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《中国海洋大学》 2011年
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连云港近岸海域沉积物再悬浮及悬沙动力研究

张存勇  
【摘要】:沉积物再悬浮是一个比较普遍的物理现象,“波浪掀沙、潮流输沙”是淤泥质近岸海域泥沙运动的主要机制。沉积物再悬浮直接关系到生态环境变化、地貌演变、物质循环、人类的生存空间和社会的可持续发展。揭示再悬浮作用的过程和机制是沉积动力学研究领域的一个重点和难点问题,许多问题尚待深入研究。本文以沉积物再悬浮交替发生、形态变化较明显的连云港淤泥质近岸海域为研究对象,运用小波分析、悬沙通量机制分解、悬沙颗粒级配分析与数值模拟等方法,依据连云港近岸海域夏冬两季4次大中潮不同天气状况下多站同步实测水文泥沙数据进行了沉积物再悬浮及悬沙动力方面的综合分析,研究了淤泥质近岸海域泥沙再悬浮及其动力机制。主要内容和结果如下: 1.连云港近岸海域悬沙浓度时空变化规律明显。在时间域中,悬沙多以浓度峰的形式出现,并往往集中在某一深度内,悬沙由海底向上扩散的程度也不同。夏季近岸悬沙浓度峰一般在距底2m内,远岸悬沙浓度峰相对较高,具有明显的层化现象;冬季悬沙浓度峰较高,有时出现上下层均匀的现象。在空间上,近岸悬沙浓度较远岸大,随着离岸距离的增大,悬沙浓度有逐渐降低的趋势。在垂向上,悬沙浓度通常随深度增加而增大,大致符合准直线型、斜线型、抛物线型和混合型四种基本变化类型,但变化的幅度不同季节和潮周期有所不同。根据悬沙浓度变化特征,以近底悬沙浓度变化作为沉积物是否发生再悬浮的判定指标,结合水文变化,对泥沙再悬浮现象进行了研究,分析了泥沙的再悬浮与沉降变化过程、动力机制、周期及其影响因素。利用小波分析揭示了悬沙浓度周期性变化主要受控于流速的更迭。 2.运用通量机制分解将悬沙通量分解成多个动力项,分析了不同季节、不同天气状况下潮周期内悬沙通量及其机制分解量变化,定量研究了悬沙运动的内在动力机制,探讨了本地再悬浮和异地再悬浮。结果表明,连云港近岸海域悬沙通量中主要动力分项是平流作用和潮泵效应。平流作用在整个潮周期内显著,其方向同涨潮流方向基本一致。潮泵效应在近岸显著,是悬沙浓度周期性变化的主要因素,主要向岸方向输沙,表明悬沙浓度周期性分量以浓度峰的形式在底部向岸输移。 3.沉积物周期性再悬浮和沉降使部分泥沙颗粒进入或脱离悬浮状态必然导致悬沙级配的变化,悬沙级配的时空变化蕴含着再悬浮和沉降的重要信息。根据实测悬沙粒度特征,利用悬沙级配反演了再悬浮和沉降过程,分析了悬沙级配特征及其动力响应,定量计算了底层中粗粒级再悬浮量。结果表明,连云港近岸海域悬沙级配变化在潮周期内表现为细颗粒主峰的波动变化和粗颗粒小峰的出现和消失。统计发现不同站位大部分细颗粒主峰峰值位于7phi,随时间的变化,级配曲线偏向粗方向或者偏向细方向,粗颗粒小峰峰值通常发生在4phi以下。悬沙级配曲线的变化是水动力作用下泥沙再悬浮和沉降的结果,粗峰为底层沉积物再悬浮的具体表现,据此估算出粗颗粒在底层再悬浮量。 4.提出一个波流共同作用下底切应力的简化表达式,并利用底切应力法分别计算了潮致再悬浮通量、浪致再悬浮通量和波流共同作用下的再悬浮通量。结果表明,波流共同作用下的再悬浮通量变化范围大于潮致再悬浮通量和浪致再悬浮通量变化范围,但不是两者的简单叠加。 5.波浪与悬沙浓度的关系表明,悬沙浓度的变化趋势和波高变化趋势基本一致,两者有一定的时间滞后,悬沙浓度的周期性变化受潮流周期变化影响显著,波浪作用使悬沙浓度的周期性变化与潮流周期性变化之间的规律变差。 6.通过三维悬沙数值计算,探讨了不同动力因素与悬沙浓度变化之间的相互关系,研究了波浪掀沙、潮流输沙这一过程中的泥沙再悬浮及其机制,分析了波浪作用对沉积物再悬浮的影响。结果表明,连云港近岸海域潮流和波浪都能导致底部沉积物再悬浮,波浪因变形对近岸泥沙的再悬浮作用显著,是将床面泥沙掀起的主要动力。 这些研究较为系统地展现了连云港近岸海域沉积物再悬浮过程及其悬沙动力行为,取得了一些定量结果和一些新的认识,揭示了有关机制,科学地解释了一些区域自然现象,丰富了陆海相互作用过程和现代沉积动力学理论,对海洋开发和工程实践也具有科学指导意义。
【学位授予单位】:中国海洋大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2011
【分类号】:P736.21

【引证文献】
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