台湾浅滩沙波动力特征研究

【摘要】海底沙波影响着海底床的粗糙程度、水流状况乃至于影响沉积物的输运,随着海洋开发进程的发展和人类对海洋资源利用的提高,人们发现近岸海底沙波的迁移对港口、航道和海底电缆、海洋钻井、油气管道等海洋工程设施造成极大危害。因此,了解海底沙波的动力地貌特征有助于我们减小上述的潜在危害,同时还能提高对海底沉积物运移的认识,为区域海洋经济发展、减灾防灾、科学研究、环境保护以及国防安全提供科学依据。本论文的研究对象为台湾浅滩海底沙波,数据基于国家海洋行业公益性项目“珠江口、台湾浅滩地形变化监测管理保障系统”子任务——台湾浅滩示范区海底地形探测与时间序列变化研究项目及国家自然科学基金项目在台湾浅滩选取典型示范区所获得的水深数据、浅地层资料、水动力资料及表层沉积物资料。分析台湾浅滩中部典型示范区海底沙波的位置、波高、波长等时空分布特征,细化海底次级沙波分类模式,综合分析区域地质构造、沉积类型以及水动力特征,并结合历史资料和前人研究成果,探讨台湾浅滩研究区海底沙波动力特征。论文包括以下几个方面研究内容：(1)海底数字地形模型(DTM)：研究海底沙波特征,由实际测量水深数据入手,根据研究区多波束测得水深数据构建研究区海底地形的数字地形模型,利用数字地形模型可直观反映区内水深地形变化情况,以了解海底沙波特征。(2)主级沙波特征及走向分析：基于海底地形DTM,依托先进的软件制图技术,绘制区内地形等深图及相关剖面图。根据等深线变化规律及水深分布特征对研究区主级沙波进行划分,研究其波高、波长、位置等时空分布特征,绘制主级沙波波峰线图,从而把握研究区主级沙波走向分布规律。(3)次级沙波类型划分及类型体系建立：基于研究区精细海底地形DTM,进一步划分发育于主级沙波之间的众多次级沙波,细化海底次级沙波的分类,通过分析其不同的沙波分布形态,提出台湾浅滩海底次级沙波的不同发育类型模式,同时分析其各种类型特征。(4)海底沙波动力特征分析：结合所获得的研究区海底沉积物采样及ADCP走航和定锚两种方式采集的水动力资料,以分析海底沙波的动力特征。(5)海底沙波成因分析：根据研究区相关资料(如水深因素、海洋动力因素、海洋沉积等相关因素),分析出研究区海底沙波地形与这些因素相互之间的响应机制,研究其成因及发展规律。通过对台湾浅滩东西两侧研究区的断面调查、西侧研究区中部重点区细分详查区全覆盖调查和详查区重复调查(台风前后和1年时间间隔)、横穿台湾浅滩SE-NW向分布的大面监测剖面调查(台风前后和1年时间间隔),获得了台湾浅滩较为详细的大面及区域跨时间、事件尺度的地形资料,结合研究区水动力特征数据、沉积物资料和浅地层剖面资料的获取以及区域海洋动力条件等因素,细致描述了台湾浅滩东西两侧断面研究区海底沙波波峰走向、沙波分布特征分区及沙波形态特征,依据详查区全覆盖资料进一步细分出次级沙波及其发育模式。经过2年3次的重复区调查和监测剖面测量,讨论了沙波及其区域随单个台风影响及台风影响后1年时间尺度的变化特征。特征分析获取数据及联系历史资料,总结台湾浅滩沙波成因,分析台湾浅滩沙波区动力环境影响,对特殊动力环境影响和常规动力影响分别讨论,提出台湾浅滩特殊动力环境影响和常规动力影响下不同沙波及区域发育演化模式。论文研究得出以下几点主要结论：(1)台湾浅滩海底沙波主要为直线性展布,根据海底沙波发育走向主要可以分为3个区：台湾浅滩东部沙波波峰线NE-SW走向区,中部沙波波峰线E-W走向区,西部沙波波峰线SE-NW走向区。台湾浅滩的东研究区、西侧研究区分别分布与台湾浅滩中部沙波走向变化区和浅滩东南部沙脊地形发育区,具有台湾浅滩海底地形和海底沙波发育的典型特征和形态。西侧研究区海底地形以沙波地形为主,地形起伏变化稳定,规律性较强,区内主要发育有主级沙波和次级沙波,主级沙波波峰线呈现近EW向、SE-NW向线性分布。浅地层剖面显示波峰、波谷区海底地层均呈平行分布,层序性较好,海底沙波相互结构相对较为稳定；次级沙波发育于台湾浅滩相邻主级沙波之间的波谷区,以呈直线型和弯月型分布,次级沙波的波峰线根据其发育位置的不同,发育形态相异。发育位置主要相对于两侧主级沙波可划分为平行分布型、斜交分布型和发散分布型3种分布类型的分布特征。西侧研究区海底沙波整体呈现北部密集、南部稀疏的分布特征。根据沙波走向和空间上的相互组合关系可分为：1)沙波分布较为密集,呈平行和枝杈状分布的北部沙波区；2)各沙波孤立发育,且稀疏平行分布的南部发育区。统计发现约有85%的单个主级沙波的北坡坡度大于南坡。E-W向展布的平行型主级沙波(双峰分布的主级沙波),87%的平行型主级沙波中南侧沙波北坡比南坡的坡度比小于北侧沙波北坡比南坡的坡度比,其中北坡比南坡的坡度比小于1的位置占整个西侧研究区主级沙波北坡比南坡的坡度比小于1总数的77%,属于主级沙波北坡坡度小于南坡形态发育的集中区。东侧研究区处于台湾浅滩东南部海底沙脊地形发育区,主级沙波与巨大起伏的海底沙脊地形相伴发育,主级沙波与西侧研究区相似,主级沙波的波峰线非常清晰,走向及分布位置特征存在较为明显的区域性差异。整体呈现出北部较为密集、南部稀疏的分布特征。根据主级沙波发育分布的疏密情况可划分为：北部主级沙波稀疏区；南部主级沙波密集区,同时其又在区内的三脊二槽结构的潮流沙脊体系下细分为3个主级沙波发育亚区。统计发现西侧主级沙波研究区单个主级沙波南北部坡度对比约有95%的北坡坡度大于南坡。(2)西侧研究区的重复区2年3次重复测量显示海底主级沙波分布、走向未改变,次级沙波的次级沙波斜交分布和衍射分布形态走向也未改变。特征剖面对比显示沙波(主级沙波和次级沙波)的高度、波长、两坡坡度有所变化,主要为沙波波高受台风影响发生侵蚀以及后期的同淤作用,表现出高——低——高的过程特征；在这沙波高度变化的过程中,波峰位置发生位移,促使波长发生细微变化；同时波峰高度回淤过程伴随波谷侵蚀,使得沙波两坡坡度变大,波峰尖化。主要表现特征为：整个研究区海底沙波形态特征相对较为稳定,未现明显变化。2012年台风前后监测剖面对比发现,经过台风后整体均处于侵蚀状态,台风作用的中心位置西侧剖面基本现侵蚀特征,偶见主级沙波位置出现剧烈侵蚀和少量淤积,而在台风作用中心位置以东侵蚀作用明显加剧,且台风中心右侧区域的侵蚀量大于左侧区域侵蚀量。台风后1年时间对比发现整体除台湾浅滩东西边缘有少量侵蚀外,其余部分多属淤积区。以台风中心为界点东侧区淤积量大于西侧区淤积量,刚好与台风作用结果相反。(3)台湾浅滩研究区水深适宜,为发育5-25m的主级沙波提供了承载空问。东侧研究区和西侧研究区主级沙波波峰走向与研究区主要受规则半日潮流作用的M2分潮流椭圆长短半轴方向相互耦合。定锚测得底层海流主流向为SN向,最大流速达到96cm/s,平均流速约44cm/s,M2分潮流椭率绝对值0.3的往复流作用于海底沙波,为研究区形成直线形主级沙波提供有合适的水动力条件。加之台湾浅滩研究区平均粒径、分选系数、偏态等对应性较好的表层沉积物以及台湾海峡两岸的福建广东沿岸和台湾省西岸均有大量的的入海河流,经过这些河流每年有大量的泥沙随河流流入台湾海峡的泥沙构成了台湾海峡表层沉积物的基本来源,再加之台湾浅滩本地丰富的底质砂质沉积物作为物源供给为台湾浅滩海底沙波底形发育形成提供了物源条件。(4)结合台湾浅滩整体受台风事件的特殊水动力环境影响,整体受到侵蚀作用且侵蚀量较大,台风作用中心位置以东侵蚀作用加剧,监测剖面上台风右侧区域的侵蚀量明显大于左侧区域侵蚀量及台风事件后研究区主体在常规动力环境影响呈微淤积作用过程,剖面对比表明淤积大多处位于沙波波峰及背流处,对比监测剖面1和监测剖面2以台风中心为界点东侧区平均淤积量大于西侧淤积量,且监测剖面1的西侧区整体呈现由外向台风中心点淤积量逐渐减少的特征。提出台湾浅滩的特殊动力环境影响模式和在台风作用后1年时间的常规动力环境影响下整体回淤及沙波侵蚀变化模式两种发育变化模式：1)台湾浅滩在台风作用下的特殊动力环境影响模式：台风的气旋作用直接加剧了浅滩区潮流流速,使得原潮流沙波动态平衡被打破,海底沉积物在高速潮流下发生离散输沙,台湾浅滩整体发生侵蚀。台风影响时的区域主导潮流流向决定着台风影响中心左右侧的侵蚀程度,主导潮流流向与气旋方向一致,侵蚀加剧；主导潮流流向与气旋方向相反,侵蚀减弱。2)台湾浅滩在台风作用后1年时间的常规动力环境影响下整体回淤及沙波侵蚀变化模式：常规动力环境的影响下台湾浅滩沉积物回淤辐聚,淤积量与侵蚀量对应,大侵蚀量需求大淤积量,小侵蚀量需求小淤积量,相邻的大侵蚀量区域的小侵蚀量区域会向大侵蚀量区域横向输沙以维持整体动态平衡,从而出现相邻于大侵蚀量区域的小侵蚀量区回淤少,甚至不淤积或侵蚀的现象,形成台风后侵蚀热点。而沙波形态主要经历台风特殊动力环境影响侵蚀(波峰、波谷侵蚀),常规动力环境影响恢复(沙波波峰重塑)的移动过程,当回淤量不能满足波峰淤积重塑量的时候,整个沙波系统出现削谷推峰的自我调节,以维持沙波和潮流动力响应。这些台风作用引起的特殊水动力条件搅动海底破坏削蚀了海底沙波,沙波波高骤降,形态严重破坏。当特殊条件过去,水动力条件恢复成常态,海底沙波又在常规水动力条件下进行沙波形态重塑,逐渐恢复至极端条件前的形态。印证了前人关于台湾浅滩既有残留沉积特征,又有现代沉积特征,现代过程受潮流和风暴的双重影响的研究。根据文中实测剖面的波峰高——低——高的过程,系统概括了台湾浅滩沙波侵蚀——淤积重塑过程的研究,并总结出台湾浅滩海底沙波发生迁移的有效模式。
【作者】鲍晶晶；
【导师】任建业；
【作者基本信息】中国地质大学，海洋地质，2014，博士
【关键词】台湾浅滩；海底沙波；动力影响特征；

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