河口含沙量率定及悬沙输运应用研究

发布时间：2020-04-08 03:27

【摘要】：悬移质泥沙输运在河口三角洲演变中起着关键的作用,而在悬沙输运研究中,如何获取准确的含沙量数据是该研究的重要前提。相比于传统的采集水样方法,光学后向散射浊度计(Optical Backscatter Sensors,OBS)能够更加方便快捷地获取垂向上连续含沙量数据,因此获得广泛应用。但是OBS直接得到的是水体浊度值,需要通过率定才能得到真实的含沙量数据,而悬沙粒径、水体盐度、悬沙浓度等均会对率定产生影响。因此分析和研究各因素对含沙量率定的影响、对比含沙量率定方法、提出实用的含沙量率定曲线,有助于得到高精度含沙量数据,进而对河口悬沙及相关物质的输运研究提供依据。本文基于大量野外观测和室内实验数据,系统分析和讨论了影响含沙量率定的关键因子及其影响方式,然后对比了室内和现场含沙量率定的结果,并基于大量水沙观测数据给出了长江口不同区域的含沙量率定曲线。在上述研究基础上,通过对比不同含沙量率定方法对计算悬沙输运通量的影响,分析和讨论了长江口最大浑浊带北槽悬沙输运的时空特性。得到主要结论如下:(1)泥沙粒径大小是决定含沙量率定精度的主要因子,泥沙颗粒越粗,同等浊度对应的含沙量越大。量化研究发现粒径增大2-13倍,含沙量计算结果会增大2-6倍,并且随着悬沙浓度升高,不同粒径条件下率定曲线计算含沙量的差异也会随之增大。当浊度相同时,泥沙中值粒径为31.6μm的率定曲线计算含沙量约为中值粒径为14.3μm的率定曲线计算含沙量的2.3倍;泥沙中值粒径为186.8μm的率定曲线计算含沙量约为中值为14.3μm的率定曲线计算含沙量的6.2倍。盐度影响方面,淡水条件下率定曲线计算的含沙量要高于盐水条件下率定曲线计算的含沙量。盐度从0升高15 PSU,含沙量计算结果增大22%。但是当水体存在盐度时,含沙量率定的结果对盐度大小的变化不敏感。浓度影响研究表明,随着含沙量的增加,含沙量率定曲线浊度值对含沙量变化的响应关系存在分段性:在线性区,浊度值随含沙量升高而线性增加;在饱和区,随含沙量升高浊度值的增加幅度有所减缓;屏蔽区内,随含沙量升高浊度值逐渐降低。(2)现场率定方法可以较为精确地计算含沙量。现场率定计算的含沙量与实测含沙量的相对误差在12%以内。室内率定使用的泥沙样品通常来自野外采集的表层沉积物,OBS的浊度探头对粒径变化等因素非常敏感,现场率定使用的泥沙样品来自于现场采集的悬沙水样,更能体现实际水体的情况。因此,与实测含沙量相比,现场率定得到的含沙量比室内率定得到的含沙量更准确。大小潮期间,室内率定方法得到的含沙量与实测含沙量的相对误差分别为39.7%和65.9%;现场率定方法得到的含沙量与实测含沙量的相对误差分别为11.2%和11.4%,现场率定计算含沙量的精度分别提高了28.5%和54.5%。(3)给出了长江口含沙量率定曲线,根据现场大范围水沙观测资料发现长江口含沙量率定曲线存在两个分布较为集中的区域。其中区域I的代表性率定曲线A,中值粒径是8.99μm,包括北槽和南港;区域II的代表性率定曲线B,中值粒径为5.22μm,包含了南槽、北港、口外、北支。对比两区域的含沙量率定曲线A和B,在相同浊度下,粒径较大区域中率定曲线计算的含沙量要高于粒径较小区域中率定曲线计算的含沙量。可见,粒径的大小在现场率定中起控制作用,相同浊度下,粒径越大,率定曲线计算的含沙量越高。(4)应用现场率定方法可以提高输沙量计算精度16-40%。小潮期间,潮周期实测净输沙量为101.2 t/m,通过室内率定计算的潮周期净输沙量为144.3 t/m,计算结果比实测输沙量偏大42.6%。通过现场率定计算的潮周期净输沙量为99.0t/m,比实测输沙量偏小2.2%,与室内率定相比,输沙量的计算精度提高了40.4%。大潮期间,潮周期实测净输沙量为246.0 t/m,通过室内率定计算的潮周期净输沙量为294.7 t/m,计算结果比实测输沙量偏大19.8%。通过现场率定计算的潮周期净输沙量为236.7 t/m,比实测输沙量偏小3.8%,与室内率定相比,输沙量的计算精度提高16.0%;(5)给出北槽不同区域悬沙净输运的大小和方向。大潮期间,北槽上部至下部悬沙净输运均向海,其中下部悬沙净输运量最高,中部次之,上部最低,净输沙量值下部是上部的2倍;小潮期间,北槽上部和中部悬沙净输运向海,而下部悬沙净输运转为向陆,其中中部净输沙量最高,是净输沙量最低的下部的9倍。从输运机制来看,平流输沙在大小潮悬沙输运中均起主要作用,净输运向海,但是在小潮期间北槽下部受“潮泵效应”影响,底层悬沙净输运向陆。
【图文】：

光学,后向散射,浊度计

光学后向散射浊度计型ig.l-2ThemodeloftheOpticalBackscatt

信号值,水体,泥沙再悬浮,气泡浓度

华东师范大学硕士学位论文的 4~6 倍，而且在通常情况泥沙的浓度比气泡的浓度大两个数量般来说气泡对 OBS 的观测影响较小。但是，水体气泡浓度较高而较低水平时，OBS 观测水体浊度值会受到影响（薛元忠等，2004）2006）通过室内实验发现，OBS 的输出值与水体气泡的大小和浓度关系。对于砂质和淤泥质沉积物，OBS 的输出电压会由于气泡的存且小气泡相对于大气泡会有更大的影响。在试验中，由于气泡的存在电压提升了 25%。Schoellhameretal.（1993）在佛罗里达州的 TamS 观测底层泥沙再悬浮浓度，在观测过程中发现浮游植物会对水体生影响，，OBS 探头上的藻泥也会产生过多的后向散射。
【学位授予单位】：华东师范大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TV148

【参考文献】