ADP和OBS观测支持下的长江口悬沙动力过程研究

论文摘要

悬沙是营养物和污染物的输运的主要载体，悬沙运动又是地形冲淤的重要机制。因此，悬沙运动（特别是高浊度水体）的研究在生态、环境、工程和管理方面都具有重要意义。 长江口是世界级重要河口。它不仅是世界上第四大输沙、第五大径流、第一大人口流域的出水出沙和污染物排放的通道，而且肩负着为国际大都市上海提供后备土地资源和世界级大港提供深水航道的重任。长江口与悬沙有关的问题近期显得尤为突出。一方面，由于三峡大坝等一些重大水利工程的实施，长江入海悬沙量出现急剧下降，导致河口三角洲从迅速淤涨逐步向侵蚀转变。另一方面，河口三角洲一些重大工程正在和计划上马，如北槽深水航道工程、青草沙水库、十一五至十三五大面积的滩涂促淤和圈围计划等。这些实际的需求和科学问题本身都要求对高浊度长江口的悬沙运动规律做深入的研究。 悬沙浓度变化的规律和机制是悬沙运动研究的重要组成部分。传统的悬沙浓度观测主要是取水样进行室内分析。尽管该方法具有直接得出悬沙浓度的优点，但取样的时间（通常1h）和空间（通常6点或3点法）间隔较大，容易遗漏悬沙浓度变化的峰值。长江口传统的与悬沙运动相关的动力过程也通常是用直读式流速仪进行6层（或3层）、1h间隔的观测，潮间带动力泥沙观测的技术含量甚至更低。用先进的光学（如OBS）和声学（如ADCP／ADP）等仪器进行悬沙浓度和相关动力的观测研究正在成为一种国际潮流。但是，由于仪器在发展过程中的不断改进和研究区之间自然过程的差异，在运用这类仪器进行某一区域的研究时，仍然有许多值得探索的问题。 南槽是长江口主要的水沙交换通道之一，受人类活动影响较小。崇明东滩是长江口最具代表性和利用潜力最大的滩涂。本文选取这两个地点作为研究对象，利用OBS和ADP等先进仪器获取高密度的悬沙浓度和相关动力的第一手资料，旨在加深对长江口“滩”和“槽”的悬沙运动规律和动力机制的认识，并为相关的管理决策和工程活动提供理论支持。 论文获得的较具新意的认识和结论有：（1）对OBS-5设置1s间隔进行河槽实时准同步垂向剖面观测，获得较之6点法更为真实的悬沙浓度垂向剖面；其Far参数在推算悬沙浓度方面可弥补其观测浊度（Turbidity）不能超过500 NTU的不足，即OBS-5同样可用于长江河口最大混浊带高浊度水体。（2）对ADP悬沙估测半经验模型进行分层标定，可取得较高观测精度；ADP补偿后的声强信号与OBS浊度之间具有较好的正相关关系，用OBS浊度标定ADP补偿后的声强信号，从而反演出水体悬沙浓度时空变化。（3）南槽最大浑浊带向陆一侧悬沙浓度的潮周期变化，同时受到平流作用（Advection）和流速变化引起的沉降—再悬浮过程的控制，一个潮周期中的悬沙浓度峰值往往与流速峰值相偏离。这一点对基于流速来模拟悬沙浓度的潮周期变化具有参考价值。（4）强风可打破研究区悬沙浓度的大、小潮周期变化格局，即小潮期间若出现明显强于大潮的风浪，可出现悬沙浓度高于大潮的现象。因此，在模拟研究区悬沙浓度的变化时，风浪是需要考虑的重要因子。（5）目前，虽然长江流速来沙量急剧下降，但由于水下三角洲冲刷导致的泥沙再悬浮，使涨潮进入浅滩的悬沙浓度仍然维持在较高水平（例如崇明东滩观测到的悬沙浓度通常高于1g／1），这对滩涂的促淤是有利的。今后，对长江河口前沿潮滩进行合理的促淤，是解决上海滩涂资源可持续利用的有效途径之一。

论文目录

• 中文摘要
• ABSTRACT
• 符号及单位
• 附图说明
• 附表说明
• 第一章 引言
• 第二章 国内外研究现状评述
• 2.1 沉积动力学研究方法
• 2.2 现场悬沙观测方法
• 2.2.1 传统方法
• 2.2.2 光学方法
• 2.2.3 声学方法
• 2.3 长江河口泥沙过程研究
• 2.3.1 潮滩悬沙研究进展
• 2.3.2 南槽最大浑浊带悬沙研究进展
• 第三章 研究区概况
• 3.1 长江流域概况
• 3.2 长江河口概况
• 3.3 长江河口动力因子
• 3.3.1 河流作用因子
• 3.3.2 海洋作用因子
• 3.3.3 大气作用因子
• 3.3.4 口外流系
• 3.4 标志性河海作用界面
• 3.5 河口泥沙来源
• 3.5.1 流域来沙
• 3.5.2 河口段区间来沙
• 3.5.3 口外海滨来沙
• 3.6 河口最大浑浊带
• 3.7 河口前沿潮滩
• 第四章 研究方法
• 4.1、实验设计
• 4.1.1 设计理念
• 4.1.2 实验仪器设置
• 4.1.3 现场观测
• 4.1.4 样品分析与数据处理
• 4.2 实验结果与讨论
• 4.2.1 OBS悬沙观测实验
• 4.2.2 ADP悬沙观测实验
• 4.2.3 OBS与ADP联合观测实验
• 4.3 本章小结
• 第五章 南槽悬沙浓度的时空变化
• 5.1 现场观测
• 5.2 观测结果
• 5.2.1 流速变化
• 5.2.2 盐度变化
• 5.2.3 悬沙浓度变化
• 5.3 讨论
• 5.3.1 平流作用及盐水异重流对悬沙浓度影响
• 5.3.2 滩槽泥沙交换对悬沙浓度影响
• 5.3.3 盐度、动力（水）絮凝对悬沙浓度影响
• 5.4 本章小结
• 第六章 崇明东滩潮间带悬沙动力过程研究
• 6.1 材料与方法
• 6.1.1 现场观测
• 6.1.2 室内分析
• 6.1.3 浊度与声强信号标定
• 6.2 观测结果
• 6.2.1 风
• 6.2.2 波浪
• 6.2.3 潮流流速
• 6.2.4 悬沙浓度
• 6.3 讨论
• 6.3.1 风对潮流和水沙输移影响
• 6.3.2 流速和波浪对悬沙浓度及输移的影响
• 6.4 本章小结
• 第七章 主要结论和有待深入的工作
• 7.1 主要结论
• 7.2 创新与不足
• 7.3 有待进一步研究的方面
• 参考文献
• 附录1 攻读博士学位期间完成学术论文、论著与获奖
• 附录2 攻读博士学位期间参加的科研课题与主要野外科研调查
• 致谢