長江口潮間帶沉積對臺風過程的響應

章馨謠, 戴志軍, 陳 云, 李九發

長江口潮間帶沉積對臺風過程的響應

章馨謠, 戴志軍, 陳 云, 李九發

(華東師范大學 河口海岸學國家重點實驗室, 上海 200241)

位于陸海交匯區的河口潮灘對臺風作用的響應極為敏感。臺風大浪極可能構成河口潮灘沉積過程的快速變化, 進而不利于潮灘保護、開發及利用。基于此, 本文利用200509號“麥莎”臺風作用前后長江口南匯潮灘采集的沉積物樣品及水文資料, 探討臺風高能事件作用下河口潮灘動力沉積過程及其主控因素。結果表明長江口潮間帶不同區域沉積作用對于“麥莎”臺風具有不同的響應: 臺風前潮灘沉積物以粗粉砂和細砂為主, 臺風后粗粉砂減少及細砂增加, 潮灘沉積物中值粒徑φ值減小, 沉積物粗化; 高潮灘處沉積物變細, 分選性變差, 而中潮灘和低潮灘沉積物的變化特性為沉積物粗化, 分選變好; 臺風所引起的風暴增水以及潮流、波浪作用的增強是引發潮灘沉積過程發生改變的主要因素。

動力沉積過程; 臺風; 南匯潮灘; 長江口

潮灘作為陸地生態系統向海洋生態系統的自然過渡, 通常指淤泥質海岸潮間帶淺灘[1], 作為海洋與陸地分界的重要標志區域, 是研究海陸相互作用的重要地帶。潮灘為人類活動與生態環境系統可持續發展提供了充足的國土資源與空間保障, 同時潮灘在沿岸區域抵御風暴潮等災害發揮重要緩沖功能[2-3]。然而, 在流域來沙急劇減少、近海臺風及風暴潮等高能事件加劇的影響下, 潮灘很可能處于快速沖淤變化狀態[4-5], 特別是全球變暖已導致臺風風暴潮日趨增多且強度加大[6], 這必將對潮灘動力沉積產生重要影響。一次臺風登陸產生的潮灘沉積作用有可能為非風暴情況下數十年發生的沉積作用[7-10], 但多數情景下的臺風將構成潮灘侵蝕, 其導致潮灘侵蝕的量級高達數十年潮灘沉積厚度[11], 已有一些研究圍繞臺風影響下的潮灘沉積速率[12]、沉積結構與特征[13-15]、輸運模式[16-17]及地貌格局變化[7]等做出較多貢獻, 尤其是長江河口, 當前入海泥沙已減少約70%, 三角洲南翼淤泥質潮灘淤漲速度可能發生改變, 每年1～2次的臺風則可能進一步減緩潮灘的淤積作用[9], 因此很有必要開展對臺風影響的長江口粉砂質細砂潮灘沉積過程進行研究。

南匯潮灘位于長江口與杭州灣交界地帶, 是長江口目前最大、淤長最快的陸源潮灘, 同時南匯潮灘為上海市重要的后備土地資源, 周圍建設有臨港自由貿易區、東海大橋及浦東機場等重大港口與交通樞紐區。然而, 該區域頻繁遭受臺風大浪作用的影響[18-19], 這又增加區域潮灘變化的復雜性。基于此, 本文通過分析200509號臺風“麥莎”過境前后的南匯粉砂質細砂潮灘的沉積過程, 試圖揭示南匯潮灘如何響應臺風大浪的變動力沉積機制, 為高能事件作用的區域潮灘保護、開發及利用提供科學決策。

1 研究區域及臺風概況

1.1 研究區域概況

南匯潮灘位于長江三角洲南翼, 以石皮勒斷面為界分為南匯東灘與南匯南灘。本文選擇南匯東灘與南灘交界的向海凸出的典型潮灘為研究對象, 屬于開敞型粉砂質細砂潮灘, 灘面較為平緩(圖1)。區域近岸潮流為非正規淺海半日潮, 水流運動形式為東西方向往復流。漲潮流速、含沙量均大于落潮, 漲潮輸沙占優勢, 漲落潮流方向大致與岸平行, 有利于泥沙向岸輸送[20]。漲落潮平均流速自潮下帶至潮上帶減弱, 流速比增大[21]。常態波浪作用較弱, SE和NS向的風浪過程對潮灘地貌變化影響明顯[20]。

圖1 長江入海河段及研究區域

1.2 臺風“麥莎”概況

“麥莎”臺風于2005年7月31日, 在菲律賓以東洋面生成。8月6日3時于浙江省玉環縣沿海登陸, 登陸時中心附近最大風力達14級(45 m/s, 強臺風級別)。臺風登陸地點據上海市較近約350 km, 影響上海的時間為8月5日—8日, 且此期間恰逢天文大潮, 使得上海出現大風、暴雨、高潮位和長江流域局部洪水四碰頭的嚴峻局面。南匯局地最大風力達12級以上, 全區普遍出現大暴雨, 局部地區為特大暴雨, 過程總雨量在100～250 mm(最大的蘆潮港鎮達263 mm)。根據蘆潮港水文測站實測潮位數據及南京水利科學研究院實測波浪、潮流數據[7, 22-23], 正常水文氣象條件下多年平均潮位為3.49 m, 臺風期間最高潮位達4.82 m, 增水值達0.82 m。海域全潮平均流速約0.55 m/s, 年平均波高為0.42 m, 平均波周期為2.9 s?！胞溕迸_風期間海域平均流速為1.05 m/s, 平均波高為1.86 m, 平均波周期為5.64 s。

2 材料與方法

2.1 樣品采集與處理

本研究團隊分別于“麥莎”臺風作用前2005年6月14日、臺風后2005年9月10日采集南匯潮灘表層沉積物20個及18個, 表層沉積物垂直向下采集約5 cm。隨后在實驗室內對沉積物樣品進行處理, 取3 g左右樣品放入燒杯, 加入4 mL濃度30%的雙氧水去除沉積物中的有機質, 靜置24 h后加入5 mL濃度10%的鹽酸去除碳酸鈣物質, 再加入6 mL濃度為0.000 3 mol/L 的六偏磷酸鈉溶液后放入超聲波儀器使樣品充分分散。隨后, 利用Coulter LS-13320型激光粒度儀對沉積物樣品進行粒度分析, 獲得沉積物粒徑組分。利用Folk等[24]系列公式計算沉積物粒度參數, 即包括平均粒徑(MZ)、分選系數(σ)、偏態(SK)和峰態(K)。根據美國地球物理學會的沉積物分類標準[25]對沉積物粒徑進行劃分。

利用Folk等[26]沉積物結構分類方法對沉積物進行分類及命名, Folk分類方法具有3個地位不等的端元, 砂/泥比反映動力強度的大小, 粉砂/黏土比反映介質的混濁度, 兩種比值參數的結合可以科學地反映沉積區動力學條件[27]。

波浪資料由歐洲中長期預報(ECMWF)網站獲得(https://www.ecmwf.int/), 實測潮位數據由蘆潮港水文觀測站獲得。

2.2 潮灘分帶

根據當地特定的潮位過程線, 可將研究區潮灘劃分為3個區段[28]: 潮上帶, 位于大潮高潮位至特大潮汛之間被淹沒的地帶; 潮間帶, 位于大潮平均高潮位與大潮平均低潮位之間, 在潮汐的作用下周期性的淹沒與出落; 潮下帶, 位于大潮平均低潮位之下, 罕有露出水面。進一步可將潮間帶劃分為高潮灘、中潮灘與低潮灘: 高潮灘為位于大小潮平均高潮位之間的灘地, 出露時間最長且生長有大量耐鹽植被; 中潮灘位于小潮平均高低潮位之間, 隨著潮位的變化穩定的淹沒與出露, 較之于高潮灘植被稀疏; 低潮灘位于大小潮平均低潮位之間, 僅于大潮時間露出水面。

圖2 “麥莎”臺風作用前后水位及波浪變化過程

2.3 泥沙起動流速及波浪作用下泥沙起動的臨近水深計算

利用竇國仁[29]公式計算由垂線平均流速表示的泥沙啟動流速, 探求不同情形下泥沙的起動能力, 公式為:

在波浪作用下, 泥沙會產生不同程度的運動。本研究計算不同波況下泥沙起動臨界水深分析臺風期間波浪對于泥沙活動能力的影響。首先利用平均波周期、水深數據計算得出對應的淺水波波長, 之后利用Silvester公式[30], 計算不同波浪狀態下的泥沙最大渦動水深:

利用佐藤公式計算運動的推移臨界水深, 表面臨界推移水深公式:

全面推移臨界水深公式:

式中,0為深水波波長(m),0為深水波波高(m),為波高,1、2分別為表面臨界推移水深和全面推移臨界水深。

3 結果分析

3.1 沉積物組分及粒度參數

臺風前后潮灘不同區位表層沉積物含量變化體現出明顯差異趨勢(表1), 其中高潮灘各組分沉積的變化趨勢恰與中潮灘及低潮灘沉積物組分的變化相反, 主要表現為黏土百分含量由4.69%增加至7.92%,細粉砂由3.97%增至6.45%, 而細砂和中砂的百分含量均減少了4%左右。相反, 中潮灘和低潮灘沉積物中細粉砂和粗粉砂含量減少, 臺風后中潮灘粗粉砂含量由10.02%下降至4.29%, 低潮灘粉砂含量下降約9%; 細砂含量增加值均在8.5%以上。

就其空間分布而言, 臺風作用前南匯潮灘表層沉積物中沉積物組分自陸向海展現為粗粉砂含量自陸向海增加。高潮灘粗砂組分低于5%, 中潮灘東側粗粉砂組分較西側高, 中潮灘西部及低潮灘粗粉砂組分在10%以上, 而細砂的含量變化展現出相反的趨勢。臺風作用后的潮灘沉積物中, 粗粉砂和細砂自陸向海的變化都趨于平緩。

表1 臺風作用前后5組分含量變化

臺風作用前潮灘沉積物中值粒徑φ值體現出自陸向海增大的趨勢(圖3a), 沉積物粒徑由高潮帶至低潮帶變細, 臺風作用后沉積物中值粒徑大小分布具有對稱性, 自高潮灘向低潮灘增大, 中潮灘至低潮灘中值粒徑的值減小(圖3b)。高潮灘沉積物粒徑變細, 中潮灘及低潮灘中值粒徑φ值減小, 沉積物粗化(表2)。整體而言, 臺風過后潮灘沉積物平均中值粒徑減小, 潮灘沉積物整體粗化。臺風前潮灘沉積物分選系數介于1.0～1.6(圖3c), 臺風后高潮灘處大部分區域分選性變差, 而在中潮灘和低潮灘處, 大范圍區域分選系數減小, 分選性變好, 分選系數為1.6～2.0(圖3d)。臺風作用前后沉積物偏態均為正偏, 但臺風后正偏值增大(圖3e, 3f)。

3.2 沉積物類型分布

據圖4, 臺風前沉積物類型主要以粗粉砂和細砂為主(圖4), 其中細砂百分含量均在60%以上, 高潮灘及中潮灘大部分區域細砂含量在80%左右。粗粉砂主要分布于低潮灘及中潮灘西部, 其他組分的百分含量通常在10%以下。臺風作用后潮灘表層沉積物組分產生顯著變化, 粗粉砂百分含量由臺風前9.64%減小至3.91%(圖4e, 4f); 細砂含量由臺風前75.56%增加至臺風后的81.60%(圖4g, 4h)。同時, 臺風過后灘面沉積物組分分布較為均勻。簡而言之, 臺風前南匯潮灘表層沉積物以粗粉砂和細砂類型為主, 臺風后南匯潮灘整體粗粉砂含量顯著減少, 細砂含量明顯增加。

沉積物類型及區域分布可以綜合反應研究區域內動力以及沉積物顆粒性質, 基于此, 根據粒度分析結果, 繪制沉積物?？巳菆D示以及沉積物類型空間分布。臺風作用前研究區域內沉積物以泥質砂和粉砂質砂為主(圖5a), 高潮灘沉積物類型較多, 分布有少量砂以及砂質粉砂。同時沉積物粒度自陸向海變細, 中潮灘及低潮灘表層沉積物主要為粉砂質砂和泥質砂(圖5b)。麥莎臺風過境后的沉積物為砂以及泥質砂, 高潮灘以泥質砂為主, 中潮灘表層沉積物為泥質砂和砂, 低潮灘表層沉積物主要為砂(圖6b)。

4 討論

臺風作用期間水動力條件變化劇烈, 導致潮灘表面沉積物運動出現大的變化?！胞溕迸_風將大量能量傳遞給表層海水, 期間平均波高為1.89 m, 最大有效波高達到2.9 m, 波浪動能增大。利用佐藤公式計算常浪狀態下及臺風期間海床泥沙發生運動的表面推移臨界水深與全面推移臨界水深。結果如表3所示, 常浪狀態下海底泥沙表面發生運動的范圍為–1.93 m以淺區域, 全面推移水深為–1.19 m。臺風期間, 在強波浪作用下, –5.99 m以淺的水深可發生全面推移, 導致沉積物組分較常浪作用下差別巨大。

圖3 臺風作用前后粒度參數變化

表2 臺風作用前后潮灘粒度參數變化

同時, 研究區處在南匯潮灘凸出地帶, 常年直接受到外海波流影響, 其潮灘沉積物組成比相鄰區域略粗, 在常年不同動力的改造下, 橫向上表層沉積物粒徑自陸向海變細的分布規律(圖3a)[31-32]。由竇國仁泥沙起動公式計算得到蘆潮港海域泥沙起動流速為0.92 m/s, 常規天氣下潮流對于床底泥沙的起動能力較弱。臺風期間強風將大量能量傳遞給表層海水, 水動力作用增強, 該區域平均流動達到1.05 m/s, 達到泥沙起動條件?？梢? 波浪掀動底層泥沙, 而臺風期間強勁的潮流進一步將泥沙向岸輸移。

圖4 “麥莎”臺風作用前后沉積物組分空間分布

圖5 臺風作用前沉積物三角分類及類型分布

圖6 臺風作用后沉積物三角分類及類型分布

表3 泥沙活動臨界水深

5 結論

潮間帶動力沉積過程是影響潮灘地貌演化的重要因素, 臺風登陸期間所引發的動力條件的改變會對淤泥質潮灘動力沉積過程產生較重要影響。本文基于2005年麥莎臺風作用下的南匯粉砂質細砂潮灘沉積物動力沉積變化過程的分析, 主要結論如下:

1) 臺風作用前南匯潮灘沉積物的主要組分為粗粉砂和細砂, 沉積物類型以泥質砂和粉砂質砂為主。臺風作用后表層沉積物受到擾動, 粗粉砂含量減少, 細砂含量顯著增加。潮灘整體中值粒徑φ值減小, 沉積物類型為砂以及泥質砂兩類。

2) 潮灘不同區位對于臺風作用具有不同的響應特征, 高潮灘細砂、中砂百分含量減少; 沉積物粒級變細, 分選性變差; 中潮灘及低潮灘表現出相反的變化趨勢, 細砂、中砂含量增加沉積物粗化, 分選性變化好。

3) 臺風所引起的風暴增水以及潮流、波浪作用的增強導致床底泥沙活動范圍增大是引發潮灘沉積過程發生改變的主要因素。

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Deposition response of the intertidal zone in the Yangtze Estuary to typhoon action

ZHANG Xin-yao, DAI Zhi-jun, CHEN Yun, LI Jiu-fa

(State Key Laboratory of Estuarine and Coastal Research, East China Normal University, Shanghai 200241, China)

The tidal flat of the estuary located in the confluence of land and sea is extremely sensitive to the response of typhoons. Typhoons and surges are likely to constitute a rapid change in the sediment dynamics of the tidal flats in the estuary. Furthermore, it is not conducive for the protection, development, and utilization of tidal flats. Here, based on the sediments and hydrology of the Nanhui silty fine sand tidal flat in the Changjiang Estuary before and after Typhoon Matsa (TM), this work studies the impact of typhoons on the sediment dynamics of the tidal flat. The main results show that sedimentation in different areas of the Changjiang Estuary intertidal zone had different responses to TM: 1) The sediments were mainly coarse silt and fine sand before TM, which became coarser after TM. 2) The sediments at the high tidal flats became finer, and the sortability deteriorated, which is opposite to the change characteristics of the middle and low tidal flats after TM. 3) The storm surge elevation and enhancement of tidal current and wave action during TM are the main factors that cause the change in the tidal flat deposition pro-cess.

sediment dynamic processes; typhoon; Nanhui tidal flat; Yangtze Estuary

May 12, 2021

P737.1

A

1000-3096(2022)1-0102-10

10.11759/hykx20210512002

2021-05-12;

2021-07-31

國家自然科學基金委員會-中華人民共和國水利部-中國長江三峽集團有限公司長江水科學聯合基金項目 (U2040202); 上海市國際科技合作基金項目(19230712400); 上海市科委項目(20dz1204701)

[Joint Founds of the International Natural Science Foundation of China, No. U2040202; International Science and Technolo-gy Cooperation Foundation Projects of Shang-hai, No. 19230742700; Science and Technology Commission of Shanghai project, No. 20dz1204701]

章馨謠(1997—), 女, 河北秦皇島人, 碩士研究生, 主要從事河口海岸動力地貌方面研究, E-mail: 51193904012@stu.ecnu. edu.cn; 戴志軍(1973—),通信作者, E-mail: zjdai@sklec.ecnu.edu.cn

(本文編輯: 譚雪靜)