舟山群岛海域泥沙运移及动力机制分析

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海洋泥沙在河口及邻近海域环境中具有重要的作用,因为它们既是营养盐和有机物的载体,又对污染物的迁移和循环产生显著影响;同时,由于人类活动和泥沙运移的相互作用,使得泥沙运移对港口开发、航道维护、海洋构筑物建设以及海底光缆的铺设等人类活动产生明显影响。因此,充分了解河口及邻近海域的泥沙运移和动力机制,一方面,对于港口开发等人类活动具有重要的实际意义,另一方面,对于探讨现代沉积过程和分析污染物扩散则具理论意义。舟山群岛海域北临长江口,西接杭州湾,既是长江水体南下的必经之路,也是杭州湾水体与东海水体交换的主要通道;同时,舟山群岛海域岛屿众多、水深地形多变、水动力条件复杂。因此,舟山群岛的泥沙分布及输运必然存在特殊性质。本文以实测资料为基础,利用不同的研究方法和计算公式,系统地分析了舟山群岛海域泥沙的分布和运移特性,揭示了泥沙运移的动力机制,探讨了群岛对泥沙分布和运移的影响。以实测资料为基础,对研究区的海流、悬浮泥沙和表层沉积物的分布特征进行了系统地分析。结果表明,研究区悬沙浓度自杭州湾向外海迅速降低;落潮平均含沙量一般高于涨潮平均含沙量;水位波动对潮周期内悬沙浓度的变化影响显著,由水位变化引起的泥沙运移掩盖了流速变化对悬沙浓度的影响;粉砂是研究区内分布最广的沉积物类型,主要分布受群岛影响较小的海域,局部分布有砂质粉砂、砂和砾,主要出现在岛屿周围;群岛对表层沉积物类型、粒度参数以及不同粒级组分的分布影响显著。利用通量机制分解方法和悬沙沉降公式,并结合前人的研究成果,分析了舟山群岛海域悬浮泥沙的输运通量、运移方向和动力机制,研究了悬浮泥沙的沉降特性。结果表明,研究区净悬沙通量自杭州湾内向外海迅速变小,悬沙总体由杭州湾向外海输运,但同时存在向杭州湾方向的净输沙;研究区基本处于水动力平衡带,悬沙输运具有往复搬运、净输沙量小的特点;平均流输运、Stokes漂移输运和垂向净环流输运是引起悬沙泥沙净输运的主要作用机制,自口门至外海,平流输运作用逐渐减弱,垂向净环流输沙在悬沙净输运中所占比例逐渐增加;舟山群岛海域既是杭州湾向东海输运泥沙的重要通道,也是东海沿岸流携带泥沙向南输运的过渡地带;研究区单颗粒泥沙沉降速度很小,远小于絮凝沉降速度,在研究本区悬沙沉降时必须考虑絮凝的影响。利用泥沙起动流速公式、沉积物输运通量公式以及粒度趋势分析方法,结合东海表层沉积物分布和东海流系,分析了表层沉积物的起动流速和输运通量,讨论了表层沉积物的运移趋势和影响因素。结果表明,研究区总体上从杭州湾向外海,泥沙起动流速越来越大,也就是说,越往外海泥沙越难以再悬浮;表层沉积物整体由湾口向外海运移,平均日单宽输沙通量总体由杭州湾内向外海减小;在群岛内,由于受到岛屿的限制,泥沙基本沿水道走向运移,在外海区,沉积物净运移存两个明显的运移趋势,分别对应长江口泥质区和闽浙沿岸泥质区;潮流是控制泥沙运移的主要动力因子,同时,潮汐、东海沿岸流、风浪、台湾暖流、群岛以及地形等因素对泥沙输运的影响亦不可忽视。在上述研究结果的基础上,借鉴河流的边滩理论,探讨和分析了群岛对泥沙分布和运移的影响。结果表明,舟山群岛的存在对研究区海流变化、泥沙分布和泥沙运移影响显著,具有明显的“群岛效应”;所谓“群岛效应”主要是指受群岛分布制约和水动力条件变化影响下的泥沙运移、沉降、再悬浮以及分布的过程;群岛的存在,使水道内产生涨落潮流控制下的“双向环流”,该环流控制着泥沙的横向分布和运移,而涨落潮流则控制泥沙的纵向分布和运移;舟山群岛海域对来自长江口和杭州湾的泥沙具有“过滤器”和“扩散器”的双重作用,即对粗颗粒物质具有过滤作用,而对细颗粒物质则有扩散作用。
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