鹽沼水-沉積物-植物界面泥沙輸 移過程研究進展概述
導讀：植物能夠大幅度減少水流的擴散系數。在南匯東灘的高潮灘、中潮灘和低潮灘的不同觀測點的泥沙運移模型研究中發現, 高、中潮灘的泥沙向岸輸送, 低潮灘上的泥沙上層歸槽, 下層上灘, 形成一個順時針向的泥沙輸移垂向環流。3、界面數據的連續性采集不夠。未能把整個界面內的泥沙輸移過程作為一個整體的研究對象。
關鍵詞：高潮灘,界面,植物,泥沙輸移
0 引言
鹽沼水-沉積物-植物界面上鹽沼水沙在鹽沼區域產生往復運動，界面上存在著水平，沉降，再懸浮等一系列復雜的泥沙輸移過程，而植物的介入則大大增加了界面泥沙水平，垂直輸移過程的復雜性。但由于研究手段，數據的采集精確度等方面的局限，研究還有待進一步的開展，下面就國內外的研究現狀進行分析，提出以后的研究方向：
1 界面泥沙水平輸移過程
1.1 光灘與鹽沼地(植被覆蓋)比較
在有鹽生植物覆蓋的潮灘地區，潮汐攜帶的泥沙輸入到潮灘系統內并在鹽沼表面擴散，它們有很強的“捕沙”能力,使水體含沙濃度減小，影響著水體的流速，懸沙濃度，泥沙沉積速率等。時鐘與國外學者通過海岸鹽沼冠層的一維潮流水槽模擬試驗的研究，結果表明:海岸鹽沼冠層對懸浮泥沙的濃度、沉降速度以及淤積速率產生強烈影響,冠層內潮流和波浪受到植物冠層的阻滯，能量減弱，潮流挾沙能力下降，使泥沙發生沉降，低流速水槽(模擬湖流無波浪影響)實驗發現植物冠層下的流速減少可達50% [3-7] (野外較難)。莊武藝等在澳大利亞庫納灣潮間帶海草群落帶(寬約10m，高約20-30m)測得，海草也可使低層流速降低40%-60%，懸移質含量減少20%-35%，懸沙濃度降低65%-80%。 [8]
在對長江口南匯東灘鹽沼海三棱鑣草/互花米草覆蓋區域和光灘間近低層懸沙濃度的監測中，發現前者懸沙濃度比后者低11%-27%。 [9] 楊世倫等通過沼澤島與同高程的相鄰光灘懸沙濃度的對比，在漲潮初期得出：(1) 懸沙濃度在時間序列上是脈動的,最大與最小懸沙濃度之比在光灘為2.41,在沼澤島中為 1.46; (2) 沼澤島中的懸沙濃度通常低于相鄰的光灘,平均比值為 0.71。在測得漲潮水體含沙量為3.2684kg/m 3 的狀況下,長江口海三棱草和鑣草兩種先鋒植物群落黏附的懸沙分別達到298g/m 2 和40g/m 2 。 [10]
在室內水槽實驗中研究人員發現，有植株體的水流與自由水流相比，植物能夠大幅度減少水流的擴散系數，其中單枝植株背水面形成的回旋區可以緩滯水流物質的運動，并將部分泥沙捕獲，大大減少了泥沙的沉積量。 [11] Leonard etal.通過實驗指出:由植物的“攔截作用”而引起的泥沙沉積通常不超過沉積物總量的5%。 [12] 植株的這種黏著作用的大小主要取決于植物的品種，結構以及懸浮物質對植物莖葉的附著能力。免費。Fench和Spencer發現NorthNorfolk的Hut鹽沼地區泥沙沉積總量中8.5%為植物表面所捕獲，從而減少了泥沙的沉積量。 [13]
相對與光灘來說，鹽沼地區更能影響懸浮泥沙的沉降，在一些河口潮間帶時亦發現鹽沼和光灘的沖淤過程差異顯著。實驗表明鹽沼前沿冠層中植被通過減弱波高和波能來降低懸浮泥沙的沉降，數據表明波浪振幅明顯較相鄰光灘小,平均振幅前者是后者的0.45倍,波高衰減率為55%,波能衰減率為80%,進而降低了懸浮泥沙的沉降速率。 [9] Knuston etal.曾對互花米草鹽沼中波能的衰減做過半定量的研究，波浪每傳入互花米草1m,波能就損失約26 %。網。 [14] Stumpf認為Delaware鹽沼地區水體中損失的懸浮泥沙有50%黏著在植株體上. [15] Thomas and Kozerski也在低流速水槽中對人工水生植物的研究也發現植物莖，葉上黏著的泥沙與植株覆蓋下灘面相當， [7] 這些都將降低懸浮泥沙的沉降。
1.2 不同植被狀況(種類，密度)
植物種類不同，對潮流、波浪的遮蔽程度不同，影響泥沙沉積的大小也就不同。Fonsecaand Cahalan (1992) 曾在波浪水槽中對四種海草導致的波能衰減做過定量測定，結果表明泥沙的沉積大小隨植物的種類不同而不同。 [16] 國內一些學者的水槽實驗表明同一高程上海三棱鑣草的緩流效應比互花米草大,這是因為兩者的生態指標(密度、蓋度和莖葉的分布狀況)不同，從平均值而言,海三棱鑣草的緩流效應較互花米草略強。
楊世倫在1985-1987年的三個夏季觀察，在長江口潮灘對鹽的堿蓬灘地，人工種植的大米灘地，海三棱鑣草灘地觀察，得出了不同的植物對鹽沼灘地影響。蘆葦，海三棱鑣草的淤積速率分別是光灘的9.3和7.7倍。 [17] 在從光灘經海三棱鑣草群落(高為0.85m,密度為1290株/m2)至互花米草群落(高為0.9m,密度為650株/m2)的過渡中,沉積物越來越細,平均粒徑由小于8.27變為小于5.83;黏土含量由12%變為43%。 [10] 一般情況下、海岸鹽沼冠層中植株的粗細、密度和莖葉的分布狀況會決定近底水流的性質，從而影響到懸浮泥沙的沉降。
1.3 底床穩定性比較
植物能削弱潮流波浪對灘面的剪應力(增大了灘面的抗剪強度)，進而減少泥沙的再懸浮量，增加低床的穩定性。
Thompson，et al.利用野外實地水槽對意大利威尼斯瀉湖和加拿大Rustico灣鹽沼植物對低床剪應力的影響進行了研究，發現水流達到一定流速(u>0.4-0.5ms -1 )時植被覆蓋下的低床剪應力當發生明顯下降，表明低床的穩定性明顯增加，這主要由于高流速水流使植物發生彎折，消耗更多的動能所致。 [18] 植叢的掩護有使灘面沉積物不易掀起，增加了低床的穩定性的作用，植被覆蓋的灘面始終為淤積過程，而光灘則呈現為頻繁的沖積變化，長江口蘆葦帶淤長速率可達光灘的9倍以上。 [10] 朱駿,楊世倫等對長江口南匯濱海岸段(近堤900 m 寬的灘面有植被覆蓋，其中,岸堤至堤外300m為蘆葦,堤外300～900m為海三棱鑣草，距堤900m以外為光灘)各觀測點的年垂直淤積速率觀測，結果表明：由于潮灘上近堤的900m有植被覆蓋,潮水進入鹽沼后,產生侵蝕壓力，潮水的流速減小,波高降低,攜帶泥沙的能力下降,導致泥沙迅速沉積,含沙量明顯減小,淤積速率逐漸下降，進而增加了河床的穩定性。免費網。相關學者還對鹽沼帶的相對穩定性系數進行了觀測，結果表明：鹽沼帶的相對穩定性系數大于光灘,植被覆蓋的鹽沼灘地,易淤積而不易被沖刷,淤積速率較大;淤積和沖刷的波動較小,相對穩定性系數大，而光灘,易受到沖刷,淤積速率較小;沖刷和淤積的波動較大,相對穩定性系數較小。 [17]
2、 界面泥沙垂直輸移過程
目前對界面泥沙垂直輸移過程的研究國內外大多是對灘面垂直淤積速率和懸沙濃度的垂向變化的研究，在某斷面上不同的觀測點做定期或定時的觀測來定量研究。
Marker在Parkgate(英格蘭Dee河口)估計1947至1963年垂直增長沉積速率為25mm/a。 [19] Armentano和Woodwell發現 LongIsland鹽沼過去100年的沉積速率為0.64cm/a。 [20] Delaune等測量到路易斯安娜州西南Spartina patens鹽沼的增長速率平均為 0.8mm/a，在過去的三十年中，垂直增長速率還沒有與海岸下沉相匹配。 [21] Stevenson 等測量到馬里蘭東岸的沉積速率為0.17到0.36cm/a。 [22]
我國學者朱駿, 楊世倫等對長江口濱海某研究斷面上24個觀測點的定期(每周一次) 灘面高程測量結果的分析, 定量化地探討了灘面垂直淤積速率的變化，結果分析得出: (1) 灘面的年垂直淤積速率在淹沒機率為30 % 左右的沼澤中下部(位于平均小潮高潮線與平均高潮線之間) 達到4915 cm/ a 的最大值。自這點向岸和向海垂直淤積速率逐漸降低, 向岸在近堤處(接近平均大潮高潮位) 達到最小值212 cm/ a (僅為最大值的1/ 22) , 向海在光灘—沼澤交界處出現另一低值, 而在光灘上又有所增大。 [17] 時鐘利用“聲學懸沙觀測系統”對長江口深水航道北槽在漲潮，漲急，漲憩，落潮的懸沙濃度的垂向變化做了觀測分析，得出在漲潮，漲憩時懸沙濃度垂向梯度較小，(濃度小于1.0gl -1 )，而在漲急和落潮時懸沙濃度垂向梯度較大，(可達10gl -1 )，在接近落憩時，懸沙濃度的垂向梯度適中。 [23]
目前已有眾多學者利用聲學儀器獲得了定點或斷面上的懸沙濃度分布剖面， [24-31] 通過對長江口南港和南槽兩站懸沙粒徑的頻率分布曲線的分析得出長江口在枯水期垂向混合作用強烈。在水下不同深度3米，6米，11米處對懸沙的砂、粉砂和粘土三種組分所對應的標準差峰值的比較分析，說明組分在水體上部的變化程度要大于底部, 主要是由于底部再懸浮作用將下部的粗顆粒物質帶到水體上部造成的。同時懸沙各粒級在半日潮周期內的變化特性也反映了再懸浮作用的影響∶隨著水深的減小,其敏感組分相應增多,同時變化程度(標準差值) 也增大。此外,水深、流速和懸沙濃度的潮變動相關項以及垂向環流的作用和垂向潮振蕩切變作用也和懸沙輸運密切相關,這表明了再懸浮和垂向環流對懸沙輸運的重要作用。 [31] 在南匯東灘的高潮灘、中潮灘和低潮灘的不同觀測點的泥沙運移模型研究中發現, 高、中潮灘的泥沙向岸輸送, 低潮灘上的泥沙上層歸槽, 下層上灘, 形成一個順時針向的泥沙輸移垂向環流。 [32]
3、結論
由上述的研究現狀可知，該領域研究難度大，耗費高(高精度檢測儀器，野外觀測平臺建設等)，致使研究深度相對不足，主要表現為以下幾個特點：
1、野外實地獲得第一手數據困難。目前所得數據大多是在理想狀態下采集，野外考察獲取數據比較少，并且多以定性分析為主，某種程度上缺乏定量分析，以至影響該問題的深入研究。
2、數據的可靠性受到質疑。使用傳統儀器的局限性是工作量大、耗資巨大、數據的空間分辨率較低,存在一定誤差,這需要我們在實際工作中盡量采用一些高精度,高分辨率實驗儀器和設備采集樣本,以縮小與實際的誤差。當然這需要一定技術和資金的支持。
3、界面數據的連續性采集不夠。目前數據采集和樣品取樣一般多進行的是小尺度上(時日)的，時間間隔一般在2，3個月左右，跨年度的采集取樣較少，對比分析較少，這必將影響該領域整體性的研究，具有一定的局限性。
4、界面的整體性研究不足。當前研究多側重于界面上各個因子的獨立研究，未能把整個界面內的泥沙輸移過程作為一個整體的研究對象，研究的領域比較局限。尤其是對植物覆蓋條件下水流中的懸沙濃度垂向分布的研究，還幾乎是空白。綜上所述，基于國內許多學者已經在這方面積累了大量的寶貴資料，我們在今后的工作中應繼續加強這方面的研究，以期對該領域研究有所突破。
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