分汊型河口悬沙浓度分布特征及影响机制研究

论文摘要

河口地区由于径流作用季节性差异、潮汐强度周期性变化以及河口地貌形态等因素影响,河口涨、落潮水动力过程、悬沙浓度以及盐度分布等存在区域性和季节性差异;此外由于河口地区径潮流相互作用、咸淡水混合等因素,河口细颗粒泥沙极易发生絮凝沉降和再悬浮,河口悬沙浓度在大、小潮涨落潮过程以及表、底层分布上也存在显著的不对称特征,并产生周期性净输沙过程。因此研究大型潮汐河口悬沙浓度时空分布及涨、落潮不对称特征和机制,对河口三角洲演变及河口航道治理具有重要意义。长江口是中等潮汐强度的分汊型河口,长江口自徐六泾以下至口外10 m等深线,河口逐渐展宽,并被崇明岛、长兴岛及九段沙分割为南北支、南北港及南北槽等多支典型分汊河槽,由于分汊河口地貌形态以及水动力、盐度等环境差异,河口悬沙浓度分布存在显著的季节性和区域性特征。本文研究基于2013年7月及2014年1月在长江口8个典型河槽、上游徐六泾节点及下游10 m等深线处共12个测站定点洪枯季、大小潮准同步水文综合调查,通过水文统计分析、Kriging空间插值、机制分解法等方法,研究长江分汊河口悬沙浓度平面分布、垂向分布、涨落潮过程以及悬沙通量特征和机制。主要结论如下:一、长江分汊型河口悬沙浓度平面变化特征及影响机制1、长江口各分汊河槽定点含沙量平均为0.60 kg/m3,显著高于上游徐六泾站0.14 kg/m3,以及下游口外10 m等深线处含沙量均值0.35 kg/m3。从不同河槽看,北支河口含沙量高于南支河口。高含沙量出现在北港下段、北槽、南槽河口最大浑浊带区域,并呈自北向南递减趋势;含沙量低值区在南支河槽,与徐六泾站基本接近,其次为北港上段和南港河槽,含沙量与口外10 m水深线含沙量接近。2、长江口各典型河槽含沙量总体表现为枯季大于洪季。南、北支河口表现又有不同,北支河口含沙量洪季大于枯季,而南支河口含沙量则表现为枯季大于洪季。从沿程变化率上看,南港至南北槽沿程含沙量变化率呈剪刀差分布,反映洪季径流作用已影响到南港及北港上段河槽含沙量分布,而枯季该河段含沙量则仍受潮汐控制。3、长江口各典型河槽含沙量大潮显著高于小潮。分区域看,北支河口大、小潮含沙量均显著高于为南支河口,大、小潮变化在南支河口更为显著。南支河口不同河槽含沙量受潮汐作用影响具有显著差异,大、小潮变化对南支河口最大浑浊带含沙量影响更为明显。从大小潮沿程变化上看,自徐六泾至口外,大、小潮含沙量沿程变化主要集中在南港及以下段河槽,大潮对含沙量沿程变化贡献率更为显著。4、悬沙浓度与流速平面分布有较好的相关关系,两者峰值均出现在南支河口浑浊带水域,并向两侧递减。进一步研究表明:悬沙浓度分布与测站底层流速有明显的幂函数关系;此外盐度剧烈变化的位置对应着悬沙浓度迅速升高的位置,洪季时主要在南支河口浑浊带水域,枯季时则上移至北港上段、南港位置,河口细颗粒泥沙絮凝沉降过程对悬沙浓度分布具有重要影响。二、悬沙浓度垂向变化特征及影响机制5、总体上底层悬沙浓度显著高于表层悬沙浓度,这一现象在河口最大浑浊带区域更为明显。底层水体含沙量随涨落潮周期性变化较表层更为明显,底层含沙量峰值多出现在涨急后1-2 h附近,低值多出现在转流后1-2 h;表层悬沙峰值变化滞后于底层,趋势相对较弱。6、从洪枯季差异看,洪季表、底层差异主要集中在口门段河槽,枯季表底层差异峰值上溯到南、北港河段。洪季时口门段底部含沙量涨潮大于落潮,但表、底层含沙量差异落潮大于涨潮;枯季时,表底层含沙量显著差异主要分布在口门段和南、北港位置,与洪季趋势一致,但底部高浓度含沙量区域分布更广,峰值降低,差异缩减,反映径流作用减弱,潮汐作用增强。7、从大、小潮表底层差异看,大潮含沙量显著大于小潮,底部含沙量差异更明显。大潮时表、底层最大悬沙浓度分布在口门段,表底层含沙量差异落潮大于涨潮,反映大潮期间潮汐作用强劲,底部泥沙再悬浮特征明显;而小潮时含沙量峰值不显著,表、底层含沙量差异显著缩小,由于潮汐作用减弱,泥沙沉降,含沙量降低,底部泥沙沉降更快,涨、落潮及表、底层差异显著缩减。三、涨、落潮悬沙浓度不对称特征及影响机制8、长江口河势演变形成南、北支河口涨、落潮悬沙浓度不对称分布整体格局。近年来长江径流悬沙浓度呈明显下降趋势,观测期间上游徐六泾站悬沙浓度显著低于口外10 m等深线,河势演变影响径、潮流相互作用强度和范围,造成长江口悬沙浓度北支河口大于南支河口、涨潮大于落潮的整体格局。9、洪、枯季变化影响河口涨、落潮悬沙分布的再分配过程。长江口洪、枯季变化主要体现在径流变化上,由于径流量枯季远小于洪季,南支河口悬沙浓度分布均体现出枯季大于洪季的特征;从沿程变化上看,小于含沙量0.20 kg/m3区域洪季可以到达南港及北港上段,而枯季则仅分布在徐六泾至南支河槽。10、大潮涨、落潮过程对悬沙分布不对称影响显著大于小潮,大潮时浑浊带水域涨、落潮泥沙再悬浮作用显著。河口上游徐六泾站至南支河槽含沙量均较低,反映潮汐动力对南支河段影响较弱;最大浑浊带区域,大潮涨、落潮含沙量出现明显差异,并显著高于两侧含沙量分布,表明大潮期间涨、落潮过程对泥沙具有再悬浮作用,并且涨潮泥沙再悬浮作用大于落潮。11、季节性风浪作用影响河口最大浑浊带涨、落潮悬沙不对称南北差异。洪季最大含沙量出现在南槽大潮涨潮过程,并向北槽和北港下段依次递减,反映洪季含沙量受夏季东南偏南向风浪作用强烈;而小潮阶段,含沙量普遍较低,多在0.20 kg/m3以下,河口最大浑浊带特征已不明显。枯季大潮悬沙浓度分布则与洪季趋势相反,最大含沙量出现在北港下段,并向北槽、南槽呈递减趋势,反映枯季含沙量受冬季偏北向风浪作用强烈;枯季小潮含沙量变化趋势与大潮一致,但较洪季小潮高,主要是枯季径流作用减弱的原因。12、大潮底部高含沙浓度对口门段涨、落潮悬沙不对称贡献显著。洪季大潮底部高含沙量主要集中在口门段河槽,由于潮汐作用强劲,底部泥沙再悬浮特征明显,涨、落潮不对称现象显著;枯季大潮与洪季趋势一致,由于径流作用减弱,潮汐作用增强,表、底层含沙量差异峰值上移到南北港附近,底部高浓度含沙量区域分布更广,峰值降低。大潮底部高含沙浓度显著高于小潮,对口门段涨、落潮悬沙不对称贡献显著。四、长江分汊型河口悬沙输运通量特征及机制13、调查期间,北支河口潮周期平均单宽净输沙量为28.0 t,方向向陆;南支河口平均单宽净输沙量为24.4 t,介于徐六泾29.3 t和口外10 m等深线处的3.2 t之间,方向向海。从不同河槽来看,南支河口涨、落潮单宽输沙量峰值出现在北港、北槽、南槽最大浑浊带区域,但单宽净输沙量北港下段与北槽较高,南槽转为较小的向陆净输沙。14、长江口各典型河槽潮周期单宽输沙量总体来看枯季大于洪季,但净输沙量则表现为洪季大于枯季。洪季时北支河口单宽净输沙为向陆方向,南支河口为向海方向;枯季时南、北支单宽净输沙量均为向海方向。长江口分汊河槽大潮时涨、落潮单宽输沙量显著大于小潮,但净输沙量小潮大于大潮。15、从水体分层输沙来看,口内高输沙水层多出现在0.2h-0.8h,垂向上净输沙量多呈现为表底层低、中间高的特征;口外10 m等深线净输沙量,北港口外水体上层净输沙量较大,到南槽口外底层净输沙显著高于中、上层水体。16、长江口各分汊河槽输沙主要贡献项为平流项输沙,其次为潮泵效应输沙和垂向环流净输沙。南支河口潮泵效应与河口环流输沙贡献率自西向东呈递增趋势,至最大浑浊带区域,已成为泥沙输运的重要贡献项。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
•   1.1 研究背景与意义
•     1.1.1 研究背景
•     1.1.2 研究意义
•   1.2 国内外研究进展
•     1.2.1 泥沙运动学研究进展
•     1.2.2 河口泥沙运动学研究进展
•     1.2.3 长江口泥沙运动研究进展
•     1.2.4 河口涨落潮不对称研究进展
•     1.2.5 河口悬沙输运通量研究进展
•   1.3 本文研究内容
• 第二章 区域概况、数据来源及方法
•   2.1 研究区域概况
•     2.1.1 区域概况
•     2.1.2 长江来水来沙条件
•     2.1.3 河口水动力特征
•     2.1.4 河口悬沙浓度分布
•     2.1.5 河口表层沉积物特征
•   2.2 资料来源
•   2.3 研究方法
•     2.3.1 实验分析方法
•     2.3.2 数据分析方法
• 第三章 分汊型河口悬沙浓度平面分布特征及影响机制
•   3.1 分汊型河口潮汐特征
•     3.1.1 分汊型河口潮差分布
•     3.1.2 分汊型河口涨落潮历时
•   3.2 分汊型河口流速分布特征
•     3.2.1 分汊型河口流速分布特征
•     3.2.2 分汊型河口洪、枯季流速分布特征
•     3.2.3 分汊型河口大、小潮流速分布特征
•     3.2.4 南支河口流速沿程变化
•   3.3 分汊型河口盐度分布特征
•     3.3.1 分汊型河口盐度分布特征
•     3.3.2 分汊型河口洪、枯季盐度分布特征
•     3.3.3 分汊型河口大、小潮盐度分布特征
•     3.3.4 南支河口盐度沿程变化
•   3.4 分汊型河口悬沙浓度分布特征
•     3.4.1 分汊型河口悬沙浓度分布特征
•     3.4.2 分汊型河口洪、枯季悬沙浓度分布特征
•     3.4.3 分汊型河口大、小潮悬沙浓度分布特征
•     3.4.4 南支河口悬沙浓度沿程变化
•   3.5 分汊型河口悬沙浓度影响机制探讨
•     3.5.1 潮汐作用对河口悬沙浓度的影响
•     3.5.2 水流作用对河口悬沙浓度的影响
•     3.5.3 盐度变化对河口悬沙浓度的影响
•   3.6 本章小结
• 第四章 分汊型河口悬沙浓度垂向分布特征及影响机制
•   4.1 分汊型河口悬沙浓度垂向变化特征及影响机制
•     4.1.1 徐六泾站悬沙浓度垂向变化特征及影响机制
•     4.1.2 北支河口悬沙浓度垂向变化特征及影响机制
•     4.1.3 南支河口悬沙浓度垂向变化特征及影响机制
•     4.1.4 口外10m等深线悬沙浓度垂向变化特征及影响机制
•   4.2 分汊型河口潮周期过程悬沙浓度垂向变化特征及影响机制
•   4.3 分汊型河口悬沙浓度沿程表底层变化过程及影响机制
•     4.3.1 分汊型河口流速沿程表底层变化过程
•     4.3.2 分汊型河口盐度沿程表底层变化过程
•     4.3.3 分汊型河口悬沙浓度沿程表底层变化过程及影响机制
•   4.4 本章小结
• 第五章 分汊型河口涨落潮悬沙浓度不对称特征及影响机制
•   5.1 河口河势演变形成涨、落潮悬沙浓度不对称分布整体格局
•   5.2 洪、枯季变化影响河口涨、落潮悬沙浓度的再分配过程
•   5.3 大潮涨、落潮过程对悬沙浓度不对称影响显著大于小潮
•   5.4 季节性风浪作用影响河口最大浑浊带悬沙浓度不对称南北差异
•   5.5 底部高含沙浓度分布对口门段悬沙浓度不对称贡献显著
•   5.6 本章小结
• 第六章 分汊型河口悬沙输运通量特征及机制分析
•   6.1 分汊型河口悬沙输运通量特征
•     6.1.1 分汊型河口悬沙输运通量特征
•     6.1.2 分汊型河口悬沙输运通量垂向分层特征
•   6.2 分汊型河口悬沙输运机制分析
•     6.2.1 分汊型河口单宽水体输运特征
•     6.2.2 分汊型河口单宽悬沙输运机制
•   6.3 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: 乔立新

导师: 张国安

关键词: 长江口,分汊型河槽,悬沙浓度,特征,机制

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: 地球物理学,水利水电工程

单位: 华东师范大学

基金: 国家重点研发计划(2017YFE0107400),国家自然科学基金(41671007),科技部基础性工作专项重点项目(2013FY112000)

分类号: TV148

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