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长江口崇明东滩盐沼—光滩过渡带沉积动力过程研究

史本伟  
【摘要】:潮间带湿地是地球上非常重要的生态系统之一。它能为潮间带生物提供栖息地,为近海鱼类提供饵料和繁育场所,还可以过滤污染物、消浪护岸,对海岸带的资源和环境具有重要影响。在本世纪全球海平面加速上升的背景下,潮间带湿地是因泥沙的淤积而继续存在,还是因侵蚀和淹没而消失,这是国际科学界关注的焦点之一。而世界各地潮间带的自然和人类活动背景不同,答案将不是唯一的。因此,潮间带湿地沉积动力过程研究正愈来愈受到重视。 本研究选择开敞型海岸之一的长江口崇明东滩湿地盐沼-光滩过渡带典型断面为研究对象。现场观测包括:1)利用SBE26plus良潮仪记录了水深、最大波高、有效波高、平均波高、有效波周期和波能密度等;2)利用PC-ADP和ADP-XR等仪器观测流速流向剖面;3)利用OBS-3A记录近底浊度(以反演悬沙浓度)\温度和盐度;4)利用RTK-GPS、ADV和双桩法相结合测量滩面高程变化;5)采集滩面沉积物样(以分析粒度和含水量)。计算分析主要包括:1)流的剪切应力、浪的剪切应力、波流联合作用下的剪切应力(用两种国外流行的模型);2)滩面沉积物临界侵蚀剪切应力;3)潮周期内侵蚀/堆积时段的确定和侵蚀/堆积量的计算。主要其结果和结论如下: 1)盐沼-光滩过渡带的波浪及其衰减特征。研究区波浪要素的时空变化显著,平均波高的变化范围是~0.2-0.5m,有效波高的变化范围为~0.3-0.7m,最大波高的变化范围为~0.6-1.3m,平均波能密度的变化范围为~0-155J/m2,有效波周期的变化范围为~2-~8s。变化特点为:(1)在沿岸线方向上,南断面的有效波高明显大于北断面的有效波高,其原因是除了与观测期间的风况有关外,还与南断面岸滩坡度较大有关;最大波高和有效波高之间有显著的相关性(P0.01)。(2)在垂直于岸线方向上(以北断面为例),波浪经过在610m的光滩上向岸传播,有效波高降低55.3%,平均波高降低56.8%,平均波能密度降低80.3%;波浪经过盐沼前缘9m的互花米草(Spartina alterniflora)盐沼植被带,有效波高降低24.1%,平均波高降低21.8%,平均波能密度降低33.3%。也就是说,单位距离互花米草带中有效波高的衰减率是光滩上的30倍,平均波高衰减率是光滩上的26倍,平均波能密度衰减率是光滩上的58倍。盐沼前缘波浪衰减率明显大于光滩上波浪衰减率的主要原因是盐沼植物对波浪传播的摩擦作用,其次是盐沼前缘的滩面坡度大于光滩。(3)时间上,强风期间的波高和波周期明显大于弱风期间,高潮位阶段的波高和波周期往往大于其它阶段。 2)盐沼-光滩过渡带的流速流向特征。研究区的流速流向变化较为复杂,但也有一定规律。(1)流向呈不规则旋转流特征,旋转为顺时针方向;不过,涨潮流总体上向岸,落潮流总体上向海。(2)流速变化范围为~0-~0.8m/s。涨潮历时通常小于落潮历时,涨/落潮历时比平均为0.75;与之相联系的是涨潮流速通常大于落潮流速,涨/落潮流速比平均为1.8。光滩上测点的平均和最大流速分别是相邻盐沼测点的1.5和1.3倍。(3)大部分(78%)流速垂向剖面符合对数分布,即流速由底层向表层呈对数形式逐渐增大。不符合对数分布的流速剖面主要出现在波浪扰动强烈的涨潮初期和落潮末期两个浅水阶段。 3)盐沼-光滩过渡带的悬沙浓度特征。研究区悬沙浓度的变化范围为~0.2-6.8kg/m3,光滩上测点、盐沼-光滩边界测点和盐沼测点(均为距滩面35cm)的悬沙浓度平均值分别为1.2g/l、1.8g/l口1.9g/l,最大值分别为5.2g/l、4.9g/1和5.1g/l。涨潮悬沙浓度通常大于落潮悬沙浓度,平均而言,涨潮悬沙浓度是落潮悬沙浓度的3倍。 4)盐沼-光滩过渡带波流联合作用下的剪切应力变化特征。(1)研究区代表性断面(中断面)测点流的剪切应力(τ。)变化范围为~0-0.87N/m2(平均值为0.21N/m2),浪的剪切应力(τw)变化范围为0.03-0.49N/m2(平均值为0.20N/m2)。平均而言,浪的剪切应力与流的剪切应力相当。鉴于这是正常风况条件下大潮期间的观测结果(观测期间没有10m/s以上的大风或台风),可推断:风暴条件下浪的剪切应力可能远大于流的剪切应力。(2)利用van Rijn和Soulsby两种模型计算得出的波流联合作用下的剪切应力(τcw)变化范围为0.01-1.11N/m2(平均值为0.27N/m2)。平均而言,两种模型的计算结果十分接近(仅相差2%)。但是,在τcτw条件下,τcw (van Rijn模型)τcw(Soulsby模型);而在TcTw条件下,τcw (van Rijn模型)τcw (Soulsby模型)。(3)与往复流为主的海岸(波流联合作用下的剪切应力在高潮位出现低值)不同,崇明东滩波流联合作用下的剪切应力在潮周期内的变化较为复杂。(4)光滩上的波流联合作用下的剪切应力比相邻盐沼大一个数量级。 5)波流联合作用下的侵蚀-堆积过程。(1)基于现场滩面沉积物采样分析得出的滩面沉积物临界侵蚀剪切应力(τce)在光滩和盐沼测点分别为0.103和0.116N/m2。(2)根据波流联合作用下的剪切应力(τcw)、滩面沉积物临界侵蚀剪切应力(Tce)和悬沙临界沉降剪切应力(Tcd=0.05N/m2,引自参考文献)三者的对比发现:观测期间光滩测点大部分淹没时段(70%的淹没时段)处于侵蚀过程,而盐沼中几乎所有淹没时段处于悬沙的淤积过程。(3)基于上述结果推算得出的观测期间的冲淤速率与滩面高程观测结果基本吻合。 综上所述,崇明东滩盐沼-光滩过渡带沉积动力过程的时空差异显著。大潮正常天气条件下波、流剪切应力大小相当,可推知风暴天气条件下波浪动力将大于潮动力。因此,研究该区域的沉积动力过程时,只有考虑波流联合作用才能有效地认识地貌冲淤的动力机制。崇明东滩光滩上的波流联合动力作用明显大于相邻的盐沼,这除了与盐沼的高程相对较高有一定关系外,主要归因于盐沼植被的摩擦消能作用。鉴于盐沼的有效消能促淤作用,在海平面上升和气候变化可能引起风暴的频率和强度增大的背景下,盐沼的保护十分重要。世界上分布着不少像崇明东滩这样的开敞型潮滩-盐沼湿地,本文的研究可能具有广泛的借鉴作用。但是,由于自然要素时空变化的复杂性,本文的研究仅仅提供了有限的案例,无论是就崇明东滩还是世界范围而言,潮间带湿地沉积动力过程的研究都有待深入进行(特别是借助先进的观测仪器和长期的资料积累)。


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