南黄海辐射沙脊群沉积物输运与地貌演变

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南黄海辐射沙脊群以其形态特殊、地形复杂、沙脊规模巨大而著称,因其地貌演变迅速,水动力条件复杂,且位于陆、海和人类活动相互作用最强烈的海岸带,辐射沙脊群一直是海洋学家重点关注的研究对象。本文基于Delft3D模型,采用三种空间尺度的网格,建立了辐射沙脊群海域的水动力数值模型,并利用40个测站数据进行验证,进而分析了研究区的潮汐、潮流特征。在此基础上,建立了沉积物输运和长周期地貌演化模型,模拟辐射沙脊群海域冲淤变化;设计了两个理想实验,试图探讨辐射沙脊的演变过程及其影响因素。这些研究成果对该地区的自然资源开发利用有指导意义和参考价值。研究表明,包括南黄海、局部东海海域的大区域模型的计算结果与2005-2011年实测水位、流速结果吻合良好。少数测站的流向与模拟结果有一定误差,可能与模型使用的地形数据(地形数据的获取时间为1979年,相对偏旧)有关。模拟结果显示,在涨潮和落潮时刻,辐射沙脊群海域流场分别呈辐聚和辐散状;南黄海、东海北部主要受半日分潮M2、S2分潮控制,这两个分潮的最大振幅分别可达2.50m和0.95m,振幅高值主要分布在杭州湾、弶港和海州湾,其次为全日分潮K1、01。东海前进潮波和南黄海旋转潮波共同作用,在弶港汇合,造成弶港海域潮差大、潮流强的特征。M2、S2分潮在废黄河口外海出现无潮点,无潮点位置与前人的研究结果基本一致。在江苏岸外110-185km处、辐射沙脊群东部外缘,出现一股大小为0.18-0.4m/s(东南向)的拉格朗日余流。欧拉余流场的空间分布趋势及数值大小与拉格朗日余流场基本一致。斯托克斯效应在近岸海域较为显著,除海州湾区域小于0.02m/s外,其他近岸海域平均为0.05m/s,杭州湾和长江口海域斯托克斯漂流方向均向陆,数值一般大于0.50rn/s。以大区域模型的结果为边界条件,使用高空间分辨率网格的小尺度模型模拟了辐射沙脊群海域的悬沙分布、悬沙输运及地形演化过程。其中,悬沙浓度模拟结果与实测数据大致吻合;辐射沙脊群海域悬沙浓度数值大小与潮差成正比,大潮期间垂线平均悬沙浓度高值(垂线平均>1kg/m3)分布范围远大于小潮期间的高值分布范围。整个辐射沙脊群海域以弶港为分界线,南、北两侧悬沙浓度分布格局差异显著。北部海域,尤其是西洋、条子泥和东沙东部海域,垂线平均悬沙浓度可达1.5kg/m3以上;南部海域,悬沙浓度整体较低,一般在0.8kg/m3以下。模拟结果表明,辐射沙脊群北部海域悬沙向东南方向输运,单宽净输运率约为0.4kg/(m·s),至辐射沙脊群北部边缘处转为东南方向。悬沙输运率高值区分布在西洋、陈家坞槽、草米树洋、黄沙洋、冷家沙外围等五个海域,其中以西洋最为显著,悬沙净输运率高达2kg/(m·s)。陈家坞槽和西洋水道内的悬沙均向海输运,黄沙洋水道则向陆输运,草米树洋水道北侧向岸、南侧向海。对比大、中、小潮辐射沙脊群海域的悬沙输运格局,发现研究区地形演变主要受控于大潮期间的悬沙输运格局,大潮期间的悬沙净输运率数值是中潮期间的2倍以上,小潮的四倍以上。大中小潮的悬沙输运格局有显著差异,以西洋水道为例:西洋水道大潮期间悬沙向海输运,净输运率平均可达2kg/(m·s),小潮期间,悬沙向陆输运,净输运率一般小于0.5kg/(m·s),中潮期间北部向海,南部向陆,净输运率平均为1.0kg/(m·s)。基于1979年海底地形下的数值模拟结果显示,辐射沙脊群海域主要水道以侵蚀过程为主,其中以西洋和陈家坞槽最为显著,黄沙洋、烂沙洋等南部海域的水道相对稳定。条子泥周围水道不断被加深,沙脊不断淤高。东沙东部受陈家坞槽扩张影响向西后退,整体仍处于淤长状态。毛竹沙与竹根沙的连接处因为陈家坞槽的延伸而逐渐被切断,毛竹沙、外毛竹沙与竹根沙有分离的趋势。南部海域相对较稳定,在弶港——吕泗岸段的潮滩出现规模较小的水道,并逐渐扩张加深。假定海底地形由陆向海均匀变化,建立了一个长周期地貌演化模型。模拟结果表明,江苏近岸海域以弶港为顶点的辐射状潮流场不依赖于原始海底地形。潮流脊首先在弶港海域发育,弶港以北发育正北、北偏东方向的潮流脊,南部发育正东、东偏南方向的潮流脊,整体呈辐射状。但潮流脊向海延伸不超过90km,其演化基本局限于原20m等深线以浅海域。假定海底海底地形为均匀斜坡、并在弶港东部海域由陆向海有一较大沙脊存在,建立了另外一个长周期地貌演化模型。结果表明,水动力对20m以深海域海底地形的影响依然十分微弱,中央沙脊20m以下的砂体基本维持原状。上述两个理想实验的结果都显示,江苏近岸辐射状沙脊的形成与海底原始地形无关,潮流在研究区辐聚、辐散的空间分布格局是辐射状沙脊群形成的最主要的动力因素。辐射状沙脊体系从无到有,并维持稳定状态,大约需要200年时间。此外,理想实验还证实了,原始海底有、无沙脊,对辐射状沙脊形成的时间尺度和分布格局有显著影响。例如,均匀斜坡地形、海底无沙脊的条件下,辐射状的潮流场也无法塑造出目前的沙脊分布形态,尤其是无法形成现今离岸约90km以外沙脊的分布形态。
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