珊瑚礁海岸沉积物输运及珊瑚砂岛演变研究综述

珊瑚礁海岸沉积物的输运及珊瑚砂岛的演变研究在我国起步较晚,同时南中国海的珊瑚砂岛是我国重要的海洋空间资源,涉及国家领土主权的核心利益,开展这方面研究具有重要的学术价值和现实意义。综合分析了推移质和悬移质碳酸盐沉积物输运过程及其影响因素,重点介绍了短波、低频长波和海流对沉积物输运的驱动机制,以及粗糙珊瑚对沉积物的遮蔽效应。总结分析了珊瑚砂岛的动态演变规律及其影响因素,并重点介绍了珊瑚砂岛在长期海平面上升和短期风暴潮增强时的演变规律,并提出了今后研究需要关注的方向。

南汇边滩的沉积特征和沉积物输运趋势

在对南汇边滩沉积物粒度特征进行分析的基础上,利用Gao-Collins泥沙概率输运模型探讨边滩的沉积物输运趋势,结果表明:①沉积物中值粒径、分选系数和偏度的分布具有一致性,三者相关性较强;②边滩的沉积物粒度特征表现为正偏,分选性较差,分选系数值集中在2左右,沉积物相对较粗(中值粒径大于0.01 mm)的区域主要集中在没冒沙中部、南汇咀及卢潮港近岸,其它区域沉积物相对较细(中值粒径小于0.01 mm);③将Gao-Collins的泥沙概率模型和南汇边滩的动力与沉积环境结合表明,沉积物在东滩的净输运趋势是由北向南输运。由于南滩的动力条件相对复杂,因此南滩沉积物的净输运趋势有待进一步分析。

福建兴化湾海上风电场海底浅层结构及悬沙特征和沉积物输运分析研究

海上风电工程设计对海底表层结构及沉积物输运特征的研究提出了更高的要求。本文针对福建兴化湾海域浅地层结构及水体悬沙和海底表层沉积物输运特征进行了系统地研究,并根据经验公式进行了计算。研究发现研究区内整体上表层沉积物类型大致围绕岛屿呈不规则环带状分布,沉积物颗粒较粗,大部分海域沉积物分选较差,与现今动力环境吻合;研究海域悬沙的中值粒径主要分布在0.003mm到0.539mm之间,平均中值粒径为0.122mm;研究海域岛屿周边近岸受到潮流波浪作用的影响。岛屿水道内沉积物分布由水道内横向环流和涨落潮流共同控制。海洋环流作用下的区域沉积物输运模式控制了研究区沉积作用的整体特征;此外,研究区位于闽浙沿岸泥质区的末端,受闽浙沿岸流的影响,沉积物输运过程有明显的季节性差异,夏季沉积物由南向北输运,向海输运较弱;冬季从北向南输运沉积物,但沿岸流的搬运能力在研究区减弱。冬季沉积物可以穿过剪切锋运向外海输送。这一模式导致研究区在高海平面时期沉积物供应来源虽复杂,但沉积的总量相对较少,因此形成的沉积层相对较薄。

渤海海峡沉积物输运的数值模拟

根据渤海海峡空间尺度的大小、潮流特征和沉积物的性质特征 ,构造了一个平面二维沉积物输运数值模型。模拟结果显示 ,在研究区内 ,成山头附近的海底沉积物净输运向东南和东北 ,渤海海峡西部的沉积物向西北输运 ,北部大连沿岸的沉积物顺着辽东半岛向西南方向输运 ,然后绕过辽东半岛的南端向北输运。在渤海海峡中部偏东 ,沉积物的净输运趋势形成一个反时针方向的旋涡 ,愈往中心沉积物的净输运率值愈小。海底冲淤趋势的计算结果与观测的结果相符 ,且中部泥区和山东半岛北部近岸泥区正好对应于海底淤积区 ,辽东半岛南岸的狭长泥带对应于淤积条带 ,泥质区的边缘为冲刷区。

海洋环境沉积物输运研究进展

海洋环境中沉积物的输运涉及复杂的过程和机制。20世纪后半叶发展起来的悬沙输运数学模型已经成为海洋沉积动力学的一个有力的研究工具。悬沙输运数学模型的有效运行需要正确的数值解法和模型中所含参数的确定,包括悬沙沉降速度、扩散系数、底床糙度和切应力,以及底边界上的沉降—再悬浮通量。由于复杂的水动力条件、屏蔽效应以及海底生物扰动等因素的作用,海洋环境推移质输运的经验、半经验公式具有一定的局限性。因此,充分考虑以上各种因素是正确预测海洋环境中推移质输运的关键。海洋环境沉积物输运理论的进一步发展需要着重进行各种过程和机制的研究,而这项工作依赖于高精度、高分辨率现场观测仪器的发展和更先进的颗粒态物质运动理论的建立。

中国东部陆架海锋面的时空变化及其对细颗粒沉积物输运和沉积的影响

本文利用中国东部陆架海不同季节的航次观测数据与HYCOM模式数据,分析了HYCOM模式输出的水体温盐数据在中国东部陆架海的适用性,并探讨了中国东部陆架海表底层温盐锋面的时空变化及其对细颗粒沉积物输运和沉积的影响。研究结果表明,中国东部陆架海表、底层温度锋(盐度锋)的分布趋势基本一致(不考虑冲绳海槽以东的海域),但底层锋面的强度和锋区范围明显大于表层。锋面的位置很好的体现了海区流系的基本格局。表、底层温度锋面基本处于几大水团的交界处,说明表、底层温度锋面的分布与研究区环流和水团配置情况密切相关。而表、底层盐度锋面的分布则与研究区入海径流、沿岸流以及暖流等的分布密切相关。此外,对比锋面与中国东部陆架各泥质沉积区的位置可以发现,研究区温盐锋面的空间分布和季节变化对于泥质沉积区的形成具有重要的控制作用。

黄河水下三角洲沉积物输运及海底冲淤研究

根据黄河水下三角洲的特点,建立了一个垂直平均二维沉积物输运数学模型,结合潮流和沉积物资料,模拟研究了沉积物输运机制和海底冲淤演变过程。模拟结果表明,垂直河口射流的潮流决定了本区沉积物净输运的总体格局,风应力对悬浮泥沙和推移质泥沙运动也起到重要作用。潮流底应力和活动层厚度分布表明,黄河口门和埕岛油田附近海域是潮流底应力和活动层厚度高值区,为沉积物活跃区,海底稳定性弱,易于侵蚀再搬运。冲淤计算表明,埕岛油田附近海域为冲刷中心区;现在河口水下三角洲在断流时为冲刷区,正常行河时则转为淤积区。

辽东浅滩潮流运动特征与沉积物输运

渤海东部的辽东浅滩是由一系列大致平行的线性沙脊和沙脊间沟槽共同组成的现代潮流地貌。根据辽东浅滩海域表层沉积物、脊-槽海流与悬浮泥沙同步观测和水深地形测量等资料,研究了沙脊和沟槽表层沉积物分布、海流及悬浮泥沙分布特征,分析了沉积物输运趋势,探讨了沙脊-沟槽地貌分布对潮流的响应。结果表明：辽东浅滩沙脊脊部表层沉积物为砂,沟槽表层沉积物为砂质粉砂和粉砂质砂,具有脊部粗、沟槽细的分布特征。受脊槽地形的控制,沙脊区潮流流速由表层至底层逐渐减小,沙脊脊部表层流速小于沟槽表层流速,而近底层则相反,沙脊脊部底层流速大于沟槽底层流速,其变化的临界深度约0.7 H（H为水深值）。沙脊区沉积物运移方向为NNE向,在一个潮周期内,沙脊脊部表层沉积物约有8.5~10.5h可以被起动,而沟槽内沉积物只在高低潮流速较大的1h期间可以被起动。在长期的往复潮流作用下,沙脊脊部遭受侵蚀,沟槽淤积,沙脊逐渐退化,脊-槽高差减少,脊-槽地形趋于夷平,但沙脊退化的过程是缓慢的,目前的脊-槽地貌格局仍具有一定的稳定性。

黄海近岸锋面的时空变化及其对沉积物输运和沉积的影响

利用2010和2012年黄海海域不同季节的航次观测数据与HYCOM模式再分析数据进行了比对,检验了HYCOM模式的水体温度数据在黄海海域的适用性。据此分析了黄海海域的温度锋面和混合锋面的时空变化。结果显示,温度锋通常在秋季开始出现,在冬季最为发育,在春季逐渐消失;黄海混合锋面与季风活动密切相关,主要在秋季开始出现,在冬季发育。悬浮沉积物基本上集中在温度锋的向岸一侧,难以跨越锋面输运。山东半岛成山头海域的温度锋在形态及空间位置上与泥质沉积区相对应,沉积中心(厚度40m)主要分布在温度锋的西侧,而在其东侧泥质沉积厚度快速减小。研究结果发现,秋冬季节混合锋与温度锋的空间位置并不一致,混合锋位于温度锋的西侧,强烈混合使得沉积物不易沉降,对应泥质沉积厚度小;而在混合锋东侧,悬浮沉积物浓度高且水体层化显著,沉积物易于沉降堆积,与泥质沉积中心对应。混合锋与温度锋的空间分布差异与共同作用可能是该区域泥质沉积体"Ω"形态发育的动力学机制。

我国沿海不同气候带山溪性河流沉积物输运特征

近年来许多研究发现山溪性小河流具有瞬时大通量、受极端气候事件控制、沉积物快速输运等特性,但是由于缺乏充足的监测数据和系统总结,其对全球沉积物输运的影响被低估,导致对于这个不同于大河流域的河海交互和风化传输系统的研究是不充分的。揭示不同气候带山溪性河流在自然变化与人类活动共同影响下的沉积物输运特征有助于深入理解地球表生过程和全球海陆相互作用机制。总结了全球土壤有机碳含量,中国南北方温带和热带的山溪性河流的泥沙等气象水文数据和黏土矿物等矿物学数据,结果表明:(1)全球山溪性河流流域的土壤有机碳含量较高。在中国,热带山溪性河流流域初级生产力高于温带流域,所以其土壤有机碳含量高于温带流域;在热带各流域中,台湾岛上的河流地形坡降比最高,所以其是中国土壤有机碳高含量地区。山溪性河流将沉积物快速输运到河口和海岸带地区,大大提高了有机碳的埋藏效率,因此其是研究全球有机碳源汇过程不容忽视的组分。(2)在中国,无论温带还是热带,山溪性河流均对极端气候事件响应强烈,而且流域面积越小、地形越陡峭的河流对极端气候事件的响应越强烈。(3)无论构造活动是否强烈,中国山溪性河流沉积物的矿物学特征都可以精确地指示物源信息,构造稳定带和流域坡降比较低的山溪性河流,其沉积物能够更精确地记录古气候特征。(4)山溪性河流沉积物对人类活动非常敏感,现有的人类活动对其改造要远低于大河流域。

闽江口及周边海域沉积物输运及资源效应

河流入海泥沙的大部分主要分布在河口、三角洲及近岸陆架地区,发育一系列的粗颗粒沉积体系,是海砂资源重要分布区。本文以福建闽江口为研究对象,初步探讨了沉积物输运过程及海砂资源的形成机制。观测结果表明,闽江河口水体盐度由河口内部向口外海域逐渐增大,水体浊度总体减小;闽江河口附近海域近底部(距离海底25cm)流向表现出一定的旋转流特征,潮周期内余流表现为向海输运,而推移质输运主要发生在涨潮期间,并且潮周期内净向陆输运。表层沉积物粒度分析结果表明,闽江河口水下三角洲前缘表层沉积物主要由粗颗粒物质组成,沉积物类型以砂和砂质粉砂为主,中值粒径小于4Φ;前三角洲地区表层沉积物主要由细颗粒物质组成,中值粒径介于4Φ—6Φ之间。沉积物粒径趋势分析结果表明,闽江入海泥沙经梅花水道和长门水道入海后,在盐淡水混合、径流、潮流的作用下,在闽江河口形成了四个粗颗粒沉积物汇聚区,成为闽江口地区海砂资源的重要分布区;而细颗粒物质在河口羽流和潮流的作用下向偏东方向输运,形成了以黏土质粉砂为主的前三角洲。

水库调控下黄河口沉积有机碳的分布、来源与输运特征

黄河是全球输沙量最大的河流之一,陆源颗粒有机碳通量高。然而,近年来流域水库调控对黄河下游水文格局和颗粒有机碳输送产生了重要影响,小浪底水库调水调沙时期成为黄河水沙和有机碳入海的关键时段。为揭示水库调控对河口水动力和有机碳分布的影响机制,基于2020年7月调水期和调沙期黄河口的水动力观测结果,结合沉积物有机碳测试结果,研究了水库调控不同阶段下河口沉积物粒度参数和表层沉积物有机碳的时空分布。研究结果表明,水库不同阶段下悬浮颗粒物的物源和主要扩散、沉积区域的变化,使得黄河口表层沉积物的粒度组成特征发生明显变化;在高径流量的调水期期间,粗颗粒泥沙携带颗粒有机碳在河口距离口门12 km范围内大量埋藏,河口区域表层沉积物的有机碳含量相较于调沙期明显偏低。调水期黄河口陆源有机碳主要来自下游河床冲刷,颗粒较粗,调沙期则转变为水库释放的细颗粒有机碳和流域C3维管植物碎屑。水库调控的不同阶段使得黄河下游河流水动力格局和泥沙运输机制改变,从而引起黄河口沉积有机碳来源和分布的显著变化。因此,人类活动对调节有机碳向海洋的输送及其在近岸海域的分布具有主导性作用。

江苏海岸中部近岸沉积物重力流输运过程

[目的]重力流是沉积物跨海岸/陆架输运的重要机理,对地貌演化具有重要影响。然而,重力流的发生具有偶然性,持续时间也很短暂。重力流的这两个固有特性,直接决定了其野外观测的困难性。近30年来,在全球海岸和陆架区域观测到重力流的研究整体上仍然较为有限。重力流野外观测的缺乏,导致对其输运过程的认识尚不完善。[方法]2018年秋季,在江苏海岸中部近岸海域放置海底三脚架,实施连续8个潮周期的野外观测。[结果]野外观测捕捉到8次高浓度浮泥层事件,发现5次重力流输运过程。[结论]重力流由上覆水体沉积物沉降或波浪再悬浮底床沉积物形成,由潮致底部切应力或波浪与潮流共同导致的底部切应力维持。近底高浓度浮泥层内的沉积物在潮流的作用下,会向上扩散,重力流从而消亡。观测结果支持经典重力流浮力—阻力模型的使用。

杭州湾沉积物宏观输运的数值模拟

用Delft3D模拟了杭州湾水动力和粘性沉积物输运过程,探讨了沉积物宏观输运和地貌演变的物理机制。忽略波浪作用,假设底质均一,不考虑粘性沉积物的底部固结作用,建立杭州湾粘性沉积物输运的数值模型。计算结果显示,模型能够反映杭州湾沉积物输运的宏观规律,再现了杭州湾悬沙浓度分布"三高两低"的特征、水体和沉积物"北进南出"的输运格局以及杭州湾总体上受控于淤积的地貌演变过程。杭州湾的沉积物输运主要受浅水分潮潮波变形引起的潮汐不对称性控制,该区潮波自东南向西北的传播方向、舟山群岛对涨潮流的阻隔效应、杭州湾喇叭形态的约束作用等因素造成"北进南出"的水沙输运特征。杭州湾与欧洲斯凯尔特河口狭长型的河口的沉积物输运路径有明显差异。

辽宁獐岛海滩表层沉积物粒度特征及输运

通过对獐岛海滩的60个表层沉积物样品进行粒度试验,分析了表层沉积物粒度变化特征。研究结果表明:研究区表层沉积物细颗粒与粗颗粒存在明显的分界线,距岸约12 m范围内主要为卵砾、粗砂、中砂(<2Ф),12 m以外海滩主要为细砂(>2Ф);沉积物平均粒径为2.51Ф,由岸向海逐渐变小,以负偏、宽平峰态为主,分选性较好(σi=0.58)。潮汐和波浪是研究区表层沉积物输送的主要水动力,岬角的存在影响了沉积物粒度的分布,由粒度分布变化趋势推断沉积物输移特征为双向输运,主要以跃移搬运方式为主。

COSINUS粘性沉积物输运计划简介

COSINUS计划是欧盟研究与技术部与1997-2000年间开展的关于河口及沿海地区粘性沉积物输运以及底质形态变化预测的综合研究项目。本文介绍了该项目的总体研究思路和技术路线,展示了该项目在沉积物输运调查、观测、数值模拟等方面取得的成果,为我国开展河口沉积物输运固结研究开拓思路。

闽江河口水下三角洲及周边海域现代沉积环境演化及其对人类活动的响应

【目的】河口三角洲是陆海相互作用的敏感地带,也是人类活动最为频繁的地区,研究人类活动对河口三角洲演化的影响,一直以来都是国际沉积学的研究重点和热点。【方法】以福建闽江河口水下三角洲为研究对象,通过水动力模拟和表层沉积物粒度分析,探讨了闽江河口水下三角洲及周边海域现代沉积环境演化。【结果与结论】研究区河口内潮流以往复流为主,在口外海域逐渐转变为旋转流,水下三角洲地区流速大,外海流速较小;沉积物类型以砂、粉砂和砂质粉砂为主,平均粒径平均值分别为1.57Φ、6.78Φ和5.62Φ,并且由河口向口外陆架方向沉积物粗颗粒组分含量逐渐减少,细颗粒组分含量逐渐增大;沉积物输运趋势显示,在闽江河口水下三角洲内,沉积物输运呈现向东、东南和东北方向,在口外海域沉积物呈现朝东南和东北离岸方向,以及向西北朝岸方向输运;基于粒度组成、粒度参数及站位水深多元统计分析,综合地理位置、沉积物源和水动力条件,将研究区现代沉积环境划分为4个沉积区;通过探讨不同控制因素下的河口水下三角洲沉积环境差异,揭示了不同沉积区的沉积环境对人类活动的响应。该研究结果可为河口资源开发和生态环境保护提供科学依据。

长江口悬沙动力特征与输运模式

本项研究用ADCP在长江河口进行高频、高分辨率三维流速和声学浊度的定点观测,通过对定点站位潮周期内的悬沙浓度、流速和盐度的分析,计算悬沙输运率;悬沙输运机制分析表明平流作用、斯托克斯漂移效应在悬沙输运中占据主导地位。此外,从河口内向河口外,潮周期内的水动力特征与悬沙净输运具有明显的地域性差异,主要表现在悬沙输送的贡献因子、盐度的垂向混合和分布特征、垂向流速等方面。在拦门沙下游和口外地区,悬沙均向西、北方向输送,而拦门沙上游则向东、南方向输送。这种悬沙输运格局,对于长江口拦门沙及附近最大浑浊带的形成有着重要的作用。

山东荣成湾月湖口门落潮干道的推移质输运

改进了Gao等 ( 1 994)方法 ,并用以计算潮汐汊道口门落潮干道的垂线平均流速。利用月湖潮汐汊道系统冬、夏季各一个月的潮位资料 ,计算落潮干道的潮流流速和推移质输运率。结果表明 ,流速的计算值和实测值呈良好的相关性 。