（自然地理学专业论文）崇明东滩水沙输移及植被影响分析.pdf

摘要 本文通过2 0 0 5 年9 月和2 0 0 6 年9 月两次在崇明东滩的现场水文泥沙观测， 利用a d p 、a d v 等流速仪、o b s 浊度仪，通过对潮流、悬沙、沉积物以及波浪 要素的分析，探讨了潮滩泥沙输运过程及植被影响，主要研究结果如下。 ( 一) 潮流过程 潮流动力较强且流速与潮差相关。在光滩外侧，大潮时观测到最大流速 1 1 3 c 州s ，大潮时涨潮平均流速3 6 c n 怕，落潮6 2 c 州s ；小潮时潮周期内流速全线 下降，平均流速为大潮的l 3 l 2 。流向在光滩外侧基本与周围海域流向一致， 靠北为沿岸往复流、靠南为近似旋转流。空间上流速沿向岸方向递减，大潮时海 三棱蔗草带( 外侧植被) 平均流速约为l o c n 怕，到互花米草带( 内侧植被) 平 均流速不足1 c “s 。由于浅水环境( 水深小于3 0 c m ) 下潮位变化引起加速效应， 涨潮初、落潮末流速较高，比其他时间的平均值高出l 3 倍，形成潮锋。涨潮 中后期高水位时和落潮中期潮位变率大时流速也小幅上升。潮波为驻波型，中潮 位时潮位变率最大，潮锋作用在光滩位置最强，至植被带减弱。 近底流速垂线分布很好的符合对数分布，拟合相关系数大于9 5 以上的垂线 占总数的7 8 6 。计算得出潮流摩阻流速u 。范围为0 3 9 6 8 c 州s ，粗糙长度 z 0 = 0 3 1 c m 。 ( 二) 泥沙过程 平均含沙量受到潮汐控制。在潮水上滩阶段，水体极度混浊，最大含沙量高 达1 4 2 k 时。潮周期平均含沙量在o ”8 蚝m 3 范围内。大潮动力条件强，光 滩上平均含沙量范围为2 5 3 8 k g m 3 ，小潮时含沙量均变小，光滩上范围为o 7 2 3 训。含沙量值空间分布复杂，多数情况下从光滩外起，向岸方向沿程增大， 到植被带略为减小。 流速变化影响含沙量大小，流速的增大引起泥沙再悬浮。含沙量一般在涨潮 初和落潮中期较大。涨潮初由高速水流及滩涌作用，含沙量高达5 1 4 蝌。 落潮时由于落潮流速的上升，及潮滩上部高含沙量水经过，在落潮中期含沙量达 到峰值。在植被带也有此规律，但峰态平缓，峰值较小，一般3 5 蚶。含沙 量与流速做简单线性回归可看出，在光滩处相关性好，植被带关系差，说明光滩 处泥沙再悬浮作用强，显著影响含沙量水平，在植被带，含沙量更多的依赖于潮 流强弱，靠潮流平移输沙，再悬浮作用弱。 表层沉积物由于潮流分选搬运作用沿向岸方向由粗变细。在光滩外侧为铁板 沙带，d 5 0 为7 6 岫1 ，至光滩靠内侧泥沙颗粒迅速变小，成为泥滩，d 5 0 为1 0 p m ， 摘要崇明东滩水沙输移及植被影响分析 至植被带粒径变化不大。 ( 三) 波浪作用 本区观测期间大部分时间风速小于1 0 州s ，波浪作用中弱。光滩外侧最大有 效波高0 7 4 m 。高潮位时波浪在光滩传播未发现明显衰减，但进入植被带衰减 迅速。 波浪引起近底水层瞬时流速呈与波浪周期( 2 8 8 5 s ) 相近的轨迹运动。利 用流速瞬时值推求出浪、流共同作用的摩阻流速是单纯潮流摩阻流速的1 3 5 6 倍。近底层的含沙量过程密切响应摩阻变化，剪切力增大引起泥沙起动。通过对 悬沙过程分析，得出滩地临界剪切力t a 卸4 8n m 2 ，并计算多种情况下滩地临界 流速。由于波浪存在，泥沙更易被潮流起动，光滩距底1 m 高度层处流速使泥沙 大量再悬浮的临界值从3 1 8 c n l s 降至6 9 8 4 c 州s 。 波浪加强了传统的潮流搬运分选。在铁板沙带，强动力条件导致此处泥沙颗 粒粗并伴有沙纹出现。至光滩靠内侧，由于波浪的迅速衰减，d 5 0 从7 9 岬突降 至1 0 岫，突变对应了波高迅速衰减的分布格局。 ( 四) 植被影响 植被有缓流消能以及滞留泥沙的作用。 通过估算，有植被区域流速衰减速度比光滩快1 0 倍以上，海三棱蔗草带流 速相应衰减量是互花米草的2 3 倍。植被带有效抑制波浪向高潮滩发展。海三 棱蔗草带仅前缘位置波高迅速下降3 4 。进入植被带后水体含沙量变小，但减小 幅度一般不超过1 5 水平，再悬浮作用不明显，导致含沙量过程线变化平缓。 植被更重要的作用是对潮滩泥沙输运模式的影响。植被带形成新的潮流屏 障。大量的细颗粒泥沙在此淤积，利于植被生长，植被不断向海发展，滩地淤高。 关键词：崇明东滩， 潮滩，泥沙运动， 底部剪切力， 粗糙长度，波浪 a b s t r a c t c h o n 肿i 1 1 9d o n g t a l ll o c a t e dmt l l ee a s to fc h 0 i 炉i n gi s l 锄d ，i sb i 鹊e 瓯伽yd e v e l o p c d 锄d 聊i c a l 廿d a ln a ti l le s t u a 叫玳a l 鸭eh l t e r t i d a lz 0 ，s 臼o n gs 础m 钮t s p o n m o n 觚da b u l l 妇l t v e g e 诅廿m a l 【ec h o n g m i i l gd o n g t 锄ap e 彘c te x 锄p l e 蠡ws t l m 蛐n gt i d a ln a t f i e l d i i l v e s t i g a t i o n sw e 托c a r r i e do u ti i ls e p t 2 0 0 5 趾ds e p t 2 0 0 6i nc h o n g m i n gd o n g t 觚u s i n g 廿把 d a ：c a0 ft i d a lc u r r e n t ( b ya d b a d v ) ，s u s p e r l d e d d i l n e n tc o n c e 曲嘶0 n ( s s cb yo b s ) ，b e d s e d i l n e n ta n dw a v e ，n l i sp 印e rt r i e st od i s c u s st h es e d i m e m 由唧r 塔p o r tp r o c e s si n 吐l ef o l l 刚她f o u r 船p e c t s ( 1 ) t m a lc u r 弛n t t i d a jc u i t e n tc o r 豫l a t e dt ot i d a j 啪g ei i l 吐l es t u d ya 陀aw 部蛐r o n g a tt h eo u t s i d eo fb a r en a 乞m x v e l o c 姆w 弱1 1 3c m si i ls p 血gt i d e t h ea v e “磐n 0 0 dc u m n tw 锻3 6c n l sa n da 嘲驾ee b b c l l r r e n t 、舔6 2c m s h l 眦印t i d em ea v e 托紧v e l o c 时、笛1 2 一l 3o f t h a ti i ls p r 吨t i d e a tm e o u t s i d e0 fb 盯ef l a tc u r r e md i 他c t i o nw n e 砌yt h es 锄e 嬲也a ti i ln e a r b ys e 钆w l l i c hw a s r i p r o c a t i l l gi i ln 耐ha n dr o t 撕o n a li ns o 劬t h ev e l o c i 够d e c r e 嬲e df o mb a 糟f l a tt 0v e g e t a t i o n 趵m h ls p r i l l gt i d ea v e r a g ev e l o c 时i l l f 甲淞z o m ( t l l eo u t e rv e g e t a t i o nz o n e ) 1 o c m s ， w i l i l ei i l 印册办埘z o n em a tw 鹬l e s sm 锄lc m s a tt h eb e g i l l 】 1 i i l go f n o o da n d e n do f t h ee b b 廿l e v e l o c 时w 罄l 3t i | n e sl a r g e r 恤lt l l a ti 1 1o m e rp e r i o db e c a u s eo ft h e 扯c e l e 翰t i i l ge 矗e c ti n s h a l l o ww a t e r d u 血gp e r i o do fm g l lw a t 盯l e v e li i ln o o d 锄d p e r i o do f 蠡| s t 廿d el e v e lc h 觚g ei l a ：t e ， v e l o c 姆r o s es l i 出l y w h e nt i d e 舱h e dt h em i d d l el e v e l ，t i d el e v e lc h 锄g er i a 土ew 笛m 觚i m 加a t 廿l a tm o m e n tt l l ef 1 0 0 d - 丘0 n tw 鹤0 nb a 舱n a t 州hs 仃o n gt l l r b u l e n c e t h e 孙e dv e l o c 蚵p r o f i l ef i t 也el o g a r n l a ww e l l m o 把n l 肌7 8 6 o f t o t a lp r o f i l el l a dm e c o n e l a t i o nc o e 币c i e n t 舢9 5 c a l c u l a t e d 衔c t i o nv e l o c 时c a 吣e db yt i d a lc 哪n t ( u c ) i s o 3 9 6 8 c 毗r o 蚶m s sl e r 培m 酽0 31c m ( 2 )s e d i m e n tt m n s p o n 1 ka v e 飓g es s c 、鹳c o n 仰l l e db yt i d e ，w l l i c hh a da 删呼o f 0 7t 03 8 k g m 3 锄dn l 瓢i i n 眦 砌u eo f14 2k g ，m 3 s p a t i a ld i 矧b 砸0 no fs s c 训u e 、v 弱c o m p l e x c o m m o m ys s cm 坞部e d f 0 眦b a 他n a 士t 0e 起eo f v e g e t a ：c i o nz o ，锄ds l i g h u yd e c 托弱e di 1 1 s i d et 1 1 ev e g e 饿i o n 删圮 1 h e r ew 弱c e r t a i l lr e l a t i o 璐l l i pb e 觚e v e l o c 畸锄ds s c s s co f t e nh a dp e a kv a l m ( 5 1 4k g m ) a tt i l eb e 曲1 i l i i l g 锄de n do f at i d a ic 沁l e 1 1 1 ef 1 0 0 d - 舶mp e a kw 鹊c 肌db yl l i g h - s p e e d 劬m 咖趾dt i d a ls u r g ee 仃e c t h l 也em i d d l eo fe b bp e r i o d ，s s ca l s o1 1 a dp e a l 【、瑚u ed t 0r i o f v e l o c 埘甜l da d v e c t i o no fm g hs s cw 掀敏h nu p s i d eo ft i d a lf l 砒v e g e 协d z o n eh a da 锄a l l e r p e a l 【( 3 - 5k 翟m 。) t h eb a r en a th a dag o o dn 1 1 e 打豫伊e s s 他s u nw h n ev e g e t 硝0 nz 0 鹏h a dab a d 托s u l t t l l i s 砌i c a t e ss n 0 n g 他s u s p e 璐i o n0 c c 峨di nb a 托f l a t 踟e 姐dq 啪t i 哆o fs u s p 翩d e d d i m 钮ti l lv e 鲥a 土i o nz 0 r e l i e d0 na d v e c t i o no f t i d a lc u 玳m b e d 辩d i i e n ts i 臻9 0 ts m a l l 盯自咖s e a - s i d et ob a n k - s i d e d 5 0v 蜀l l 鹏w h i c hi nb a 鹏n a t 瑚ew 胬 7 6 阻d e c 托私e d 印i d l ya t 恤ee d g e o f m u d n a t a n d a l m o s t 唰a l 也es a 肌砌i nv e 喇i o n z o n e - 崇明东滩水沙输移及植被影响分析 ( 3 ) e 疵n o f w a v e m o s to ft i m ed u r i i l go b s e a d o n 也e 咖ds p e e dw 弱n o t b i 鹤e rm 觚1 0 n 以e 毹c to fw a v e 啪s b e l o wm i d d l ei e v e l t h em 戏s i 鲥f i c 觚tw a v eh e i 班a tm eo 吣i d eo f b 眦n a ti so 7 4 m e n e 凹 甜e i m ：t i o no fw a v ew 硒n o ts 蛳f i c a n t 恤nt l i 曲t i d ei e v e lp e r i o d b u tw a v e 、v 弱a n e n u a ：蜘 r a p i d l ya 俞e rg e t t i n gc l o t ov e g e 谢伽 d u et ow a v ee 髓鸭m 缸b e di 1 1 船m 伽e o u sv e l o c 时s h o w e dp e r i o d i cm o v e m e n t 、】l ，i mn l es i i n i l 甜 p e r i o d 笛坝叭c a l c u l a t e du 哪( 衔c t i o nv e l o c 时c a u s e db yw a v e 龃dc u 玎e n t ) w 笛1 3 - 5 6t i m e s 笛l a l l 薛雒u c ( 箭c t i o nv e l o c 埘c a 吣e do i d yb yc u r r e n t ) 1 鹏a rb e ds s c1 1 a i dc l o s e l 撕o r i s h i p w 池u 坩私s h e 雒s 臼e s sc a l lm d l l c e d i l i l e n ti i l c i p i e n tm o t i o n a c c o r d i n gt 0 锄a l y z i i l gt h es s c 臼e 1 1 d ，ar e s u hc r i d c a ls h e 打s 臼e s st c 产0 4 8n i 十w a so b t a i n e d b 舔eo ni t ，s e v e r a lc r i t i c a l v e l o c i 锣v a l u e so nb a r en a tw e r ec a l c u l a t e du n d e rd i 丘e r e n tc o n d i t i o n s t h ei i l c i p i e m v e l o c n yw 硒6 9 - 8 4c m s 晰mp 他s e n c eo fn o m a lw a v e ，m u c hs m a l l 盱t 1 1 a nt 1 1 ev a l 鹏31 8c m s u n d e rn 0 忸v ec o n d i t i o n w a v e 妣n g t l l e n e d 廿l es o r t i l l ge 丘i e c t0 nb e ds e d i i n e n to f 石d a lc 眦e n t b e c a u s eo ft h ew a v e e r 科 d i 蛐曲_ i t i o l l d 5 0r a p i d l yd r o p p e da tt h ee d g eo f m u dn a t ( 4 ) e f 茧比to fv 昭e t a t i o n 1 1 1 ev e 喇i o nh a v e 也r e e 舔p e c t so fe 彘c t0 l l d i i i l e n t 仃a n s p o n ：s l o 、i n gc u r r e 鸭a l t e n 腿曲g w a v ee n e i 】醪锄dt r a p p i r 唱s e d i m 饥t a 牡e n u a t i o n 豫t e 谢吐1d i s t a i l c eo nb a 聆n a tw 笛e s t j m a t e d 雏1 0t i i n 骼a _ b o v et l l 锄m a ti nt h e v e g 删o nz o m a t t e n u a t i o nr a t ei n 办p 淞z o n e 、 ，骶2 _ 3t i m e s 弱t 1 1 a ti i l 印口删砌z o m v e g e 伽o nc 姐e 虢c t i v e l y 把s i s tw a v ep r o p a g a t i o nt o w 矾sm g l ln a t w a v eh e i 蛳d r o p p e d3 4 i i l 丘d n to fv e g 咖i o nz o n e s s cd r o p p e d 加w a 魄e m e r i n gv e g e t a l i o nz o n e ，h e 他r e s u s p e i l s i w 罄w e a k 锄ds s c 仃e n dw 罂g e n t l e t l 坞d e c r e 鹊em n g ew 嬲l e s st i m1 5 c h a n g i n gs e d i i n e n tt r a l l s p o nm o d e0 nd d a ln a ti sam o r ei m p o n a n te 位c t v e g e t a t i o nz o n ef 0 彻e d a 舱wb a 埘e rf o rt i d a lc 姒e n t a m o 璇to f f m e 舒血s i z es e d i i n e n td e p o s i t e di i l 纳n to f v e g e t a t i o n z 0 鹏，w 1 1 i c hh e l p e dv c g e 协t i o n 黟o w h lt 1 1 i sw a yv e g e 乜晡e x p 锄d e dt o w a r d a 础hg r o w c l lo f t i d a l n a t c h o n g m i n gd o n g t a n ， t i d a ll h t s e d i m e n tt r a n s p o n ， b e ds h e a rn n s s ， r o u g h n 稍sl e n g t h ，w a v e - - 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，除文中已经注明弓l 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：童堕塑日期：竺罗：! ：! z 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 学位论文作者签名： 日期： 譬6 ，z 唁屯强 导师签名何舌 日期：边銎：垒：! 1 1 研究意义 1 1 1 学科意义 第1 章绪论 潮滩是一个复杂的系统。这里受潮汐影响，涨潮淹没、落潮出露交替进行， 盐淡水交汇，冲淤演变复杂，集中了陆地海洋之间的主要相互作用力。各种物理、 化学及生物过程十分复杂，因此，研究潮滩在各种环境要素综合作用下的物质循 环机制及演变规律是当前国际上的热点和难点。 河口潮滩是陆地和海洋之间的主要地貌景观，有丰富的生物资源，是重要的 动植物栖息场所，其生态价值也非常高。潮滩湿地对陆源污染物起着净化器的作 用，能有效减少污染物质进入海洋的总量，有着过滤功能。潮滩土地资源对河口 地区亦十分重要。伴随地区经济的发展，临海的潮滩土地往往具有很高的造陆价 值。 长江从流域携带大量的泥沙进入河口，塑造了长江河口的基本地貌形态，包 括大量的潮滩湿地。长江的年均输沙总量居世界第五位( 余文畴等，2 0 0 2 ) ，长 江口是以“高浊度 和“细颗粒 而著称的分叉型河口，由这样高输沙量河流塑 造的淤泥质潮滩，是陆海相互作用最敏感的地区，其水沙输运特征必将受到进一 步关注。潮滩植物是全球陆海物质循环和能量交换的重要环节，在全球生态系统 平衡中占有十分重要的地位。潮滩湿地也是城市后备土地的重要来源。开展细颗 粒潮滩水沙特性及对植被作用响应方面的研究，不仅具有独特的学术研究价值， 而且对我国沿海地区的发展有重要的经济和社会价值。 与世界上其它地区的潮滩相比，长江口潮滩独具特色。世界上著名的瓦登海 潮滩和美国东海岸潮滩发育在堡岛的后方，其波浪较弱，泥沙来源有限；而长江 口潮滩多数面向开敞海域或宽阔的水道，且淤涨迅速。较强的动力条件、开敞的 地貌特征加上高浓度的泥沙环境，情况复杂而富有深入研究的价值。 崇明东滩位于崇明岛最东端，由长江径流携带的泥沙沉积而成，是长江口规 模最大、发育最完善的河口型潮滩，近几十年来以每年2 0 肚3 0 0 m 的淤涨速度向 东海推进( 杨世伦等，1 9 9 9 ) ，是长江高输沙量形成淤泥质潮滩的典型代表。崇 明东滩也是国家级鸟类自然保护区，且被列入国际著名湿地名录，是长江口区人 类活动影响较小的潮滩湿地。 大通站1 9 5 0 2 0 0 5 年的水沙资料统计，多年平均径流量9 0 3 4 亿立方米，输 第l 章绪论崇明东滩水沙输移及植被影响分析 沙量4 1 4 亿吨。近几年来长江大通站的输沙量有减小的趋势，2 0 0 4 年为1 4 7 亿 吨，2 0 0 6 年仅为o 8 5 亿吨( 水利部泥沙公报) 。在流域来沙减少的背景下，潮滩 湿地淤涨的速率有所减缓，部分海岸和潮滩湿地面临蚀退的威胁，开展崇明东滩 水沙特性及植被对岸滩冲淤演变作用的研究，对于全面了解植被在滩涂发育中的 作用，以及东滩地貌演变、物理和化学过程、生态系统等变化都有重要意义。 1 1 2 应用意义 近年来，随着长三角经济的快速发展，上海城市规模迅速扩大，土地需求日 益加剧。长江每年携带的巨量泥沙中约有一半堆积于河口滨岸地区，形成了大片 宽阔的淤泥质潮滩，并以每年数十米的淤涨速率不断向海推进，正好为上海城市 空间的拓展提供了丰富的后备土地资源。人们开始将潮滩土地逐步改造成适合利 用的农田或城镇用地。随着经济建设的发展，将潮滩作为潜在可资利用土地资源 的意识不断深化，围垦和利用的程度也就不断加强。自1 9 4 9 年以来，崇明东滩 进行过三次围垦，分别为1 9 6 8 ，1 9 9 2 和1 9 9 8 年，时间间隔越来越短，其中第三 次围垦直接抵达海三棱蔗草分布的外围地带，导致这一地区自然环境和生态环境 的急剧变化，对植被、底栖动物、珍稀候鸟等的生存形成了威胁。要科学的利用 和发展潮滩土地资源，实现可持续发展，必须建立在对潮滩的地貌演变、物理和 化学过程、生态系统等有足够的认识基础之上。因此，长江口滩地资源的利用问 题得到了有关方面专家和社会各界的高度重视。本文对崇明东滩水沙特性的研 究，对弄清滩地自然发展规律，预测滩涂湿地的演变和海岸带开发提供决策支持 都具有重要的意义 1 2 国内外研究现状分析 1 2 1 潮滩水动力泥沙过程 潮滩由陆向海延伸，具有宽广的潮间带，潮水周期性淹没潮滩缓坡。水深在 时空上的快速变化，形成潮滩上特殊的水动力过程，并由此控制着泥沙的输移。 潮滩上水动力的各种影响因素较多，潮流( 向岸离岸流、沿岸流) 、潮汐不对称、 风成环流以及波浪是引起潮滩发生泥沙输运的原因( l eh i re ta l ，2 0 0 0 ) 。其中主 要的水动力因子包括潮流和波浪( b l a c k ，1 9 9 9 ；c 1 1 r i s t i ee ta l ，1 9 9 9 ；b 弱s o u l l e te t a 1 ，2 0 0 0 ；r 0 b e i t se t2 l 1 ，2 0 0 0 ) 。 潮流是经常性动力因子，波浪是随机性动力因子( 骶e ne ta l ，1 9 9 5 ) 。潮汐控 制着潮间带的发育，也是最重要的动力因素。由于在潮滩上由潮汐引起的潮流是 崇明东滩水沙输移及植被影响分析 第l 章绪论 旋转流，所以又可以将其分成垂岸潮流和沿岸潮流两项，垂岸潮流控制潮滩泥沙 与外界的交换，沿岸潮流则和潮滩泥沙内部的输移有关。与河口主槽水沙运动不 同，潮滩上潮流和水深的变化之间有着紧密的联系，涨潮流引起水位的增加，落 潮流引起水位下降，这种潮流的涨落和水位的升降控制着潮水的平流和扩散过 程，同时也造成了潮滩底床的剪切力。底床剪切力与潮滩泥沙的侵蚀或淤积又有 着密切联系，而潮水的平流和扩散过程则伴随着泥沙的输移搬运，潮流过程直接 影响潮滩泥沙的冲淤和输移，因而经常性的影响潮滩的物质交换和地貌演变。 在不同的天气条件下，潮流和波浪对泥沙输移的作用不尽相同。平静天气条 件下，潮流控制着悬浮泥沙的输移及再悬浮，并造成向岸的泥沙净输移( d y e re t a l ，2 0 0 0 ) 。j a l l s s e n s t e l d e r ( 2 0 0 0 ) 认为在常态天气下，潮流流速是潮滩泥沙输移的 控制因素，潮滩上发生泥沙沉积；大风的天气条件下，波浪的作用则取代潮流成 为控制泥沙再悬浮的主要因素，泥沙发生向海的离岸输移。研究认为风浪是开敝 性潮滩短期演变的主要动力因子。风暴潮虽然出现的机率不大，但期间发生的滩 面侵蚀以及随后的恢复性淤积是巨大的，对潮滩地貌的影响巨大( 许世远等， 1 9 8 4 ，1 9 8 9 ；杨世伦，1 9 9 1 ) 。 以往分别从动力地貌、地形演变、沉积物特征、物质输运通量、各种生物化 学过程指标分析等不同角度研究探讨过潮滩的物质输运及演变过程。其中悬浮泥 沙输移是潮滩动力地貌研究的重点，它是连接水动力和地貌变化的纽带。国内外 对泥沙输移的研究已经开展并正在逐步深入。事实上，关于滩地泥沙动力作用机 制的探讨一直不断。 通过分析了弱浪和暴风浪时期潮滩上的水沙运动特征和地貌响应，认为泥沙 沉降延迟和冲刷延迟理论在暴风浪时期受很大限制( 陈卫跃，1 9 9 1 ) 。对淤泥质 潮滩的研究认为在侵蚀岸段，波浪是导致岸段侵蚀的主要动力，潮流主要起到泥 沙输运和扩散的作用，在堆积岸段，潮流是岸滩塑造的主要动力( 樊社军，1 9 9 7 a ， 1 9 9 7 b ；虞志英等，1 9 9 4 ) 。研究还发现潮流能够引起潮滩的低频变化，波浪能够 引起潮滩的高频变化，潮滩不同部位对潮流和波浪作用的响应程度是不相同的 ( 章可奇等，1 9 9 4 ) 。w b i t e h o u s e 等( 2 0 0 0 ) 通过对潮滩滩面的分类，将潮滩分为 潮沟、渠脊、沙纹、侵蚀崖等4 种体系，讨论了不同的滩面类型潮滩上波浪、潮 流情况，并探讨了底床和动力作用的相互影响情况。 近年来随着观测手段的改进，对潮滩潮流泥沙过程的研究开展不少，更多的 得出定量结论。贺宝根等( 2 0 0 4 ) 通过分析崇明东滩和九段沙数据，指出平静天 气下在长江口潮滩区域，波浪等其他因素对含沙量的影响轻微，水流流速与含沙 量相关，并据此建立了简单的含沙量的动力模型。汪亚平等( 2 0 0 6 ) 在江苏王港 得到了高时空分辨率水沙数据，观测到了潮周期内多个悬沙峰值，并通过分析流 - 3 - 第l 章绪论 崇明东滩水沙输移及植被影响分析 速剖面、边界层参数、波浪特性、底部切应力、悬沙特性等，认为造成峰值的原 因与涨潮前锋的水体强烈紊动和再悬浮有关，平流作用、暴雨、强风也是不可忽 视的重要因素。杨世伦等( 2 0 0 6 ，2 0 0 7 ) 利用o b s 和a d p 仪器对胶州湾弱动力 潮滩进行观测，发现悬沙浓度在潮周期内的过程线呈u 型，在涨潮初和落潮末 的浅水时期悬沙浓度增高明显，并认为此为浅水时波浪的作用。 基于以上研究，滩地的潮流、波浪动力机制及其对泥沙输运的影响被广泛的 研究。但风浪特别是常规风浪对潮滩泥沙输运的影响并没有相对明确的观点和统 一的认识，一些研究结论甚至互相矛盾。浅水环境波浪明显的对近底范围产生影 响，但大多研究只停留在推测和定性分析的基础上。本文针对此作了相关的定量 研究分析。由于环境的特殊性，潮滩泥沙输运的特殊性问题值得关注。本文深入 潮周期内动力、悬沙情况变化，对底部阻力特征进行了定量计算，从较新的视点 探讨了水沙输运机理。 1 2 2 植被影响 潮滩植物是塑造淤泥质潮滩的重要因子。近年来，水沙运动在光滩和植被环 境中差异性研究成为国内外研究的热点，潮滩植物环境对于潮滩动力环境、潮滩 冲淤演变和潮滩发育有着十分重要的作用。 植物对水动力有两方面的作用，一是缓流作用。从水动力角度看，植被是一 种粗糙的下垫面，潮间带植物也不例外，它的存在会增加潮滩阻力并因此阻滞水 流。缓流作用主要表现在水平流速的降低与垂向流速剖面的变化。 流速的减小前人有较多的研究成果。庄武艺等( 1 9 9 1 ) 在澳大利亚库纳湾海 草带的研究表明，海草可使底层流速降低4 0 6 0 ，使悬移质含沙量减少2 0 3 5 ，缓流系数达o 4 o 6 ，海草具有减缓潮流流速和阻碍底层细颗粒泥沙重新 悬浮的作用。通过对南汇东滩植被带和刈割地流速的对比，发现植被带的流速要 远小于刈割地，平均流速的缓流系数( 植被带流速无植被流速) 达到o 7 1 。通 过对南汇东滩相同高程但不同植被覆盖的地区的研究表明，有植被的滩地的近底 层流速小于临近的光滩，流速可降低2 0 6 0 。植被缓流作用的大小与植株的覆 盖率及测点距外缘的距离成正相关( 杨世伦等，1 9 9 4 ，2 0 0 l a ；时钟，1 9 9 7 ) 。b o u m 等( 2 0 0 5 ) 在荷兰西s c h e l d t 河口潮滩进行的观测发现在植被带内最高潮位与最 大流速有明显的线性关系，植被带流速要比在潮滩上低一个量级。 植被改变水流流速剖面也被很多研究者观测到。当水位未超过植被顶时，流 速被大大减弱，流速剖面呈对数分布：当水位超过植被冠顶时，植被上水流和植 被内水流剖面不同，在冠顶层有明显的分界，没有完整的对数分布，上部流速剖 面仍呈部分对数分布，冠顶下部呈另一对数分布或呈中间层流速大、冠顶层流速 崇明东滩水沙输移及植被影响分析第1 章绪论 小的“s 型分布规律( 图1 1 ，舢1 e 玛2 0 0 0 ；时钟，2 0 0 2 ；n e u m e i 2 0 0 6 ) 。国 外研究已经可以用数值模型来模拟潮滩植被带区域水流泥沙情况，发现当水位小 于植被顶，植被区域较大的阻碍作用导致水流流向无植被区域，流速方向偏向植 被边缘，无植被区域由于水流的增强而引起侵蚀；当水位高于植被时，水流保持 原来的方向，在大范围内流向统一( t e 删n e ：彻趾e ta 1 ，2 0 0 5 ) 。 a ) l c ) ( b ) o r 图1 1 盐沼不同淹没水深条件下的流速削面图( a i i e n ，2 o ) f i g 1 - ls c h e m a t i cf o r m so fv e i o c n yp m n i ea 鹪o c i a t e dw i t ht i d a ib o 皿d a r y - l i y e r so n 疆l t m 丑r 妯p l 丑仃o r m s 二是消浪作用。波浪对开敞型潮滩短期演变起着重要作用，表现为对滩地的 冲蚀，而植被却有消减波浪波高及波能的作用，特别是在植被完全被淹没之前时 作用最明显，涨潮初期植物灌顶未被淹没，植被潮滩的平均波高及波能都只有光 滩的4 3 和1 9 ( 王初等，2 0 0 3 ) 。在正常天气条件下，波能传入植被带以后 5 0 m 左右便完全消失。植被对潮流及波浪的消弱作用使水体的携带泥沙的能力大 减，引起悬沙就地沉降。潮滩沉积物粒径在光滩海三棱镳草带互花米草带的植 被变化过程中平均粒径逐渐减小，粘土的含量增加( 杨世伦等，1 9 9 4 ) 。因不同 植被状况对水流结构、边界层参数及悬沙沉降和再悬浮通量等的影响不同，潮滩 的沉积过程受到植被的影响程度也因而产生差异( 王爱军等，2 0 0 6 ) 。 国外对植被的研究也很多，由于观测手段较先进，对植被对水动力及沉积作 用的影响考察更深入细致。b o 眦1 a 等( 2 0 0 5 ) 观测到无论在潮滩上( 光滩) 还是在 盐沼植被内，最高潮位与最大流速有明显的线性关系，植被带中流速比光滩上低 一个量级。t h o m p s o n 等( 2 0 0 4 ) 观测到当植被中的流速大于0 4 m s 时，海草等植 株茎随水流弯曲，导致水流流态较低流速时不同，出现滑行水流( 幽删血n gn o w ) ， 底床剪切力减小，从而起到防冲刷效果。c m s t i a n s 吼等( 2 0 0 0 ) 通过观测指出在潮 第l 章绪论崇明东滩水沙输移及植被影响分析 滩植物带内部的泥沙沉积和细颗粒泥沙絮凝作用有关。 1 3 本文研究内容 综上可见，潮滩的水沙输移及其演变规律是一个复杂的科学研究命题。由于 滩地淹没出露的复杂环境因素，在潮滩上进行水动力和泥沙过程的高精度现场观 测很少，针对植被特征影响水沙过程的高精度现场观测就更少，由此导致了准确 的水沙定量研究成果不多。因此，本次研究于2 0 0 5 年及2 0 0 6 年先后在崇明东滩 实施了两次大规模的高精度连续现场观测，取得了研究区域的相关流速、含沙量 及沉积物实时连续全面的资料。 本文重点分析讨论内容：通过流速和含沙量关系展示出在潮滩上水流、含沙 量的时空分布特征，以及得出潮周期内的流速、水体含沙量趋势特征，找出水动 力、含沙量相关性；应用近底流速资料分析潮流在滩地上的垂线分布、计算底床 阻力参数，从机理上认识潮滩泥沙的起动和沉降；同时，针对植被影响，同步进 行了水沙观测，定量分析和探讨了植被对潮滩水沙运动的限制作用。最终对泥沙 在潮滩上的输移模式提出自己的观点。 由于滩地淹没出露的复杂环境因素 第2 章研究区域概况、资料获取方法 2 1 研究区域概况 2 1 1 长江口概况 长江口以其丰富的泥沙供应、大量细颗粒泥沙而著称，是典型的高浊度河口。 长江河口从口内徐六泾到口门外长约1 2 0l 哑，口门处从江苏启东嘴到上海南汇 嘴计宽约9 0 虹。长江河口自出徐六泾以后，呈三级分汊四口入海的形势：崇明 岛将长江河口分为南支和北支；南支又被长兴岛、横沙岛分为南港和北港；九段 沙又将南港分为南槽和北槽，是一个典型的分汊型河口( 图2 1 ) 。 图2 1 长江口和研究区域概图 f i g 2 - ls k e t c hm l po f y h n g 乞瞎e s t l i a r y 曩n ds 佃d y _ n a 长江口地区气候温和湿润，四季分明，夏季湿热，盛行东南风，冬季干冷， 盛行偏北风，属于典型的亚热带季风气候，台风、暴雨、干旱等是常见的灾害性 天气。由于处在东亚季风盛行区，冬季盛行偏西北风，1 1 月至翌年2 月西北风 的频率高达3 5 q 0 。秋末冬初为西北风。每年3 月份是冬季风向夏季风过渡 的月份，4 1 0 月份多东南风。 第2 章研究区域概况、资料获取方法崇明东滩水沙输移及植被影响分析 长江口是中等强度的潮汐河口。口外为正规半日潮，口内为非正规半日浅海 潮，南支潮差由口门往里递减，口门附近中浚站平均潮差2 6 6 m ，最大潮差4 6 2 米，口内吴淞站平均潮差2 2 1 m 。 长江口波浪以风浪为主，涌浪次之，波高从口门向口内逐渐降低。口门引水 船站平均波高o 9 m ，最大波高6 2 m ，平均周期3 9 s ；口内高桥站平均波高o 4 m ， 最大波高2 3 m ，平均周期1 7 s ( 陈吉余等，1 9 8 8 ) 。 长江河口水量丰沛，据大通站资料，最大流量9 2 6 0 0 m 3 s ( 1 9 5 4 年) ，最小流 量4 6 2 0 m 3 s ( 1 9 7 9 年) ，年平均流量2 9 3 0 0 m 3 s ，年均径流总量9 0 5 1 亿m 3 ( 1 9 5 0 2 0 0 0 ) 。径流量有明显的季节变化，5 1 0 月为洪季，占全年的7 1 7 ， 以7 月最大，1 1 4 月为枯季，占2 8 3 ，以2 月为最小( 中国河流泥沙公报， 2 0 0 2 ，2 0 0 3 ，2 0 0 4 ，2 0 0 5 ，2 0 0 6 ) 。 长江下游控制水文站大通站年平均输沙量达4 3 3 亿吨( 1 9 5 0 2 0 0 0 ) ，其中 洪季输沙量约占全年的8 7 ，7 月输沙量最大，占全年的2 1 ，2 月输沙量最 小，不足全年的o 7 。据大通站资料，多年的年平均含沙量0 4 8 6 k 卧一 ( 1 9 5 0 2 0 0 0 ) ，2 0 0 3 年为0 2 2 3 k g m 3 ；多年年平均悬浮泥沙粒径为1 7 p m ，2 0 0 3 年实测为1 0 岬。 一昌 = 宝 0 删 媾 搿 廿 年份 图2 - 2 长江大通站历年径流量与输沙量变化 f i g 2 - 2a n n u a lw 曩协ra n do e m m e td 妇c h a r g ei nd a 协n go i 协o ft h ey h n g t z er i v o _ e = v 棚 食 嘏 廿 近年来，长江大通站年径流量与往年相比，基本持平，而其输沙量与往年相 比，明显偏少，2 0 0 4 年年输沙量不足1 5 亿吨，2 0 0 5 年年输沙量在2 0 亿吨左 右( 图2 2 ) ，而2 0 0 6 年受特枯水情影响，年输沙量下降到o 8 5 亿吨的新低。 长江口常遭受台风袭击。夏秋季节的台风，不仅带来暴雨，增加地表径流强 度，更主要的是其导致的风暴潮及风暴增水，深刻地影响海岸地貌的发育过程。 影响本区的台风多发生于每年的7 ，8 和9 月份，其中8 月最盛，占4 0 6 ，其次 崇明东滩水沙输移及植被影响分析第2 章研究区域概况、资料获取方法 为7 月和9 月( 许世远，1 9 9 7 ) 。 2 1 2 崇明东滩概况 崇明岛位于西太平洋沿岸中国海岸线的中点位置，地处中国最大河流长 江入海口处，是全世界最大的河口冲积岛，也是中国仅次于台湾岛、海南岛的第 三大岛屿，有“长江门户、东海瀛洲 之称。崇明东滩是崇明岛向海延伸的门户， 是整个崇明岛发育最为活跃的部位。在自然因素和人工围垦作用下崇明东滩不断 向前伸展，面积不断增大，目前崇明岛的面积约为1 2 2 5 平方公里，东西长8 0 公 里，南北宽1 3 至1 8 公里。岛上地势平坦，无山岗丘陵，西北部和中部稍高，西 南部和东部略低。9 0 以上的土地标高( 以吴淞标高o 米为参照) 在3 2 1 米至4 2 0 米之间。 崇明东滩是我国重要的湿地，蕴含丰富的自然资源。中华绒鳌蟹苗、日本鳗 鲡、缢蛏、河蚬等是当地重要的渔业资源。崇明东滩也是候鸟迁徙的途径之地和 越冬栖息地，每年有鹬类、雁鸭类、鹳类、鹤类等鸟类经过崇明东滩或在此越冬， 已建成“崇明东滩湿地自然保护区”、“上海市崇明东滩候鸟自然保护区 、“崇明 东滩湿地公园 等。崇明东滩自然风光迤逦，拥有洁净的水源、清新的空气、明 媚的阳光、可口的海鲜等优越的旅游资源，是崇明县重要的环境教育和生态旅游 地。 氢送 崇明东滩全年平均气温为1 5 3 ；最热月为7 8 月，月平均气温2 6 8 2 6 9 ； 最冷月为1 2 月，月平均气温在3 o 3 9 。崇明东滩降水丰沛，年平均降水量约 为1 0 2 2 衄。丰富的降水可为潮上滩补充足够的水源，使潮上滩保持良好的沼泽 发育状态；降水也能对高潮滩和低潮滩沼泽内的盐碱起到稀释和淡化作用，有利 于滩内动植物生长。冬季年均降雪日4 7 天，但积雪不深，时间不长，一次涨潮 即可把积雪全部融化，比陆地的积雪时间短得多。 显盛 崇明岛始于公元6 1 8 年出水，形成现在的长江口南北支分叉的形势( 黄胜， 1 9 8 6 ) 。唐武德( 公元6 1 8 6 2 6 年) 年间，当时位于南通狼山以东，海门县以南的水 域露出两块小沙，时称东沙和西沙，这就是崇明岛的前身。一千