构成海洋沉积物粒度(砂、粉砂和粘土)的比例数值在海床分布呈线性或非线性渐变过程.在绘图海域内,“无缝”加密设置有限个插值点,避开不易操作的类型插值问题.利用已知采样点沉积物中砂、粉砂和粘土比例数值,直接采用数值方法单因子插值,根据每个插值点沉积物中砂、粉砂和粘土比例数值,按...     

基于声纳图像纹理特征的海底底质分类方法研究

一般不同底质的海底声纳图的纹理特征不同。重点分析了不同底质声纳图像纹理特征的差异,为底质分类的实现提供了基础。并提取了海底声纳图像的灰度共生矩阵,将灰度共生矩阵的统计特征作为特征向量。最后应用自组织迭代(ISODATA)分类算法依据对特征向量进行分类,从而实现了海底底质的划分。     

波浪作用下沉积物中总石油烃的迁移释放规律

海底石油管线泄漏可能导致海床内部形成高浓度石油污染。在波浪作用下,海床沉积物易发生再悬浮甚至液化失稳现象,进而导致海床内部石油类污染物通过多种途径向水体再次释放并在土体内部发生迁移,造成更大范围的石油扩散。本研究以总石油烃（Total Petroleum Hydrocarbon,TPH）设为代表性污染物,将污染泥浆以椭球状埋设在沉积物内部,采用波浪水槽试验研究不同强度波浪作用下TPH向上覆水体的释放规律及在沉积物内部的迁移规律。结果表明,在沉积物静置固结阶段前期,TPH随孔隙水由沉积物向上覆水体迁移释放,固结阶段前期TPH向上覆水体的释放量高于后期。在波浪作用未引起沉积物液化阶段,波浪促进石油类污染物向水体释放的作用较弱,由于悬浮泥沙对石油类污染物的吸附作用,水体中石油类污染物的浓度略低于静置固结阶段。在波浪作用引起沉积物液化阶段,随着悬浮泥沙浓度升高,TPH向上覆水体释放量加大;TPH在沉积物内部垂向迁移及平面扩散迁移距离加大,平面迁移距离大于垂向迁移距离,垂向扩散深度与液化深度基本一致,污染土体体积占比约为土体未液化时的3倍。     

潮流作用下河口是沙运动二维数学模型

对于粉沙淤泥质河口和海岸,海底泥沙受潮流作用主要以悬沙形式输运。在这样的海区建港与疏浚航道,需要首先进行泥沙淤积问题的研究。本文采用潮流作用下不平衡方程式、挟沙能力公式和起动流速公式,建立了潮流作用下河口悬沙运动二维数学模型,在对二维悬沙不平衡输沙方程和海底变形方程进行离散时直接采用显式迎风格式,得到了较好的结果。在此基础上,将该模型应用于实际水域,结果表明,该数学模型能够模拟河口的悬沙运动规律和冲淤变化,对于水流较大的海域该模型有一定的应用价值     

南黄海辐射沙脊群潮汐水道的悬沙输运特征

根据南黄海辐射沙脊群定点站位的流速和浊度数据,利用通量分解方法,分析了潮汐水道的悬沙输运特征和输运机制。结果表明,辐射沙脊群海域潮汐水道中潮流为往复流,悬沙浓度较高,属于强潮流控制的悬沙浓度相对较高的陆架浅海环境;悬沙输运主要受欧拉余流和潮汐捕捉效应控制,再悬浮的沉积物通过平流作用进行输运。其中,陈家坞槽和西洋水道的悬沙输运以潮汐捕捉效应占优,沉积物向潮汐水道外输运,处于冲刷状态;苦水洋水道以欧拉余流输运为主,水道内的再悬浮的沉积物在强潮流作用下向陆输运,主要堆积在蒋家沙和西洋西侧岸滩等浅滩和潮间带上。由此可见,在陆源物质供应减少背景下,南黄海辐射沙脊群内部的物质充当了新的物源,短期内能够维持近岸潮滩和沙脊的持续增长。     

海底沉积物声衰减研究现状及展望

根据近年来海底沉积物声学物理研究发展的态势,介绍了与研究声衰减有关的海底沉积物样品采集装置和海洋沉积物声速结构模式,综合解析多种对海底沉积物声衰减等声学特性研究方法,并做出较为详细地比较和讨论,提出对海底沉积物声衰减研究在满足科研要求的同时也应符合国家标准和要求。同时,指出了研究海洋沉积物声衰减的必要性和重要性,强调了对海底沉积物声衰减研究的科学意义和应用意义。     

波致土体液化下水体含沙量垂向分布试验研究

本文利用波浪水槽试验,对底床粉质土液化状态下水体垂向含沙量分布特征进行了研究。试验结果表明,波浪导致粉质土液化情况下,水体含沙量在近底边界层出现激增,含沙量垂向分布形态呈现出近于L型的特征。     

黄河河口二维泥沙有限元数学模型及应用(Ⅱ)--潮流和泥沙输运沉积过程模拟分析

利用多沙黄河河口潮波平面二维泥沙数学模型,通过典型时刻近海海区潮汐、河口口门河道、河海流场、含沙量、河床变形和海底等值线等图形对入海河口海域潮汐和潮流海洋动力特性、入海泥沙运动扩散输移规律、河口拦门沙形状、形成过程、泥沙冲淤和海底地形变化进行了分析,这些都与实测资料和遥感图像的分析基本一致。     

黄河水下三角洲沉积物输运及海底冲淤研究

根据黄河水下三角洲的特点,建立了一个垂直平均二维沉积物输运数学模型,结合潮流和沉积物资料,模拟研究了沉积物输运机制和海底冲淤演变过程。模拟结果表明,垂直河口射流的潮流决定了本区沉积物净输运的总体格局,风应力对悬浮泥沙和推移质泥沙运动也起到重要作用。潮流底应力和活动层厚度分布表明,黄河口门和埕岛油田附近海域是潮流底应力和活动层厚度高值区,为沉积物活跃区,海底稳定性弱,易于侵蚀再搬运。冲淤计算表明,埕岛油田附近海域为冲刷中心区;现在河口水下三角洲在断流时为冲刷区,正常行河时则转为淤积区。     

天然含水量对海底沉积物贯入阻力的影响

研究浅海表层底质沉积物的天然含水量变化规律及其对海底沉积物贯入阻力的影响.对某浅海海域的72份表层底质沉积物样品的天然含水量测试和贯入阻力测定值进行了分析对比.天然含水量是影响海底表层沉积物贯入阻力的重要因素,沉积物天然含水量与贯入阻力之间具有较强的负相关性,沉积物天然含水量越大,贯入阻力越小.     

广西钦州湾海域海床稳定性特征的研究

综合钦州湾龙门站与近海区钓鱼台站长年历史观测资料和2003年7月的6个站点全潮观测资料,阐述了钦州湾的表层沉积物分布和钦州外湾典型位置沉积物组成状况,并结合钦州电厂建设规划,通过海床稳定性的概念和稳定性指标的计算方法,研究钦州电厂取排水工程附近海域及钦州外湾在潮流和波浪作用下的海床稳定情况,计算结果表明所提出的稳定性理论能够反映实际,是可靠的,可以进一步作为钦州电厂相关模拟研究的基础。     

小尺度海底沉积物的声衰减特性研究

为研究小尺度海底沉积物样品的声衰减特性,作者提出了用声学探针测量海底沉积物声波幅值的新方法,对沉积物样品扰动小,两个测量点的距离可小于波长,为海底沉积物微观声衰减测量提供了新手段。作者用小于波长的间隔逐点测量了沉积物的压缩波幅值,数据分析表明沿沉积物柱状样全长的声衰减满足指数衰减模型。目前主要用同轴差距衰减测量法获得海底沉积物声衰减数据,但该方法不能辨识声衰减模型,因此不同海区的测量结果难以建立联系。对此作者又提出用声吸收系数反演的幅值比与声衰减系数反演的R值(两种幅值比的比值)作评价依据,分析了垂直轴差距衰减测量法获得的南海海底沉积物声衰减测量数据,发现部分沉积物样品声衰减的R值远大于1,其声衰减不满足指数衰减模型。在声衰减满足指数衰减模型的条件下,用Hamilton的声衰减和频率经验公式预报的南海沉积物声衰减比与作者用声学探针测量海底沉积物所得的声衰减比对比,通过对R值分析得出Hamilton的声衰减和频率经验公式可以预报南海沉积物声衰减比的范围。作者提出的声学探针测量海底沉积物声衰减的方法的优点是既能获得声衰减数据又能辨识声衰减模型,不同海区测量的沉积物声衰减比可用R值建立联系。