大风天气条件下的潮滩沉积动力过程

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潮间带沉积动力过程是影响潮滩地貌演化以及生态环境变化的重要过程,是陆海相互作用研究的热点之一。二十一世纪以来,台风、寒潮等极端天气频发,这种端天气对潮滩的沉积动力过程产生了显著影响。本文以江苏如东潮滩为典型研究区,系统地对比了大风与平常天气下的沉积动力特征,包括其潮流和波浪动力作用,以及边界层参数的时空变化。综合对比多种数据处理方法以及底部切应力估算方法,探讨波浪在沉积动力过程中的作用,评估多种切应力方法(LP、RS、TKE、TKEw、ID)的可靠性,为极端天气条件下的潮滩演化研究提供典型案例,为海岸工程建设与管理、海岸带可持续发展政策制定提供参考依据。  2014年9~10月,在江苏如东潮滩从陆向海依次设置3个测站,进行了为期1个月的沉积动力学观测。结果表明,研究区潮流以往复流为主;涨潮历时小于落潮历时,涨落潮历时差自陆向海逐渐增大,平均涨落潮历时比为0.70~0.85。平常天气下,大潮期间涨潮流占优,小潮期间涨、落潮流相当;大风天气下,落潮流会明显增强。研究区的波浪主要是风浪,在大风天气下有效波高均能达到1m以上,观测期间记录最大有效波高达到1.4m(滩面最大水深约4.5m),波浪传播方向为200°~260°。平常天气下,悬沙浓度基本在1400mg/L以下;在大风天气下,悬沙浓度可以达到2000mg/L,而且在落潮期间可以一直维持在1400mg/L以上。  观测期间,波浪轨道速度量级为10-2~100m/s,波浪切应力量级为10-2~100N/m2,与有效波高具有较好的对应关系。浪流联合作用的摩阻流速为0.01~0.04m/s,底部切应力最大可达1.8N/m2。根据Soulsby沉降速率计算公式,各观测点底质沉降速率介于2.9×10-3~8.8×10-3m/s,而水样中悬沙沉降速率比底质要小一个量级,为1.4×104m/s。观测期间,以再悬浮为主,瞬时的侵蚀通量为0~0.02kg·m-2·s-1,瞬时的沉降通量为0~0.01kg·m-2·s-1。  观测结果显示,大风天气导致潮滩出现明显增水,增水幅度可以达到1m以上,潮周期历时增加约0.5小时,潮流增大25%~50%。平常天气下,观测区有效波高几乎都在0.3m以下;而在大风时段,有效波高最大可以达到1.4m,约为最大水深30%。受大风影响,悬沙浓度也会显著增大40%~60%。  在波浪作用显著情况下,波浪会对高频流速造成“污染”(波浪导致的轨道速度会被当成湍流速度的一部分)。若直接根据原始高频流速数据估算潮流切应力,将显著高估切应力,因此剔除、分离波浪的影响,是计算近底部切应力必不可少的一个步骤。通过对比不同的波浪分离算法可知,谱分析法(ESA)处理结果比滑动平均法(MA)更接近真实情况,但MA法在处理过程上比较简洁,更具可操作性。通过Soulsby改进的Grant-Madsen模型估算浪流联合作用切应力时,采用低频项进行估算的对数剖面法(LP)最具普适性,在仅有单点流速情况下也能有效估算底部切应力;采用高频脉动项进行计算的方法中,TKEw法计算结果与其余方法一致性最好,雷诺应力法(RS)以及湍动能法(TKE)在湍流较强时表现更好。此外,在分析切应力计算结果时发现,悬沙浓度会影响水体的运动涡流粘度系数(eddy kinematic viscosity);特别地,在悬沙浓度高于1000mg/L时,悬浮颗粒会对水体起到显著的减阻效应。
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