基于水沙动力过程的强潮河口及近海底边界层营养盐交换研究

Turbulence and fine sediment entrainment, resuspension, and deposition in the near-bottom layer of our estuaries and nearshore regions with high turbidity have significant impacts on nutrients transport and exchange between water and depositions, which greatly influences the coastal and nearshore ecosystem. However, less attention has been paid to the effects of hydrodynamics and sediment dynamics in the studies of nutrient exchange in the near-bottom layer. Thus, this project is going to carry out a series of field surveys under different tidal conditions in Hangzhou Bay and the related Zhoushan nearshore region, known for its strong tidal current and high sediment and nutrient concentrations, to obtain the on-situ data of flow field and tidal current, sediment characteristics, and nutrient concentrations in the near-bottom and porous soil layers, and further investigate the impacts of this hydrodynamic and sediment dynamic processes on nutrient transport and exchange between water and deposition by data analysis and numerical simulations. This research can greatly improve our understanding in the near-bottom hydro- and sediment dynamics,mass exchange characteristics, and their impacts on the coastal ocean ecosystem, which is very important to estuarine scientific research, as well as engineering practice.

近底边界层的流场结构和细颗粒泥沙起扬、再悬浮及沉降等动力过程很大程度上影响着我国河口及近海高浊度海域水与沉积物之间营养盐等物质的交换和循环,对近海生态环境起着重要的作用。但目前在近底层物质交换的研究上仍较少考虑该水沙动力过程。本项目选择高浊度、高营养盐的强潮河口杭州湾及舟山海域，以氮元素为例，通过现场观测获取不同涨落潮条件下近底层流场结构、细颗粒泥沙运动与浓度、及营养盐浓度变化等数据，研究近底边界层细颗粒泥沙侵蚀、再悬浮与输运、及沉降等动力过程对水体与泥沙沉积物之间营养盐交换的影响作用，建立近底边界湍流与底床泥沙孔隙流、泥沙侵蚀-输运-沉降运动、及营养盐迁移过程的数值模型，探明强潮河口及近海近底边界层的水沙动力过程对水-沉积物之间营养盐迁移和交换的作用机理，促进对高浊度、强潮河口海域近底边界层物质交换过程的动力学机制的认识，对河口及近海环境领域的研究具有重要的科学意义和现实意义。

杭州湾及舟山海域是我国重要的强潮河口与生态系统之一，具有浊度高、潮流强、水动力条件复杂等特点。研究其潮流动力特性、泥沙输移与岸滩演变、以及潮流作用下的悬沙运动及其对水体中营养盐和重金属输移与浓度变化的影响，对河口与近海生态环境有重要科学意义。本项目在国家基金的资助下，使用多各种野外观测仪器，包括普勒流速剖面仪（ADCP）、温盐深仪（CTD）、光学后向散射仪浊度仪（OBS）、重金属剖面仪、多参数营养盐检测仪等构建观测底座，开展了多次野外观测，对钱塘江强潮河段、杭州湾以及舟山海域的典型站位，进行潮位、潮流、温度、盐度、浊度、重金属含量等变量的系统观测，研究了不同涨落潮条件下强潮河口及其涌潮河段的水沙动力学特性，分析了表、中、底层水流与悬沙浓度的变化特征，阐明了潮波、流速与盐度、浊度及重金属含量之间的变化关系及影响机制，探讨了强潮动力条件下的近底层流场特性与泥沙运动及重金属等物质输移的过程和作用机制；构建了基于非结构网格的强潮河口及近海海域高分辨率数值模型，结合实测数据，通过数值模拟，分析了杭州湾潮流动力特性及泥沙输移和岸滩演变对其的影响、长江冲淡水在杭州湾及近海海域的水体交换与滞留特性，研究了强潮河口与近海的余流变化特征及其对泥沙和营养盐输移的影响等，同时设计了一系列水槽实验，开展了河口盐水条件下近底层高浓度泥沙运动的物理模型实验研究，分析近底层高含沙水流的运动特性、与盐水之间的掺混与输移扩散过程，解释了近底层高浓度泥沙运动的形成和混合扩散机制，并结合精细化数值模拟，分析了振荡流作用下近底层流场变化和特性及其对物质浓度变化和输移的作用机制。项目研究成果为深入研究强潮河口的水沙运动过程及营养盐输移打下了良好基础，为合理解释近海水质与生态环境变化提供了重要科学依据。