风暴过程中三角洲淤泥质海岸泥沙运动探讨

Storm-generated sediment transport in coastal zone strongly affects ecology, environments and engineering, and becomes a frontier subject of coastal science. Knowledge of magnitude and change rule of storm-generated sediment transport helps coastal disaster warning and alleviation. However, this knowledge has been very limited because of the difficulties in field observation during storms. In this study, taking the muddy coast of the Yangtze Delta as an example, we will utilize advanced instruments to record systematic waves, currents, suspended sediment concentrations (SSC), bed-level changes and grain sizes before, during and after storm events, and thereby calculate wave-current combined shear stress, critical shear stress for sediment erosion, deposition flux, erosion flux. Based on these data, we will found conceptual and numerical models of storm-generated sediment transport for coastal waters. In addition, we will compare the spatial distribution of surface SSC during storm events with that in normal conditions, using remote sensing images. Thus, we can systematically study the storm impacts on coastal sediment transport and the mechanisms. This study will add the knowledge of coastal sediment transport during storm events, enrich estuarine and coastal geomorphology, provide relevant disciplines (e.g., estuarine and coastal ecology, environmental and engineering sciences) with information, and provide with scientific basis for countermeasures of storm-induced hazards.

风暴引起的强烈泥沙运动常给海岸生态环境和工程带来极大影响，是前沿科学问题之一。弄清风暴过程中泥沙运动的强度和变化规律可为有关的灾害预警和减灾策略研究提供科学依据。然而，由于风暴期间野外观测较困难，人们在这方面的认识还十分有限。本项目拟以长江三角洲前缘淤泥质海岸为例，借助海底观测架固定多种先进仪器，结合常规手段，获取风暴前、中、后高分辨率的波浪、流速流向、悬沙浓度、底床冲淤和沉积物粒径等系统资料，理论上计算波流联合剪切应力、临界侵蚀剪切应力、沉降通量、侵蚀通量等参数，建立风暴过程中淤泥质海岸泥沙输运模型，并用遥感信息反演风暴前、中、后的大范围表层悬沙浓度，从而系统研究风暴对淤泥质海岸泥沙运动过程影响的强度、规律和机制。本项目可增加风暴过程中海岸泥沙运动的知识，丰富河口海岸地貌学的研究内涵，为相邻学科（河口海岸生态学、环境学和工程学等）提供借鉴，并为相关的风暴灾害应对策略提供参考。

风暴(飓风、台风、寒潮)引起的强烈泥沙运动（侵蚀、搬运、堆积）往往给三角洲海岸生态环境和社会经济造成极大影响，是河口海岸前沿科学问题之一。弄清风暴过程中泥沙运动的强度和变化规律可为有关的灾害预警和减灾策略提供科学依据。本项目以长江三角洲前缘淤泥质海岸为研究对象，借助海底观测架上固定的多种先进光学和声学仪器，成功获取了风暴前、中、后高分辨率的波浪、流速流向、悬沙浓度、底床冲淤和沉积物粒径等系统资料，通过计算波-流联合剪切应力、临界侵蚀剪切应力、沉降通量和侵蚀通量等参数，构建了风暴过程中淤泥质海岸泥沙输运模型，并借助遥感信息反演了风暴前、中、后的大范围表层悬沙浓度，从而系统揭示了风暴对三角洲淤泥质海岸泥沙运动过程影响的强度、规律和机制。重要创新发现有：即便是在千里之外经过的台风，也能对长江三角洲海岸观测点的泥沙运动产生可感知的影响。2016年9月双台风莫兰蒂和马勒卡台风前、中、后在长江水下三角洲22 m深的海底观测点上布设的观测架上记录表明，台风发生前的正常天气下有效波高只有0.5 m左右（波浪作用不能扰动海底），近底（距海底0.5 m和1.2 m两个探头）悬沙浓度小于10 mg/l。而双台风莫兰蒂和马勒卡发生期间（它们距离长江水下三角洲观测点的最近距离分别为300 km和600 km），在上述测点海底观测架记录到的有效波高最大达到8.5 m, 近底悬沙浓度升高2-3个量级，达到5,000 mg/l以上。研究结论包括：风暴对较深水域泥沙运动的相对影响可能比浅水区更大，因为较深水区在正常天气下不受波浪触底扰动，而在风暴天气下就可能出现强烈波浪扰动；相反，浅水区（特别是破波带移动范围内）在正常天气下受到的波浪扰动本身就比较强，尽管风暴使其变得更强，但它引起的相对变化（比如增强倍数）不一定有深水区大。项目丰富了风暴对海岸泥沙运动影响的知识，为风暴灾害应对策略提供了科学支撑。已发表论文11篇，其中SCI论文8篇（5篇地学顶级刊物）；培养博士生4人，硕士生6人。