长江河口边滩多时间尺度动力地貌过程
发布时间：2020-07-15 17:13
【摘要】：发育于河流尾闾的河口潮滩因承担河口城市后备土地和发挥海岸灾害缓冲的功能而具有极高的经济和社会价值。然而,当前世界范围内的河口潮滩在气候变暖和人类活动加剧背景下,遭遇严重的衰退危机。基于此,掌握河口潮滩的发展模式及演化机制,实现滩涂资源预测及适应性政策的制定,显得十分迫切而又极为重要。与此同时,弄清河海作用的喉舌——河口潮滩演变,是推断和辨析陆海动力作用机制及预测河口发展趋势研究的重要内容,极具科学意义。河口潮滩动力地貌在不同时间尺度下的表现形式及主控因素并不一致,特定尺度下的河口潮滩地貌过程在自然及人为驱动力的耦合作用下复杂又难以捉摸。已有研究多聚焦于宏观或微观尺度的过程,而较少涉及跨尺度的潮滩动力地貌及驱动机制解析。为此,本文立足于大河河口潮滩,以高强度人类活动影响下的长江口南汇边滩(以下简称为“边滩”)为研究对象,通过历史地形、水文、泥沙数据搜集及自主高频连续观测,借助聚类分析、小波分析、EOF分析、Gao-Collins模型等研究方法,挖掘边滩逐日、月际、年际和年代际动力地貌过程,并深入剖析河口潮滩跨尺度动力地貌及与潜在影响因素的联动机制。主要成果包括:(1)潮情转换和风况变动交互控制的潮间带逐日沉积动力过程边滩南缘的潮间带中部在大、中潮期保持纵向向西和横向向海的悬沙输运模式,且纵向的悬沙输运强度3倍于后者;在小潮期,悬沙输运方向常发生反转,同时输运量明显变小。在此过程中,离岸风可加剧横向向海输运,向岸风则可倾向诱发向陆输运。潮间带沉积物的横向分异与空间分带显著,自陆向海可依次划分为以砂为主的陆缘区、砂含量沿程锐减的过渡区和粉砂主导的海缘区。该沉积分带模式在逐日实测期(2014.12～2015.1)基本不变,但在风力作用下可出现规律性的迁移,呈现出'强风期向海推进、弱风期向陆后退'的变化过程。与此同时,陆、海缘区沉积物对潮情的往复转换敏感,其沉积物的物质组成以2-4及7天的周期波动。完整大潮旋回内,潮间带下部净淤涨而上、中部侵蚀,可进一步催生更长时间尺度的潮间带冲淤演化。潮间带的逐日地形变化常伴有阶段性的冲或淤,可由'大潮-中潮间的强淤积'逐渐调整到'中潮-下次大潮间的弱淤积或强侵蚀'状态,即强淤-弱淤(侵蚀)状态的转换。此外,强风作用下的逐日冲淤强度是平常天气的5倍。(2)基于潮沟生消的潮间带月际演化潮沟是发育在边滩潮间带的基本地貌单元,潮沟的生消很大程度上控制了潮间带的动力地貌演化。2014.12～2016.6的地形资料表明,潮间带的月际地貌过程可分为三个阶段:潮沟发育期,潮间带各地形分带位置稳定而下部淤涨显著;随潮沟消亡,潮间带中部侵蚀强烈,下部大幅向陆迁移;潮沟消亡后,潮间带进入调整阶段而冲淤相对不强。最终,潮间带由“双沙体,单潮沟”结构转变为“单沙体”结构,剖面坡度不断变陡并呈'L'型。潮间带的沉积分带变动明显,其中沉积物陆缘区后退62.5 m,过渡区缩窄75 m,海缘区陆迁137.5 m。与此同时,陆缘区沉积物砂含量轻微下降并在2015.1、2015.7和2016.2出现极大值;海缘区沉积物粉砂含量整体稳定。潮间带的沉积与地貌变化高度耦合,表现为沉积分带的位置变迁与潮间带上、中部缩窄而下部陆迁的地貌过程一致且海缘区沉积物随滩面淤涨而细化。(3)流域-河口工程主导的边滩年际动力地貌过程以大治河为界的南、北边滩在流域-河口高强度人类活动影响下的地貌变化模式有所差异。其中,北边滩主要通过潮汐通道的堵塞淤填而经历从“潮汐通道—潮流脊”结构向“顶底平坦、中部伴生坡陡”结构的形态转变,并呈现出“1998～2002年轻微淤长且潮汐通道完整”、“2003～2008年潮汐通道充填”及“2009～2013年潮汐通道消亡后大范围淤长”的阶段性地貌过程,体积增加1.5×108m3。南边滩保持淤涨态势,并经历潮上带与潮间带发育、消亡及重构的变化,体现在“1986～1999年潮上带及潮间带强烈淤涨并绕南汇咀西向伸展”、“1999～2003年因围垦而岸线向海推进、潮上带和潮间带整体消亡”及“2003～2013年潮间带重新发育并主要向北扩展”的演化历程。南、北边滩的高淤涨态势表明三峡工程导致的长江入海泥沙锐减并没有影响当前边滩的地形冲淤。边滩地貌的年际演化模式很可能受控于促淤围垦工程,并对工程进度极为敏感。(4)自然过程和人类活动交替控制的边滩年代际演化1989年以前,边滩平面形态变动明显,凸出处从初始的三角形变为圆弧形,北边滩海缘因江亚南沙的发育及分离先隆起、后顺直;边滩冲淤动荡而体积净变化不大,-5米以上面积增加36km2。1989年后,边滩水域潮流特征与滩-槽悬沙输运模式基本不变,但滩面沉积物现细化趋势。边滩潮流脊以西的区域大幅淤高,体积增加3.5×108Dm3;而平面形态变动不大,仅北边滩海缘轻微后退而凸出处小幅推进,-5米以上面积几无变化。在这—过程中,长江口南翼为适应1954年以来“三级分汊,四口入海”新格局而经历的河口模式调整是边滩1958～1989年演化的主导因素:1958～1978年,九段沙南迁以致南槽缩窄和落潮动力减弱,催动边滩大幅向海推进及凸出处形态转变;1978～1989年,江亚南沙不断发育并最终分离,既直接改变北边滩平面形态,又通过调控南槽河道顺畅度而诱发凸出处的进退和迁移。边滩1989年后的演化主要由人类活动控制,在此不赘述。(5)跨尺度的边滩动力地貌共性及耦合不同时间尺度下的边滩动力地貌各具不同的表现形式,但始终展现交互的线性与非线性过程:在逐日尺度下,受潮情及风况的交替控制而以非线性过程为主;在月际尺度下,因潮沟消亡而经历地貌模式的转变,以线性的侵蚀-堆积过程更为突出;在年际尺度下,由河口工程主导而以线性淤涨为主。上述过程实质由自然及人为驱动力作用下的水文泥沙环境变化模式决定,并可发现非线性过程主要由自然因素主导,线性过程主要由人类活动及特殊事件控制。其中,人类活动的影响具有特殊性,既可诱发边滩反常的线性过程,又可掩盖边滩演变的非线性过程。边滩长时间尺度的演变源自短时间过程的累加,并以平常状态下的周期内净变化贡献最强。鉴于—定时段内非线性过程强度可远大于累积的净线性变化,关乎河口潮滩动力地貌的科学研究与开发实践均应予非线性过程以特殊关注。(6)边滩资源危机与政策支持潮滩资源总量的减少(1958～2013年累积减少169km2)直接昭示边滩资源的退化态势,而边滩地貌现状所隐喻的开发潜力不足同样值得忧虑。在促淤工程与深水航道工程的影响下,北边滩经历陆侧淤高与海缘侵蚀,最终在滩面-2至-3米高程间发育出畸形的“陡坡结构”,坡度最高在10‰以上。该结构作为“天花板”,大大限制后续资源开发,使得北边滩上仅陡坡陆侧的80 km2滩地还可被围垦和利用。在未来持续减少的长江入海泥沙和强烈的潮滩围垦及海平面上升压力下,边滩资源退化的危机将更为严峻。为此,极有必要采取“流域及河口综合调控”、“科学促淤”、“保持围垦与边滩再生速率平衡”和“合理应对海平面上升”的措施以保证边滩资源的可持续利用。
【学位授予单位】：华东师范大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：P737.121
【图文】：
充沛的泥沙来源是河口潮滩发育的必要条件和淤涨的物质基础。世界范围内逡逑的河流向海泥沙输运充沛（在上世纪可达２ｘｌＯ］Ｇｔ／ｙｒ）（ＭｉｌｌｉｍａｎａｎｄＭｅａｄｅ，１９８３；逡逑Ｍｉｌｌｉｍａｎ邋ａｎｄ邋Ｆａｒｎｓｗｏｒｔｈ，２０１１），因而在河口发育有极其宽广的潮滩（图１－１）。逡逑在全球一些大河河口，因河流泥沙颗粒较细而倾向发育沉积物以粘土或粉砂为主、逡逑宽度可达数十公里、坡度小于１％。、上部丛生耐盐植物、下部裸露的淤泥质潮滩逡逑（Ｅｉｓｍａｅｔａｌ．，１９９８），如尼罗河口（Ｆａｎｏｓ，１９９５）、密西西比河口（Ｂｌｕｍ邋ａｎｄ逡逑Ｒｏｂｅｒｔｓ，邋２００９）以及长江口（Ｙａｎｇｅｔａｌ．邋，２００３ａ）。我国主要大河贡献全球入海泥逡逑１逡逑
ａｎｄ邋Ｔｈｏｍ，１９７７）。更确切地说，动力作用于滩面，催生泥沙的起动、沉降与搬逡逑运，引起滩面沉积物及地貌形态的改变；地貌的变化又可反馈区域动力作用，调逡逑控新一轮的泥沙运动；如此往复，直至动态平衡（图１－３）。河口潮滩的动力地貌逡逑既是河口研宄的焦点内容，又是海岸保护与港湾开发必须考虑的重要问题。逡逑７逡逑
蚀逡逑、ｆ逡逑图１－３河口潮滩动力地貌过程模式图逡逑Ｆｉｇ．邋１－３邋Ｄｉａｇｒａｍ邋ｓｈｏｗｉｎｇ邋ｍｏｒｐｈｏｄｙｎａｍｉｃ邋ｐｒｏｃｅｓｓｅｓ邋ｏｆ邋ｅｓｔｕａｒｉｎｅ邋ｔｉｄａｌ邋ｆｌａｔｓ逡逑河口潮滩的动力地貌过程在不同时间尺度下有其独特的运行机制及表现形逡逑式（图１－４）：在揣流作用下，滩面可现高频冲淤振荡；随水位升降和流速增减，逡逑滩面经历潮周期内的冲淤变化；相关水文要素的大、中、小潮变化又催生了滩面逡逑潮周期间的地貌过程差异；陆源泥沙供给及风浪作用的年内震荡导致河口潮滩的逡逑季节性冲淤差异；人类活动、自然环境变化、气候演变及地质运动等，可导致河逡逑口潮滩年际、年代际甚至千万年尺度上的趋势性冲淤转变及演化模式的系统调整。逡逑国内外己开展有大量河口潮滩动力地貌的研宄，并主要集中在水文及动力沉积过逡逑程、沉积特征及启示、地貌演变及驱动机制等方面。逡逑丨逦，．，ｖｃ候演变－构造逡逑＜逦＾逡逑ｒ＾ｒ邋－逦，７：－ｖ；：逦１逡逑Ｉ＂：纪－逦．．．．．X铩义希卞澹危翦澹慑錜[？逦ＰｌｉＭｕａｉ逡逑风浪＂Ｔ一逦波浪？逦？？潮流逡逑小时＿逦１逦Ｊ逦丨１■１
本文编号：2756785
【学位授予单位】：华东师范大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：P737.121
【图文】：
充沛的泥沙来源是河口潮滩发育的必要条件和淤涨的物质基础。世界范围内逡逑的河流向海泥沙输运充沛（在上世纪可达２ｘｌＯ］Ｇｔ／ｙｒ）（ＭｉｌｌｉｍａｎａｎｄＭｅａｄｅ，１９８３；逡逑Ｍｉｌｌｉｍａｎ邋ａｎｄ邋Ｆａｒｎｓｗｏｒｔｈ，２０１１），因而在河口发育有极其宽广的潮滩（图１－１）。逡逑在全球一些大河河口，因河流泥沙颗粒较细而倾向发育沉积物以粘土或粉砂为主、逡逑宽度可达数十公里、坡度小于１％。、上部丛生耐盐植物、下部裸露的淤泥质潮滩逡逑（Ｅｉｓｍａｅｔａｌ．，１９９８），如尼罗河口（Ｆａｎｏｓ，１９９５）、密西西比河口（Ｂｌｕｍ邋ａｎｄ逡逑Ｒｏｂｅｒｔｓ，邋２００９）以及长江口（Ｙａｎｇｅｔａｌ．邋，２００３ａ）。我国主要大河贡献全球入海泥逡逑１逡逑
ａｎｄ邋Ｔｈｏｍ，１９７７）。更确切地说，动力作用于滩面，催生泥沙的起动、沉降与搬逡逑运，引起滩面沉积物及地貌形态的改变；地貌的变化又可反馈区域动力作用，调逡逑控新一轮的泥沙运动；如此往复，直至动态平衡（图１－３）。河口潮滩的动力地貌逡逑既是河口研宄的焦点内容，又是海岸保护与港湾开发必须考虑的重要问题。逡逑７逡逑
蚀逡逑、ｆ逡逑图１－３河口潮滩动力地貌过程模式图逡逑Ｆｉｇ．邋１－３邋Ｄｉａｇｒａｍ邋ｓｈｏｗｉｎｇ邋ｍｏｒｐｈｏｄｙｎａｍｉｃ邋ｐｒｏｃｅｓｓｅｓ邋ｏｆ邋ｅｓｔｕａｒｉｎｅ邋ｔｉｄａｌ邋ｆｌａｔｓ逡逑河口潮滩的动力地貌过程在不同时间尺度下有其独特的运行机制及表现形逡逑式（图１－４）：在揣流作用下，滩面可现高频冲淤振荡；随水位升降和流速增减，逡逑滩面经历潮周期内的冲淤变化；相关水文要素的大、中、小潮变化又催生了滩面逡逑潮周期间的地貌过程差异；陆源泥沙供给及风浪作用的年内震荡导致河口潮滩的逡逑季节性冲淤差异；人类活动、自然环境变化、气候演变及地质运动等，可导致河逡逑口潮滩年际、年代际甚至千万年尺度上的趋势性冲淤转变及演化模式的系统调整。逡逑国内外己开展有大量河口潮滩动力地貌的研宄，并主要集中在水文及动力沉积过逡逑程、沉积特征及启示、地貌演变及驱动机制等方面。逡逑丨逦，．，ｖｃ候演变－构造逡逑＜逦＾逡逑ｒ＾ｒ邋－逦，７：－ｖ；：逦１逡逑Ｉ＂：纪－逦．．．．．X铩义希卞澹危翦澹慑錜[？逦ＰｌｉＭｕａｉ逡逑风浪＂Ｔ一逦波浪？逦？？潮流逡逑小时＿逦１逦Ｊ逦丨１■１
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