黄河三角洲近岸海床侵蚀过程及其动力机制

论文摘要

三角洲水土资源丰富集中,在增加潜在土地资源、港口航道建设、湿地旅游、资源开发、水产养殖、生物多样性保护等方面具有重要的社会经济和生态环境价值。然而,近年来受入海水沙减少、海岸带高强度开发建设和自然灾害天气频发等的影响,三角洲近岸海床演变日趋复杂化,原有的冲淤平衡受到破坏,侵蚀作用逐渐凸显。探明新情势下三角洲近岸海床侵蚀过程及其动力机制已成为学者、政府和社会共同关注的焦点。以受河口流路、入海水沙、海洋动力和人为干预共同影响的黄河三角洲近岸海床为重点研究对象,在分析海床侵蚀和岸线蚀退过程的基础上,建立一套可靠性较高的动力地貌模型,从沉积动力、风暴潮作用等海床演变的主要驱动因素出发,研究了黄河三角洲近岸海床持续侵蚀的动力机制。入海流路改道是黄河三角洲近岸海床侵蚀和岸线蚀退的诱因,改道后的废弃三角洲叶瓣(沙嘴)和东营港—孤东工程防护区近岸侵蚀强烈。工程防护区近岸海床侵蚀主要分布在距岸10 km内,且逐渐向岸发展,堤前海床不稳定性逐渐加剧,2015年84.20%的堤前海床处于强或极强不稳定状态。刁口河三角洲叶瓣岸线在河口废弃初期蚀退速率最快,1996年后岸线蚀退进入缓慢期;其近岸海床侵蚀强度随水深增加而逐渐减小,侵蚀临界深度从西向东逐渐增大,总体在6.5~14.5 m范围内。老清水沟沙嘴和老清8沙嘴岸线分别在1996和2007年开始逐渐向岸蚀退,2013年后两区域的岸线蚀退速率仍在300 m/yr以上。老清水沟沙嘴和老清8沙嘴近岸海床侵蚀均主要发生在10 m以浅海域,且前者侵蚀逐渐向岸发展,后者侵蚀中心逐渐向南偏移。从废弃河口海岸侵蚀程度与改道幅度之间的关系来看,改道后新发育河口对废弃河口有沉积物补给,但补给有限。为探讨补给限制因素,基于Delft3D模型系统建立黄河三角洲动力地貌模型,对该区域的水动力和泥沙物理过程进行深入分析。模型中考虑了实际底质分布和不同泥沙组分,并通过充分的水动力、悬沙验证和历史冲淤过程的后报检验保证模型的可靠性。基于此模型,首先对影响沉积物物源输运的河口沉积动力进行了研究。经模型计算,发现潮流切变锋及其剪切强度的空间分布共同限制了海床侵蚀区沉积物物源的补给:切变锋整体呈“弯月状”,主要分布在现行河口至老清水沟河口近岸海域;切变锋北端近岸浅水区剪切强度大于远岸深水区,落潮期间偏北向扩散的泥沙大都被阻拦在近岸浅水区,远岸深水区的孤东近岸海床得不到泥沙补给;切变锋南端近岸浅水区剪切强度小于远岸深水区,涨潮期间偏南向扩散的泥沙可被输运到口门外海深水区,浅水区的老清水沟沙嘴近岸海床得不到泥沙补给。黄河三角洲近岸海床年际蚀积空间分布与海域切变锋分布高度相关:有切变锋分布的海域海床以淤积为主,没有切变锋的海域海床以侵蚀为主,切变锋外边界大致是海床冲淤转换带。这种长时间尺度河口地貌演化对短时间尺度河口沉积动力过程的响应,深刻影响了近岸海床蚀积空间格局。基于动力地貌模型,对轻风和风暴潮天气条件下黄河三角洲近岸海域水动力、泥沙输运和海床冲淤变化进行了对比研究。风暴潮期间:黄河现行河口及其邻近海域的潮流切变锋被削弱,形态偏向垂直于海岸,低流速带基本消失,有利于物质扩散、输送;黄河三角洲近岸海域水体输运速率普遍大于0.2 m~3/s,是轻风天气条件下的2倍;黄河三角洲沿岸一带有效波高普遍超过1 m,东营港—孤东近岸海域有效波高达1.5~2 m,在波流联合作用下,较大的底部剪切应力引起近岸海床泥沙显著再悬浮。东营港—孤东近岸海域风暴潮期间的悬浮泥沙浓度(SSC)总体是轻风天气条件下的3倍,最高达2.5 kg/m~3。风暴潮期间泥沙表现为离岸、整体向南输运。风暴潮条件下近岸海床冲淤变化强烈,侵蚀区面积是轻风条件下的近3倍,侵蚀体积约是轻风天气条件下的20倍。秋—冬—春季频发的偏北大风是海床持续侵蚀的主要动力源。综上,基于多源数据,采用数值模拟方式,系统研究了黄河三角洲近岸海床侵蚀过程及其动力机制,从而加深了对黄河三角洲地貌演变规律的认识,也为黄河三角洲海岸带可持续发展和提高防灾减灾能力提供科学指导。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
•   1.1 研究背景及意义
•   1.2 中国海岸侵蚀概要
•   1.3 三角洲地貌演变研究进展
•     1.3.1 三角洲发育及实例
•     1.3.2 三角洲海岸侵蚀
•     1.3.3 动力地貌模型
•   1.4 黄河三角洲动力地貌与海岸侵蚀研究进展
•     1.4.1 黄河三角洲近岸海洋动力沉积
•     1.4.2 黄河三角洲地貌演变
•     1.4.3 黄河三角洲海岸侵蚀
•   1.5 尚存在的问题
•   1.6 研究内容
•   1.7 技术路线
• 第二章 研究区概况
•   2.1 黄河三角洲地理位置
•   2.2 黄河入海水沙新情势
•   2.3 海洋动力环境
•     2.3.1 潮汐与潮流
•     2.3.2 余流
•     2.3.3 波浪
•   2.4 气象与气候条件
•     2.4.1 气温与降水
•     2.4.2 大风和寒潮
• 第三章 黄河三角洲近岸海床侵蚀过程
•   3.1 数据来源与处理方法
•     3.1.1 水深地形数据与整理
•     3.1.2 遥感数据与岸线提取
•   3.2 黄河入海流路与三角洲侵蚀整体格局
•     3.2.1 入海流路变迁与三角洲发育
•     3.2.2 黄河陆上三角洲侵蚀
•     3.2.3 黄河三角洲近岸海床侵蚀分布
•   3.3 工程防护区海床侵蚀
•     3.3.1 工程防护区海床侵蚀过程
•     3.3.2 堤前海床不稳定性评估
•   3.4 废弃河口近岸海床侵蚀
•     3.4.1 废弃河口海岸岸线蚀退
•     3.4.2 刁口河三角洲叶瓣近岸海床侵蚀
•     3.4.3 老清水沟沙嘴近岸海床侵蚀
•     3.4.4 老清8沙嘴近岸海床侵蚀
•   3.5 废弃河口海岸侵蚀规律
•   3.6 小结
• 第四章 黄河三角洲动力地貌模型的建立及验证
•   4.1 模型介绍
•     4.1.1 水动力模块
•     4.1.2 波浪模块
•     4.1.3 泥沙输运模块
•     4.1.4 地形更新模块
•   4.2 模型设置
•     4.2.1 计算区域和网格
•     4.2.2 风场和波浪
•     4.2.3 泥沙参数和初始床面组成
•   4.3 模型验证
•     4.3.1 潮波和潮位验证
•     4.3.2 流速和流向验证
•     4.3.3 波浪和SSC验证
•     4.3.4 风暴潮条件下的模型验证
•   4.4 海床冲淤后报检验
•   4.5 小结
• 第五章 黄河口潮流切变锋对蚀积空间差异的影响
•   5.1 黄河口潮动力环境
•     5.1.1 潮汐类型
•     5.1.2 潮流椭圆
•   5.2 黄河口切变锋特征
•     5.2.1 切变锋运动过程
•     5.2.2 切变锋分布与强度
•   5.3 切变锋对入海物质扩散的影响
•     5.3.1 切变锋对盐度的影响
•     5.3.2 切变锋对泥沙输运的影响
•   5.4 切变锋的地貌效应
•   5.5 小结
• 第六章 风暴潮过程对海床侵蚀的动力作用
•   6.1 2013年4月风暴潮过程复演
•     6.1.1 计算设置
•     6.1.2 风暴潮期间波浪场
•   6.2 风暴潮期间的流场
•     6.2.1 流场和水体输运
•     6.2.2 潮流切变锋
•   6.3 风暴潮期间泥沙过程
•     6.3.1 风暴期间SSC分布
•     6.3.2 泥沙输运特征
•   6.4 风暴潮过程引起的海床侵蚀
•     6.4.1 风暴潮期间海床冲淤变化
•     6.4.2 风暴潮后的海床恢复
•   6.5 大风发生频率
•   6.6 小结
• 第七章 总结与展望
•   7.1 主要结论
•   7.2 研究创新点
•   7.3 未来工作与展望
• 参考文献
• 攻读博士学位期间参与的科研项目及科研成果
• 致谢

文章来源

类型: 博士论文

作者: 凡姚申

导师: 陈沈良

关键词: 黄河三角洲,水沙锐减,海床侵蚀,岸线蚀退,潮流切变锋,风暴潮,动力地貌模拟

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: 自然地理学和测绘学,海洋学,地球物理学,水利水电工程

单位: 华东师范大学

基金: 国家自然科学基金委—山东省人民政府联合基金重点支持项目“黄河三角洲地貌演变的动力机制与环境效应”(U1706214),国家重点研发计划课题“黄河三角洲海岸演变过程与动力机制” (2017YFC0405503)

分类号: P737;TV148

总页数: 192

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