杭州湾多时空尺度悬沙动力变化特征及与潮滩变化的互馈机理

论文摘要

河口区域是海陆相互作用的核心地带。悬浮泥沙浓度及输移特性对河口海域的生态环境、地形演变、潮滩变化起着关键作用,反之亦然。本文以杭州湾为典型研究区域,研究该区域悬沙动力多时空变化特征及形成机制,重点研究潮滩变化条件下悬沙输运动力特征的变化趋势,分析潮滩变化影响悬沙动力过程的互馈作用机理,具有重要的科学及工程意义。本文比较选取了适用于杭州湾海域的Landsat、GOCI卫星悬沙浓度反演算法,建立了杭州湾表层悬沙浓度反演模型,其中Landsat反演算法平均相对误差为15.6%。基于FVCOM水动力数值模型及ESSed泥沙数值模型,双向耦合水沙密度,引入浮泥对底边界层的影响,考虑细颗粒泥沙絮凝作用对沉降速度的影响,建立了考虑浮泥-密度场-潮滩变化的跨尺度三维水沙耦合数值模型（ESed）。模型应用于杭州湾,采用实测水沙数据及遥感反演数据进行多时空角度验证,具备实际可行性与可靠性。基于以上研究手段,对以下杭州湾悬沙动力变化特征进行了研究:1.杭州湾表层悬沙浓度及最大浑浊带年际变化特征基于1984～2015年Landsat系列卫星影像数据、2011～2015年GOCI卫星影像数据,细化遥感数据筛选原则,最大程度减少悬沙浓度日、月变化在年际变化分析中的干扰。筛选近三十年的卫星影像数据,并将其分为5个年代组。结果表明,从年代组a（1984～1988）到年代组e（2013～2015）期间,杭州湾最大浑浊带（>700 mg/L）面积从2205 km2下降为647 km2,年化下降率为4.57%。各年份组悬沙浓度面积分布类型均为正偏分布,且偏态系数由0.63增长至2.03,显示高悬沙浓度区域占比不断降低。长江入海泥沙量的减少,潮滩减少导致的水流挟沙能力降低及局地泥沙来源减少是杭州湾悬沙浓度及最大浑浊带面积下降的重要原因。洪季钱塘江大洪水通过减小湾顶水深,增大泥沙再悬浮率使得湾顶局部悬沙浓度异常升高。2.杭州湾潮滩-悬沙动力特征及其产生机理基于所建泥沙数值模型（ESed）,分析了杭州湾悬沙浓度时空变化特征、多时空角度悬沙输移机制,以及南岸浅滩局部输沙特征。结果表明:杭州湾悬沙浓度的时空分布极不均匀。平面上由于水深差异,北岸悬沙浓度明显低于南岸;垂向上受水体层化的影响,表层悬沙浓度与底层的差异可达10倍以上。时间上涨潮期最大悬沙浓度约为落潮期的1.2倍,大潮期悬沙浓度约为小潮期的2倍。杭州湾悬沙呈现“北进南出”的运移趋势。潮泵输运是悬沙净进出杭州湾的主要机制。受横向环流的影响,杭州湾南北两岸悬沙交换整体上呈现表层向北岸输移,底层向南岸输运的分布特点,具有“北冲南淤”的冲淤分布特征。非线性对流项、摩擦耗散项对特征断面横向环流的影响占比之和在60～70%之间,科氏力影响占比从湾顶附近的11%增加至湾口附近的26%。受涨落潮流及地形影响,南岸庵东前沿水域悬沙净输运呈逆时针涡旋状,相应的该水域以淤积为主,局部水域冲刷。科氏力的存在减小了庵东水域的冲淤幅度,水深地形则是主导庵东水域悬沙输运特征的重要因素。3.杭州湾潮滩变化与悬沙动力特征的互馈作用机理1974至2020年间杭州湾沿岸潮滩累计减少面积将达1290km2,占杭州湾面积的25.8%。通过数值实验,分析了潮滩变化对杭州湾悬沙浓度、输运特性及地形冲淤的影响及作用机理。结果表明:潮滩减少改变了湾内流速及底床切应力,使得悬沙浓度在乍浦以西/东水域有降低/增加的趋势。潮滩减少主要通过影响潮泵效应,改变湾内纵向悬沙输运特征。1974至2003年,澉浦断面陆向悬沙净通量增大,金山、芦潮港断面陆向悬沙净通量减小,杭州湾淤积量减少。2003年后,各断面悬沙净通量变化趋势与1974至2003年间相反,杭州湾淤积量增大。1974至2020年,潮滩减少后杭州湾岸线缩窄,横断面弯道输沙效应增强,向南岸输沙趋势加大,南岸潮滩区沉积率明显上升。潮滩面积减少后,湾内悬沙输运特性的变化主要是水动力条件变化导致的,泥沙来源的减少对湾内悬沙输运的影响主要局限于局地范围之内。潮滩变化的地理位置对杭州湾水沙动力特征的影响不同,其中湾顶以上区域潮滩的减少对湾内水沙特征的影响最大,且影响幅度自湾顶至湾口逐渐降低。各区域潮滩的减少对杭州湾水沙环境特征参数的影响具有叠加效应。

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致谢

摘要

Abstract

1 引言

1.1 研究背景及意义

1.2 国内外研究现状

1.2.1 杭州湾海域悬沙遥感及数值模型研究进展

1.2.2 杭州湾悬浮泥沙动力特征研究进展

1.2.3 潮滩变化与悬沙多时空变化特征的相互影响

1.3 研究内容及技术路线

1.4 创新点

2 杭州湾悬沙浓度遥感反演

2.1 Landsat卫星遥感反演

2.1.1 Landsat遥感数据

2.1.2 Landsat数据大气校正

2.1.3 Landsat悬沙浓度反演算法

2.2 GOCI卫星遥感反演

2.2.1 GOCI遥感数据

2.2.2 GOCI数据大气校正

2.2.3 GOCI悬沙浓度反演

2.3 本章小节

3 杭州湾三维水沙数值模型

3.1 FVCOM水动力模式

3.1.1 控制方程

3.1.2 非结构化网格

3.1.3 潮滩处理

3.2 泥沙数值模型

3.2.1 悬沙控制方程

3.2.2 悬沙边界条件

3.2.3 水沙密度耦合

3.2.4 浮泥对底边界层的影响

3.2.5 絮凝沉降作用

3.2.6 底床冲淤厚度

3.3 模型设置

3.3.1 网格及边界

3.3.2 悬沙模型参数

3.4 模型验证

3.4.1 潮位验证

3.4.2 潮流验证

3.4.3 水动力补充验证

3.4.4 悬沙浓度验证

3.5 悬沙通量机制分解

3.6 本章小结

4 基于遥感数据的杭州湾悬沙浓度年际变化分析

4.1 数据选取

4.1.1 潮位数据

4.1.2 风速数据

4.1.3 径流输沙数据

4.1.4 Landsat遥感数据选取

4.1.5 GOCI遥感数据选取

4.2 主要参数计算

4.3 杭州湾最大浑浊带年际变化

4.3.1 悬沙浓度年际变化

4.3.2 最大浑浊带年际变化

4.4 最大浑浊带年际变化原因探究

4.4.1 长江来沙影响

4.4.2 潮滩减少影响

4.4.3 钱塘江洪水影响

4.5 本章小节

5 基于数值模型的杭州湾三维悬沙动力特征分析

5.1 杭州湾悬沙浓度分布特征及机理分析

5.1.1 平面悬沙浓度变化

5.1.2 断面悬沙浓度变化

5.2 杭州湾纵向输沙特征及机理分析

5.2.1 平面悬沙输运特征

5.2.2 沿程悬沙输运特征

5.2.3 横断面纵向输沙机理分析

5.3 杭州湾横向输沙特征及机理分析

5.3.1 横向输沙特征

5.3.2 横向余流特征

5.3.3 横向环流机理探究

5.4 庵东浅滩局部悬沙输运特征及形成机制分析

5.4.1 科氏力对悬沙输运特征的影响分析

5.4.2 局部地形对悬沙输运特征的影响分析

5.5 本章小结

6 潮滩变化与杭州湾悬沙动力特征的互馈机理分析

6.1 杭州湾潮滩变化分析

6.1.1 杭州湾海岸线的获取

6.1.2 数值实验工况设计

6.2 潮滩减少对悬沙浓度的影响

6.3 潮滩减少与悬沙输运的互馈影响

6.3.1 纵向输沙

6.3.2 横向输沙

6.3.3 地形冲淤

6.4 潮滩局地泥沙源的减少对悬沙特征的影响

6.5 潮滩变化的地理位置对水沙特征的影响

6.5.1 对水动力过程的影响

6.5.2 对悬沙特征的影响

6.6 本章小结

7 结论与展望

7.1 结论

7.2 展望

参考文献

作者简介

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 叶涛焱

导师: 李莉,贺治国

关键词: 表层最大浑浊带,潮滩泥沙输移互馈,潮滩变化,泥沙数值模型,杭州湾

来源: 浙江大学

年度: 2019

分类: 基础科学,工程科技Ⅱ辑

专业: 地球物理学,水利水电工程

单位: 浙江大学

基金: 国家基金委41606103,浙江省基金委的项目资助(LQ16D060002)

分类号: TV148

DOI: 10.27461/d.cnki.gzjdx.2019.000192

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