滨州贝壳堤岛与湿地国家级自然保护项目研究进展

2024年初,中国地质调查局天津地质调查中心作为联合体牵头人,中标“2023年中央林业草原生态保护恢复资金滨州贝壳堤岛与湿地国家级自然保护区项目”,并承担保护区地质演化与贝壳堤蚀退过程调查与监测任务。该项目旨在重构障壁岛-潟湖湿地地质演化过程.

渤海湾海面变化

【研究目的】海面上升,是渤海湾泥质海岸带地区全新世海陆变化最主要的影响因素。通过重建海面变化历史,有助于预测今后的变化趋势。【研究方法】全球基于实际调查的建模研究,恢复了过去数万年来较高分辨率的海面变化历史、分析了导致这种变化的各类分量的贡献。我们通过地区性相对海面变化研究,着重对地区性和区域性分量或做了定量评估、或进行了半定量推理分析,并做了具体的案例研究。【研究结果】这些研究表明,距今10~7 ka时全球海面平均上升速率是~9 mm/a,同期渤海湾西岸相对海面平均上升速率是~5.6 mm/a。这一较快的上升造成了包括渤海湾在内全球沿海平原海岸线后退(以及渤海海盆-渤海湾可能的数道沿岸堤被淹没)。但是,7 ka至今,全球与冰融水等效海面(ice-equivalent sea level,ESL)的平均上升速率降至~0.64 mm/a;5 ka以来,甚至不再上升。7 ka以来,渤海湾西岸相对上升速率是~0.46 mm/a;5.5 ka之后,进一步减弱到~0.18 mm/a。上述全球和渤海湾西岸海面变化,显示出明显的“二段式”上升特点。以~7 ka为转折点:之前与之后的上升速率相差一个数量级。对于渤海湾西岸而言,叠加在这个长达~7000年的明显减速但仍缓慢上升背景上的,是均衡掀升分量与下沉(新构造下沉+沉积自压实下沉)分量的相互抵消。于是,全球性海面的缓慢上升、区域性均衡调整造成的掀升与局地下沉,这三者的复杂博弈,形成了长达~7000年的、经常受高潮水影响的渤海湾西岸障壁岛型贝壳堤-潟湖盐沼洼地周期性交替的沿海地形地貌格局。1870 CE至今的150余年间,全球海面平均上升速率~1.7 mm/a,近10余年来更加速至3.7 mm/a,渤海湾同时期I堤海岸线向海侧的前凸岸段平均蚀退1~3 km。【结论】我们推断1870CE以来的全球气温上升-海面上升与渤海湾同时期海岸线蚀退可能具因果关系。21世纪全球变暖及因此引起海面~6~8 mm/a上升的预测,是1870 CE至今全球加速升温-海面加速上升的必然延续。从地质学角度,这将导致渤海湾今后的“可容空间”逐步增加,为海岸线-潮间带蚀退、盐沼湿地退化提供条件,从而将可能导致持续了~7000年的贝壳堤障壁岛-潟湖盐沼地貌过程的终止,转入与7 ka之前相似的海面上升加速时的沿岸堤-沿海低地模式。以上基于全球研究及渤海湾实际调查结果做出的推断,将对渤海湾泥质海岸带的中长期发展产生影响。

河北乐亭县祥云岛海域表层沉积物粒度及分布特征

通过对祥云岛近岸海域表层沉积物粒度分析,阐述了研究区沉积物粒级及分布特征,结合现场实测水动力数据,计算分析了研究区沉积动力条件。研究结果表明,祥云岛海域表层沉积物主要分为砂质粉砂(ST)、粉砂质砂(TS)、粉砂(T)和砂(S)四类,表层沉积物粒度中值粒径沿平行于祥云岛岸线方向由东北向西南方向逐渐变粗,垂直祥云岛岸线方向由近岸向远岸方向变细。研究区沉积物平均粒径主要集中在2~10Φ之间,沉积物粒度分布呈现单峰、双峰2种模式。表层沉积物以悬浮搬运为主,沉积物粒度分布特征与水动力条件密切相关,海流周期性的作用使得表层沉积物长期处于悬浮-沉降-再悬浮-再沉降过程中,细颗粒的沉积物不断被再悬浮带走,导致沉积物粒度发生空间上的分异。

基于ASM-IV对波致海床沉积物再悬浮过程研究

波浪是导致沉积物再悬浮发生的主要动力条件之一,通过室内水槽试验利用浊度剖面仪(Argus Surface Meter IV,简称ASM-IV)研究15cm恒定波高的波浪持续作用下沉积物再悬浮的发生过程,试验过程中确立了黄河三角洲地区水体悬沙浓度与ASM-IV所测浊度之间的相关关系,研究了波致海床沉积物再悬浮的发生发展过程,分析计算波致沉积物再悬浮泥沙总量及其通量随时间和空间的变化规律,定量地计算出本次试验中波致悬浮泥沙总量以及液化所导致沉积物再悬浮量及其所占比例。研究发现,波致液化作用是沉积物再悬浮的主要动因,液化悬沙量占总悬沙量的76.4%,本试验对进一步探讨波浪作用下海床沉积物再悬浮过程具有一定的参考意义。

海底沙波分类与演化研究进展

海底沙波普遍存在且严重危害海底工程,成为人们日益关注的热点。为了加深对海底沙波研究的认识,总结论述了海底沙波的分类与成因,重点对海底沙波迁移的预测、观测进行了分析。结果表明,对海底沙波的成因认识逐步加深、分类逐步细化,成因及迁移过程是多种水动力因素共同作用的结果,但形成及迁移的机制至今仍未有系统理论形成。由于缺乏长期观测数据,无法对海底沙波的迁移进行准确预测。今后研究的方向主要是,将理论研究与现场观测紧密结合,设计新的原位长期观测方法,完善预测模型,建立全面的资料数据库为海底基础工程预警。

海底边界层沉积物再悬浮的研究进展

海床沉积物受海洋水体的影响形成海底边界层(Bottom Boundary Layers,BBLs)。上部海水与下部沉积物在BBLs发生着复杂的相互作用,直接影响海底沉积物侵蚀、再悬浮与堆积过程。与此同时,沉积物颗粒可能携带的污染物解析释放,BBLs研究的科学意义与工程应用价值日益突显。海底边界层的范围已经远远超出了传统的流体力学中边界层的范围,而是海床界面上下一定范围内,水流与海床相互作用的区域。在波浪作用下BBLs沉积物以海床剪切破坏、海床液化破坏及震荡体破坏三种破坏模式发生侵蚀再悬浮。此外,海流、风暴潮、人类活动以及海底生物的扰动作用等对沉积物再悬浮起着不可忽视的作用。BBLs沉积物再悬浮原位观测是研究BBLs沉积物再悬浮最基础也是最重要的手段之一,常用的原位测试手段有水体采样、OBS、激光粒度仪、ADCP/ADV以及电法测量。海底悬沙和底沙的交换程度直接影响底层悬沙浓度的变化,沉积物再悬浮的定量分析成为海洋沉积过程研究的主要内容之一。系统地总结前人的研究成果,重点围绕海底边界层理论、海底沉积物再悬浮的影响因素、沉积物再悬浮的原位观测以及海底沉积物再悬浮的定量分析等几个问题进行综合评述。

渤海湾牡蛎礁的研究现状与保护建议

通过对渤海湾西北岸全新世牡蛎礁调查研究现状及成果的梳理,阐述了牡蛎礁的结构特征、时空分布和古环境要素:(1)牡蛎礁和上覆泥质沉积层具有“二元结构”特征;(2)在距今8270年以来,沿北西-南东方向包括现代活体牡蛎礁在内共分为10~14道礁群(其中有4道可视作亚礁群);(3)“礁泥转换”和礁体内部直立的正常建礁层与水平夹层所记录的缓变型和突变型的环境变化信息;(4)确定了牡蛎礁顶板可以作为海面标志点,以礁顶的实测高度、再增加“±0.7 m”的礁顶起伏误差范围,重建当时的海平面;(5)牡蛎壳体的同位素研究揭示了牡蛎生长的年度和季节性变化规律;(6)牡蛎礁体及岭地共同记录了海岸线变迁历史。以此为基础,介绍了牡蛎礁博物馆选址和现代活牡蛎的调查结果。最后,提出了牡蛎礁的保护和利用牡蛎礁进行生态海岸修复的建议。

波流作用下海底边界层沉积物再悬浮与影响因素研究

海底沉积物再悬浮及其分布取决于海洋水动力、沉积物类型与床面形态之间复杂的相互作用,准确地理解和确定沉积物再悬浮过程对于沉积物输运的研究具有重要的意义。本文在祥云湾海洋牧场典型海域开展现场原位观测,获取研究区波浪、海流及悬浮沉积物浓度数据;分析了波、流作用下海底边界层悬浮沉积物垂向分布特征,并探究了海洋水动力和床面形态对悬浮沉积物垂向分布的影响。结果表明,研究区波流之间的相互作用不显著,沉积物再悬浮受控于风暴浪作用,风暴浪作用下底床切应力可以达到沉积物临界切应力的10~15倍,沉积物的再悬浮滞后于风暴浪作用2~3 h。在波浪荷载微小的情况下,悬浮沉积物垂向分布呈现"I"型,波浪荷载下,悬浮沉积物垂向分布呈现幂指函数分布,表现为"L"型;床面形态随波、流作用而演化,影响沉积物的再悬浮过程,u*w/u*c=1.00可作为波浪和海流起主导控制作用的床面形态的判别依据,纯波浪荷载作用下的u*w/u*c显著高于波浪主控作用下,但二者之间的界线随着波浪荷载的增加而升高。

渤海湾贝壳堤现状及保护建议

贝壳堤是沿岸堤的一个分支,其在全球广泛分布,作为地学术语最早出现于1891年路易斯安那大学的地形图中,Chenier术语来源于墨西哥湾北部路易斯安那州平原的海堤,因上面长着高大橡树而得名。渤海湾西岸分布着5至6道、断续绵延数十至上百公里的贝壳堤,是大自然馈赠该地区的重要地质遗迹,不仅在研究海岸带古环境演化方面具有重要科学价值,而且在海岸带生态保护和修复方面亦具有重要现实意义。本文系统回顾了渤海湾贝壳堤研究的历史沿革和近年来在贝壳堤调查研究方面取得的新认识,在此基础上,提出了渤海湾贝壳堤保护建议:(1)积极推进贝壳堤博物馆和野外观测站建设,包括将天津市滨海新区青坨子核心区的裸露、半裸露贝壳堤点开辟为免费参观点,将天津市津南区巨葛庄在搬迁后残破的倪家大坟Ⅲ堤做进一步管护和开放;(2)改变河北省黄骅市后唐堡贝壳堤目前仅用栏杆围起来的被动保护局面,与附近学校联合,开辟为认识海洋的学生实习基地;(3)作为整个渤海湾(甚至全国)最后一处较为完整的自然存在的贝壳堤,建议提升山东省无棣县汪子岛保护区的地位,加强该处贝壳堤-泻湖盐沼系统的保护与科学研究。

津冀沿海“空陆海”综合地质调查与观测体系建设

根据海岸带生态保护修复、重大工程地质安全和国土空间规划的需求,本文基于在津冀沿海地区的海岸带综合地质调查项目,建立了一套适合海岸带综合地质环境调查与监测的技术方法体系。该技术方法体系集空基遥感和无人机监测、陆基定点监测、滩浅海两栖船和无人艇平台移动监测、海洋水动力单指标和综合观测站、实验测试及数值模型研究等技术于一体。依托该技术,在津冀沿海建立了"空陆海"综合地质调查监测体系,可开展海岸带地层结构、活动断裂、地下水、地面沉降、海洋水动力、侵蚀淤积等调查监测和资源环境综合地质调查评价工作,为海岸带生态保护修复、重大工程地质安全等提供科学数据。综合调查和观测体系体现了当前调查技术的发展趋势和方向,具有一定的先进性和前瞻性,可在全国各地海岸带调查工作中进行推广和应用。

海岸带“海陆空”数值模型及应用综述

数值模型作为津冀沿海“海陆空”综合地质调查与观测体系建设的必要组成部分,在环境地质成果表达和综合研究中具有重要的不可替代的作用。本文论述了与海岸带“空陆海”相关的众多开源数值模型,这些模型在工程设计和科学研究中经常会使用到,具有获取方便、使用灵活及便于耦合等优点。本文主要从流体运动(包括水体和大气)的角度,分海洋数值模型、大气数值模型、陆地数值模型以及耦合数值模型等四个方面介绍了各种模型的优缺点、网格形式、求解方法及应用领域,阐述了各种模型在工程设计和科学研究中的应用实例,分析了耦合模型的未来发展方向。

变点分析理论在高密度电阻率探杆观测海床界面中的应用

基于团队自主研发的高密度电阻率探杆,将变点分析理论中的局部比较法,引入到高密度电阻率探杆观测数据分析处理中,以实现海床界面位置的自动判别,并应用该套装置与方法在辽东湾东部某海域进行了海底床界面动态变化的原位实时监测。通过将电阻率的判定结果与目前应用普遍的声学方法同步记录的结果进行对比,分析发现:电阻率探杆测量结果与声学侵蚀仪记录结果具有良好的一致性与同步性,局部比较法能够较为理想地从高密度电阻率探杆的观测数据中获取海床界面的动态变化过程。

海底滑坡分类及成因机制研究进展

海底滑坡危害严重且普遍存在,成为人们日益关注的热点问题。为加深对其认识,从范畴分类、成因机制两方面进行论述分析,对国内外的研究成果进行提炼总结,并重点分析了水动力与天然气水合物分解两种触发机制。结果表明海底滑坡内涵逐步深化、类型逐步细化、范畴逐步泛化;海底滑坡的最终形成是在一定内在条件下,多种触发因素共同作用的结果,其成因机制异常复杂。最后指出了海底滑坡未来的研究方向与工作重点:发展原位实时监测技术,建立海底滑坡资料数据库,完善物理-数值模型。

黄河口埕岛海域悬浮沉积物沉降规律原位观测

运用时间序列沉积物捕获器,原位捕获了黄河口埕岛海域某观测点的沉降沉积物,并结合同步的波浪、海流、水深等水动力参数观测以及后续土样粒径分析等研究手段,计算了沉降通量,推断了沉降沉积物的来源,并结合理论计算探讨了悬浮沉积物沉降过程的影响因素以及沉降量在再悬浮量中所占的比例。研究结果表明:黄河口埕岛海域的悬浮沉积物沉降通量约为120~280g·m^(-2)·d^(-1),与该海域的再悬浮通量有着很好的正相关关系,推测很可能主要来源于海底沉积物的再悬浮;在该海域,即使过剩剪切力持续大于0,悬浮沉积物仍然会发生沉降,并且可以大于过剩剪切力小于0时的沉降量,推测与该地区粉质土海床的液化特性有关;再悬浮沉积物大约有5%发生原位沉降,绝大部分沉积物保持悬浮或者被输运至异地,这与该地区海底遭受强烈侵蚀的现象相一致。

波浪与潮流对潮滩悬沙含量贡献的现场观测

通过实时观测黄河口洪季(9月)潮滩潮周期内悬沙浓度和波潮流等水动力因素的变化,并结合边界层悬浮物剖面测量仪(ASM-4)数据,讨论了悬沙浓度在潮周期内的变化及其影响因素,计算了再悬浮通量、分析了悬沙浓度的垂向分布特征。结果表明,一级海况下海流对再悬浮的贡献较大,二级海况下波浪对再悬浮的贡献较大。观测点悬沙浓度多以浓度峰的形式出现,既有潮流冲刷床面所引起的悬沙浓度峰,也存在由波致再悬浮和潮流输运所引起的悬沙浓度峰。

波致海床液化引发底边界高浓度悬浮体形成过程的试验研究

国内外众多现场原位观测的实测资料,其结果表明粉质土海床在波浪作用下,水体底边界会产生高浓度悬浮体。利用在黄河三角洲采集的粉质土制作试验土床开展室内水槽试验,旨在揭示波浪荷载持续作用下海床液化引发底边界产生高浓度悬浮体的过程及机制。根据试验现象及海床土体的孔隙水压力变化、水体悬浮泥沙浓度的时空分布,以及悬浮泥沙的粒度变化等特征,分析认为波浪导致的海床液化能够引发底边界高浓度悬浮体的形成。大量的土体细颗粒从液化土体的振荡边界与渗流通道中的析出,是导致高浓度悬浮体形成的重要原因。对进一步探讨黄河口区异重流现象的产生等科学问题具有一定的指导意义。

船载海陆一体化三维地形测量技术在海岸带侵蚀淤积监测中的应用

海岸带作为陆地与海洋的分界线,是海陆相互作用最强烈的地带,海岸带地形测量是海洋测绘任务的重要组成部分。为实现海岸带地形高效率、高精度、一体化测量,本文提出了海岸带船载海陆一体化三维地形测量技术。论文详细介绍了该测量技术的设备组成、工作原理及工作流程,并重点阐述了其关键技术。在此基础上,应用该技术对渤海湾津冀沿海两处典型海岸带开展海陆一体化三维地形测量,结果表明该技术可用于海岸带地区水上岸堤护坡及防潮坝位移监测,以及水下岸坡侵蚀淤积调查。

深海浅层沉积物强度贯入式原位测试装置研制

自由下落式CPT测试技术(FF-CPT)是一种重要的海上沉积物强度原位测试方法。本文在FF-CPT室内试验原型样机基础上,通过进一步改进,研制了深海浅层沉积物强度贯入式原位测试装置。FF-CPT系统主要由数据采集单元、贯入探杆、配重、耐压控制舱及释放器等组成,设备总长度约6m,贯入深度约5m,极限工作水深1 500m。FF-CPT采用自容方式进行数据采集与存储,可同时测量深海表层沉积物的侧摩阻力、锥尖阻力、孔隙水压力等参数。目前已将该FF-CPT原位测试装置初步应用于渤海、南海等海域的表层沉积物强度测量,FF-CPT工作状态良好。期望本研究可为国内海上FF-CPT自主研制与进一步工程应用提供经验与借鉴。

基于瞬匪羞测量的深海底沉积物孔隙水压力原位长期监测系统

深海底沉积物孔隙水压力,是深海地质灾害发育过程的关键参量,是国际深海科学与工程领域共同关心的热点与难点。准确获取并监测深海底沉积物孔隙水压力的动态变化,事关国家深海资源开发、科学研究及军事安全。本项目研制的,基于光纤压差测量的深海底沉积物孔隙水压力原位长期监测系统,实现了海床沉积物孔压动态变化过程的原位长期监测,为深海地质灾害机制研究及灾害预警提供有效技术支持。