黑泥湾海域沉降颗粒物通量及其影响因子研究

密级: 博士学位论文黑泥湾海域沉降颗粒物通量及其影响因子研究作者姓名： 刘 晓 指导教师: 黄海军 研究员 中国科学院海洋研究所 学位类别: 理 学 博 士 学科专业: 环境科学 培养单位: 中国科学院海洋研究所 2012 年 5 月原创性声明本人郑重声明：所呈交的学位论文是在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明的法律责任人由本人承担。论文作者签名： 日期：学位论文版权使用授权书本人完全了解中国科学院海洋研究所有关保留、使用学位论文的规定，同意海洋研究所保留并向国家有关部门或机构送交学位论文的复印件和电子版，允许学位论文被查阅和借阅。本人授权中国科学院海洋研究所可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存、汇编本学位论文。（保密论文在解密后适用本授权书）学位论文作者签字： 签字日期：导师签字： 签字日期： Study on Settling Particulate Matter Flux and Impact Factors in Harny Bay ByXiao LiuA Dissertation Submitted toGraduate University of Chinese Academy of SciencesIn partial fulfillment of the requirementFor the degree ofDoctor of PhilosophyINSTITUTE OF OCEANOLOGYCHINESE ACADEMY OF SCIENCESMay, 2012致谢三年的博士学习生活即将结束，回想在中科院海洋所的学习生活，一幕幕如温馨熟悉的画面如发生在昨天，令我心中充满感慨与留恋！首先感谢我的导师黄海军研究员。本论文是在黄老师的悉心指导下完成的，从毕业论文选题、实验设计到结果分析讨论等各方面，黄老师倾注了大量心血，为我确定论文思路，制定研究计划，帮我联系收集数据，特别是在外业实验中为我提供了最好的研究条件。在我失去信心的时候与我共同探讨解决问题的方法，鼓励我坚持下去。黄老师的谆谆教导，必将伴随我一生，成为我的一笔精神财富，时时鼓励我不畏艰难，勇敢前进。感谢秦蕴珊先生、李铁刚研究员、吴时国研究员、阎军研究员、李安春研究员、曾志刚研究员、于心科研究员、常凤鸣博士在本论文选题、实验等方面给予的指导。李安春研究员对本文中动力沉积环境分析思路方面提出了宝贵建议，在此再次表示感谢。感谢王国秀老师，他有丰富的野外工作经验，实验设计与安排，仪器投放与回收，都融入了他的智慧和辛苦劳动。感谢王珍岩博士，指导我进行实验样品的分析，同时对我的实验方案提出了宝贵意见。感谢生态室的周毅老师，给我提供了沉积物捕获器原型，并帮我设计了采样方案。感谢我的师兄严立文博士，本文的许多工作都是在他前期成果的基础上深入开展的，同时他对论文的撰写提出了宝贵意见。感谢我的师姐马立杰博士、刘艳霞博士，他们对我的研究进行了大量指导，使我受益匪浅。感谢刘长华博士，参与了时间系列沉积物捕获器投放、回收方案的设计，并且实地帮助完成投放、回收仪器的工作，以及帮助整理浮标站位观测数据。感谢王红丽老师在粒度测试过程中给予的帮助。感谢周晓静博士、卢健博士、郑旭峰硕士帮助测定烧失量数据。感谢我的舍友翟方国博士、以及环流室的冯兴如博士在物理海洋研究方面给予的技术支持。感谢中科院海洋所能力办，提供了本研究中使用的浮标观测数据（来自于中国近海海洋观测研究网络荣成楮岛海洋观测研究站 7 号浮标） 。感谢国家海洋局第一海洋研究所的胡泽建研究员，为本研究提供了多船同步测流数据。感谢同实验室的付佳、刘勇、杨曦光、张金芝、祁雅丽、尹超以及已经毕业的刘桂卫、孔梅、毕海波、李振等同学对我的支持和诸多帮助。感谢地质室的各位老师和同学！衷心感谢我的家人。三年来他们的理解、支持和鼓励是我努力学习、踏实工作的最大动力。论文工作得到国家自然科学基金项目“浅海大规模海带养殖活动对沉积环境的影响研究”和海岛公益性项目“遥感技术在海岛规划编制中的利用”的资助。作者 2012 年 4 月摘 要海水中的悬浮体是重金属、营养盐等不同物质赋存的主要形态，其在近岸环境下的迁移、转化过程是认识陆海相互作用的核心问题。相对于研究较广泛的悬浮体空间格局和平面迁移扩散机制而言，近岸悬浮体垂向通量过程更为复杂，尤其对近岸沉降颗粒物（SPM）的垂向通量和影响因素的分析往往受到仪器设备等观测条件的限制，以往的研究尚较少涉及。作为海水-表层沉积物界面物质、能量交换的载体和影响沉积作用的重要过程参量，SPM 对浅海区域动力沉积过程、营养盐循环以及岸滩、海底地形地貌的发育演化过程都具有重要意义。目前在我国近岸海域广泛分布的筏式海带养殖对悬浮体浓度、悬浮泥沙来源、悬浮泥沙输运方式、颗粒物沉降特性可能产生较大的影响。从水动力条件上，大量养殖筏架及海带生物体在海面形成新的上边界层，阻碍了外侧海域波浪能量向近岸的传输，同时消减了海带养殖区内海流流速。在这一动力条件干扰变异的前提下，养殖海域的动力沉积过程尤其是 SPM 的垂向通量过程如何适应是值得关注的问题。已有的研究多在自然状态下海域进行，而人类活动干预下的近岸海域动力沉积过程研究尚处于起步阶段。本论文以黑泥湾内大规模筏式海带养殖海域为研究对象，研究沉降颗粒物受到筏式海带养殖干扰产生的变异。相关研究成果将为人类活动影响下的近岸物质通量过程研究提供借鉴。大风浪天气对近岸海域沉积环境产生突变性的影响，是改变岸滩、海底地形地貌的重要外力条件。在台风干扰的变异作用下，近岸动力沉积过程尤其是SPM 的垂向通量过程如何适应对科学研究与工程实践都具有重要意义。台风过程中动力沉积环境研究，受观测条件和事件突发性限制，国内外较少开展。本研究中观测到一次大型台风天气事件对该海域沉积环境产生影响的全过程，以该观测数据为基础，探讨 SPM 对台风天气的响应，并基于水动力环境变化对其形成机理进行分析，其研究成果可以为揭示极端天气下动力沉积环境变异提供有益的参考。本研究对黑泥湾养殖区内、外两个站位 2007 年 47 月同步观测的波浪数据进行对比，使用海带养殖季节（冬季）和非养殖季节（夏季）养殖区内、外多船定点同步连续观测调查资料，分析了筏式海带养殖对波浪的消减作用、对流场空间格局的改变及对悬沙分布运移模式的影响。另外，通过 3 组自制沉积物捕获器春秋季节采集的两次取样，对养殖区域内不同位置、不同深度水层的沉降颗粒物样品进行了收集，并进行通量计算和有机组分含量、粒度分布等参数测定，对其空间分布及季节变化情况进行了系统分析。并从水动力、颗粒物质来源角度对形成该沉降颗粒物空间分布格局的原因进行分析，揭示了筏式海带养殖通过改变水动力场及物源条件，影响养殖区内沉积环境的规律。运用大型时间系列沉积物捕捉器，收集了 2011 年台风“梅花”期间沉降颗粒物样品并进行测试，结合观测到的气象、水文要素资料，分析 2011 年“梅花”台风过程对动力沉积环境的影响，及台风过程中黑泥湾海域沉降颗粒物通量变化。通过上述研究，揭示了黑泥湾海域沉降颗粒物的性质及特点，包括水平及垂直空间分布、季节变化、物质来源、粒度组成、对大规模筏式海带养殖的响应、以及大风浪条件的响应等。通过本研究，对近岸海域动力沉积环境及其影响因子取得了一些新的认识，丰富了陆海相互作用过程和现代沉积动力学理论，对海洋开发和工程实践也具有重要的科学意义。关键词：沉降颗粒物 沉积环境 沉积物捕获器 筏式养殖区 黑泥湾Study on Settling Particulate Matter Flux and Impact Factors in Harny BayAbstractLiu Xiao（Environmental Science）Directed by Prof. Huang HaijunSuspended substance in the sea is the main form of heavy metals, nutrients and other substances. The process of its migration and transformation in the nearshore environment is the key to understand the interaction between land and sea. Researches on the distribution and spreading mechanism of suspended substance in the horizontal space are widely carried out, and in comparison the suspended substance vertical flux nearshore is more complex and seldom studied. The analysis on settling particulate matter (SPM) vertical flux nearshore and its influencing factors are limited by the instruments and other observation conditions. SPM is of great importance to the dynamics sedimentary process in the shallow sea, nutrient cycle and the development process of submarine morphology and seafloor relief. Therefore, to carry out observation and research on SPM is necessary Nowadays the widely distributed raft cultivation of sea kelp in costal water area may have changed the pattern of suspended substance concentration, suspended sand source, suspend sand transportation and SPM characteristics. Widely distributed rafts and sea kelp hinder the waves from the outer sea from broadcast to the seashore, form a new up boundary layer at the sea surface, and decrease the current speed in the cultivation area. With this change of hydrodynamic condition, the dynamic sedimentary process, especially SPM vertical flux process is in great need of research. Research on this topic is mostly done in the ocean of its natural state, and the study on nearshore dynamic sedimentary process with human disturbance is just in its infancy. In this paper, raft based sea kelp cultivation area is selected as the study object, difference between the dynamic sedimentary environment in and out of the cultivation area is studied, the modification process of the bay influenced by culture of sea kelp is researched. The related interaction mechanism and other research results will provide useful references to the study on nearshore matter flux procedure research with the interferance of human activities.Gale and surge will affect near shore sedimentation dramatically, and they are very important outer factors to change the seaboard and seafloor relief. Yellow sea is less affected by typhoon weather, but the typhoon process is an important external condition to the change and development process of the bank and seabed topography. With the interruption of typhoon, changes of nearshore dynamic sedimentary process, especially SPM vertical flux process, are of great importance to scientific research and ocean engineering. Seldom research is carried out on dynamic sedimentary process in time of typhoon because of terrible observation condition and the suddenness of the event. In this study, one typhoon process and its impacts on dynamic sedimentary condition are recorded. With this observed data, the change of SPM in typhoon process is studied, and related analysis is carried out based on the hydrodynamic environment. The research result will provide reference to the study of dynamic sedimentary process in extreme weather condition In this study, data from two observation station in and out of raft culture area of sea kelp from April to July in 2007 are compared. Other data observed synchronous on different ships, which covered in and out of the raft cultivation area of sea kelp in summer and winter, is used. With these data, the wave decrease function and other functions on the distribution of ocean currents and suspended sand transportation from culture of sea kelp are studied. In addition, three groups of self-made sediment traps collected samples in spring and autumn separately, and got SPM samples in different locations and depths in the raft cultivation area. The flux, loss of ignition (LOI), grain size parameters are analyzed to see the changes among seasons and locations. And the reasons of the distribution layout are explained from the viewpoint of hydrodynamic environment and suspend sand matter source. Then， the mechanism is revealed on how raft cultivation affected hydrodynamics environment and matter source, and then affected sedimentary environment. Time series sediment trap is used to collect SPM during the process of typhoon Muifa. Wind, wave data collected near the study area is used to analyze the process of hydrodynamic condition being affected by the passing typhoon. At the end, we explained the reason why and how SPM changed when typhoon Muifa passed by.With these studies, the nature and characteristics of SPM in Harny Bay are revealed, including flux, spatial distribution, seasonal changes, matter source, grain size distribution, impacts from sea kelp cultivation, and impacts from gale and surge. This study revealed the mechanism of near shore dynamic sedimentation and its influencing factors. It enriches the theories on sea-land interaction and modern dynamic sedimentation, and is of great scientific significance to ocean development and ocean engineering.Key Words：settling particulate matter，sedimentary environment，sediment tray，suspended cultivation area， Harny bay 目 录致谢 .i第一章 引言 .11.1 研究背景和意义.11.2 研究现状.31.2.1 SPM 研究的历史与应用 .31.2.2 筏式养殖对水动力环境及 SPM 的影响 .51.2.3 SPM 对风暴天气的响应 .71.3 沉积物捕获器的应用研究.81.4 研究思路与方法.121.4.1 研究区的选择.121.4.2 研究思路.131.4.3 研究方法.15第二章 区域背景 .172.1 研究区简介.172.2 地形与地貌.182.3 海洋动力条件.192.4 动力沉积环境.21第三章 筏式养殖对动力环境的影响 .243.1 研究材料.243.1.1 定点连续观测资料.243.1.2 多船同步水文观测资料.273.2 研究区筏式养殖分布范围.313.2.1 黑泥湾海域主要地物光谱及纹理特征.313.2.2 养殖区自动提取.333.2.3 黑泥湾海域筏式养殖区分布范围.353.3 波浪对筏式养殖的响应.373.3.1 波高及周期的季节分布.373.3.2 养殖区内外波高数据对比.383.4 海流对筏式养殖的响应.403.4.1 实测海流分析.403.4.2 余流分析.443.5 筏式养殖对悬沙分布的影响.473.5.1 悬沙时空分布特征.473.5.2 全潮单宽输沙量的计算.503.6 结论.54第四章 筏式养殖区 SPM 变异分析 .564.1 研究材料与方法.564.1.1 数据采集方案.564.1.2 现场数据采集.584.1.3 数据分析.604.2 沉降颗粒物通量.614.3 有机组分含量.634.4 粒度分布特征.664.5 样品参数的同步变化.694.6 不同历史时期沉积环境演变.704.6.1 不同时期海底地形冲淤情况的差异.714.6.2 筏式养殖对沉积环境影响的验证.724.7 结论.73第五章 台风干预下的 SPM 动态变化 .765.1 研究材料与方法.765.1.1 台风“梅花”概况.765.1.2 时间系列沉积物捕获器观测.785.1.3 海洋及气象观测资料.795.1.4 根据温深仪记录推测波浪变化趋势.805.2 水动力条件变化过程.825.2.1 波浪参数对台风的响应.825.2.2 海底切应力及浊度的变化.855.3 SPM 动态变化及其机制 .895.3.1 浊度影响 SPM 的机理 .895.3.2 沉降颗粒物通量.905.3.3 沉降颗粒物粒度参数.915.3.4 有机组分含量.945.4 台风过程中 SPM 各参数协同变化 .955.5 台风影响阶段的划分.975.6 结论.98第六章 结论与讨论 .1016.1 结论.1016.2 主要创新点.1026.3 存在的问题与下一步的工作设想.102参考文献 .错误！未定义书签。攻读博士期间发表的论文 .112第一章 引言1.1 研究背景和意义近岸海域沉降颗粒物（Settling Particulate Matter，SPM）通常认为主要由物源条件、水动力条件决定（Balls, 1990；Algan et al., 1999；Wu et al., 1999； 王丕波等，2005）。在没有外来河流注入的情况下，近岸区域海水中的悬浮体，其物质来源主要由水动力场导致的沉积再悬浮及泥沙输运决定，故水动力环境对颗粒物沉降具有至关重要的影响（Friedman GM, 1978；Shapiro, 2004；陈聚法等，2007）。水动力环境通过改变海底表层沉积物的沉积、再悬浮通量、水体中泥沙输运过程等沉积环境要素的性质、速率、周期，对岸线、海底地形、地貌、底质类型、岸滩发育演变造成影响（魏子新，2007；季有俊，2010）。在这个过程中，作为水动力要素直接作用结果，沉降颗粒物通过颗粒物沉降速率、粒级组分、物质组成情况等指标，反映了水动力环境要素的性质（侯志民，2010；庞重光等，2010）。因此，沉降颗粒物是水动力环境影响下近岸海域海底地形、地貌、岸滩发育变化的直接影响因子，对沉降颗粒物进行研究，对于水动力环境、沉积环境的研究，以及岸滩、海底地形地貌的发育演化过程研究，都具有重要意义(方建勇等，2011)。沉降颗粒物的物源主要是海水中的悬浮颗粒物质，主要指以固体形式存在，颗粒直径大于 0.1um 的物质。实际测量中指用孔径为 0.45um 的滤器过滤水样时，被阻留在滤器上的物质。海水中的沉降颗粒物包括陆源颗粒物、大气沉降颗粒物、通过再悬浮作用进入水体的颗粒物、以及来自海洋自身产生的颗粒物，包括浮游生物及其排泄物和残骸(陈建芳等，1998；扈传昱等，2006a）。海洋中的悬浮颗粒物质在其产生、运移、凝聚过程中记录了许多海洋物理化学过程信息。在水环境动力、生物、化学要素作用下，这些颗粒物相互聚集、凝聚，当其质量增大到一定程度后，在特定的水动力条件下发生沉降，形成沉降颗粒物。对这些物质进行分析研究，可以反演获得反映海水物理、化学、生物、水动力特性的多种参数，这已经成为许多学科研究海洋过程的重要方法和技术手段(周晓静，2009；曾辰等，2012）。对于沉降颗粒物来说，它与水动力条件之间的关系可以用图 1-1 表示。由图所示，在物源与水动力环境作用下，特别是物源充足且水动力环境发生变化的时候，可以产生大量沉降颗粒物。这些沉降颗粒物形成海底表层沉积物，又通过沉积物再悬浮进入水体作用于后来再生成的沉降颗粒物。图 1-1 沉降颗粒物与动力沉积环境因子之间的关系海湾地区沉积环境复杂多变，影响因素众多，可以形成多种发育演化模式。海湾地区能量与物质交换非常复杂，泥沙运动十分活跃。在潮、浪、流、盐度等多种因素作用下，存在悬移质、推移质、浮泥流等复杂的泥沙运动体系(韩树宗等，2005）。在正常的水动力条件下，海湾区域动力沉积环境相对稳定，海湾与外界环境泥沙交换过程、沉积再悬浮过程、泥沙输运过程基本处于平衡状态。当外界环境发生改变，波、流等水动力条件发生改变时，可以导致岸滩地形地貌发生变化。这种变化可以是迅速突变的过程，也可以是不断变化缓慢累积的过程。对海湾沉积环境的研究可以通过悬浮体浓度、海底表层沉积物空间分布及颗粒级配、沉降颗粒物通量等方法进行，其中沉降颗粒物通量作为直接描述物质在水体内部及水体海床界面运移的直接参数，是研究海湾地区沉积环境的有效手段(贾建军等，2004）。国内外对于海洋中的沉降颗粒物开展了大量的研究，这些研究对于工程实践与科学探索都有重要意义，受到越来越广泛的重视。海水中的沉降颗粒物，是不同界面物质、元素、营养盐迁移交换的重要载体，在全球物质、能量循环过程中有重要作用。陆架地区的沉降颗粒物不仅为底栖生物提供丰富的食物来源，而且是水层底栖系统耦合过程的决定性因子(张岩松，2004）。近岸海域的沉降颗粒物主要由陆源入海物质组成，是人类生产、生活产生的污染物进入海洋的主要载体。沉降颗粒物通量在河口沉积过程中对泥沙的聚集与输运、拦门沙的形成与演变起着十分重要的作用，并且在河口的生物地球化学过程中对许多重金属元素和有机物质的化学行为、迁移和归宿产生显著影响。海湾地区是海水养殖的主要场所，该区域沉降颗粒物是水体中营养盐成分运移重要载体，对养殖容量、防治病虫害、以及养殖区生态环境的健康发展起到重要作用(葛长字，2006；张继红，2008；史洁，水动力条件变化悬浮体 沉降颗粒物 海底表层沉积物沉积物再悬浮2009；史洁等，2010a ）。因此对浅海环境的沉降颗粒物通量进行研究对于了解近海海域营养盐、污染物及元素的迁移转化，具有重要意义。1.2 研究现状1.2.1 SPM 研究的历史与应用对颗粒