河口海岸沉积层理特征与形成机制

河口海岸地处海陆交界带,其沉积层理特征与形成机制是沉积动力学、动力地貌学和地层学等学科方向的研究热点,对评价海岸工程环境效应、重建沉积古环境等具有重要参考价值。通过梳理河口海岸区域径流、潮汐、波浪等多种动力因子作用的研究成果,归纳不同动力主导作用形成的沉积层理特征,剖析3种基本动力对沉积层理塑造的动力学机制,阐释洪水、风暴偶发动力因子以及生物扰动、海平面变化、围垦工程等其他影响因子对沉积层理形成和保存的作用机理。同时,总结了数值模拟手段在沉积层理形成和破坏机制解译方面的应用及取得的机理认知,提出在河口海岸沉积层理时空尺度认知、多因素耦合反演模型开发应用等方面有待进一步研究的科学问题。

不同级配组成对泥沙流变特性影响实验研究

针对江苏沿海条子泥区域泥沙,运用控制剪切速率实验方法,通过改变样品中的粉沙质量占比,系统探究了泥沙的级配对其剪切应力和黏度的影响规律,并使用剪切速率扫描法和间接法分别计算泥沙样品静态和动态屈服应力。结果表明:所有组次泥沙样品均表现出两次明显的屈服行为,其流变特性以两个屈服行为为界,划分为3个阶段;泥沙样品中粉沙含量对其流变特性起着关键性作用,粉沙含量增大,样品剪切应力和黏度均发生相应减小,其中粉沙含量在35%~55%区间内变化梯度较大,此区间可能存在泥沙粒间主导作用力的转变;最后依托剪切速率扫描法测得的实验数据分析,得到了不同粉沙含量下泥沙的静态屈服应力和动态屈服应力的经验公式。

护滩软体排对潮滩碱蓬湿地修复的影响研究——以江苏条子泥为例

河口海岸潮滩湿地具有重要的生态服务功能,是近年来国家海岸带保护修复重大工程的重点关注区域。江苏条子泥潮滩湿地是中国黄(渤)海候鸟栖息地(第一期)的重要组成部分,面临着潮滩湿地保护修复和海堤工程维护的统筹协调等问题。护岸工程软体排是河口海岸工程常用的维护措施,但其对潮滩湿地保护和修复的影响尚不清楚。通过野外调查、碱蓬移栽和播种试验,分析了护滩软体排工程临近区域的高程、水动力、沉积物等环境参数对盐地碱蓬(Suaeda salsa)湿地修复的影响。结果表明:1)软体排对潮滩地貌影响明显,软体排内滩面稳定,软体排外亦有掩护效果,两月内促进盐沼植被区高程增量达29 cm,软体排外光滩高程变化剧烈;软体排建造后,海堤附近滩面地形有助于碱蓬植被定植,形成的高滩上移栽碱蓬存活率达55%,而在低处潮滩无法存活。2)碱蓬植被密度和株高受到盐度、高程、中值粒径环境因子的显著影响(P<0.05,P为显著性水平),高程与碱蓬植被密度、株高正相关;盐度和中值粒径与碱蓬植被密度负相关;流速与碱蓬植被密度负相关;有效波高与碱蓬株高负相关。研究结果可为潮滩软体排护滩工程的实施、碱蓬盐沼植被定植机理和生态修复提供科学参考。

人工鱼礁群对单桩基础局部冲刷防护效应的试验研究

为探究人工鱼礁群对单桩基础冲刷的影响,在波流水槽中开展局部冲刷物理模型试验,分析不同波流条件、鱼礁类型、布置方式以及鱼礁群与桩基础距离条件下鱼礁群的自身稳定性及其对桩基的防护效果.结果表明:立方体空心礁相比实心礁具有更好的稳定性,交错布置对桩基础冲刷的防护效果优于均匀布置形式;纯流作用下,人工鱼礁群桩基础冲刷深度的削弱效果随流速的增大而减小;波流作用下,空心礁对桩基础冲刷深度的削弱效果更优;2种礁体的不同平面布置形式对桩基础冲刷范围的削弱程度相近;鱼礁群与桩基础前缘距离的改变影响桩基础冲刷深度和冲刷形态.

海堤安全评价指标体系的构建及应用

针对海堤破坏的特点,从漫堤、溃堤两方面入手,归纳各破坏形式下海堤安全的主要影响因素,运用层次分析法建立海堤安全风险评估指标体系。结合我国海堤工程的设计特点,依据SL 435—2008《海堤工程设计规范》,采用模糊数学中求解隶属度的方法对指标进行量化,并将海堤安全风险评估指标体系应用于浙江台州某海堤堤段,对该堤段的漫堤、溃堤风险分别作出评价。结果表明:研究堤段满足50年一遇的设计标准;所构建海堤安全评价指标体系可用于海堤的漫堤及溃堤风险评估。

江苏中部沿海潮滩对台风暴潮的响应

通过近年来对江苏沿海有影响的台风暴潮作用前后的滩面高程观测,结合台风浪资料分析,探究了江苏中部沿海潮滩对风暴潮的响应过程。结果显示:潮滩剖面在风暴潮期间呈现"低滩侵蚀、沿岸输运、高滩稳定",明显区别于沙质海岸在台风浪作用下"高滩侵蚀、离岸输运、低滩淤积"的演变特征。应用Delft3D平面二维水沙动力数学模型,模拟了正常天气和台风浪情况下的滩面演变,从动力学角度解释了潮滩间不同区域演变特征差异的原因,论证了台风浪对地貌演变的短历时"插曲式"作用,阐明了涨潮优势流是风暴侵蚀后泥沙沿岸向输运的主控因子。

江苏中部潮滩长期演变规律及其受米草生长影响

在江苏盐城川东港南侧潮滩设置了一系列水准桩,使用滩面高程观测仪对滩面高程进行7 a(2012年10月—2018年11月)的逐月现场观测,结合遥感资料获取米草前缘位置变化,探究淤泥质潮滩中长期演变规律及米草生长在潮滩地貌演变中的作用。结果表明:高滩区域地下过程(土体膨胀、压缩等)对滩面变化起控制作用;盐沼区米草生长促进滩面沉积,随米草前缘向海生长,盐沼中部区域年增长率降低,靠近米草前缘区域滩面年淤积量增加,但米草向海推进对光滩区域演变影响小;潮滩剖面自陆向海依次可分为基本稳定带、快速淤积带、基本稳定带、快速冲刷带,潮间带中部坡度逐步增大;滩涂面积保有量在2012—2018年观测时段内逐年降低。

淤泥质海岸入海河口闸下港道河相关系

以江苏沿海北部的射阳河闸下港道为原型,建立二维水动力及泥沙输运概化数学模型,模拟了淤泥质海岸闸下港道淤积过程。分别在不考虑径流年内分配变化和考虑径流年内分配变化的情况下,研究了入海径流对港道内水沙动力和冲淤演变的影响。参考前人研究成果,结合量纲和谐准则,根据模型的计算结果,建立了淤泥质海岸闸下港道年均平衡流量与汛期排水比例、河床断面积、外海潮差、潮波变形、港道长度等因素间的河相关系式,对在实际情况中达到动态冲淤平衡的某条特定港道,可简化为港道年均流量与河床断面积间关系式的简化形式,并通过分析实测资料,对公式的简化形式加以佐证。

河口海岸潮滩蟹类生物扰动行为过程研究进展

河口海岸潮滩是具有较高生物生产力和生物多样性的生态系统。蟹类作为一种典型的生态系统工程师,分布广泛、种类繁多,可影响整个潮滩生态系统的物质与能量循环。蟹类的分布与盐度、淹水时长、湿度、温度、底质等非生物因子有关,也与植被、捕食作用、种内种间竞争等生物因子和人类活动有关。蟹类挖掘洞穴,形成了优先排水通道,增加了土壤蒸发速率,改变了孔隙水循环以及土壤的物理化学性质,进而可影响潮滩泥沙稳定性以及微地貌形态,甚至会影响中长期潮滩地貌演变。目前,蟹类对于沉积物稳定性、泥沙输运规律、微地貌演变的影响依然有待深入研究,有必要开展中长期现场观测和试验、多因子驱动下系统演变数值模拟以及综合分析,推动相关研究从定性向定量层面迈进。

珠江蕉门分汊河口分流比水槽实验研究

作为珠江主要的泄洪排沙口门,珠江蕉门主要承泄西北江的径流和泥沙,与虎门通过横向汊道凫洲水道连通,其分水分沙的比例对粤港澳大湾区防洪及通航安全至关重要。针对凫洲水道分流比问题,本文基于蕉门分汊河口的形态特点及地貌特征,设计系列水槽实验,探究凫洲水道分流比、分流比影响因子及其变化趋势等。结果表明:在保证宽度比、深度比和流量比均相似的情况下,该水槽实验可较高精度地模拟蕉门分汊河口分流比。凫洲水道分流比受到蕉门与虎门共同影响:虎门与蕉门的相对流速比越大,凫洲水道分流比越大,其主汊地位越明显。在现有的地貌特征条件下,凫洲水道主支汊转变的阈值是虎门与蕉门相对流速比,约为0.35。研究成果可为蕉门整治、保障其行洪通航安全等提供参考依据。

级配和含盐度对石英质粉砂的静水沉降影响实验研究

细颗粒泥沙沉降特性受粒径、级配、含盐度、矿物等多因素影响,沉降中是否发生絮凝是选用泥沙运动计算理论的关键。针对单一矿质泥沙絮凝沉降特性,基于静水沉降实验,研究粒径、级配与含盐度对石英质粉砂沉速的影响。实验研究发现,石英质粉砂在清水和盐水中均可絮凝。清水中,石英质粉砂絮凝临界粒径在8μm左右,絮凝指标大于4。盐水可提高絮凝粒径上限至40μm,但不同粒径颗粒絮凝指标分异,其中颗粒絮凝最优含盐度为15 ppt。级配是影响石英质粉砂沉降的关键因子,若小于8μm组分含量超过8%,细颗粒不仅可与同粒径颗粒形成絮团,还可附着粗颗粒,增大沙样沉速。研究结果可丰富细颗粒泥沙絮凝沉降理论,为研究复杂物质构成泥沙沉降规律提供依据。

牡蛎礁生态潜堤的消浪效果试验研究

为探究不同因素对牡蛎礁波浪衰减效果的影响,基于蛎岈山牡蛎礁保护区内测量的礁体尺寸、孔隙度等数据进行建模,采用不同孔隙度的袋装牡蛎壳组合来模拟牡蛎礁,对其在规则波作用下的消浪效果进行了研究.将牡蛎礁的透射系数试验值与抛石潜堤消浪公式计算值进行比较,分析其差异性及原因,并拟合得到了规则波作用下牡蛎礁的透射系数公式.结果表明,礁体相对干舷高度越大、相对礁顶宽度越大、孔隙度越小、波陡越大,则透射系数越小,表明消浪效果越好.当礁体露出水面时,牡蛎礁可达到相同尺寸抛石潜堤(人工块石护面)消浪效果的78%;而当礁体处于淹没状态时,孔隙度为0.55的牡蛎礁的消浪效果可达到抛石潜堤的1.1倍.

渗流对潮沟沟壁崩塌影响的三维物理模型试验研究

潮沟在海岸动力作用下因沟壁崩塌而频繁地迁移摆动,显著影响潮滩-潮沟系统的稳定性。现有研究多关注涨潮时期潮沟内部的水流冲刷,落潮期间的渗流侵蚀过程却少有涉及,亟需研究渗流对潮沟沟壁稳定性的影响机制。本研究通过物理模型试验探究渗流对潮沟沟壁崩塌的影响,从沟壁崩塌类型、沟壁线变化过程和沟壁后退速率3个方面开展分析。研究结果表明:沟壁破坏类型与渗流水头相关,渗流水头的增加导致破坏类型由悬臂破坏转变为张拉破坏;沟壁后退速率与渗流水头之间存在正相关关系。本研究揭示了渗流作用下潮沟沟壁崩塌的力学机理,阐明了落潮不同阶段沟壁的崩塌过程,对研究潮沟演变有重要意义。

空气射流动力学特征与冲沙作用试验研究

针对空气射流冲沙方法目前相关理论研究还不够深入的现状,利用水下排气冲击细颗粒床沙,对空气射流的动力学特征与冲沙作用进行水槽试验。在空气射流清水试验中,总结归纳了羽流发展的4个阶段,通过正交试验信噪比分析发现气压是羽流下切长度的主要影响因素,局部紊动强度随空气射流压强的增大而增大,且沿横向迅速衰减。在气动冲沙浑水试验中,总结归纳了冲沙坑的3个发展阶段,通过正交试验信噪比分析确定了影响冲沙效果的显著因素,并利用方差分析建立冲沙效果回归方程,预测值与实测值对比结果表明该方程预测效果较好。

底栖生物影响下的潮滩微地貌演化数值模拟

潮滩是海岸带湿地的主要类型之一,其中分布的底栖生物对生态环境具有重要的调节作用。潮滩底栖微藻、泥沙与水动力之间存在相互作用,影响潮滩微地貌形态,明晰底栖生物对潮滩微地貌的演化机制至关重要。以黄河三角洲潮滩湿地为研究区,通过构建潮滩微地貌动力模型,探究底栖生物对微地貌格局演化的作用机制,分析底栖生物对微地貌系统稳定性的影响。结果表明(1)底栖微藻生长与泥沙扩散、水流再分配过程交互作用驱动下,潮滩上可形成底栖微藻覆盖的高丘与积水洼地交替分布的规则性微地貌斑图;(2)微地貌斑图的形成提高了潮滩生态系统初级生产力和泥沙淤积高度;(3)底栖微藻与泥沙、水流的交互作用使得潮滩微地貌系统对侵蚀扰动呈现非线性响应行为,系统存在临界点,且在一定侵蚀率范围内存在双稳态;(4)黄河口泥螺入侵使得微地貌系统抵抗侵蚀扰动能力减小,且系统稳定性随泥螺生物量的增加而降低。

滨海湿地植被地上生物量遥感反演

盐沼植被生物量是滨海湿地生态系统碳循环研究的重要参数,是湿地生态系统健康评价、资源可持续利用的关键指标,开展盐沼植被地上生物量监测方法研究具有重要意义。目前,遥感技术在湿地生物量监测领域已经得到广泛应用,但反演方法仍以统计模型为主,模型构建需要实测数据支撑,时空拓展性不强。选择江苏盐城丹顶鹤保护区为研究区,基于冠层辐射(PROSAIL)传输模型,通过局部和全局敏感性分析,对模型参数本地化,构建了互花米草地上生物量半经验反演模型,应用于Landsat 8 OLI遥感影像,获得了互花米草地上生物量的时空分布。研究结果表明,利用PROSAIL模型模拟互花米草冠层反射率,叶面积指数(LAI)、叶片干物质含量(Cm)、叶倾角分布参数(LIDF)、等效水厚度(Cw)、叶绿素含量(Cab)、叶片结构参数(N)为高敏感性参数,类胡萝卜素含量(Car)、土壤参数(P_(soil))为低敏感性参数;利用不同时刻的遥感影像反演了地上生物量,遥感反演结果与实测数据对比,拟合度R^(2)为0.83,均方根误差(RMSE)为0.43kg/m^(2),平均相对误差(MRE)为15.7%,精度较高,模型具有较好的时空普适性。研究发展了盐沼植被地上生物量遥感反演方法,解决了以往过于依赖现场实测数据构建反演模型的局限性,该方法可以为研究滨海湿地生态系统碳循环以及准确估算其碳汇潜力提供技术支持。

流量调节对长江口潮流不对称的影响

长江上游人类工程的建设使得长江口来水来沙条件发生变化,改变了河口地区洪枯季径流量,并进一步影响潮流不对称特性。而潮流不对称对河口近岸的泥沙输运及地貌演变有着重要的影响。利用二维水动力数学模型对长江口感潮河段进行水动力模拟,研究洪枯季流量调节对潮流不对称的影响。采用非稳态调和方法(NS_TIDE)并结合偏度指标分析长江口涨落潮流速不对称和涨落憩历时不对称的变化趋势。研究结果表明:潮波在河口的上溯过程中,潮流不对称呈现先增大后减小的趋势。河口枯季径流的提高在加强中下游区域落潮流占优的趋势同时也延长河口大部分区域落憩的历时。主汛期洪峰的削弱加快了中上游区域的落潮流速,缩短了上游区域落憩历时,而潮流流速和涨落憩历时不对称在下游区域则表现出相反的趋势。

潮滩前缘盐沼植被簇团与潮沟系统演变相互作用研究

潮滩前缘盐沼植被簇团可以通过改变水动力及泥沙运动等过程影响潮沟系统的地形地貌,而潮沟系统的地形特征也会影响盐沼簇团的生长、扩张与侵蚀,但对盐沼簇团与潮沟系统地貌演变的相互作用机制尚缺乏认识。针对这一问题,本文构建了考虑盐沼植被动态演变的潮滩生物动力地貌耦合模型,模拟了盐沼植被簇团生长扩张与潮沟系统地貌演变过程,分析了不同初始数量的盐沼植被簇团与潮沟系统的空间格局及形态参数间的双向反馈。结果表明,潮沟先迅速向海陆两侧延伸,后发育出大量分汊;盐沼簇团向周边扩张后未被潮沟切割区域逐渐连成片。少量盐沼簇团能够增加潮沟密度,促进边缘冲刷式潮沟系统的发育。潮沟的走向受盐沼簇团分布位置及数量的影响,多个盐沼植被簇团间的水流集中比单个簇团的边缘水流冲刷更易形成潮沟。在盐沼植被簇团与潮沟系统共同发育初期,潮沟系统发育受盐沼植被簇团的促进作用较大,后期潮沟内比簇团边缘更易形成水流汇聚,盐沼簇团的影响逐渐由促进作用转为稳定作用。此外,潮沟的存在限制了盐沼植被的横向扩散,切割了盐沼植被簇团,影响盐沼植被的空间分布格局。本研究揭示了盐沼植被簇团与潮沟系统地貌耦合演化机制,可为盐沼潮滩生态系统保护修复提供科学依据。

长江口径潮相互作用下洪枯季余水位变化

余水位即潮周期内的平均水位,是河口径潮动力非线性作用的典型结果。为探究径流、潮汐及其相互作用对余水位的影响,对摩阻项进行分解,通过潮平均摩阻的各分量对余水位的变化展开研究。采用二维水动力数学模型,模拟得到长江口余水位时空变化特征;利用连续小波变换方法和摩阻计算公式,分析长江口潮平均摩阻的主要来源,建立线性回归模型,通过潮平均摩阻各分量的变化解释余水位的变化。研究结果表明:长江口余水位具有明显的洪枯季变化和大小潮变化特征,洪季余水位沿程增幅更大,大潮时余水位较小潮时更高;长江口潮平均摩阻以径流作用和径潮相互作用产生的摩阻为主,因径流量巨大,前者对潮平均摩阻的贡献始终更大;潮平均摩阻控制余水位,长江口余水位的变化由径流作用控制,在下游站点径潮相互作用的影响不可忽视。

泥沙级配与成分对磷吸附作用影响试验研究

泥沙是水体中磷元素的重要载体,研究泥沙自身特性与磷吸附作用的相关关系对于了解磷在水体中的输运过程具有重要意义。为更加清晰地揭示不同级配和组分对泥沙吸附磷的影响机理,采用江苏沿海现场采集的泥沙进行恒温振荡试验,研究不同中值粒径和黏土含量的泥沙对磷的平衡吸附量和对固体浓度效应的响应。研究结果表明,黏土是泥沙对磷吸附作用的关键,黏土含量高的泥沙对磷具有更强的吸附能力,以黏土含量为变量的公式能更好地表现泥沙对磷的吸附现象。对于粗颗粒和细颗粒泥沙,固体浓度效应均导致单位质量泥沙对磷吸附量下降,在0.5~2.5 g/L的泥沙浓度范围内,两者响应趋势存在差异。