（自然地理学专业论文）细颗粒泥沙近底边界层观测和模型研究.pdf

摘要 本论文设计和实现了长江口滩和槽的近底水沙现场观测系统，利用该系统在河口滩、槽 典型区域获取了包括流、浪和泥沙变化过程的系列宝贵数据；以观测数据为主开展分析研究； 结合边界层和一维数学模型探讨了近底泥沙运动的计算方法和变化机制。获得的主要认识包 括： 长江口南槽近底悬浮泥沙浓度随动力的响应 近底悬浮泥沙浓度随动力的响应过程受到多方面因素的影响，主要有水流的动力、床面 泥沙的供应量( 涉及到床面泥沙的沉积和固结过程) 、泥沙的沉降以及由此涉及到的粘性细 颗粒泥沙的絮凝现象等。近底悬浮泥沙浓度的变化和动力的响应关系总体可以归为四类过 程：第一类过程一一悬浮泥沙浓度随流速的增大而增大，原因是：该阶段床面泥沙的侵蚀量 占据该过程的主导地位，它远远要大于向上的紊动扩散及泥沙的沉降的综合作用；第二类过 程一一悬浮泥沙浓度随流速的增大而减小，原因是：该阶段水体紊动作用增强，向上的紊动 扩散作用加大，然而床面可供侵蚀的沉积物不多，使得该阶段的侵蚀量减小了，向上的紊动 扩散作用成为该阶段的主导因素；第三类过程一一悬浮泥沙浓度随流速的减小而增大，原因 是：由于该阶段流速减小，水体的紊动扩散作用减小，中上层水体向近底层水体沉降的泥沙 量增大，使得其成为该阶段的主导因素：和第四类过程一一悬浮泥沙浓度随流速的减小而减 小，原因是：中上层水体的悬浮泥沙大部分已经在上一过程中沉降到近底层，近底层悬浮泥 沙的沉降量成为该阶段的主导因素造成的。其中第二类过程，即悬浮泥沙浓度随流速的增大 而减小，是垂线六点法和垂线平均水沙观测所难以发现的。 根据1 d v 点模型计算得到的泥沙浓度过程和水流过程数据，对近底悬浮泥沙浓度随动 力的响应过程进行了分析。分析结果同样得到了近底悬浮泥沙浓度随动力响应的四个过程。 这说明近底悬浮泥沙浓度随动力的响应过程代表了一类较为典型的过程，正如概化模型所分 析，它是水流动力、床面泥沙供应量、泥沙沉降等多因素的综合作用结果。 滩地悬浮泥沙浓度动力响应过程 滩地悬浮泥沙浓度的一个显著特征是泥沙浓度峰值出现在涨潮初期和落潮末期。滩地悬 浮泥沙浓度随动力的响应分析表明：滩地悬浮泥沙浓度随流速的响应关系不明显。观测时段 内，只有少数几个潮周期悬浮泥沙浓度和流速的关系呈现比较明显的正比关系。尽管当时当 地的悬浮泥沙浓度和流速呈现很微弱的相关关系，但是潮周期平均悬浮泥沙浓度和潮周期平 均流速却呈现出很好的正相关关系。在光滩上和盐沼中，它们的相关系数一分别为o 8 0 和 0 8 7 。 在每一个潮周期内，滩地悬浮泥沙浓度和均方根波浪轨迹流速呈反比关系。悬浮泥沙浓 度和均方根波浪轨迹流速的这种反比关系并不是由它们之间的相互作用导致的，即不是一种 悬浮泥沙随均方根波浪轨迹流速的响应关系。它们之间的这种关系的形成的一种解释是：他 们的这种关系实际上完全是由均方根波浪轨迹流速自身随水深发生同步相应的变化而形成 的。另一种可能的解释是：涨潮初期的高悬浮泥沙浓度峰值要大于此时的水流挟沙能力，即 此时为过饱和输沙，所以在接下来均方根波浪轨迹流速逐渐增大过程，看到了悬浮泥沙浓度 反而降低这种现象。 和水流类似，潮周期平均悬浮泥沙浓度和潮周期平均均方根波浪轨迹流速呈现正比关 系。在光滩上，它们之间的关系差一些。但是，在盐沼中，它们之间的相关性较好，相关系 数为0 7 9 。 潮周期平均悬浮泥沙浓度随潮周期平均的潮流速和均方根波浪轨迹流速的正相关性，说 明了滩地悬浮泥沙的一类周期为“潮周期”的动力响应关系。 滩地水流能量来源和滩地冲淤模式 不论何种潮型，在盐沼中的潮流速要远小于光滩上的潮流速，但是在盐沼中的均方根波 浪轨迹流速仍然较大。说明在光滩上，水流的主要能量来源于潮流和波浪。然而，在有植被 覆盖的盐沼中，水流的能量来源主要是波浪。崇明东滩东面是开阔的海域，一年四季都处于 风浪的作用下，波浪成为水流能量的主要来源。 光滩的冲淤变化受潮周期动力情况影响。潮周期动力增大，滩地发生冲刷；潮周期动力 减小，滩地发生淤积。整个观测期间冲淤幅度最大达8 7 c m 。 盐沼冲淤幅度要远小于光滩，其冲淤变化周期也要更长。站点c 1 和站点c 2 的冲淤幅 度分别为0 2 c m 和0 3 c m ，而相应时段内光滩( 站点a ) 的冲淤幅度变化为1 1 c m 和6 5 c m 。 当站点c 1 和站点c 2 经过人为割草之后，站点c 立即发生冲刷，冲刷幅度达到o 8 c m 。从 这里可以看出，互花米草( s p a r t i n a ) 在护滩方面起到了相当重要的作用。 基于观测资料的分析，提出了崇明东滩冲淤模式：1 ) 有风浪作用。由于波浪的作用， 光滩和盐沼中的水流能量都较高，高含沙浓度能够出现在盐沼带中。盐沼植被发挥对悬浮泥 沙的捕集及其护滩作用，有利促使盐沼植被带滩地发生迅速淤涨；2 ) 无风浪作用。悬浮泥 沙随着上滩水流和水体能量的降低，发生沿程淤积，高含沙浓度到达盐沼带较困难，从而减 缓了盐沼植被带滩地的快速淤涨。 波流相互作用近底剪切应力估算 l p 方法计算得到的水流摩阻流速统计表明：u 。变化范围为o 5 6 7 e m s ，平均为 2 8 c m s 。w k e 方法计算得到的波流相互作用的摩阻流速u 。w 变化范围为4 1 - 1 0 7 c m s ，平 均为6 5 c m s 。波流相互作用的潮周期摩阻流速u - w 要比潮周期水流摩阻流速u 。的大 1 1 5 5 2 2 倍，平均为3 0 3 倍。这说明由于波浪的作用，近底剪切应力大大增加，所以在对 动力因素考虑的时候，波浪作用不能忽略。 b b l m 计算得到的糙率长度( z o d 同水流和波浪相对大小比例( c f o ) 呈乘幂的关系， 并且为负相关关系。这表明随着波浪作用的增强，糙率长度( z 0 d 增大，也反映了由于波 浪的作用，增大了床面对水流的阻力。 类比水流作用下的紊动能量( n ( e ) 法，作者提出了一种新的用于计算波流相互作用下 的摩阻流速u * e w 方法，即波浪运动能量法( w k e ) 。底部边界层模型( b b l m ) 的计算结果 表明w k e 方法可以用于计算波流相互作用的摩阻流速。 用于计算波流相互作用下的摩阻流速u 。的w k e 方法和y o u 方法计算结果有差异。认 为在水流发生变化的情况下，y o u 方法中“常系数”c ，不能再取常数。通过引入一个和流 速有关的函数来修正y o u 方法中的常数c ，进而对y o u 方法进行了改进。结果表明，改进 后的y o u 方法计算得到波流相互作用摩阻流速和b b l m 计算得到的摩阻流速比较吻合，可 以用于波流相互作用下的剪切应力计算。 关键词：近底边界层悬浮泥沙浓度剪切应力东滩冲淤模式底部边界层模型1 d v 点模型 m - n l eo b s e r v a t i o ns y s t e m sf o rb o t t o mb o u n d a r yl a y e r ( b b l ) a r ed e s i g n e da n ds u c c e s s f u l m e a s u r e m e n t sf o rb b la r em a d ei nt h es o u t hp a s s a g ea n dc h o n g m i n ge a s ts h o a lo fc h a n g j i n g e s t u a r y d a t ao fc u r r e n t , w a v ea n ds e d i m e n tw e r eo b t a i n e d i 黝t h e s eo b s e r v e dd a t a , t h er e l e v a n t a n a l y s i si sc a r r i e do u t c o m b i n gt h eb o t t o mb o u n d a r yl a y e rm o d e l ( b b l m ) a n do n e d i m e n s i o n a l v e r t i c a l ( 1 d v ) p o i n tm o d e l t h ec a l c u l a t e dm e t h o da n dm e c h a n i s ma b o u ts e d i m e n tt r a n s p o r ta r e a l s od i s c u s s e d n 圮m a i nc o n t e n t sc o u l db er e v i e w e da sf o l l o w s ： r e s p o n s eo fn e a r - b e ds u s p e n d e ds e d i m e n tc o n c e n t r a t i o n ( s s c ) t od y n a m i c si n s o u t hp a s s a g eo f c h a n g i a n ge s t u a r y t h ea n a l y s i ss h o w st h a tt h er e s p o n s e so fn e a r - b e ds s ct ot h ed y n a m i c sa r ec o m p l i c a t e da n d a f f e c t e db ym a n yf a c t o r s ，s u c ha st h eh y d r o d y n a m i c s ，t h ec r i t i c a ls h e a rs t r e s sf o re r o s i o nr e l a t e d w i t ht h es e d i m e n t a t i o na n dc o n s o l i d a t i o no ft h eb e ds e d i m e n t , t h es e t t l i n gd o w no fs u s p e n d e d s e d i m e n t , a sw e l l 雒t h ef l o c c u l a t i o no fc o h e s i v es e d i m e n t , a m o n go t h e m n l er e s p o n s eo f n e a r - b e ds s ct od y n a m i c sc a nb es u m m a r i z e da sb e l o n g i n gt of o u rt y p e so fr e s p o n s ep r o c e s s ，i e ， t h ef i r s tt y p e so fp o s i t i v e - r e s p o n s ep r o c e s si nw h i c ht h es s ci n c r e a s e sw i t ht h ei n c r e a s ei nt i d a l c u r r e n ts p e e d ；t h es e c o n dt y p e so fn e g a t i v e r e s p o n s ep r o c e s si nw h i c ht h es s cd e c r e a s e sw i t ht h e i n c r e a s ei nt i d a lc u r r e n ts p e e d ；t h et h i r dt y p e so fn e g a t i v e r e s p o n s ep r o c e s si nw h i c ht h es s c i n c r e a s e sw i t ht h ed e c r e a s ei l lt i d a lc u r r e n ts p e e d ；a n dt h ef o u r t ht y p e so fp o s i t i v e - r e s p o n s e p r o c e s si nw h i c ht h es s cd e c r e a s e sw i t ht h ed e c r e a s ei nt i d a lc u r r e n ts p e e d i na c c o r d a n c ew i t ht h ev e l o c i t ya n ds s cp r o c e s s e sc a l c u l a t e db y1d vp o i n tm o d e l ，t h o s ef o u r r e s p o n s ep r o c e s s e so fn e a r - b e ds s ct od y n a m i c sa r ea n a l y z e d t h er e s u l t sa l s os h o wt h ef o u r s t a g e so fn e a r - b e ds s ct od y n a m i c s ，w h i c hi n d i c a t e st h a tt h o s ef o u rr e s p o n s ep r o c e s s e so f n e a r - b e ds s ct od y n a m i c sa r et y p i c a ls e d i m e n tm o v e m e n t 。a si l l u s t r a t e db yt h eg e n e r a l i z e dm o d e l ， t h en e a r - b e ds s ca r et h es y n t h e s i z e do p e r a t i o n so fh y d r o d y n a m i c s ，t h ea v a i l a b l ee r o s i o nf l u xa n d t h es e t t l i n gf l u xo fs e d i m e n tc ta 1 r e s p o n s eo f s s c t od y n a m i c si nc h o n g m i n ge a s ts h o a l o n eo ft h em o s ts i g n i f i c a n tc h a r a c t e r i s t i c so fs s ci nc h o n g m i n ge a s ts h o a li st h ea p p e a r a n c eo f m a x i m u ms s ct h a tc o m e sf o l t l la tt h eb e g i n n i n go ff l o o dt i d ea n de n d i n go f e b bt i d e t h ca n a l y s i s o fr e s p o n s eo fs s ci nc h o n g m i n ge a s ts h o a lt od y n a m i c si n d i c a t e st h a tt h er e s p o n s eo fs s ct o t i d a ls p e e di sn o ts ov i s i b l ea sw es u p p o s e d d u r i n gt h eo b s e r v a t i o np e r i o d ，o n l yi ns e v e r a lt i d a l p e r i o d ，s s ca n dt i d a ls p e e dd e m o n s t r a t e st h eo b v i o u sp o s i t i v er e l a t i o n a l t h o u g ht h er e l a t i o n s h i p b e t w e e nt h es s ca n dt h et i d a ls p e e di sf e e b l ei no n et i d a lc y c l e ，t h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h et i d a l a v e r a g e ds s ca n dt i d a la v e r a g e dc u r r e n ts p e e di so b v i o u s t h er e l a t i o n s h i pc o e f f i c i e n tr zi nt h e m u df l a ta n ds a l t a m r s ha r e0 8a n d0 8 7 ，r e s p e c t i v e l y i v 1 1 舱s s cv a r i e si n v e r s e l yw i t hr o o t - m e a n - s q u a r ew a v eo r b i t a lv e l o c i t yi ne a c ht i d a lc y c l e t h e r e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h es s ca n dt h er o o t - m e a n s q u a r ew a v eo r b i t a lv e l o c i t yi sn o tc a u s e db y t h e f tr e c i p r o c i t y , i e i ti sn o tt h er e s p o n s eo fs s ct or o o t - m e a n s q u a r ew a v eo r b i t a lv e l o c i t y o n e s u p p o s e de x p l a n a t i o ni s ：t h er e l a t i o n s h i pi sd u et o t h ef a c tt h a tt h er o o t - m e a n - s q u a r ew a v eo r b i t a l v e l o c i t yc h a n g e sw i t ht h ew a t e rd e p t h t h eo t h e rp o s s i b l ee x p l a n a t i o ni s ：t h em a x i m u ms s c o c c u r i n ga tt h eb e g i n n i n go ff o o dt i d ei sh i g h e rt h a nt h es e d i m e n t l a d e nc a p a c i t yo ff l o w , i e t h i s p h a s ei so v e r - s a t u r a t i o ns e d i m e n tt r a n s p o r t t h e r e f o r e ，t h es s cd e c r e a s e sg r a d u a l l ya l t h o u g ht h e r o o t - m e a n - s q u a r ew a v eo r b i t a lv e l o c i t yi n c r e a s e sw i t ht h ei n c r e a s eo ft i d a ll e v e l s i m i l a r l yw i t ht i d a ls p e e d , t h et i d a la v e r a g e ds s ca n dt h et i d a la v e r a g e dr o o t - m e a n s q u a r ew a v e o r b i t a lv e l o c i t yr e p r e s e n t st h ed i r e c tr a t i or e l a t i o n s h i p i nt h em u df l a t , t h er e l a t i o n s h i pi sn o ts o t i e du ps t r o n g l yt h a nt h a ti nt h es a l t m a r hw h o s et h er e l a t i o n s h i pi n d e xi s0 7 9 t h ep o s i t i v e r e l a t i o n s h i p b e t w e e nt h et i d a l a v e r a g e ds s c a n dt i d a l a v e r a g e dc u r r e n t s p e e d r o o t - m e a n - s q u a r ew a v eo r b i t a lv e l o c i t ys h o w st h a tt h er e s p o n s ep e r i o do fs s c t od y n a m i c s i nc h o n g m i n ge a s ts h o a li st i d a lo n e t h es o u r c eo f f l o we n e r g ya n dt h ee r o s i o n - d e p o s i t i o nm o d e 觑c h o n g m i n ge a s t s h o a l n om a t t e rw h a tc a t e g o r yo ft h et i d a ld y n a m i c si s ，t h et i d a ls p e e di nt h es a l tm a r hi sm u c hl o w e r t h a nt h a ti nt h em u df l a t , w h e r e a st h er o o t - m e a n - s q u a r ew a v eo r b i t a lv e l o c i t yi nt h es a l tm a r s hi s s t i l lv e r yh i g h t h ef a c tt e l l su st h a tt h em a i ns o u r c 宅o ff l u i de n e r g yc o m e sf r o mt i d a lm o v e m e n t a n dw a v em o v e m e n ti nt h em u df l a t h o w e v e r , w a v ei st h em a i ns o u r c eo fe n e r g y t h ee r o s i o no rd e p o s i t i o ni nt h em u df l a ti si n f l u e n c e db yt i d a la v e r a g e dd y n a m i c s w i t ht h e i n c r e a s e dt i d a la v e r a g e dd y n a m i c s ，t h em u df l a ti se r o d e dm o r ei n t e n s i v e l y , w h i l et h et i d a l a v e r a g e dd y n a m i c sd e c r e a s e d ，t h em u df l a ti ss i l t e d d u r i n gt h eo b s e r v a t i o np e r i o d ，t h eb i g g e s t e r o s i o n - d e p o s i t i o nr a n g er e a c h e d8 7c m t h ee r o s i o n d e p o s i t i o nr a n g ei nt h es a l t m a r hi sf a rs m a l l e rt h a nt h a ti nt h em u d f l a t e r o s i o n - d e p o s i t i o nr a n g ei ns i t ec - 1a n ds i t ec 一2i so 2 c ma n d0 3 c m r e s p e c t i v e l y , m e a n w h i l e t h ee r o s i o n d e p o s i t i o nr a n g ei nt h em u df l a t ( s i t ea ) r a n g e df r o m1 1c mt o6 5 c m c o m p a r e dw i t h s i t ec 1a n ds i t ec 2 ，a f t e rt h eh u m a nw e e d i n g ，t h es i t e c 一2i se r o d e di m m e d i a t e l yw i t l lt h e e r o s i o n d e p o s i t i o nr a n g eo f0 8c m u p o nt h ea b o v ea n a l y s i s ，w em a yc o n c l u d et h a tt h es p a r t i n a p l a y st h ei m p o r t a n tr o l et oa v o i de r o s i o n b a s e do nt h ea n a l y s i so f o b s e r v e dd a t a , t h ee r o s i o n d e p o s i t i o nm o d ei nc h o n g m i n ge a s ts h o a li s p r o p o s e d ：1 ) c o m b i n e dw a v ea n dc u r r e n t d u et ot h ew a v em o v e m e n t , t h ef l o we n e r g yi sh i g h e r b o t hi nt h em u df l a ta n dt h es a l t m a r h ，s ot h eh i 曲s s cc a r lr e a c ht ot h es a l t m a r h i ti st h es h o a l p r o t e c t i o na n ds e d i m e n tt r a po ft h ev e g e t a t i o ni nt h es a l t m a r ht h a tm a k e t h es h o a lw i t hv e g e t a t i o n o c c u r sh i g hs i l t a t i o na n de x t e n d so f f s h o r ef a s t ；2 ) n ow a v em o v e m e n t t h es u s p e n d e ds e d i m e n t w i l ld e p o s i to n t ot h eg r o u n do nt h ef l o ww a yw i t ht h ed e c r e a s eo f f l o we n e r g y , a n dt h eh i g hs s c m i g h tn o ta d p e a ri nt h es a l t m a r s hd e t e r r i n gt h ef a s te x t e n s i o no ft h es a l t m a r h v t h ee s t i m a t i o no f c o m b i n e dw a v ea n dc u r r e n ts h e a rv e l o c i t y 1 1 1 es h e a rv e l o c i t yc a l c u l a t e db yl pm e t h o ds h o w st h a tt h ev a r i e t yr a n g eo f u * ci so 5 6 7 c m sw i t h a l la v e r a g ev a l u eo f2 8 c m s t h ec o m b i n e dw a v ea n dc u r r e n ts h e a rv e l o c i t yu wc a l c u l a t e db y w k em e t h o dr a n g e sf r o m4 1 - 1 0 7 c m s ，w i t ha na v e r a g ev a l u eo f 6 5 c m s t h ec o m b i n e dw a v e a n dc u r r e n ts h e a rv e l o c i t yi s1 1 5 5 2 2t i m e sh i g h e rt h a nt h ec u r r e n to n l ys h e a rv e l o c i t y , w i t ha n a v e r a g eo f3 0 3 i ti l l u s t r a t e st h a td u et ot h ea c t i o no ft h ew a v e ，t h es h e a rs t r e s si n c r e a s e sal o t t h e r e f o r e ，t h ea c t i o no fw a v e sc a n n o tb ei g n o r e dw h e nt a k i n gt h ed y n a m i c si n t oa c c o u n t t h er o u g h n e s sl e n g t h ( 2 c a l c u l a t e db yb b l mp r e s e n t st h en e g a t i v ep o w e rr e l a t i o n s h i p 、析也t h e r e l a t i v eq u a l i t yo fc u r r e n ta n dw a v e ( c r o ) ，w h i c hi l l u s t r a t e st h a ta l o n gw i t ht h ec u r r e n ti n c r e a s i n g , t h eb o r o mr o u g h n e s s ( z 0 0i se n f o r c e da n dt h eb e df r i c t i o nf o r c eo nt h ef l o wi s s t r e n g t h a c c o r d i n g l y m a k i n gt h ea n a l o g yo f t h et u r b u l e n tk i n e t i c se n e r g y ( t k e ) m e t h o d , an e wm e t h o dt oc a l c u l a t et h e c o m b i n e dw a v ea n dc u r r e n ts h e a rv e l o c i t yu c wi e ( w a v ek i n e t i ce n e r g y ) w k em e t h o di sp u t f o r w a r d r e s u l to fb o t t o mb o u n d a r yl a y e rm o d e l ( b b l m ) i n d i c a t e st h a tw l m e t h o di s a p p l i c a b l ef o rt h ec a l c u l a t i o no fc o m b i n e dw a v ea n dc u r r e n ts h e a rv e l o c i t y t h e r ei sd i f f e r e n c eb e t w e e nt h ew k em e t h o da n dy o um e t h o dt oc a l c u l a t et h ec o m b i n e dw a v e a n dc u r r e n ts h e a rv e l o c i t yu 舯t h er e s u l ti n d i c a t e st h a tw i t ht h ec h a n g eo ft h et i d a ls p e e d ，t h e “c o n s t a n tc o e f f i c i e n tc ”i nt h ey o um e t h o d sc o u l dn o tb ec o n s t a n ta n y m o r e t h e r e f o r e ，w em a y i m p r o v et h ey o um e t h o db ya m e n d m e n to ft h e “c o n s t a n tc o e 塌c i e n tc ”w i t ht h ei n t r o d u c t i o no fa f u n c t i o nr e l a t e dw i t ht h et i d a ls p e e d t h er e s u l t ss h o w st h a tt h ed i f f e r e n c eb e t w e e nt h ec o m b i n e d w a v ea n dc u r r e n ts h e a rv e l o c i t yc a l c u l a t e db yt h ei m p r o v e dy o um e t h o da n dt h eo n e sc a l c u l a t e d b yt h eb b l mi sv e r ys m a l l ，w h i c hs h o w st h a tt h ei m p r o v e dy o um e t h o di sa p p l i c a b l ef o rt h e c a l c u l a t i o no fc o m b i n e dw a v ea n dc u r r e n ts h e a rv e l o c i t y k e yw o r d s ：n e a r - b e db o u n d a r yl a y e r ；s u s p e n d e ds e d i m e n tc o n c e n t r a t i o n ；s h e a rs t r e s s o rs h e a r v e l o c i t y ；e r o s i o na n dd e p o s i t i o n ；b o t t o mb o u n d a r yl a y e rm o d e l ；1d vp o i n tm o d e l 学位论文独创性声明 本人所呈交的学位论文是我在导师的指导下进行的研究工作及 取得的研究成果。据我所知，除文中已经注明引用的内容外，本论文 不包含其他个人已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出重 要贡献的个人和集体，均已在文中作了明确说明并表示谢意。 作者签名：j 酪牛 学位论文授权使用声明 本人完全了解华东师范大学有关保留、使用学位论文的规定，学 校有权保留学位论文并向国家主管部门或其指定机构送交论文的电 子版和纸质版。有权将学位论文用于非赢利目的的少量复制并允许论 文进入学校图书馆被查阅。有权将学位论文的内容编入有关数据库进 行检索。有权将学位论文的标题和摘要汇编出版。保密的学位论文在 解密后适用本规定。 导师签名：彩可昔 日期衅 第一章绪论 1 1 底部边界层观测 1 2 底部边界层模型 1 3 底部边界层关键模型参数 1 4 讨论和小结 1 5 论文框架及内容 底部边界层( b e n t h i c b o t t o mb o u n d a r yl a y e r , 简称b b l ) 是底床和水体的交 界面，泥沙的侵蚀、输移和沉积过程主要发生在底部边界层内。这些过程极大地 影响着床面的稳定性、颗粒物质和海底动物群落的扩散。因此，底部边界层动力 和泥沙输移的研究对海洋学家、海岸工程家以及环境管理者都很重要( g r a n ta n d m a d s e n ，1 9 8 6 ；w r i g h t ，1 9 8 9 ) 。w r i e s t ( 1 9 8 9 ) 称河口、海湾和内陆架是一些很不 寻常的地方，因为在这些地方的底部边界层内底床的组成、地貌、糙率以及海底 动物群和同样变化多样且复杂的水流运动发生着相互作用。底部边界层涉及到的 最基本的问题有床面的侵蚀、泥沙的输移和沉积以及水体里面的悬浮泥沙混和。 近几十年来，人们对底部边界层的研究由浅入深，研究方法和手段也多种多 样，特别是近年来现代化的观测仪器的出现，如声学流速和悬浮泥沙浓度测量仪、 光学悬浮泥沙测量仪、电子设备和存储设备的更新等，都促进了人们对底部边界 层的探索能力，使得研究者能够获得原来不能获得的一些现场近底观测资料 ( k o n t a ra n ds o k o v 19 9 7 ；w i l l i a m se ta 1 ，19 9 9 ；s h ie ta 1 ，19 9 6 ；l y n c he ta 1 ，19 9 7 ； k i y o s ie ta 1 ，1 9 9 7 ；时钟等，1 9 9 9 ；汪亚平等，1 9 9 9 ；李九发等，2 0 0 1 ；h ee ta 1 ，2 0 0 1 ； 王元叶，2 0 0 4 ) 。同时，在现场观测和室内试验的基础上，底部边界层模型也得 到了很大的发展( n o w e l l ，19 8 3 ；s o u l s b y , 19 8 3 ；g r a n ta n dm a d s e n ，19 8 6 ；s t y l e s ， 1 9 9 8 ) 。这些模型基本上能够解释和预测底部边界层内的水动力结构、相应的剪 切应力，以及由其产生的泥沙再悬浮和输移现象。 本章的结构分为五个部分。第一部分详细介绍了过去几十年科学家们关于底 部边界层进行的观测研究以及取得的部分研究成果。第二部分对底部边界层模型 的历史发展进行了回顾，从中可以了解到有哪些底部边界层模型以及每个的模型 主要特点。第三部分简单介绍了底部边界层三个关键模型参数，即参考浓度、底 部糙率和描述紊动雷诺涡粘方程。第四部分是对底部边界层研究中的不足和以后 的研究方向等进行说明。最后是论文的框架和研究内容。 1 1 底部边界层观测 在过去的几十年，结合波流相互作用下水沙模型的研究，科学家们进行了许 多相关的观测( 表1 1 ) 。最早一次大规模的边界层水流调查研究开展于1 9 8 1 年 春夏季。它属于海岸海洋动力试验项目( c o a s t a lo c e a nd y n a m i c se x p e r i m e n t ， c o d e 一1 ) 中的一部分( a l l e ne ta 1 1 9 8 2 ) 。当时，科学家将配备有先进流速仪探 头的底部三角架分别布放在远离美国北加利福尼亚海岸3 0 米和9 0 米的水深处。 9 0 米水深处的三角架系统观测结果表明了波流相互作用对决定底部应力方面的 重要性，同时也证实了在天然波流环境中对数流速剖面的存在( g r a n te ta 1 1 9 8 4 ) 。g r a n t 等( 1 9 8 4 ) 同时也指出，利用g r a n ta n d m a d s e n ( 1 9 7 9 ) 模型( 简 称g m 7 9 模型) 计算得到的底部应力不会超出测量值的1 0 0 o - - 1 5 范围。1 9 7 9 年 1 2 月，在北加利福尼亚8 5 米水深陆架区域的一次风暴事件中的观测表明：1 ) 由于波流相互作用产生的高剪切应力事件是控制该区域表层沉积物分布的主要 因素；2 ) 从底部边界层三角架估算得到的摩阻流速和g m 7 9 模型的计算结果很 接近( c a c c h i o n ee ta 1 ，1 9 8 7 ) 。 在c o d e 项目结束十几年之后，对于底部边界层的观测研究从未间断。作为 陆架和陆坡泥沙输移( t h es e d i m e n tt r a n s p o r to ns h e l v e sa n ds l o p e s ，s t r e s s ) 研究项目的一部分，科学家将目标放回到了美国北加利福尼亚陆架( s h e r w o o de t a 1 1 9 9 4 ；w i b e r ge ta 1 1 9 9 4 ；l y n c he ta 1 1 9 9 7 ) 。在原先c o d e 项目部分站点的基 础上，研究者利用现代化的光学、声