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淤泥质潮滩动力沉积地貌对风暴事件的响应与机制研究

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淤泥质潮滩动力沉积地貌对风暴事件的响应与机制研究

作者：刘晓俞华东师范大学

学位级别：硕士

潮滩是海陆相互作用的典型区域,广泛分布于全球海岸系统中,在碳的吸收转换、生物栖息地、消浪护岸、土地储备等方面占据独特地位,具有重要的生态环境服务功能与极高的经济社会价值。因此,探讨潮滩演变过程与机制一直是河口海岸学研究的... 详细信息

潮滩是海陆相互作用的典型区域,广泛分布于全球海岸系统中,在碳的吸收转换、生物栖息地、消浪护岸、土地储备等方面占据独特地位,具有重要的生态环境服务功能与极高的经济社会价值。因此,探讨潮滩演变过程与机制一直是河口海岸学研究的焦点。近年来在全球变暖、极端天气频发与人类活动日益增强的背景下,河口海岸地区潮滩面临着风暴、侵蚀后退、生态系统退化等威胁。短期风暴使潮滩水动力显著增强,致使潮滩地貌发生巨大变化,然而风暴影响下潮滩动力-沉积-地貌过程与机制尚不明晰,需要进行现场观测与数值模拟等多种手段的研究,系统探索并预测极端天气影响下潮滩的演变过程与机制,为河口海岸地区的综合管理与可持续发展提供科学依据。本文于风暴季(2021年7月20日至8月21日、2014年9月22日至9月24)期间,分别在长江口典型淤泥质潮滩-崇明东滩与南汇潮滩开展现场观测与数值模拟研究,借助高时空分辨率的潮滩浅水海洋仪器获取了风暴前、中、后的波浪、潮流、泥沙、潮周期内侵蚀淤积等高频水动力泥沙地貌数据。基于Delft3D数值模型,结合实测数据,搭建了淤泥质潮滩的水动力地貌模型,探究风暴影响下潮滩动力-沉积-地貌过程响应特征,着重分析了风暴中风速变化对潮滩水沙和冲淤空间格局的影响。本文的主要结论如下:(1)风暴过程加剧了淤泥质潮滩动力沉积地貌活动。相似潮况下风暴期间的最大水深是正常天气下的1.33倍,最大有效波高是正常天气下的1.58～4.35倍,波能是正常天气下的3.20倍,流速是正常天气下的1～1.43倍,悬沙浓度是正常天气下的1.16～10.56倍,底床剪切应力是正常天气下的1.71～2.63倍,潮周期平均悬沙输运率较正常天气下增大一个数量级,最大冲淤幅度是正常天气下的2.70倍。风暴改变了潮滩正常潮况的流向,影响了潮滩大小潮的冲淤规律,使潮滩总体上小-大潮的淤积为主转变为侵蚀为主,潮滩整体侵蚀幅度增大。(2)风暴期间淤泥质潮滩动力沉积地貌响应存在空间差异性。“凤凰”台风期间潮滩上的流速、有效波高、悬沙浓度、悬沙输运率、底床剪切应力及冲淤厚度在整个研究区域上差异显著。同一断面上,由岸向海方向分布的三个点位在风暴期间的最大流速分别为0.28、0.33、0.56 m/s,最大有效波高分别为0.95、1.25、1.49 m,最大悬沙浓度分别为6、5.59、4.20 kg/m,最大沉积物输运率分别为3.77×10、8.54×10、2.20×10 m/s/m,最大剪切应力分别为1.74、0.87、5.02N/m,“凤凰”台风期间滩面高程变化分别为-0.13 m、-0.15 m、-0.17 m(负号表示侵蚀)。风暴期间整个潮滩呈现出从高到低潮滩水动力与沉积物输运率增大的趋势,侵蚀幅度逐渐增大。这种空间趋势的形成原因是潮滩各部位淹水时长与水动力强度的差异所致,低潮滩淹没时间长,水动力强但悬沙浓度小,而从高到低潮滩的能量趋增,导致风暴期间从高潮滩至低潮滩对风暴的动力沉积地貌响应越来越显著。(3)风暴过程中风速对潮滩动力沉积地貌影响显著。加大风暴风速可以增强潮滩上的水动力与冲淤幅度,但未改变风暴期间从高到低潮滩的冲淤趋势。区域最大风速从15 m/s逐渐增至20、25 m/s过程中,风速每增加5 m/s,研究区域内最大涨急流速增加0.20、0.30 m/s,最大落急流速增加0.15、0.25 m/s,最大有效波高增加0.17、0.16 m,最大悬沙浓度增加1.23、0.57 kg/m,风暴期间平均沉积物输运率增加0.82×10、1.30×10 m/s/m,平均底床剪切应力增加0.10、0.30N/m,风暴期间侵蚀厚度增加0.07、0.09 m。随着风速的加大潮滩上涨落急流速、有效波高与沉积物输运率的空间差值变大,潮滩地形坡度随风速的增加而变陡。然而,风速的增加没有改变潮滩各部位的淹水时间,风暴期间潮滩的从高到低潮滩冲淤幅度增大的趋势没有改变。当研究区域最大风速增大到20 m/s及以上时,涨落潮流向差异消失,潮流流向即由风控制,与风向保持一致。由于风暴期间东北风的长时间作用,南汇潮滩在三种风速的风暴条件下均出现一条与主风向一致的东北-西南向侵蚀带。

关键词：淤泥质潮滩风暴动力沉积地貌冲淤格局长江口 Delft3D

淤泥质潮滩盐沼-光滩过渡带沉积物抗冲刷稳定性研究

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淤泥质潮滩盐沼-光滩过渡带沉积物抗冲刷稳定性研究

作者：张莹鑫华东师范大学

学位级别：硕士

淤泥质潮滩广泛分布于河口海岸地区,是陆海相互作用和人类活动响应最敏感的地带,也是全球气候变化研究的热点区域。淤泥质潮滩作为沿海区域重要的土地储备资源,具有固碳、防洪、水质净化、消浪护岸及旅游开发等生态功能和经济价值。然而... 详细信息

淤泥质潮滩广泛分布于河口海岸地区,是陆海相互作用和人类活动响应最敏感的地带,也是全球气候变化研究的热点区域。淤泥质潮滩作为沿海区域重要的土地储备资源,具有固碳、防洪、水质净化、消浪护岸及旅游开发等生态功能和经济价值。然而,在当前全球气候变暖、海平面上升及人类活动加剧的背景下,河口海岸地区淤泥质潮滩面临着侵蚀风险。淤泥质潮滩侵蚀不仅会导致潮滩生态系统受损,而且会增加海岸防护难度及威胁人民生命财产。研究淤泥质潮滩稳定性是揭示海岸侵蚀机制的先决条件,同时研究植被根系对盐沼—光滩过渡带沉积物抗冲刷稳定性的影响,能够加深理解潮滩盐沼植被在海岸防护中的作用,为潮滩的合理规划利用、生态环境保护和土地可持续发展提供重要科学支撑,具有重要的科学价值和应用价值。本研究选择中国典型淤泥质潮滩——长江口崇明东滩和黄河三角洲清水沟、刁口河潮滩为研究对象,利用世界上较先进的沉积物抗冲刷稳定性测定仪器CSM(Cohesive Strength Meter)对崇明东滩和黄河三角洲清水沟、刁口河潮滩盐沼—光滩过渡带的沉积物抗冲刷稳定性进行定量评估,归纳总结崇明东滩和黄河三角洲潮滩的沉积物抗冲刷稳定性时空变化特征。通过室内测量植被生物量及沉积物物理特性,系统分析在植被区域植被根系对沉积物抗冲刷稳定性的影响及在光滩区域沉积物物理特性对沉积物抗冲刷稳定性的影响,主要结论如下:(1)崇明东滩沉积物抗冲刷稳定性在空间上存在显著差异:不同断面上,沉积物抗冲刷稳定性北断面(临界剪切应力:2.80 Pa)>中断面(2.67 Pa)>南断面(1.60 Pa);不同地貌单元上,沉积物抗冲刷稳定性植被带(3.30 Pa)>过渡带(2.28 Pa)>光滩(1.50 Pa);不同沉积物深度上,沉积物抗冲刷稳定性随深度的增加而增强,从表层向下0-5 cm(1.62 Pa)潮滩沉积物抗冲刷稳定性存在非均匀分布特征:不同地貌单元上,清水沟潮滩沉积物抗冲刷稳定性过渡带(1.90 Pa)>光滩(1.24 Pa)>植被带(0.87 Pa);而刁口河潮滩沉积物抗冲刷稳定性光滩(1.25Pa)>过渡带(1.24 Pa)>植被带(1.05 Pa);不同沉积物深度上,清水沟潮滩沉积物抗冲刷稳定性随深度增加逐渐减弱,刁口河潮滩沉积物抗冲刷稳定性随深度增加先不变后增强。(3)研究结果表明崇明东滩植被带沉积物抗冲刷稳定性大于光滩,其原因可能是植被根系对沉积物有“加筋”作用,而且,植被根系产生多价阳离子和胞外聚合物等化学物质也可能增强沉积物抗冲刷稳定性。对于相同类型植被带,其地下生物量越高,沉积物越稳定,海三棱藨草在地下生物量较高时(860 g/m)对应的沉积物抗冲刷稳定性是较低时(708 g/m)的1.32倍,互花米草在地下生物量较高时(1323 g/m)对应的沉积物抗冲刷稳定性是较低时(1103 g/m)的1.17倍。对于不同类型植被带,沉积物抗冲刷稳定性受根系特征影响,与海三棱藨草相比,根系较粗的互花米草增强沉积物抗冲刷稳定性的效果较差,根系较短的碱蓬对沉积物抗冲刷稳定性影响不明显。(4)研究表明崇明东滩光滩区域北断面和中断面的沉积物抗冲刷稳定性强于南断面,其原因可能是北、中断面黏土含量(均值为18.93%)较南断面的(均值仅为4.55%)高,泥沙颗粒所受重力作用小,黏结作用大,同时黏土颗粒吸附在粉砂和砂颗粒表面,填充粉砂和砂粒间空隙,使沉积物内部孔隙率减小,密实度增加,形成更加紧密的整体,增强了其抗冲刷稳定性。

关键词：沉积物抗冲刷稳定性临界剪切应力盐沼植被淤泥质潮滩沉积物特性

不同植被类型对淤泥质潮滩有机碳来源和储量的影响——以茅埏岛为例

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海洋学研究 2023年第4期41卷 94-101页

作者：刘雨薇于培松郑旻辉赵政嘉张偲韩沉花自然资源部海洋生态系统动力学重点实验室自然资源部第二海洋研究所浙江杭州310012

滨海湿地具有较强的碳汇能力,不同植被类型会对沉积物中有机碳的来源和储量产生重要影响。在茅埏岛无植被、老红树林、幼红树林和互花米草等4种淤泥质潮滩各采集1根沉积物柱状样品(柱样长度均为1 m,按10 cm间隔分样),测定沉积物粒度、... 详细信息

滨海湿地具有较强的碳汇能力,不同植被类型会对沉积物中有机碳的来源和储量产生重要影响。在茅埏岛无植被、老红树林、幼红树林和互花米草等4种淤泥质潮滩各采集1根沉积物柱状样品(柱样长度均为1 m,按10 cm间隔分样),测定沉积物粒度、总有机碳(TOC)、总氮(TN)等参数,分析和讨论沉积物有机碳来源、储量及其影响因素。结果显示:1)无植被潮滩、老红树林潮滩、幼红树林潮滩和互花米草潮滩沉积物中TOC平均含量依次为0.71%±0.03%,0.76%±0.16%,0.69%±0.12%,0.83%±0.09%。在0~20 cm层,有植被潮滩TOC含量显著高于无植被潮滩;在20~100 cm层,互花米草潮滩沉积物TOC含量高于其它潮滩类型。2)茅埏岛潮滩中互花米草潮滩沉积物有机碳储量最高,达5.79 kg m^(2),其次是老红树林潮滩(5.61 kg m^(2)),幼红树林潮滩(4.95 kg m^(2))和无植被潮滩(4.84 kg m^(2))有机碳储量较低。互花米草潮滩和红树林的覆盖均在一定程度上增强了潮滩的储碳能力。3)互花米草潮滩沉积物中的有机碳主要以陆源为主,占比57.75%;本地植物贡献在老红树林潮滩沉积物中占比最大,占比32.65%;幼红树林潮滩和无植被潮滩沉积物中有机碳均以海源贡献为主,分别占比61.47%和50.45%。

关键词：淤泥质潮滩植被类型碳储量茅埏岛

淤泥质潮滩水边线提取的遥感研究及DEM构建--以长江口九段沙为例

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测绘学报 2008年第1期37卷 102-107页

作者：沈芳郜昂吴建平周云轩张杰华东师范大学河口海岸学国家重点实验室上海200062 华东师范大学资源与环境学院上海200062

淤泥质潮滩通常是测绘"盲区"。本文讨论采用多时相陆地卫星提取潮滩水边线以此构建潮滩数字高程模型(DEM)的方法。探讨在不同潮情条件下,各光谱波段对淤泥质潮滩水边线判断的敏感性,分析表明沙质海岸与淤泥质海岸水边线的确定方法有较... 详细信息

淤泥质潮滩通常是测绘"盲区"。本文讨论采用多时相陆地卫星提取潮滩水边线以此构建潮滩数字高程模型(DEM)的方法。探讨在不同潮情条件下,各光谱波段对淤泥质潮滩水边线判断的敏感性,分析表明沙质海岸与淤泥质海岸水边线的确定方法有较大差别。采用了GIS技术对提取的水边线赋予相应的高程值,该值采用研究区附近潮位站理论潮位推算卫星过境的瞬时潮位值,以此构建潮滩DEM,与近期实测资料进行对比:在106.2 cm-358.6 cm高程范围内,二者相对误差1.0 m占10%。遥感构建DEM作为一种手段对实测资料的欠缺是一种补充,随着遥感技术的发展精度有望提高。

关键词：遥感方法淤泥质潮滩水边线数字高程模型

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江苏淤泥质潮滩剖面演变现场观测

水科学进展 2014年第6期25卷 880-887页

作者：龚政靳闯张长宽李欢辛沛河海大学水文水资源与水利工程科学国家重点实验室江苏南京210098 河海大学港口海岸与近海工程学院江苏南京210098

为探究江苏中部沿海双凸型剖面演变特性,在江苏盐城川东港南侧潮间带布设了10个水准观测站,2012年9月至2013年11月对该潮滩剖面演变过程开展了现场观测。结果表明:该潮滩剖面呈现出双凸型特征,平均高、低潮位线附近的滩涂形成淤积率较... 详细信息

为探究江苏中部沿海双凸型剖面演变特性,在江苏盐城川东港南侧潮间带布设了10个水准观测站,2012年9月至2013年11月对该潮滩剖面演变过程开展了现场观测。结果表明:该潮滩剖面呈现出双凸型特征,平均高、低潮位线附近的滩涂形成淤积率较高的地形凸点;潮间上带受潮流影响小,滩面高程相对稳定;平均高、低潮位之间的区域滩面高程季节性变化明显,总体呈现冲刷状态;潮间下带冲刷显著,滩面坡度增大。全剖面自岸向海呈现"稳定—淤积—稳定—淤积—冲刷"的双凸型剖面特征。

关键词：滩面高程观测仪淤泥质潮滩江苏海岸海岸地貌现场观测

淤泥质潮滩高程遥感反演数据在数值模拟中的应用

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中国海洋大学学报（自然科学版） 2013年第8期43卷 80-85页

作者：张立奎李巍然吴建政朱龙海石晓伟国家海洋局北海海洋工程勘察研究院山东青岛266033 中国海洋大学海洋地球科学学院山东青岛266100

渤海湾西南部海岸是典型的淤泥质潮滩地貌,潮滩宽广平坦,而潮滩上的高程观测受客观条件影响测量比较困难。本文利用多时相卫星遥感影像水边线高程反演技术,反演了渤海湾西南部的潮滩高程,结果表明,通过反演得到的潮滩高程能够准确反映... 详细信息

渤海湾西南部海岸是典型的淤泥质潮滩地貌,潮滩宽广平坦,而潮滩上的高程观测受客观条件影响测量比较困难。本文利用多时相卫星遥感影像水边线高程反演技术,反演了渤海湾西南部的潮滩高程,结果表明,通过反演得到的潮滩高程能够准确反映出潮滩高程的变化趋势,但结果存在不可避免的误差。本文将反演得到的潮滩高程数据应用到附近海域潮流数值模拟中,解决了存在大面积潮滩的潮流数值模拟过程中海图上匮乏的潮滩高程信息。潮流数值模拟结果表明,潮滩上的潮流分布状况与潮滩高程具有良好的对应关系,潮流动边界效果良好,能够较为真实的反映出潮滩上的潮流特点,对潮滩上的泥沙输运以及冲淤演变等方面的研究也具有重要的参考价值。

关键词：淤泥质潮滩多时相卫星遥感高程反演数值模拟

淤泥质潮滩地貌演变中的水动力及生物过程研究进展

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海洋工程 2016年第1期34卷 104-116页

作者：王宁舸龚政张长宽赵堃耿亮河海大学海岸灾害及防护教育部重点实验室江苏南京210098 江苏省海岸海洋资源开发与环境安全重点实验室江苏南京210098

淤泥质潮滩对于海岸防护、增加土地资源、保持生物多样性等具有重要作用。从淤泥质潮滩演变的主要驱动因子——潮流、波浪、生物作用及地下过程四个方面回顾和总结了潮滩演变动力地貌过程的相关研究进展,提出应关注潮滩短期演变规律、... 详细信息

淤泥质潮滩对于海岸防护、增加土地资源、保持生物多样性等具有重要作用。从淤泥质潮滩演变的主要驱动因子——潮流、波浪、生物作用及地下过程四个方面回顾和总结了潮滩演变动力地貌过程的相关研究进展,提出应关注潮滩短期演变规律、波浪与浮泥作用机理、生物生长与潮滩演变定量关系,以及地下过程作用机理等。

关键词：淤泥质潮滩动力地貌过程潮流波浪生物作用土壤固结

淤泥质潮滩均衡态——以江苏辐射沙洲内缘区为例

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科学通报 1995年第4期40卷 347-350页

作者：张忍顺南京师范大学地理系南京210024

1 潮滩的均衡态与非均衡态淤泥质潮滩多年的平均动态,常以滩面在铅直方向的蚀淤速率(淤强)和潮滩外缘在与岸垂直方向上的进退速率(即淤长速度)来衡量.对于淤强和淤长速度均为0或接近于0的潮滩,称之为稳定潮滩.但在较短时段中(如短于一... 详细信息

1 潮滩的均衡态与非均衡态淤泥质潮滩多年的平均动态,常以滩面在铅直方向的蚀淤速率(淤强)和潮滩外缘在与岸垂直方向上的进退速率(即淤长速度)来衡量.对于淤强和淤长速度均为0或接近于0的潮滩,称之为稳定潮滩.但在较短时段中(如短于一年),潮滩某些地貌单元所出现的蚀淤和进退尺度可比多年平均值大1～3个量级,甚至与潮滩平均动态的变化趋势相反.本区。

关键词：淤泥质潮滩潮沟系潮滩均衡态

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淤泥质潮滩沉积周期性研究综述

南京师大学报（自然科学版） 2012年第1期35卷 117-121页

作者：龚小辉柏春广王建江苏教育学院地理系江苏南京210013 南京师范大学地理科学学院江苏南京210046 东南大学交通学院江苏南京210096

淤泥质潮滩发育过程中所包含的从半日周期、半月周期到年周期和长周期的"潮滩循环",能为潮滩沉积环境及沉积速率的研究提供参考,从而成为潮滩沉积研究的热点问题.随着野外工作的深入开展,不同时间尺度的淤泥质潮滩沉积周期陆续得到揭示... 详细信息

淤泥质潮滩发育过程中所包含的从半日周期、半月周期到年周期和长周期的"潮滩循环",能为潮滩沉积环境及沉积速率的研究提供参考,从而成为潮滩沉积研究的热点问题.随着野外工作的深入开展,不同时间尺度的淤泥质潮滩沉积周期陆续得到揭示,这一沉积特征的区域差异也更加清晰.潮滩沉积间断的存在为依据沉积的周期性来推算沉积速率设置了障碍.合理利用特定地段短时期内的连续沉积来研究古代的沉积速率和环境是潮滩沉积周期性研究的一个很有意义的课题.

关键词：淤泥质潮滩沉积周期性沉积间断