浅海环境水下沙丘形态演化的数值模拟

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陆架浅海区域常有大型床面形态覆盖,根据其走向和优势流向的关系有纵向和横向之分。沙丘是比较常见的横向床面形态,往往与潮流脊等伴生。沙丘尺度较大,它的形成和迁移可对人类活动造成显著影响。因此对沙丘演化和运动规律的研究成为必然。  结合卫星遥感图像和海洋调查,进行计算机模拟是目前研究沙丘的趋势。本文结合海洋观测和过程模拟实验方法来探讨沙丘形态的演化问题。主要研究内容包括4个方面。  (1)为了获得沙丘区的水深、水动力和沉积物特征,为模型提供输入参数和边界条件,并且获取模拟结果验证所需的沙丘形态和尺度信息,对台湾浅滩沙丘群区海洋调查获得的流速、水深、表层底质样品数据进行分析。重复测量的水深数据去除潮位影响后精确显示了断面上沙丘形状和尺度特征。不同断面沙丘的形态特征稍有不同,但总体而言是波峰陡峭、波谷宽阔平坦,沙丘形态为摆线状。台湾浅滩观测沙丘的尺度较大,其波长、波高处于Flemming(1988)的统计范围内,但均处于其幂函数关系曲线的上方;沙丘垂直形态系数L/H处于大沙丘统计值下限;另外,沙丘波高达到平均水深的74%,远大于其他区域或水槽实验的值。  台湾浅滩的沉积物夏季在黑潮和台风大浪作用下向北推移,冬季在东北强劲季风作用下向南搬运,于两股强大的水动力作用下相对运动和富集,达到平衡和相对稳定。分析结果发现在日潮周期中存在一个指向研究区域内部的净输运,从而导致了这个区域沉积物的淤积,这一现象表明台湾浅滩沉积物的相对运动和富集也存在于较小的时间尺度。  (2)沙丘演化模拟结果显示沙丘波高等值线关于流速、沉积物粒度呈不规则椭圆状分布,在中心位置沙丘波高最大;而当流速大于或小于此流速取值,沙丘高度减小。前人研究认为粗颗粒沉积物是形成摆线状大沙丘的必要条件。模拟结果显示流速处于对应的阈值附近,沙丘高度最大;在对称或近对称往复流中,流速小于对应的阈值时沙丘形态呈摆线状。因此,本文认为较粗的沉积物和处于相应的阈值附近并小于该值的流速是形成大尺度摆线状沙丘的必要条件,这一结论得到了实际观测数据的支持。对于粗颗粒沉积物,系统能量相对较弱,摆线状沙丘的发育可能是系统重力做功最小的选择。  (3)在对称和近对称的往复流中,沙丘发育的尺度较大,形状较对称,归根结底也就是要求沉积物输运率在相反方向上对称。与台湾浅滩流场虽然存在时间-流速不对称现象但在日潮周期内沉积物净输运的量较小的事实一致。台湾浅滩是一个残留沉积区,沉积物丰富但外来源较少。数值模拟的结果显示,在对称或轻微不对称的往复流环境,若研究区域内部松散沉积物丰富,沙丘形态和尺度不受外界沉积物源的影响;若沉积物无源且内部松散沉积物匮乏,沙丘尺度减小,坡脚间距增大,孤立分布。这也许解释了同是往复流环境并沉积物无源的情况下,台湾浅滩各个部位沙丘形态和尺度各异,如观测区域沙丘尺度巨大,而有些地方沙丘尺度较小,孤立分布,波谷处基岩出露。  (4)台湾浅滩尽管每年遭受数次台风过程,然而在两次调查之间沙丘形态和位置变化较小。沙丘演化模拟发现,往复流叠加台风过程,使得波峰的迎风向一侧被削蚀,背风向一侧侵蚀较少,导致沙丘波高减小,波峰脊线沿着台风作用方向存在较小位移;台风过境后,沉积物在往复流作用下重新向波峰处输运,沙丘高度逐渐恢复。在台风作用前后,沙丘尺度和形状变化相对较小,与台湾浅滩沙丘观测的结果一致。
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