长江水下三角洲的侵蚀潜力探讨

发布时间：2019-08-08 14:35

【摘要】：近几十年来,世界上许多三角洲因流域建坝等人类活动导致河流入海泥沙减少而发生侵蚀,给三角洲生态环境和社会经济带来重大影响,成为多项国际研究计划的核心内容。在此背景下,三角洲的侵蚀速率和侵蚀极限(侵蚀达到一定程度后停止)是备受关注的重要科学问题,而三角洲沉积物的抗侵蚀特性(erodibility)和动力条件是决定侵蚀强度或侵蚀能否发生的两个关键因子,这些影响因子在不同的三角洲是不同的,在同一三角洲的不同阶段也可能不同,因此,开展重要案例研究至关重要。 长江是世界第三大河。长江三角洲是我国乃至世界上的重要经济区。近期由于三峡工程等流域高强度人类活动的影响,长江入海泥沙通量出现明显下降趋势,长江三角洲的冲淤趋势受到科学界、工程界和政府部门的高度关注。尽管最近已有工作涉及长江来沙减少后三角洲的冲淤问题,但对长江水下三角洲大范围底床的可蚀性,特别是对今后几十年在金沙江梯级水库修建、南水北调和三峡工程等联动造成长江入海泥沙进一步减少的背景下水下三角洲的侵蚀潜力缺乏系统研究。水下三角洲的大范围侵蚀不仅会直接危及海底工程(例如浅埋光缆、输油管线以及东海大桥桥墩基座),还会蚕食滩涂湿地并最终威胁海堤安全。因此,水下三角洲侵蚀潜力的研究具有重要的理论意义和应用价值。 本文在国家自然科学基金项目(包括基金委长江口公共航次)的资助下,进行了长江水下三角洲大范围表层沉积物采样和典型区域柱状沉积物取样,分析沉积物的粒度和含水量,并采用国际上公认的Van Rijn(1993)和Taki(2001)公式计算沉积物的临界侵蚀剪切应力(τcr),首次得出τcr在水下三角洲的平面和垂向分布。此外,在水下三角洲典型区域进行了正常天气条件下的水动力观测,并计算了潮周期内底床剪切应力τc的变化(10min间隔)。通过沉积物临界侵蚀剪切应力和水动力底床剪切应力的对比,评估海底的可侵蚀性,并结合水下三角洲冲淤历史和今后流域入海泥沙通量的分析,展望其侵蚀潜力。主要结果和结论如下： 1)长江口河口区表层沉积物中值粒径(d50)范围为4.9～227.9μm,平均中值粒径45.7μm；口外近海区域表层沉积物中值粒径(d50)范围为5.1-293.7μm,平均中值粒径111.8μm。总体上,沉积物有从口内向口门外水下三角洲变细的趋势,即北支上段、南支和南、北港上段以砂质沉积物为主(d5063μm),北支下段、南、北港下段、南、北槽和口外水下三角洲以泥质沉积物为主(d5063μm),d50的低值区出现在南北槽口门外的水下三角洲前缘,反映那里是长江入海悬沙的沉积中心；在口外水下三角洲边缘与东海残留砂接壤的区域,沉积物又出现变粗趋势,口外海底表层沉积物整体上呈明显的西南区域较细、东北区域较粗的分布格局。水下三角洲前缘代表性位置8根长度小于2m的柱状样沉积物d50变化范围4.1～173.3μm,平均19.2μm。d50在垂向上有明显波动,但总体上垂向变化趋势不明显；大部分柱样表层都未显示有粗化现象。 2)长江口河口区表层沉积物含水量(沉积物所含水重量与沉积物干重量之比)变化范围22.3～88.9%,平均含水量为45.1%。含水量的高值区出现在南北槽口门外的水下三角洲前缘泥沙沉积中心。在粘土含量较高的区段,表层沉积物含水量较大(两者相关系数0.635)；口外近海区域表层沉积物含水量变化范围25.4～106%,平均含水量为45.7%。柱状样沉积物含水量变化范围22.7-79.8%,平均49.9%,柱状样含水量在垂向上有明显波动,总体上有微弱的向下减小趋势,但减小量不大。 3)长江口河口区表层沉积物临界侵蚀剪切应力变化范围0.079～0.174N/m2,平均0.11N/m2；口外近海表层沉积物临界侵蚀剪切应力变化范围0.075～0.195N/m2,平均0.129N/m2；南支系统三个出口(北港、北槽、南槽)外的水下三角洲前缘τcr值明显低于口内河槽区和东海残留砂区。柱状样沉积物临界侵蚀剪切应力变化范围0.082～0.153N/m2,平均0.101N/m2。三角洲前缘大部分柱状样自表层向下临界侵蚀剪切应力有一定波动或增大趋势,但总体上波动幅度或增量不大。 4)长江水下三角洲前缘代表性测点(S1、S2、S3分别位于北支口外、北港口外、南槽口外的10m和20m等深线之间)的潮流以旋转流为主。垂向平均流速变化范围0.28～1.53m/s,底床剪切应力总的变化范围0.002～1.398N/m2。S1、S2、S3测点底床剪切应力平均值在大潮期间分别为0.139N/m2、0.309N/m2、0.302N/m2；在小潮期间分别为0.074N/m2、0.224N/m2、0.180N/m2;潮周期内底床剪切应力τc出现数量级变化,既有τcτcr的时段,也有τcτcr的时段,以τcτcr的时段居多。 5)结合本文得出的长江水下三角洲沉积物的临界侵蚀剪切应力变化范围、正常天气条件下的流致底床剪切应力以及前人在长江水下三角洲进行的大量水动力观测,可以推断：长江水下三角洲沉积物(至少在2m沉积厚度以内)可以在潮周期内的较大流速阶段发生侵蚀(风暴天气条件下侵蚀将加强)。当然,在潮周期的低流速阶段,悬沙也可以落淤到底床。在长时间尺度上(比如年至年代尺度)底床是否发生净侵蚀取决于短时间尺度(比如潮周期、大小潮)的侵蚀量与淤积量(与悬沙浓度呈正相关)的平衡。鉴于(1)近年长江三角洲前缘已经出现每年数厘米的垂向侵蚀速率,(2)该区域沉积物的临界侵蚀剪切应力在垂向上变化不大(至少在2m沉积厚度以内),(3)今后几十年长江入海泥沙通量和悬沙浓度将进一步下降,因此,水下三角洲前缘侵蚀将继续发生甚至可能加强。至于在河口口门以内,虽然在高流速阶段底床沉积物可被侵蚀,但因往复流性质强,憩流淤积阶段较长,潮周期内侵蚀和淤积可能基本持平,长期净侵蚀趋势不明显(在北槽深水航道甚至出现淤积量多于侵蚀量,以致需依赖疏浚维持深水航道)。以上认识对于长江三角洲海岸防护和港口航道建设等具有重要参考价值。
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，，外扩展，残留砂面积减少，多年来流域来沙的减少己经引起整个现代三角洲沉物质粗化，现代沉积区沉降中心的面积大幅度减少，底床发生侵独。楼飞（2005)2000-2002年长江口外水下三角洲的地形冲游的研宄结果表明7 m到15 m等深几乎全线后退。李鹏（2006)通过对1995~2005年海图资料的分析发现，长江近岸水下三角洲冲游存在明显的空间差异，近岸水下三角洲内侧狱涨，外侧己为侵t虫。茅志昌等（2008)根据水文泥沙观测和地形资料分析得出近年来北港槽表现为游滩冲槽。冯凌旋（2010)结合南北槽分流口历史地形资料分析得出北槽的河槽演变受到长江口深水航道工程的影响。Yang et al. (2011 )对958?2007长江口门外约1200 km2的海底冲游速率计算发现，大约自2003年三峡程运行开始，研宄区从狱积阶段转变为侵烛阶段。但是，最近的一项研宄表明，研宄区出现侵烛减缓迹象（杜景龙等，2012)。在对长江口及其水下三角洲冲游变问题的研宄中，多是通过数理统计、遥感（RS)、地理信息系统（GIS)、数学拟等方法，，从宏观上分析长江口底床的冲游趋势和速率。(a) <W

南岸岸线沿镇江一江阴一福山一太仓一马桥一漕经一线延伸，北岸岸线循扬州一泰州一泰县一海安一线分布的漏斗状河口湾（图2-1)。由于早期流域人类活动较少，长江入海泥沙有限，使得这一河口湾的形势一直持续到3000年前（刘苍字等，2013)。近3000年来，特别是近2000年来，由于黄河流域人口不断南迁，长江流域山地开垦加剧，导致入海泥沙增多，从而加快了长江河口湾的充填（陈吉余等，1979;李从先等，2004)。 130° E 121' E ]22。E々■喻-?二 { I32° N- 上江阴\"3kTBP"古海岸线及年代 、 \ \ \o ^⑩并时洲(并岸年代） \ \ X .1.瓜洲（S世纪） 太各、\2.马r郎常

本文编号：2524423