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《华东师范大学》 2012年
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长江供沙锐减背景下河口及其邻近海域悬沙浓度变化和三角洲敏感区部淤响应

李鹏  
【摘要】:河口和邻近海域悬沙浓度的变化和底床冲淤对该区域的环境质量和生态系统具有重要影响,从而在很大程度上涉及到社会经济的发展。而悬沙浓度变化和底床冲淤之间有着内在的联系。长江是我国第一大河,入海水沙分别居世界的第五和第四位。长江三角洲是我国乃至世界上的重要经济区。由于流域高强度人类活动的影响,近期长江入河口泥沙通量呈明显的下降趋势,特别是2003年三峡大坝建成以来,长江平均入河口泥沙通量(2003-2009年)仅为1950s-1980s的30%。在此背景下,河口及邻近海域悬沙浓度的变化和三角洲地貌的冲淤响应是值得深入研究的重要科学命题,它不仅是区域河口海岸管理的重要依据,而且对丰富世界陆海相互作用的理论认识具有重要意义。 本文根据长江口和邻近海域10个固定采样点2-12年的每日表层悬沙浓度,结合该区域的动力资料和长江入河口水沙资料,研究悬沙浓度的空间分布格局和时间变化的周期性和趋势性,并探讨其主要影响因子;利用近50年(1958-2007年)不同时段长江口水下三角洲典型区域的地形资料,研究底床冲淤速率的时间变化及其与长江来沙锐减的关系;分析长江口-邻近海域悬沙浓度和海底冲淤对长江来沙减少响应过程中的相互制约关系。主要结果和结论如下: 1)河口及其邻近海域悬沙浓度的空间分布格局及其机制。2009年平均表层悬沙浓度从长江口上游节点(徐六泾站)的0.058g/l逐渐向河口口门(九段沙站)增大到0.60g/l(增大一个数量级),继而又向海降低至冲淡水边缘(绿华山站)的0.057g/lo悬沙浓度的这种沿长江口延伸方向变化的空间格局进一步证实了地形和潮动力共同控制下河口最大浑浊带的发育。在沿岸线方向上,悬沙浓度从长江口外海滨(佘山站:0.43g/I)向杭州湾中部(滩浒站:1.28g/1)呈显著增加趋势,其主要原因是潮动力的沿程增大和较低悬沙浓度的长江入河口水体影响的沿程减弱。 2)河口及其邻近海域悬沙浓度变化的周期性及其影响因素。长江口及其邻近海域悬沙浓度存在明显的周期性变化。日均悬沙浓度表现出14.9±0.2天(p 0.001)(反映大小潮变化)以及365±6天(P0.01)(反映季节性变化)的显著周期。代表性站点(大戢山)日均悬沙浓度与日均潮差、波高、长江径流量和输沙率(大通站)的多元回归分析结果是:潮汐、波浪、长江径流量和输沙率对日均悬沙浓度变化的贡献率分别为30%、7%、23%和4%,反映这四个因子对日均悬沙浓度的影响以潮差最大、径流量次之。波浪的影响远低于潮差是因为取样点的水深通常大于5m,在这样的水深条件下,一般的波浪难以扰动底床沉积物从而引起泥沙再悬浮。大通日均输沙率对河口及其邻近海域悬沙浓度变化的贡献远低于大通日均径流量的贡献在理论机制上可能是一种假象,造成这一假象的原因可能是大通径流量和输沙率之间的高度正相关关系(R=0.90)。上述四个因子对日均悬沙浓度的总贡献率为64%,说明它们是主要的影响因子;同时反映日均悬沙浓度的变化机制较为复杂,其它因子的影响也不宜忽视。代表性站点(大戢山)月均悬沙浓度与月均潮差、波高、长江径流量和输沙率(大通站)的多元回归分析结果为:潮汐、波浪、长江径流量和输沙率对月均悬沙浓度变化的贡献率分别是21%,1%,62%和8%。这说明,长江径流量的季节性变化是长江口及其邻近海域悬沙浓度季节性变化的最重要的控制因子,其次是潮差的季节性变化。上述四个影响因子对悬沙浓度季节性变化的总贡献率达到92%,说明其它因素的影响很小。 3)河口及其邻近海域悬沙浓度变化的长期趋势及其主要原因。悬沙浓度本文可供长期对比各个测站的年均悬沙浓度在过去的10-20年中均呈现不同程度的下降趋势。这种下降趋势主要归因于长江入海悬沙通量的下降,理由是没有证据表明同期海洋动力条件的变化是主要原因。导致研究区悬沙浓度呈现长期减少趋势的主要因素为长江输沙量的减小。其中,徐六泾站点的悬沙浓度降低幅度最大达56%,与大通站的下降幅度吻合,反映河口上游悬沙浓度对流域来水来沙条件变化的响应最为敏感。而目前遭受侵蚀的长江口门外水下三角洲前缘(佘山站)悬沙浓度下降幅度最小仅5%。长江口及其邻近海域各站悬沙浓度的下降幅度平均值为20%左右。这一方面反映河口及其邻近海域悬沙浓度对流域入海悬沙通量的长期变化趋势有较敏感的响应,另一方面又反映这种响应存在明显的滞后现象。具有连续12年监测资料的代表性站点(小洋山)年均悬沙浓度资料系列与大通站年悬沙通量资料系列的相关统计分析表明,前者的变化相对于后者的变化存在3-4年时间滞后。这些滞后现象归因于长江入海泥沙锐减所诱发的水下三角洲(特别是口门外水下三角洲前缘)的强烈侵蚀和细颗粒泥沙再悬浮。 4)三角洲对流域来沙锐减响应的敏感性及其空间差异。近50年来长江口门外水下三角洲(以一个1825km2的典型区域为例)的冲淤演变经历了4个阶段:1958-1977年为快速淤积期[时段-区域平均淤积速率(下同)6.8cm/a],1977-2000年为淤积减慢期(3.2crn/a),2000-2004年为淤-蚀转变期(-3.8cm/a),2004-2007年为侵蚀加强期(-4.5cm/a),侵蚀速率较2000-2004年大。上述四个阶段的水下三角洲冲淤速率与同期的长江入海泥沙通量(大通站)之间存在显著的正相关关系,根据该关系内插得出的水下三角洲冲淤转换临界入河口泥沙通量为270×106t/a,略小于三峡工程运行前的2001-2002年的大通输沙率(275-276x106t/a)。这说明,该淤-蚀转变很可能发生在三峡工程运行后(2003年以来的大通输沙率变化于85×106t/a和216×106t/a之间)。鉴于没有证据表明近几十年海洋动力条件和长江口门外的边界条件发生了明显变化,上述水下三角洲的淤-蚀转变从根本上归因于流域人类活动特别是三峡工程蓄水引起的入海泥沙通量下降。换言之,三峡工程蓄水对长江口门外水下三角洲地形演变产生了重要影响。另一+方面,三角洲的冲淤及其对长江来沙通量变化的响应存在明显的空间差异。口门外5—10m水深区域对长江来沙减少的响应最为强烈(即近年来侵蚀最为明显),10-20m区域次之,5m以上区域则相对比较稳定。也就是说,长江三角洲对流域来沙减少的响应敏感是限于口门外三角洲前缘的敏感带。 5)河口及其邻近海域悬沙浓度和海底冲淤对流域来沙锐减响应的耦合机制。在流域来沙减少的背景下,河口及其邻近海域悬沙浓度的响应和水下三角洲底床的冲淤响应是互为耦合的,即悬沙浓度的变化影响底床冲淤,而底床冲淤又反过来影响悬沙浓度。近10年徐六泾站悬沙浓度的下降幅度(56%)与大通站悬沙浓度的下降幅度(55%)基本一致,反映大通至徐六泾河段底床冲淤不明显。而长江口外水下三角洲前缘的佘山站悬沙浓度的下降幅度(5%)远低于大通站,是因为底床冲淤再悬浮的泥沙补充了悬沙浓度。如果河口及其邻近海域底床是由基岩或砂砾组成,不能补充悬沙,则河口及其邻近海域的悬沙浓度将继承流域入海水体悬沙浓度的下降特征。假定是这种情况,那么从长江口向浙江沿岸和外海输送的泥沙将像流域入海泥沙那样急剧减少。相反,若河口及其邻近海域底床侵蚀再悬浮的泥沙完全补充了流域入海水体悬沙的减少,则河口及其邻近海域悬沙浓度不会下降,从长江口向浙江沿岸和外海输送的泥沙也不会减少。实际情况介于上述两种极端假定情景之间:长江口及其邻近海域悬沙浓度的平均下降幅度(21%)仅为流域入河口水体悬沙浓度下降幅度的38.2%。这说明,流域来沙锐减背景下水下三角洲的侵蚀抵消了约一半以上的悬沙浓度下降。同时也反映,从长江口向浙江沿岸和外海输送的泥沙呈减少趋势,但减少幅度小于流域来沙的减小幅度。 6)未来几十年河口及其邻近海域悬沙浓度变化和三角洲冲淤趋势的展望。 未来几十年,由于流域新建大坝(特别是金沙江流域梯级水库)、水土保持和南水北调等人类活动的影响可能超过已建水库因历年淤积而减少库容(从而减小入库泥沙的淤积比)的影响。另一方面,在经历了三峡工程运行以来近10年的坝下游侵蚀之后,长江中下游干流河床可供侵蚀的泥沙可能将逐渐减少。因此,未来几十年长江入河口的泥沙可能将进一步减少。在此背景下,长江水下三角洲的侵蚀将可能继续进行。但是,因前期侵蚀导致的地形调整、表层沉积物粗化以及较密实的老淤泥层暴露,总体上侵蚀速率将可能逐渐减小(尽管流域来沙通量将进一步降低)。因此,未来几十年长江口及其邻近海域悬沙浓度很可能进一步降低,从长江口向浙江沿岸和外海输送的泥沙也将进一步减少。
【学位授予单位】:华东师范大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2012
【分类号】:TV148

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