淤泥质潮滩风暴过程泥沙絮凝沉降动力机制

    潮滩是陆地与河口之间的过渡区以及陆地的保护屏障,并且在区域生态系统发展方面具有重要功能。已有研究表明,在潮周期尺度内潮滩表层沉积物主要以絮团的形式存在,因此开展潮滩泥沙絮凝沉降动力过程研究,对潮滩悬沙沉降、输运及潮滩发育的影响研究均有重要的科学和应用意义。
    基于在Schendt河口Kapellebank潮滩持续约1个月的定点水沙运动,特别是泥沙絮凝过程的现场观测结果,研究了风暴与常态天气期间,悬浮泥沙的絮凝特性,随水动力的变化过程以及对风暴侵蚀后潮滩淤积恢复的影响。研究发现:(1)泥沙絮凝过程受到剪切动力主控。无论是常态天气还是风暴天气,絮团粒径大小均在潮周期内显著变化,且絮团粒径随着床面剪切应力的增大而减小。在涨潮和落潮过程中,絮团粒径的变化呈现出不对称的特性,在相同剪切作用下,涨潮期间絮团粒径普遍比落潮期间大;(2)絮团有效密度变化过程及控制机制。絮团有效密度整体上随着粒径的增大呈减小趋势,在风暴期间,絮团粒径超过100 μm时,絮团有效密度随着粒径的进一步增大转变为呈增大趋势,主要是由于风暴期间床面泥沙再悬浮导致形成絮团的分散态泥沙颗粒粒径组成发生改变,使用变分散颗粒粒径和变絮团分形维数的改进方法可以较好地模拟整个变化过程;(3)风暴期泥沙絮凝沉降及潮滩快速恢复机制。在风暴导致潮滩侵蚀后,潮滩床面高程可以在一周内快速恢复约40%,其中65%的淤积发生在高水位时段,缘于絮团粒径和沉降速度达到最大,同时悬沙浓度较高,综合导致产生较大的悬沙沉降通量,促进潮滩的淤积。
    该研究成果以“Investigation of flocculation dynamics under changing hydrodynamic forcing on an intertidal mudflat”为题,发表于MARINE GEOLOGY期刊上。文章第一作者为博士研究生郭超,通讯作者为何青教授。
 

图(a)(c)分别为Kapellebank潮滩常态和风暴天气涨潮和落潮中絮团粒径随底部剪切应力的变化;(b)(d)分别为常态和风暴天气典型潮周期过程中絮团粒径随涨落潮水深的变化
(a)(c) Variation of mean floc size and shear stress under calm flood/ebb and stormy flood/ebb conditions, respectively; (b)(d) Typical variation of mean floc size with water depth in a tidal cycle under calm and stormy conditions on April 28-29 and May 10-11, respectively. In (a) and (c), solid lines are the regression results, and color bar indicates corresponding suspended sediment concentration. In (b) and (d), blue and red symbols represent flood and ebb tide, respectively