河口海岸学国家重点实验室朱建荣研究员团队在长江口和杭州湾悬沙交换过程和机制方面取得了新进展。作为世界上最为复杂的河口-海湾系统，长江口-杭州湾系统具有复杂的水动力和悬沙输移过程。然而以往很少有关于长江口-杭州湾悬浮泥沙交换动力机制的研究。该项研究基于原位观测资料和数值模型，发现大潮期间悬浮泥沙从长江口输运到杭州湾，而小潮期间悬浮泥沙从杭州湾输运到长江口。定量给出了悬浮泥沙交流的通量，揭示了背后的动力机制。数值模拟结果表明穿越南汇至崎岖列岛断面的净泥沙通量大潮期间夏季和冬季大潮期间分别为-1.55×104 kg·s-1和-1.62×104 kg·s-1，小潮期间分别为0.91×104 kg·s-1和0.34×104 kg·s-1（正值表示流向长江口，负值表示流向杭州湾）。进一步计算得出了穿过断面从长江口到杭州湾的悬浮泥沙输运通量为每年1.5×108 t. 大潮和小潮期间悬浮泥沙交换过程不同的成因通过动量分析和数值敏感性试验作了阐述。特别地，大潮期间正压压强梯度力是驱动悬浮泥沙从长江口向杭州湾输运的主要动力，而小潮期间斜压压强梯度力是驱动悬浮泥沙从杭州湾向长江口输运的主要动力。这项研究对理解悬浮泥沙在长江口和杭州湾之间交换，以及长时间尺度上地貌演变和生态环境具有重要价值。相关成果以“Suspended sediment exchange between the Changjiang Estuary and Hangzhou Bay and their key driving mechanisms”为题发表于河口海岸学主流期刊Estuarine, Coastal and Shelf Science。

 

研究背景

　　长江口-杭州湾体系作为世界上最为复杂的河口-海湾体系之一，其内在的水动力和悬浮泥沙运动过程十分复杂。长江每年携带大量泥沙入海，一般认为悬浮泥沙出长江口门后大多淤积在122.5°-123°E以西宽阔的水下三角洲区域和邻近的杭州湾，其中南汇咀南侧海域是长江口和杭州湾悬浮泥沙交换的直接通道（图1）。随着河流入海泥沙的锐减、海平面上升以及大规模的人类工程，未来长江口和杭州湾侵蚀和淤积将是一个重要的问题，两者之间悬沙交换过程的研究就显得尤为重要。然而，先前研究对于长江口和杭州湾悬沙交换的动力机制尚未有详细的讨论，尤其在大小潮变化方面。

 

 

研究成果

　　现场观测数据表明大小潮期间长江口和杭州湾之间水体净输运交换存在显著差异（图2）。小潮期间单宽余水通量的方向指向长江口，大潮期间的方向指向杭州湾。

 

图2 小潮（a）和大潮（b）期间A站单宽余水通量

 

　　为了进一步研究长江口和杭州湾之间悬沙交换过程及其动力机制，利用三维悬沙数值模式ECOM-si模拟了气候态条件下夏季和冬季悬沙输运过程。数值模式结果表明大潮期间悬浮泥沙从长江口向杭州湾输运，而小潮期间悬浮泥沙从杭州湾向长江口输运（图3），与实际现场观测结果一致。长江携带的大量泥沙直接输运到水下三角洲的前缘区域，紧接着与杭州湾进行泥沙交换，这个过程在未来的地貌演化中起着至关重要的作用。夏季和冬季大潮期间，南汇咀南侧海域净泥沙输运遵循净水输运（图4e）, 净水输运和净泥沙输运主要以中下层为主（图4a, b）。夏季小潮期间，南汇咀南侧海域水体高度分层，下层水体悬浮泥沙含量比上层大得多，整层净水输送主要由中层和下层主导，导致净泥沙输送与净水输送相似（图4c）。冬季，河流流量低，风速高，主要以偏北和东北风为主，水体混合强烈。冬季小潮期间，整层净水输运主要以上层为主（图4d，空心宽杆），但整层净泥沙输运还是以中下层为主（图4d，实心窄杆）。从月平均的时间尺度来看，冬季2月份穿过南汇咀至崎岖列岛断面的净泥沙通量（−0.80×10⁴ kg·s^-1）显著大于夏季8月份（−0.17 ×10⁴ kg·s^-1），表明冬季长江口向杭州湾输沙量大于夏季。

 

图3 夏季（a, b）和冬季（c, d）小潮（左侧）和大潮（右侧）期间单宽余泥沙

通量

 

图4 南汇咀至崎岖列岛断面的净断面水通量（空心宽杆）和净断面泥沙通量（实心窄杆）垂向和整层变化。（a）夏季大潮;（b）冬季大潮;（c）夏季小潮;（d）冬季小潮;（e）整层。正值：流入长江口；负值：流入杭州湾。

 

　　针对大小潮期间长江口和杭州湾悬沙交换差异的原因，文章通过动量机制分解和数值敏感性试验解释了相关动力机制，以夏季为例。研究设置了去除斜压梯度力的敏感性试验，结果表明去除斜压梯度力之后小潮期间原先悬浮泥沙从杭州湾向长江口输运转变为从长江口向杭州湾输运，而大潮期间悬浮泥沙依旧流向杭州湾。动量机制分解表明大潮期间由余水位梯度导致的正压梯度力为主要作用力，驱动悬浮泥沙从长江口进入杭州湾（图5）；小潮期间由盐度梯度导致的斜压梯度力为主要作用力，驱动悬浮泥沙从杭州湾进入长江口（图6）。这项工作可为河口及邻近海域的侵蚀和淤积以及区域性河口泥沙资源的可持续利用提供有价值的科学证据。

 

图5 大潮期间南汇咀—崎岖列岛断面的正压梯度项（a）、斜压梯度项（b）和速度大小（c）。红色代表正压梯度项；蓝色代表斜压梯度项

 

图6 小潮期间南汇咀—崎岖列岛断面的正压梯度项（a）、斜压梯度项（b）和速度大小（c）

 

研究团队及资助

　　该论文第一作者为河口海岸学国家重点实验室博士毕业生黄菊，华东师范大学朱建荣研究员为论文的通讯作者，其他共同作者还包括中国地质调查局南京中心苏晶文正高工、蔡磊高工以及同济大学博士生韩香举。研究工作受到科技部重点研发项目（2022YFA1004404）和国家自然科学基金（42276174）以及中国地质调查局项目（DD20230458）资助。