【摘要】：近幾十年來,世界上許多三角洲因流域建壩等人類活動導(dǎo)致河流入海泥沙減少而發(fā)生侵蝕,給三角洲生態(tài)環(huán)境和社會經(jīng)濟(jì)帶來重大影響,成為多項(xiàng)國際研究計(jì)劃的核心內(nèi)容。在此背景下,三角洲的侵蝕速率和侵蝕極限(侵蝕達(dá)到一定程度后停止)是備受關(guān)注的重要科學(xué)問題,而三角洲沉積物的抗侵蝕特性(erodibility)和動力條件是決定侵蝕強(qiáng)度或侵蝕能否發(fā)生的兩個關(guān)鍵因子,這些影響因子在不同的三角洲是不同的,在同一三角洲的不同階段也可能不同,因此,開展重要案例研究至關(guān)重要。 長江是世界第三大河。長江三角洲是我國乃至世界上的重要經(jīng)濟(jì)區(qū)。近期由于三峽工程等流域高強(qiáng)度人類活動的影響,長江入海泥沙通量出現(xiàn)明顯下降趨勢,長江三角洲的沖淤趨勢受到科學(xué)界、工程界和政府部門的高度關(guān)注。盡管最近已有工作涉及長江來沙減少后三角洲的沖淤問題,但對長江水下三角洲大范圍底床的可蝕性,特別是對今后幾十年在金沙江梯級水庫修建、南水北調(diào)和三峽工程等聯(lián)動造成長江入海泥沙進(jìn)一步減少的背景下水下三角洲的侵蝕潛力缺乏系統(tǒng)研究。水下三角洲的大范圍侵蝕不僅會直接危及海底工程(例如淺埋光纜、輸油管線以及東海大橋橋墩基座),還會蠶食灘涂濕地并最終威脅海堤安全。因此,水下三角洲侵蝕潛力的研究具有重要的理論意義和應(yīng)用價值。 本文在國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(包括基金委長江口公共航次)的資助下,進(jìn)行了長江水下三角洲大范圍表層沉積物采樣和典型區(qū)域柱狀沉積物取樣,分析沉積物的粒度和含水量,并采用國際上公認(rèn)的Van Rijn(1993)和Taki(2001)公式計(jì)算沉積物的臨界侵蝕剪切應(yīng)力(τcr),首次得出τcr在水下三角洲的平面和垂向分布。此外,在水下三角洲典型區(qū)域進(jìn)行了正常天氣條件下的水動力觀測,并計(jì)算了潮周期內(nèi)底床剪切應(yīng)力τc的變化(10min間隔)。通過沉積物臨界侵蝕剪切應(yīng)力和水動力底床剪切應(yīng)力的對比,評估海底的可侵蝕性,并結(jié)合水下三角洲沖淤歷史和今后流域入海泥沙通量的分析,展望其侵蝕潛力。主要結(jié)果和結(jié)論如下： 1)長江口河口區(qū)表層沉積物中值粒徑(d50)范圍為4.9～227.9μm,平均中值粒徑45.7μm；口外近海區(qū)域表層沉積物中值粒徑(d50)范圍為5.1-293.7μm,平均中值粒徑111.8μm�？傮w上,沉積物有從口內(nèi)向口門外水下三角洲變細(xì)的趨勢,即北支上段、南支和南、北港上段以砂質(zhì)沉積物為主(d5063μm),北支下段、南、北港下段、南、北槽和口外水下三角洲以泥質(zhì)沉積物為主(d5063μm),d50的低值區(qū)出現(xiàn)在南北槽口門外的水下三角洲前緣,反映那里是長江入海懸沙的沉積中心；在口外水下三角洲邊緣與東海殘留砂接壤的區(qū)域,沉積物又出現(xiàn)變粗趨勢,口外海底表層沉積物整體上呈明顯的西南區(qū)域較細(xì)、東北區(qū)域較粗的分布格局。水下三角洲前緣代表性位置8根長度小于2m的柱狀樣沉積物d50變化范圍4.1～173.3μm,平均19.2μm。d50在垂向上有明顯波動,但總體上垂向變化趨勢不明顯；大部分柱樣表層都未顯示有粗化現(xiàn)象。 2)長江口河口區(qū)表層沉積物含水量(沉積物所含水重量與沉積物干重量之比)變化范圍22.3～88.9%,平均含水量為45.1%。含水量的高值區(qū)出現(xiàn)在南北槽口門外的水下三角洲前緣泥沙沉積中心。在粘土含量較高的區(qū)段,表層沉積物含水量較大(兩者相關(guān)系數(shù)0.635)；口外近海區(qū)域表層沉積物含水量變化范圍25.4～106%,平均含水量為45.7%。柱狀樣沉積物含水量變化范圍22.7-79.8%,平均49.9%,柱狀樣含水量在垂向上有明顯波動,總體上有微弱的向下減小趨勢,但減小量不大。 3)長江口河口區(qū)表層沉積物臨界侵蝕剪切應(yīng)力變化范圍0.079～0.174N/m2,平均0.11N/m2；口外近海表層沉積物臨界侵蝕剪切應(yīng)力變化范圍0.075～0.195N/m2,平均0.129N/m2；南支系統(tǒng)三個出口(北港、北槽、南槽)外的水下三角洲前緣τcr值明顯低于口內(nèi)河槽區(qū)和東海殘留砂區(qū)。柱狀樣沉積物臨界侵蝕剪切應(yīng)力變化范圍0.082～0.153N/m2,平均0.101N/m2。三角洲前緣大部分柱狀樣自表層向下臨界侵蝕剪切應(yīng)力有一定波動或增大趨勢,但總體上波動幅度或增量不大。 4)長江水下三角洲前緣代表性測點(diǎn)(S1、S2、S3分別位于北支口外、北港口外、南槽口外的10m和20m等深線之間)的潮流以旋轉(zhuǎn)流為主。垂向平均流速變化范圍0.28～1.53m/s,底床剪切應(yīng)力總的變化范圍0.002～1.398N/m2。S1、S2、S3測點(diǎn)底床剪切應(yīng)力平均值在大潮期間分別為0.139N/m2、0.309N/m2、0.302N/m2；在小潮期間分別為0.074N/m2、0.224N/m2、0.180N/m2;潮周期內(nèi)底床剪切應(yīng)力τc出現(xiàn)數(shù)量級變化,既有τcτcr的時段,也有τcτcr的時段,以τcτcr的時段居多。 5)結(jié)合本文得出的長江水下三角洲沉積物的臨界侵蝕剪切應(yīng)力變化范圍、正常天氣條件下的流致底床剪切應(yīng)力以及前人在長江水下三角洲進(jìn)行的大量水動力觀測,可以推斷：長江水下三角洲沉積物(至少在2m沉積厚度以內(nèi))可以在潮周期內(nèi)的較大流速階段發(fā)生侵蝕(風(fēng)暴天氣條件下侵蝕將加強(qiáng))。當(dāng)然,在潮周期的低流速階段,懸沙也可以落淤到底床。在長時間尺度上(比如年至年代尺度)底床是否發(fā)生凈侵蝕取決于短時間尺度(比如潮周期、大小潮)的侵蝕量與淤積量(與懸沙濃度呈正相關(guān))的平衡。鑒于(1)近年長江三角洲前緣已經(jīng)出現(xiàn)每年數(shù)厘米的垂向侵蝕速率,(2)該區(qū)域沉積物的臨界侵蝕剪切應(yīng)力在垂向上變化不大(至少在2m沉積厚度以內(nèi)),(3)今后幾十年長江入海泥沙通量和懸沙濃度將進(jìn)一步下降,因此,水下三角洲前緣侵蝕將繼續(xù)發(fā)生甚至可能加強(qiáng)。至于在河口口門以內(nèi),雖然在高流速階段底床沉積物可被侵蝕,但因往復(fù)流性質(zhì)強(qiáng),憩流淤積階段較長,潮周期內(nèi)侵蝕和淤積可能基本持平,長期凈侵蝕趨勢不明顯(在北槽深水航道甚至出現(xiàn)淤積量多于侵蝕量,以致需依賴疏浚維持深水航道)。以上認(rèn)識對于長江三角洲海岸防護(hù)和港口航道建設(shè)等具有重要參考價值。
【圖文】：

，，外擴(kuò)展，殘留砂面積減少，多年來流域來沙的減少己經(jīng)引起整個現(xiàn)代三角洲沉物質(zhì)粗化，現(xiàn)代沉積區(qū)沉降中心的面積大幅度減少，底床發(fā)生侵獨(dú)。樓飛（2005)2000-2002年長江口外水下三角洲的地形沖游的研宄結(jié)果表明7 m到15 m等深幾乎全線后退。李鵬（2006)通過對1995~2005年海圖資料的分析發(fā)現(xiàn)，長江近岸水下三角洲沖游存在明顯的空間差異，近岸水下三角洲內(nèi)側(cè)獄漲，外側(cè)己為侵t蟲。茅志昌等（2008)根據(jù)水文泥沙觀測和地形資料分析得出近年來北港槽表現(xiàn)為游灘沖槽。馮凌旋（2010)結(jié)合南北槽分流口歷史地形資料分析得出北槽的河槽演變受到長江口深水航道工程的影響。Yang et al. (2011 )對958?2007長江口門外約1200 km2的海底沖游速率計(jì)算發(fā)現(xiàn)，大約自2003年三峽程運(yùn)行開始，研宄區(qū)從獄積階段轉(zhuǎn)變?yōu)榍譅T階段。但是，最近的一項(xiàng)研宄表明，研宄區(qū)出現(xiàn)侵燭減緩跡象（杜景龍等，2012)。在對長江口及其水下三角洲沖游變問題的研宄中，多是通過數(shù)理統(tǒng)計(jì)、遙感（RS)、地理信息系統(tǒng)（GIS)、數(shù)學(xué)擬等方法，，從宏觀上分析長江口底床的沖游趨勢和速率。(a) <W

南岸岸線沿鎮(zhèn)江一江陰一福山一太倉一馬橋一漕經(jīng)一線延伸，北岸岸線循揚(yáng)州一泰州一泰縣一海安一線分布的漏斗狀河口灣（圖2-1)。由于早期流域人類活動較少，長江入海泥沙有限，使得這一河口灣的形勢一直持續(xù)到3000年前（劉蒼字等，2013)。近3000年來，特別是近2000年來，由于黃河流域人口不斷南遷，長江流域山地開墾加劇，導(dǎo)致入海泥沙增多，從而加快了長江河口灣的充填（陳吉余等，1979;李從先等，2004)。 130° E 121' E ]22。E々■喻-?二 { I32° N- 上江陰\"3kTBP"古海岸線及年代 、 \ \ \o ^⑩并時洲(并岸年代） \ \ X .1.瓜洲（S世紀(jì)） 太各、\2.馬r郎常

本文編號：2524423