长江口北港枯季水沙盐时空变化机理及悬沙浓度垂向结构研究

论文摘要

河口是陆地、河流、海洋交汇之处,陆海相互作用活跃,区域内泥沙经过反复的掀起、运移和沉降运动,塑造了河口地貌。研究河口区域的水沙输运特征旨在揭示泥沙在河口的运移机制及其相关联的河槽冲淤规律,进而对现实的河口的开发和治理提供指导。北港作为长江河口的二级汊道,是长江口重要的水沙盐运移通道,下段位于最大浑浊带北侧,时常发生盐水入侵,且近期水沙输入量有所改变,必定会反映在北港水动力、盐度和悬沙的时空分布上。因而有必要基于实测水沙盐数据,对北港水沙盐的时空分布特点和垂向变化特征进行分析研究,从而对区域的开发利用提供参考。本文基于2018年4月15日至4月24日在长江口北港主槽上中下三个测点进行了大小潮连续定点水文泥沙观测,通过水文统计分析、准调和分析和沉积动力学方法,分析了流速、盐度、悬沙浓度的时空变化特征以及输水、输盐和输沙过程,并重点探讨了北港河道的悬沙浓度垂向结构和形成原因,得出了以下认识。长江口北港河道的潮汐性质属于不正规半日潮,半日分潮在河道中占有绝对优势,M2>S2>N2。潮波则表现为前进波为主的混合波。潮不对称现象深刻地表现在各测点的涨落潮历时、涨落潮流速及大小潮流速的差异上。落潮历时明显超过涨潮历时,落潮平均流速和最大流速基本大于涨潮阶段,大潮的潮周期平均流速大于小潮。从北港上段到下段大小潮的平均流速总体呈现增大的趋势。进一步研究发现,径流是致使长江口潮流不对称的主因。径流深刻影响着北港河道内的输水状况,使得北港河道各段均表现为落潮流占优势,大小潮期间各层水体均向海净输水。从口内到口外径流的作用相对减弱,落潮流优势也随之从北港上段往下段逐渐减弱。大潮时各层水体输水量大于小潮,但小潮期间的落潮流优势明显强于大潮期间。径流的影响也增强了向海输运的欧拉余流。潮汐性质、涨落潮历时、潮差、径流强度等的变化使得水体盐度在时间上具有涨落潮、大小潮等的变化特征。北港上段水体常年为长江冲淡水控制,盐度极低,表底层盐度差别极小,垂向混合均匀,不存在明显的大小潮变化和涨落潮变化。北港中段涨潮阶段盐度平均值略大于落潮阶段,而北港下段仅在大潮期间如此表现,小潮时情况相反。北港中下段水体小潮的盐度平均值均大于大潮。盐度分层系数、Richardson数和势能异常的计算结果表明北港中上段河道长时间处于均匀混合,下段河道在大潮中高潮位及小潮期间出现较强的层化现象。对比发现流速增大可以促进水体混合,而水体的层化效应会对水体的紊动产生抑制作用,减少水体在垂向上的交换,导致上下层水体之间的流速梯度变大。北港各测点的潮周期单宽输盐特征与输水特征基本一致,同样深受长江入海径流的影响,各测点均表现为落潮优势盐。北港下段测点大小潮期间水体的涨落潮输盐量明显大于其他两个测点,受盐水入侵影响该处中上层的水体净输运明显高于中下层水体。测点处水体的悬沙浓度顺河道而下趋于增大。下段测点盐度和悬沙浓度的垂向差异导致了层化现象。受水动力潮周期变化影响,各测点大潮期间的悬沙浓度显得更大。北港上中段测点大小潮、涨落潮内的悬沙浓度变化十分有限。而下段测点大小潮期间都表现出涨潮悬沙浓度略大于落潮的特点。水动力强弱的差异使得大潮期间更易发生底泥的再悬浮,水体的悬沙浓度也更高。北港上段测点处水体盐度很少受到盐水入侵的影响。下段测点处经历多次盐淡水混合,大潮期间涨潮阶段发生泥沙的再悬浮,底部细颗粒泥沙可随涨潮流向上输运。在涨潮后期及涨落潮转换的时段,潮流流速减弱,水体经盐淡水混合达到适中盐度,也易于泥沙絮凝。综合分析认为盐水入侵、流速-再悬浮强度、底质空间分布对悬沙浓度时空变化产生了影响。涨落潮输沙方面,北港上段测点从大潮到小潮均表现为落潮优势沙,大潮期间各水层的输沙量都要大于小潮,涨落潮的输沙量也表现为大潮明显大于小潮,但小潮期间的向海输沙优势程度明显大于大潮。北港下段测点大小潮期间的涨落潮输沙量在所有测点中最大,大潮期间垂向上均表现为向海净输沙,小潮期间中上层水体向海净输沙,下层水体净输沙量较小,却是向陆净输沙。分析比较发现河口输沙受流速、历时、盐水入侵等因素的综合影响。潮周期水动力和盐度差异使北港悬沙浓度的垂向分布主要表现出指数型、斜线型、垂线型、阶梯型和双层型5种基本类型。北港作为长江口分流比最大的分汊河道,径流的影响十分显著,在很长一段时间保持单一的水团理化性质,流速变化均匀有规律,故常表现为斜线型和垂线型的分布形态,特别是在中上段河道和大潮阶段,出现频率基本可以达到40%以上。斜线型的特点是悬沙浓度在垂向上呈线性变化,浓度梯度也基本保持一致。垂线型的悬沙剖面多出现在水体垂向混合均匀的环境中,悬沙浓度在垂向上基本保持不变。在悬沙浓度不高,盐度低且水动力较强的环境中较易出现指数型的分布形态,其特点是悬沙浓度由表层向底层呈指数形式增加,浓度梯度随之不断增大,悬沙的垂向剖面形态类似于指数函数。北港下段盐水入侵频繁,层化现象显著,强劲的潮流导致底部泥沙再悬浮,增大水体下部的悬沙浓度,但盐水入侵以及其导致的密度分层抑制了底层泥沙的向上扩散,悬沙在垂向上的交换混合难以实现,多表现为阶梯型和双层型的分布形态。阶梯型的特点是垂向上悬沙浓度分布具有不连续性,上下层水体差异大,垂向分布形态类似于字母h。双层型的特点是悬沙浓度在垂向上呈两段分布,悬沙浓度在中下层会发生突变。利用Soulsby公式对悬沙剖面进行了拟合,发现该方法在预测线性分布的悬沙垂向结构时效果良好,但对阶梯型和双层型的预测误差较大。公式优化改进后,提高了指数型剖面和部分双层型剖面的预测效果。另外也参考Rouse公式计算了北港的悬沙沉降速度,结果与前人研究较为一致。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
•   1.1 研究意义
•   1.2 国内外研究进展
•     1.2.1 河口最大浑浊带的研究
•     1.2.2 河口悬沙浓度时空变化的研究
•     1.2.3 盐水入侵及水体层化的研究
•   1.3 论文主要内容
• 第二章 研究区域概况、数据来源及研究方法
•   2.1 研究区域概况
•     2.1.1 长江河口自然概况
•     2.1.2 流域来水来沙
•     2.1.3 潮汐与波浪
•     2.1.4 泥沙特征
•   2.2 资料来源与数据处理
•     2.2.1 现场观测与采样
•     2.2.2 室内实验处理
•   2.3 研究方法
•     2.3.1 准调和分析方法
•     2.3.2 单宽输水量及优势流
•     2.3.3 单宽输盐量及优势盐
•     2.3.4 单宽输沙量及优势沙
• 第三章 北港河道的水动力变化特征
•   3.1 潮汐类型及水位特征
•   3.2 流速的时空变化特征
•     3.2.1 流向的变化特征
•     3.2.2 流速与潮位的关系
•     3.2.3 流速的时间变化特征
•     3.2.4 流速的空间变化特征
•   3.3 单宽输水量及优势流
•   3.4 北港水动力变化的区域性特征
•   3.5 本章小结
• 第四章 北港河道的盐度变化特征
•   4.1 盐度的时空变化特征
•     4.1.1 盐度的时间变化特征
•     4.1.2 盐度的空间变化特征
•   4.2 水体的层化特征
•     4.2.1 盐度分层系数的计算
•     4.2.2 Richardson数（Ri）的计算
•     4.2.3 势能异常的计算
•   4.3 盐度对流速的影响
•   4.4 单宽输盐量及优势盐
•   4.5 北港盐度变化特点的讨论
•   4.6 本章小结
• 第五章 悬沙浓度变化特征和悬沙输运
•   5.1 悬沙浓度的时空变化特征
•     5.1.1 悬沙浓度的时间变化特征
•     5.1.2 悬沙浓度的空间变化特征
•   5.2 悬沙浓度产生的密度分层
•   5.3 悬沙浓度时空变化的影响因子分析
•   5.4 北港最大浑浊带的形成维持机制
•   5.5 单宽输沙量及优势沙
•   5.6 本章小结
• 第六章 悬沙浓度的垂向分布特征和影响因子
•   6.1 悬沙浓度的垂向分布特征
•   6.2 悬沙浓度垂向分布的影响因子
•     6.2.1 流速对悬沙浓度垂向分布的影响
•     6.2.2 盐度分层对悬沙浓度垂向分布的影响
•   6.3 悬沙浓度垂向分布的经验预测
•     6.3.1 Rouse公式的预测效果
•     6.3.2 Soulsby公式及其改进的预测效果
•   6.4 本章小结
• 第七章 结论与展望
•   7.1 主要结论
•   7.2 不足与展望
• 参考文献
• 作者在学期间科研成果
• 致谢

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 赵季伟

导师: 李占海

关键词: 长江口北港,悬沙浓度,时空变化,水沙输运,盐淡水混合,悬沙浓度垂向结构

来源: 华东师范大学

年度: 2019

分类: 基础科学,工程科技Ⅱ辑

专业: 海洋学,地球物理学,水利水电工程

单位: 华东师范大学

基金: 国家自然科学基金项目“长江河口最大浑浊带的动力沉积过程对大型工程的自适应机理研究”(51761135023),国家重点研发计划项目“河口生态系统对大型水库调控的响应及应对策略”(2016YFA0600904)

分类号: TV148;P731.2

DOI: 10.27149/d.cnki.ghdsu.2019.000099

总页数: 139

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