长江口最大浑浊带对水体层化的响应：过程与机理

作     者：卢婷 

作者单位：华东师范大学 

学位级别：硕士

导师姓名：贾建军;汪亚平

授予年度：2021年

学科分类：08[工学] 081501[工学-水文学及水资源] 0815[工学-水利工程] 

主      题：盐度层化 悬沙层化 最大浑浊带 悬沙浓度 理想实验 洪枯季 大小潮 长江口 

摘      要：河口是陆海相互作用的敏感地带,该区域咸淡水交汇、径潮流相互作用。细颗粒沉积物的起动、絮凝、沉降和最大浑浊带形成演化等河口沉积动力过程决定了河口沉积物的时空分布,并深刻影响着河口及近岸海域的地貌演化、土地利用、港口的安全性和航道稳定性。河口最大浑浊带发育与演化的动力因素与成因机制十分复杂,主要包括垂向环流模式、潮波变形输沙、底床沉积物再悬浮作用、水体层化效应、絮凝沉降过程等。已有水体层化效应的研究大多关注盐度层化,事实上,最大浑浊带的悬沙层化亦十分显著,但悬沙层化对最大浑浊带影响机制尚不清楚。因此,兼顾盐度-悬沙层化效应与最大浑浊带时空演化的分析与研究,有助于加深对河口沉积动力过程的机理认识及预测未来最大浑浊带的演变趋势。本文采用现场观测与数值模拟相结合的研究方法,通过剖析长江口南槽的案例,分析最大浑浊带对盐度-悬沙层化效应的响应过程,探讨其物理机制。2018年7月和12月在长江口南槽最大浑浊带进行了两次现场观测,采用锚系船载剖面结合坐底式水下三脚架的方法获得连续沉积动力过程观测数据,并收集了2013年2月和9月在南槽最大浑浊带的历史观测资料。根据层化效应指标（Richardson数）对洪枯季的盐度、悬沙层化特征进行分析,利用经验正交函数（EOF）定量研究了影响悬沙浓度的主控因素,揭示了盐度、悬沙层化与沉积物分布之间的沉积动力学联系;通过FVCOM数值模拟进行理想实验,讨论影响显著的层化效应,包括盐度层化和悬沙层化的区别与联系,以及它们对于最大浑浊带范围与强度的贡献。获得的主要结论如下。（1）根据实测资料分析,在长江口南槽最大浑浊带,落潮历时大于涨潮历时,存在显著的潮汐不对称现象。对于流速,受径流作用,口内大潮时流速高于其下段。对于盐度,受洪枯季径流量差异以及枯季较强风浪的影响,口门处在2018年洪季盐度存在分层,而在枯季则是强烈混合。对于悬沙浓度,大、小潮对比上,枯季口内口外大潮平均悬沙浓度高于小潮,而受层化效应影响,洪季口门处小潮最大悬沙浓度高于大潮;洪、枯季对比上,2013年与2018年洪季最大悬沙浓度均超过5 g/L,且均超过枯季的3倍;年际变化上,2018年洪季最大悬沙浓度位于口门,而2013年观测时在其下段。（2）针对层化时空分布特征分析发现,2018年洪季的盐度层化和悬沙层化均比枯季显著:在长江口南槽最大浑浊带,盐度导致的分层主要分布在上层和中层,而悬沙的分层主要在近底层。除盐度、悬沙对层化效应有贡献外,低流速剪切作用也很重要,一方面促进稳定层化,另一方面通过稳定层化“捕获大量近底沉积物加强流速剪切,最终形成的层化状态是流速剪切与垂向密度梯度相互作用、相互制衡的结果。（3）利用经验正交函数（EOF）分析方法发现,2013年洪季拦门沙海域大潮时6 g/L高悬沙浓度形成的主要原因是潮流导致的沉积物再悬浮作用,叠加涨潮流携带的口外水下三角洲再悬浮沉积物;2018年洪季,拦门沙海域悬沙浓度,在大潮期间主要受潮流再悬浮作用以及盐度和悬沙层化影响,在小潮期间则主要受到盐度和悬沙层化效应的影响,同时与絮凝沉降过程相关。（4）最大浑浊带的层化效应机制包含盐度层化与悬沙层化。盐度层化能够抑制湍流的产生,阻碍近底层的沉积物向上层扩散,悬浮沉积物在底部聚集形成超过5 g/L的高悬沙浓度;同时,底部高悬沙浓度与上层较低的悬沙浓度之间形成悬沙密度梯度,导致了悬沙层化,有利于在近底捕获更多的悬浮沉积物。盐度层化与悬沙层化形成了层化效应与悬浮沉积物之间的“正反馈机制,其中盐度层化是导致悬沙层化的重要因素,理想实验的结果也表明相较于仅考虑悬沙层化,仅考虑盐度层化条件下会形成更高的悬沙浓度。（5）经过验证的FVCOM模型进行理想实验表明,枯季最大浑浊带范围、强度小于洪季,大潮小于小潮。洪季盐度或悬沙层化影响下的浑浊带范围与强度高于枯季,大小潮的相对差异小于洪枯季。仅考虑悬沙层化条件下,浑浊带范围与强度虽随洪枯季和大小潮周期变化,但浑浊带中心位置均保持不变,位于九段沙上段以下15 km。仅考虑盐度层化条件下,浑浊带中心位置则随洪枯季和大小潮变化:相较于枯季大潮,枯季小潮浑浊带中心向上段迁移约5 km;相较于洪季小潮,枯季小潮向上段迁移约10 km。在全球变化与人类活动的影响下,极端事件频发和河口工程建设等因素使得长江口水深变化数据难以及时更新,给精细化的悬沙数值模拟工作带来挑战。未来需进一步加强层化效应和最大浑浊带对工程建设及短时间尺度的极端事件等的响应过程研究。