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《华东师范大学》 2004年
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长江口潮滩水动力过程、泥沙输移与冲淤变化

贺宝根  
【摘要】:长江口滨岸潮滩环境在咸淡水交替、出露和淹没交替、冲淤交替等海陆交互作用的影响下,波潮流水动力作用强烈,泥沙输移和物质交换频繁。长江每年携带巨量泥沙堆积于河口滨岸地区,形成了大片宽阔的淤泥质潮滩,每年以数十米的淤涨速率不断向海推进,为城市空间拓展提供了丰富的后备土地资源。但随着人类对潮滩大规模围垦等经济活动的加剧,导致生物多样性减少,生态环境质量降低,产生了对该地区可持续发展的潜在威胁。 河口潮滩水沙过程及冲淤变化研究,引起了国内外学者的重视,分别从地貌、沉积、水文、生物、地球化学等不同角度进行了大量有益的探索。但对潮滩水动力过程的实地观测十分有限,阻碍了完整潮流泥沙运动模型的建立,影响了泥沙输移规律和冲淤变化研究的进展。 本文依托国家自然科学基金重点项目“长江口滨岸潮滩复杂环境条件下物质循环研究”(批准号:40131020),选择了长江口崇明东滩敞开型潮滩为研究对象,设置典型断面,在平静天气条件下,实测了水文要素,获得了水位、流向、流速、泥沙含量及粒径等指标4000多个实测数据,着重对长江口潮滩水动力过程、泥沙输移规律及冲淤变化进行研究。得到如下结论: 1.分析得到了潮滩不同部位水动力基本特征:光滩水位涨潮和落潮时间基本相等,而盐沼前缘带水位涨潮时间略短;光滩流速过程线在涨潮初和落潮末出现峰值,呈现“双峰型”特征,盐沼前缘带仅在冬、春季节呈现“双峰型”,夏、秋季节落潮峰值消失,盐沼带四季呈现单峰特征,潮沟过程线为“双峰型”;各测点流向均具回转流特征,在高水位时流向迅速改变,不存在明显的憩流。滩面各测点的水位资料与横沙水文站同期资料具有一致性,为水文资料系列展延提供有利条件。 2.根据实测数据构建了系列潮滩水动力模型:1)水深预报模型,以横沙水文站为参证站,预报各测点的瞬时水深;2)流速模型,以最大水深为参数,分别预测测点涨潮和落潮期间的最大流速、平均流速;3)滩面测点垂岸流速模型,以瞬时水深为参数,预测瞬时流速,得到各潮次流速过程线;4)总水通量模型,以各潮次最大水深为参数,估算大潮潮次的总水通量。经过F检验,模型2)的置信度优于0.05,其它都优于0.01。各类水动力模型预测的数据,与后期实测数 华东帅范人学博上学位论文 摘要 据吻合良好。 3.潮滩悬沙浓度随时间变化规律与水动力特征一致:光滩悬沙浓度在涨潮初 和落潮末出现峰值,呈现“双峰型”特征;欲沼前缘带和潮沟冬、春季节呈现“双 峰型”,夏、秋季节落潮末峰值没有出现,呈现单峰特征;盐沼带四季呈现单峰 特征。潮滩悬沙浓度季节变化明显,秋季最大,冬季最小,春夏两季次之。光滩 和盐沼前缘带悬沙平均浓度相当,而盐沼仅为同期光滩和盐沼前缘带的1/4左右。 由于测点位置和泥沙来源不同,悬沙时空分布存在差异:潮滩悬沙浓度盐沼前缘 带北侧远远大于南侧,同期潮次中北侧平均盐度高于南侧7倍:冬、秋两个季节 北侧悬沙浓度比南侧大10多倍。 4.潮滩悬浮泥沙通量变化取决于水动力特征,光滩在涨潮初和落潮末都出现 峰值,具有“双峰型”特征,涨潮流从光滩向上传递时,沿程通量有所下降:由 于植物和归槽水量的影响,落潮流从盐沼流向光滩的过程中,盐沼和盐沼前缘带 落潮末峰值不明显。根据实测资料和水动力数据整理的基础上,建立了垂岸泥沙 总通量汤模型和净泥沙通量纵模型,经过F检验,模型的置信度优于0.01。 模型显示泥沙总通量不仅与最大水深指数和平均流速等水动力因子有关,还与泥 沙浓度有关;净泥沙通量不仅与水动力因子和泥沙浓度有关,还与优势流特征有 关。由于崇明东滩受涨潮优势流控制,从光滩到盐沼优势流指数从52.7%增加到 84.0%,导致潮滩泥沙长期净向岸输移。 5.从各潮次泥沙净通量累积计算,分析得到潮滩冲淤变化,由泥沙输移率的 时间积分获得潮滩泥沙净通量。参考国外有关潮位变率的研究成果,提出了光滩 泥沙输移率模型和考虑植物影响的盐沼泥沙输移率模型,经过F检验,模型的置 信度优于0.01。模型显示泥沙输移率与潮位变率、水动力因子成正比,与滩面坡 度成反比。按照772个潮次的泥沙净通量计算,潮滩各带年淤积厚度分别为:光 滩8.70耐a,盐沼带6.73c而a,芦苇带1.30c而a;月淤积量的季节变化分别为: 光滩7月最大,达1.86cm,n月冲淤平衡;盐沼带9月最大,为1.31 cm,12 月最小,为0.06 cm;芦苇带分布较均匀,8月最大,为0.13 cm,l月最小,为 0.07 cm。根据滩坡平衡原理,求出滩面各带的淤涨速率,平均为100一120n口a, 符合利用地形图分析得到的结论。 华东师范人学博士学位论文 摘要 6.借鉴乔木生态价值评估方法,采用生物量相当原则,分析了潮滩生态价值, 并估算了围垦土地开发的收入,显示短期内土地开发收入超过生态价值,但长远 期生态价值远大于围垦开发收入。目前,崇明东滩已被围垦到盐沼外缘,直接导 致潮滩生态价值降低。而潮滩牧牛将降低淤涨速度17%,造成潮滩生态价值和土 地收入双重损失。通过综合计算,崇明东滩宜于20年后再进行围垦,一次得到 30km2土地,这样可以最大限度地保护潮滩的生态
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