长江口门附近海域悬沙时空变化和输运研究

【摘要】悬沙是河口(特别是高浊度河口)水体的重要物质组成之一。悬沙的空间分布、时间变化和输运对河口和相邻海域的生态环境和工程具有重要意义。尽管国内外对河口悬沙做过大量研究,但是鉴于径流、潮流、波浪、沿岸流和人类活动多因子和多尺度的复杂影响以及不同河口的自然背景差异,河口(尤其是口门水域)悬沙时空变化规律和输运机制的研究还有待深入。本文以长江口崇明岛向海侧近岸水域9个不同测点(从潮间带至20m水深)上18个测次(非风暴天气条件下)的实测资料为基础,探讨悬沙浓度和粒径的垂向剖面特征和变化规律；揭示悬沙浓度和粒径变化的周期性(潮周期、大小潮和季节性)和趋势性(悬沙浓度对流域来沙减少的响应)；通过计算和对比水动力剪切应力及底床沉积物临界侵蚀剪切应力,初步探讨水体和底床泥沙交换的的动力机制；通过单宽输水、输沙量分析,了解泥沙的水平净输运方向和通量。主要的结果和结论有：(1)悬沙浓度的垂向变化。402条单一(即瞬时测量)悬沙浓度剖面形态类型多种多样,可分为“L”型、阶梯型、斜上凹型、斜上凸类型、“S”类型、反“S”类型、斜线型、垂向准直线型、“弓”型等9种基本类型,它们只占总剖面数55%,另45%的剖面是过渡类型。但是,402条单一剖面的平均剖面呈现显著非线性向下(自表层向底层)增大的趋势(越向下增长率越大)(R2=0.99)。基于平均悬沙浓度剖面的近底层悬沙浓度和表层悬沙浓度的比率(R近底床/1H)为2.8,与欧洲学者提出的该比值的假定值3相近)。传统的Rouse公式不能很好地拟合本研究区的平均悬沙浓度剖面,但本文在Rouse公式基础上改进的一个新公式与实测剖面之间的相关系数R2达到0.99。(2)悬沙粒径的垂向变化。尽管41条单一悬沙粒径剖面变化复杂,但其平均剖面呈显著线性向下变粗趋势(R2=0.99),平均剖面上底层悬沙粒径(7.2μm)是表层悬沙粒径的1.6倍。这表明,悬沙浓度的向下增大趋势中包含粒径向下增大的贡献。(3)悬沙浓度变化的周期性和趋势性。潮周期内悬沙浓度变化明显,不同测点和测次的潮周期内变化特点存在一定差异,落急时段出现悬沙浓度极大值,而涨憩时段会出现悬沙浓度极小值,反映潮周期内不同阶段潮动力、径流-潮流相互作用和垂向混合差异的复杂影响。大潮悬沙浓度通常大于小潮悬沙浓度,不同测点和测次的大、小潮悬沙浓度值为0.05～3.10g/l,平均0.36g/l；主要原因是大潮流速明显大于小潮。枯季悬沙浓度一般大于洪季,测点H枯/洪季悬沙浓度比值为1.62,主要原因是洪季径流的稀释作用大于枯季(径流的悬沙浓度明显低于口门研究区悬沙浓度)以及枯季风浪引起的泥沙再悬浮作用大于洪季。目前研究区的悬沙浓度与三十年前相比下降了约25%,反映研究区对流域人类活动引起的长江入海悬沙通量下降有敏感响应。(4)泥沙沉降-再悬浮的动力机制。潮流剪切应力(τc)与流-浪联合剪切应力(τcw)之比值均大于0.82,说明在非风暴天气条件下研究区的水动力以流为主。τcw既有大于(底床沉积物的临界侵蚀剪切应力τcr的时间段(约48%),也有小于τcr的时间段(52%),说明研究区底床和水体之间存在频繁的泥沙交换过程。但是,τcw与悬沙浓度之间的统计相关性不显著,说明潮周期内悬沙浓度的时间变化可能主要受平流作用而不是受局地剪切应力引起的泥沙沉降-再悬浮影响。波浪在研究区内沉积动力的贡献率随着测点水深的减小而增大。(5)悬沙的输运。从表层至底层减小的流速剖面和向下增大的悬沙浓度剖面导致作为两者乘积的悬沙输运率剖面具有不确定的垂向变化趋势：最大悬沙输运率可出现在表层、底层或中层,以中层较为普遍。各测点和测次的潮周期余流速变化于0.07和0.28m/s之间。近口门测点的水沙净输运方向主要为东向(即向海),反映径流的控制作用。在口门以外40～50km的测点水沙净输运方向受风向的影响较大,有时表现为南向或北向,反映风生流的影响。
【作者】刘建华；
【导师】杨世伦；
【作者基本信息】华东师范大学，自然地理学，2014，博士
【副题名】以崇明东滩附近海域为例
【关键词】悬沙浓度；粒径；时空变化；泥沙输运；水动力；长江口；

【参考文献】
[1]刘郅媛.聚天门冬氨酸酯聚脲涂层失效行为的EIS研究[D].北京化工大学,材料科学与工程,2013,硕士.
[2]张永良,刘超凡,肖刚,方珊珊.基于曲波纹理分析和SVM-KNN分类的假指纹检测算法[J].计算机科学,2014,12:303-308.
[3]阮维遵.健脾补肾泄浊法治疗慢性肾衰竭的临床研究[D].广州中医药大学,中医内科学（专业学位）,2014,博士.
[4]安二明.小产权房流转的法律障碍及对策分析[D].北京交通大学,2013.
[5]奚华峰.互馈式地面牵引系统成套试验技术研究[D].西南交通大学,车辆工程（专业学位）,2012,硕士.
[6]张妍.基于HVS特性的无参考图像质量评价[D].西安科技大学,计算机技术,2014,硕士.
[7]沈文旭.情报传输网络中流量识别技术研究与应用[D].吉林大学,网络与信息安全,2014,硕士.
[8]冯晓青.维生素D对化学物致DNA损伤保护作用的实验研究[D].苏州大学,卫生毒理学,2012,硕士.
[9]付亚威.企业文化激励因素对知识型员工忠诚度的影响研究[D].燕山大学,企业管理,2014,硕士.
[10]丁雪.湖南浏阳市镉污染社会问责问题研究[D].辽宁大学,行政管理,2012,硕士.
[11]阿睦（AhmadMuradBinAbdulHalim）.马来西亚政府出口支持计划的实证研究[D].对外经济贸易大学,国际贸易学,2014,博士.
[12]凌林.S100A13 在人骨肉瘤细胞生长侵袭中的作用及机制研究[D].中南大学,临床医学,2014,博士.
[13]郭垚垚.渠首水电站厂内经济运行研究与应用[D].华中科技大学,水利工程,2013,硕士.
[14]关亚楠.己内酰胺—四丁基卤化铵离子液体水溶液吸收SO_2研究[D].河北科技大学,环境工程,2013,硕士.
[15]孙有群.高速公路网能见度测量技术研究[D].中国科学院研究生院（西安光学精密机械研究所）,光学,2013,硕士.
[16]宋俊杰.三峡流域中长期径流预报模型精度评定综合分析及优化方法研究[D].华中科技大学,系统分析与集成,2013,硕士.
[17]谢红.上海市社区协同治理机制研究[D].华东理工大学,公共管理（专业学位）,2013,硕士.
[18]李宏毅,李玲.秉承创新理念的光化技术(1)[J].建筑创作.2005(05)
[19]王正新.时变参数GM(1,1)幂模型及其应用[J].控制与决策,2014,10:1828-1832.
[20]桂翔.城市轨道交通牵引计算仿真系统的研究和开发[D].北京交通大学,2008.
[21]秦天.无线传感器网络中协作策略的研究[D].南京邮电大学,电路与系统,2013,硕士.
[22]于立勇,詹捷辉.基于Logistic回归分析的违约概率预测研究[J].财经研究,2004,09:15-23.
[23]周龙刚.煤层气井水力压裂对煤炭生产的影响[D].中国矿业大学,矿产普查与勘探,2014,硕士.
[24]张焕玲.上海市区肺癌危险因素的人群归因危险度分析[D].复旦大学,流行病学与卫生统计学,2012,硕士.
[25]杨淑英,陈银,周天保,谢震,张兴.低电压穿越过程中双馈风电机组虚拟电感暂态自灭磁控制[J].电力系统自动化,2015,04:12-18.
[26]周起.耦合的三自旋系统的量子动力学[D].湖南师范大学,理论物理,2013,硕士.
[27]何娈.便携式荧光检测装置研究[D].华中科技大学,生物医学工程,2013,硕士.
[28]孙天航.基于PLC和变频器控制的恒压供水系统[J].中外企业家,2015,15:178.
[29]虞剑.复合SDF-1α的组织工程血管支架在小口径人造血管移植和重建中的研究[D].复旦大学,神经外科,2012,博士.
[30]王来高.基于DSP的两相异步电动机SVPWM控制的系统研究[D].合肥工业大学,电机与电器,2004,硕士.
[31]任杰.我国西部农村金融制度绩效与创新研究[D].云南财经大学,金融学,2013,硕士.
[32]杜春红.基于主动视觉机器人行为控制技术研究[D].河北工业大学,机械电子工程,2004,硕士.
[33]杨霖.中国家电产业国际竞争力研究[D].黑龙江大学,国际贸易学,2012,硕士.
[34]白雪.中国P2P网络借贷政府监管问题研究[D].内蒙古大学,公共管理,2014,硕士.
[35]郭刚.自适应神经模糊控制策略在倒立摆系统中的研究[D].太原理工大学,控制理论与控制工程,2004,硕士.
[36]陈致水.连锁经营超市物流配送现代化的研究[D].中南林学院,机械设计及理论,2003,硕士.
[37]孙金宝.天津电视台DVB节目平台中的媒体资产管理系统[J].广播与电视技术.2005(10)
[38]张峰.基于FPGA的GPON-AES的优化实现[D].南京邮电大学,光学工程,2013,硕士.
[39]彭姗姗.考虑公平性约束的危险品运输网络设计研究[D].北京交通大学,运输与物流,2013,硕士.
[40]李青.我国境外经贸合作区区位选择研究[D].天津财经大学,世界经济,2012,硕士.
[41]段忠续.武警特警新兵体能训练方案制定及效果观察[D].天津体育学院,运动人体科学,2014,硕士.
[42]樊颖.“穿越”的意义[D].华中师范大学,传播学,2013,硕士.
[43]李晨玮.少数民族地区劳务输出问题研究[D].兰州大学,区域经济学,2014,硕士.
[44]王凯.桃江县竹产业发展策略研究[D].中南林业科技大学,农村与区域发展,2014,硕士.
[45]贾宝泉.基于纤维素铜氨溶液构建多功能新材料的研究[D].武汉大学,2014.
[46]寿海飞.基于小波分析的齿轮故障诊断研究[D].浙江工业大学,2007.
[47]沈然.中国梦视域下“蚁族”问题研究[D].湖北工业大学,马克思主义中国化研究,2014,硕士.
[48]叶振强,曹炳阳,过增元.石墨烯的声子热学性质研究[J].物理学报,2014,15:303-309.
[49]骆水成.科技指标与科技管理[J].中外管理导报.1989(01)
[50]江丽.球坐标系下基于扇形柱体的地形改正研究与实现[D].中国地质大学（北京）,地质工程,2014,硕士.