长江口潮滩水动力过程及TN、TP动力输移

【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而复杂。氮、磷是湿地生态系统中重要的生源要素，是植物生长繁殖不可缺少的营养元素，但过剩的氮、磷元素可导致水体富营养化。在水动力作用下，氮、磷元素在潮滩上发生动力输移，并与沉积物之间进行复杂的吸附、释放和交换行为。 河口潮滩营养元素的输移、循环研究，引起了国内外学者的重视，主要从地球化学角度进行了大量有益的探索。但对由潮滩水动力引起的营养元素动力输移研究十分有限，阻碍了完整潮滩营养元素输移、循环模型的建立，影响了河口海岸带物质循环研究的进展。 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、地球化学要素，获得了水位、流向、流速、TN及TP等指标6000多个实测数据，着重对长江口潮滩水动力过程、TN和TP的动力输移过程进行研究。得到如下结论： (1)以长江口崇明东滩敞开型潮滩为研究对象，设置了两条代表性断面，实测了四个季节的水文要素，获得了包含水位、流向、流速等指标数据。分析得到了潮滩水动力基本特征：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，盐沼前缘带则冬、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，潮沟内过程线为“双峰型”；各测点流向均呈现回转流特征，在高水位时流向迅速改变，不存在明显的憩流。垂岸潮流在潮滩浅水区域占主导地位。 (2)TN浓度变化幅度平缓，单个潮次及临近大小潮之间的TN浓度相差不大，南侧测点平均TN浓度在1.07—2.80mgL~(-1)。TN浓度季节性变化受长江径流N素输送量的控制，夏、秋两个季节的TN浓度较大，而春季较小。潮流扰动和水-沉积物界面的氮素交换是影响上覆水体TN浓度的主要因素。涨潮初和落潮末潮流对滩面的强烈扰动会导致滩面沉积物及间隙水中氮的释放，造成上覆水体中TN浓度的迅速升高。盐沼地区水动力条件较弱，滩、水间氮素交换控制着上覆水体中TN浓度的变化。TN瞬时浓度和悬沙浓度及流速之间并没有十分显著的相关性，说明TN中颗粒氮的含量很少。 (3)TN总通量变化幅度很大，秋季通量明显高于其他季节，夏季、春季次之，冬季最小。TN净通量各测点差异较大，光滩测点在夏季大潮出现负值，氮素向海输出，其他季节均为正值；盐沼前缘带则在冬季某些潮次出现负值，其余均为正值。总体上氮素在潮滩上积聚，成为河口重要的氮库。相关性分析显示TN通 量与流量、最大水深和流速等潮滩水动力因子关系密切，说明平静天气条件下， 潮滩IN通量受到潮流水动力条件的控制。 (4)基于实测数据，建立了预测平静天气条件下潮滩TN通量的经验模型，l) 通过流量预测TN通量，2)通过最大水深预测IN通量，3)综合流量、最大水 深和TN浓度预测TN通量。据模型显示，TN总通量和净通量与流量成线性关 系，与最大水深成指数关系。经F检验，模型置信度均优于0.05。 (5) TP浓度的变化趋势与流速的变化趋势相似，光滩上TP浓度曲线具有“双 峰型”的特点。盐沼前缘带在冬、春季节呈现“双峰型”，夏、秋季节落潮峰值 消失，呈现“单峰型”特点。南侧测点平均TP浓度在0.128一1 .o33mgL一，，北侧 测点在0.1 39一1 .257mgL一’，TP浓度的变化幅度较大。TP浓度秋季最高，春季、 夏季次之，冬季最小。PP占丁P的91%以上，PP和TP之间有着极好的线性相 关。DP所占的比例很小，但DP的绝对浓度变化很小，平均值为。.040mgL’’。 滩、水间的磷素交换对TP浓度的影响不大，但可以造成浅水阶段DP的高值。 TP瞬时浓度和悬沙浓度之间存在良好的线性关系，和流速之间也存在着密切联 系。 (6)TP总通量季节变化明显，秋季最大，春季次之，冬季和夏季较小。光滩 TP净通量春季、秋季均为正值，秋季明显大于其他季节，夏季的大、小潮次和 冬季的一些大潮出现了较小的负值。盐沼前缘带除了冬季出现较小的负值外，其 他季节均为正值，秋季大于其他季节。总体上磷素随悬浮泥沙一起在潮滩发生积 累，成为河口重要的磷库。相关性分析显示，TP通量与流量、最大水深和流速 等水动力因子关系密切，同样说明在平静天气条件下，TP通量受到潮流水动力 条件的控制。 (7)基于实测数据，建立了预测潮滩高水位阶段TP瞬时浓度的经验模型，模 型显示TP浓度与流速的平方和最大水深的1.5次方成正比，与瞬时水深成反比。 同时建立了预测平静天气条件下TP通量的经验模型，l)通过流量预测TP通量， 2)通过最大水深预测TP通量。据模型显示，TP总通量和净通量与流量成线性 关系，与最大水深成指数关系。经F检验，各个模型的置信度优于住05。3)建 立了各个潮滩带的瞬时垂岸TP输移率的预测模型，并计算了2002年全年TP净 通量，结果表明盐沼带是磷素大量汇集的区域，净通量达到84kg盯’犷，光滩带 略小达到70 kgm一’