黄河三角洲近底床沉积物浓度动态变化及监测方法研究

摘要

黄河携带大量的泥沙入海,其中70-80％以上的泥沙在三角洲近岸区域沉积,底床沉积物在波浪等水动力作用下会不断的发生再悬浮与输运。有关波、潮、流等水动力作用下黄河三角洲近底床沉积物的浓度变化规律目前的研究尚不清楚,而且,现有的监测手段也未能实现现场条件下近底床沉积物浓度剖面变化的实时自动监测。本学位论文是在国家863计划资助项目“风暴过程中沉积物再悬浮通量原位监测技术(No.2008AA092109)”研究的基础上,在国家自然科学基金项目“黄河口沉积物固结后再悬浮及输运过程研究(No.40876042)”和“风暴对黄河水下三角洲侵蚀控制与海床液化(No.41072215)”的资助下开展的研究工作,旨在研究水动力作用下底床沉积物浓度的动态变化,并将开发的原位实时自动监测系统应用于水体中悬沙浓度的测定,为现场环境条件下海床沉积物再悬浮及输运过程的研究提供一种新的手段。
　　本文通过室内波浪水槽试验,观测分析了不同波高条件下,黄河水下三角洲沉积物在波浪作用下的浓度的垂向分布、再悬浮与沉降过程;进行室内水槽与黄河三角洲潮滩模拟试验,验证了电阻率探杆应用于水体悬沙浓度测定的可行性,建立起了悬沙浓度与探杆电阻率的关系方程式,并对盐度这一重要影响因素进行了分析;开展了海上长期观测试验,结合探杆长期监测数据,分析了浪潮流等水动力要素对底床泥沙再悬浮与侵蚀淤积过程的影响。
　　本研究得出的主要结论如下:
　　(1)室内波浪水槽模拟试验得出,水深一定条件下,底床再悬浮量呈现随波高增大而增大的特性,两者线性拟合的相关性很好;在一定波高的波浪连续作用下,约5000-6000个波周期底床冉悬浮过程完成;波浪作用初始阶段,底层浓度与中上层浓度相差很大,悬沙浓度垂线结构呈斜线型,稳定阶段的悬沙浓度垂向结构呈准直线型,底层与表层含沙量比值为0.98-1.25,整个水层浓度分布均匀:静水沉降过程中,当含沙量大于1g/L,悬沙浓度(SSC)呈现出随时间指数衰减的规律,悬沙浓度与沉降通量呈线性关系。
　　(2)电阻率探杆应用于水体悬沙含量测定的可行性试验得出,水体含盐量是影响探杆电阻率的主要因素,水体盐度与探杆电阻率呈现良好的指数关系,悬沙浓度的监测要在盐度恒定的条件下进行;在悬浮液盐度恒定的条件下,悬沙浓度与探杆电阻率呈良好的线性关系,盐度越低,悬沙浓度的变化对探杆电阻率的影响越明显,本系统可以实时、原位、自动监测水体中泥沙浓度的变化,为悬沙浓度的原位自动实时监测提供一种新的技术手段。该系统能够实时监测泥沙的沉降过程,清晰的反映土体—高浓度含沙水层—水的分界面,黄河三角洲粉土与海水的电阻率比值约为3.6,土体在强度恢复过程中,孔隙水排出,电阻率变大,土体的孔隙率与电阻率密切相关。
　　(3)黄河三角洲近底床沉积物浓度变化的电阻率探杆监测试验表明,本系统能够准确监测海水涨落潮的变化,该测站涨落潮周期悬沙浓度的变化与潮水水位、流速表现出很好的一致性,一定水深处海水含沙量的总体变化趋势是涨潮过程中海水含沙量增加,落潮过程中海水含沙量降低。海床的侵蚀淤积与近底水流流速密切相关,水流流速低于20cm/s时,水体泥沙落淤,底床淤积,大于20cm/s时,底部泥沙受到冲刷,大量悬浮,新淤积的泥沙快速侵蚀。黄河三角洲海区悬沙浓度的垂向分布很不均匀,这与该区风浪较大有关。
　　本文的创新点主要在于:
　　(1)通过室内波浪水槽试验,得到了波浪作用下黄河三角洲底床沉积物的再悬浮规律及波高对水体泥沙浓度垂向分布特性的影响。
　　(2)将电阻率探杆应用于水体悬沙含量的测定,得到了现场环境条件下探杆电阻率与悬沙浓度的关系方程,为现场条件下,悬沙浓度的原位实时自动监测提供了一种新的手段。
　　(3)进行了海上长期观测试验,利用电阻率探杆监测到了底床沉积物的侵蚀淤积过程和近底床泥沙浓度变化过程,研究了浪潮流等水动力作用对底床沉积物浓度变化的影响。