长江口拦门沙海域边界层沉积动力过程

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底部边界层的沉积动力过程是河口海岸地区的重要物理过程,由于动力条件的复杂性和影响因素的多元性(如高频紊流、底部沉积物再悬浮、搬运和堆积等),使用传统方法进行边界层的直接观测和研究中存在着诸多限制。在高时空分辨率的现场采样和测量仪器的帮助下,潮周期尺度的河口边界层沉积动力过程的变化和规律的研究已成为可能。 本文通过枯季在长江口北港和北槽口外的两个测站进行全潮连续ADCP观测,并在整点时作CTD剖面观测、同步采集不同水层的水样,获取了高时空分辨率的流场、温盐密数据。通过对采集的水样作抽滤实验,获取悬沙浓度,并与相应的ADCP后向散射声强建立悬沙反演模型,得到高时空分辨率的悬沙浓度剖面数据。基于上述数据,分析了潮周期内的边界层水动力、悬沙过程、水体垂向层化结构、紊流特征、底部再悬浮及其对水层结构和悬沙输运的影响。 观测发现长江口北港内和北槽口外潮流边界层的发育有显著差异:在北槽口外为旋转流,对数边界层在潮周期中一直存在且发育较好,厚度达到整层水深,仅在落潮流速较大的时候偏离对数分布;在北港内,潮流为往复流,在涨潮和落潮流速较大时对数层比较发育,厚度达到整层水深,而在转流期出现表、底层流速方向相反的垂向环流。计算表明,近底层的向陆悬沙输运达到同期悬沙输运量的90%,且沉积物再悬浮是造成底部沉积物输运量占优的主要原因。 利用紊动能法和流速对数剖面法分别求出底部切应力,并依次计算了再悬浮通量和沉降通量。两种方法得到的结果有较大差异。若考虑地形的相对稳定,则采用紊动能法获得的再悬浮和沉降通量比较合理;长江口的侵蚀常数应该在1×10-3kg·m-2s-1的量级。 基于反演的悬沙浓度数据,计算了北槽口外和北港内的潮周期单宽悬沙输运量:北槽口外,悬沙净输运方向为东南,达104kg量级;北港内单宽悬沙输运量较小,为103kg量级,方向为东偏北。对底层水体悬沙浓度的观测表明,沉积物再悬浮作用显著,且潮汐日不等现象对于长江口沉积物输运有重要影响。对长江口水层剪切强度、温盐和悬沙导致的密度分层进行计算,结果表明,温盐导致的密度分层作用在北槽内对于底层水体作用明显,使水体层化作用更趋于稳定,紊流受到抑制;在北槽口外,密度分层作用对于中上层水体中的紊流有抑制作用。由于底部沉积物再悬浮的密度梯度可高达1.5 kg·m—4,由此计算出来的理查森数值远远大于0.25,因此水体中高浓度悬沙的存在将使底部层化的水体趋于稳定,垂向紊流交换受到抑制,紊动能随着悬沙浓度的增加而减小。此外,随着悬沙浓度的增加,涡粘系数变化幅度减小,水体中由剪切引起的动量传输趋于稳定;悬沙垂向雷诺通量在悬沙浓度为2.0kg·m-3左右时达到极值;悬沙的垂向扩散在悬沙浓度小于2.0kg·m-3时随着悬沙浓度增大而增大,在悬沙浓度大于2.0kg·m-3时随着悬沙浓度增大而减小;悬沙的水平扩散在悬沙浓度小于4.0kg·m-3时随着悬沙浓度增大而增大,之后有减小的趋势。
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