盐沼水-沉积物-植物界面泥沙输 移过程研究进展概述
导读：植物能够大幅度减少水流的扩散系数。在南汇东滩的高潮滩、中潮滩和低潮滩的不同观测点的泥沙运移模型研究中发现, 高、中潮滩的泥沙向岸输送, 低潮滩上的泥沙上层归槽, 下层上滩, 形成一个顺时针向的泥沙输移垂向环流。3、界面数据的连续性采集不够。未能把整个界面内的泥沙输移过程作为一个整体的研究对象。
关键词：高潮滩,界面,植物,泥沙输移
0 引言
盐沼水-沉积物-植物界面上盐沼水沙在盐沼区域产生往复运动，界面上存在着水平，沉降，再悬浮等一系列复杂的泥沙输移过程，而植物的介入则大大增加了界面泥沙水平，垂直输移过程的复杂性。但由于研究手段，数据的采集精确度等方面的局限，研究还有待进一步的开展，下面就国内外的研究现状进行分析，提出以后的研究方向：
1 界面泥沙水平输移过程
1.1 光滩与盐沼地(植被覆盖)比较
在有盐生植物覆盖的潮滩地区，潮汐携带的泥沙输入到潮滩系统内并在盐沼表面扩散，它们有很强的“捕沙”能力,使水体含沙浓度减小，影响着水体的流速，悬沙浓度，泥沙沉积速率等。时钟与国外学者通过海岸盐沼冠层的一维潮流水槽模拟试验的研究，结果表明:海岸盐沼冠层对悬浮泥沙的浓度、沉降速度以及淤积速率产生强烈影响,冠层内潮流和波浪受到植物冠层的阻滞，能量减弱，潮流挟沙能力下降，使泥沙发生沉降，低流速水槽(模拟湖流无波浪影响)实验发现植物冠层下的流速减少可达50% [3-7] (野外较难)。庄武艺等在澳大利亚库纳湾潮间带海草群落带(宽约10m，高约20-30m)测得，海草也可使低层流速降低40%-60%，悬移质含量减少20%-35%，悬沙浓度降低65%-80%。 [8]
在对长江口南汇东滩盐沼海三棱镳草/互花米草覆盖区域和光滩间近低层悬沙浓度的监测中，发现前者悬沙浓度比后者低11%-27%。 [9] 杨世伦等通过沼泽岛与同高程的相邻光滩悬沙浓度的对比，在涨潮初期得出：(1) 悬沙浓度在时间序列上是脉动的,最大与最小悬沙浓度之比在光滩为2.41,在沼泽岛中为 1.46; (2) 沼泽岛中的悬沙浓度通常低于相邻的光滩,平均比值为 0.71。在测得涨潮水体含沙量为3.2684kg/m 3 的状况下,长江口海三棱草和镳草两种先锋植物群落黏附的悬沙分别达到298g/m 2 和40g/m 2 。 [10]
在室内水槽实验中研究人员发现，有植株体的水流与自由水流相比，植物能够大幅度减少水流的扩散系数，其中单枝植株背水面形成的回旋区可以缓滞水流物质的运动，并将部分泥沙捕获，大大减少了泥沙的沉积量。 [11] Leonard etal.通过实验指出:由植物的“拦截作用”而引起的泥沙沉积通常不超过沉积物总量的5%。 [12] 植株的这种黏着作用的大小主要取决于植物的品种，结构以及悬浮物质对植物茎叶的附着能力。免费。Fench和Spencer发现NorthNorfolk的Hut盐沼地区泥沙沉积总量中8.5%为植物表面所捕获，从而减少了泥沙的沉积量。 [13]
相对与光滩来说，盐沼地区更能影响悬浮泥沙的沉降，在一些河口潮间带时亦发现盐沼和光滩的冲淤过程差异显著。实验表明盐沼前沿冠层中植被通过减弱波高和波能来降低悬浮泥沙的沉降，数据表明波浪振幅明显较相邻光滩小,平均振幅前者是后者的0.45倍,波高衰减率为55%,波能衰减率为80%,进而降低了悬浮泥沙的沉降速率。 [9] Knuston etal.曾对互花米草盐沼中波能的衰减做过半定量的研究，波浪每传入互花米草1m,波能就损失约26 %。网。 [14] Stumpf认为Delaware盐沼地区水体中损失的悬浮泥沙有50%黏着在植株体上. [15] Thomas and Kozerski也在低流速水槽中对人工水生植物的研究也发现植物茎，叶上黏着的泥沙与植株覆盖下滩面相当， [7] 这些都将降低悬浮泥沙的沉降。
1.2 不同植被状况(种类，密度)
植物种类不同，对潮流、波浪的遮蔽程度不同，影响泥沙沉积的大小也就不同。Fonsecaand Cahalan (1992) 曾在波浪水槽中对四种海草导致的波能衰减做过定量测定，结果表明泥沙的沉积大小随植物的种类不同而不同。 [16] 国内一些学者的水槽实验表明同一高程上海三棱镳草的缓流效应比互花米草大,这是因为两者的生态指标(密度、盖度和茎叶的分布状况)不同，从平均值而言,海三棱镳草的缓流效应较互花米草略强。
杨世伦在1985-1987年的三个夏季观察，在长江口潮滩对盐的碱蓬滩地，人工种植的大米滩地，海三棱镳草滩地观察，得出了不同的植物对盐沼滩地影响。芦苇，海三棱镳草的淤积速率分别是光滩的9.3和7.7倍。 [17] 在从光滩经海三棱镳草群落(高为0.85m,密度为1290株/m2)至互花米草群落(高为0.9m,密度为650株/m2)的过渡中,沉积物越来越细,平均粒径由小于8.27变为小于5.83;黏土含量由12%变为43%。 [10] 一般情况下、海岸盐沼冠层中植株的粗细、密度和茎叶的分布状况会决定近底水流的性质，从而影响到悬浮泥沙的沉降。
1.3 底床稳定性比较
植物能削弱潮流波浪对滩面的剪应力(增大了滩面的抗剪强度)，进而减少泥沙的再悬浮量，增加低床的稳定性。
Thompson，et al.利用野外实地水槽对意大利威尼斯泻湖和加拿大Rustico湾盐沼植物对低床剪应力的影响进行了研究，发现水流达到一定流速(u>0.4-0.5ms -1 )时植被覆盖下的低床剪应力当发生明显下降，表明低床的稳定性明显增加，这主要由于高流速水流使植物发生弯折，消耗更多的动能所致。 [18] 植丛的掩护有使滩面沉积物不易掀起，增加了低床的稳定性的作用，植被覆盖的滩面始终为淤积过程，而光滩则呈现为频繁的冲积变化，长江口芦苇带淤长速率可达光滩的9倍以上。 [10] 朱骏,杨世伦等对长江口南汇滨海岸段(近堤900 m 宽的滩面有植被覆盖，其中,岸堤至堤外300m为芦苇,堤外300～900m为海三棱镳草，距堤900m以外为光滩)各观测点的年垂直淤积速率观测，结果表明：由于潮滩上近堤的900m有植被覆盖,潮水进入盐沼后,产生侵蚀压力，潮水的流速减小,波高降低,携带泥沙的能力下降,导致泥沙迅速沉积,含沙量明显减小,淤积速率逐渐下降，进而增加了河床的稳定性。免费网。相关学者还对盐沼带的相对稳定性系数进行了观测，结果表明：盐沼带的相对稳定性系数大于光滩,植被覆盖的盐沼滩地,易淤积而不易被冲刷,淤积速率较大;淤积和冲刷的波动较小,相对稳定性系数大，而光滩,易受到冲刷,淤积速率较小;冲刷和淤积的波动较大,相对稳定性系数较小。 [17]
2、 界面泥沙垂直输移过程
目前对界面泥沙垂直输移过程的研究国内外大多是对滩面垂直淤积速率和悬沙浓度的垂向变化的研究，在某断面上不同的观测点做定期或定时的观测来定量研究。
Marker在Parkgate(英格兰Dee河口)估计1947至1963年垂直增长沉积速率为25mm/a。 [19] Armentano和Woodwell发现 LongIsland盐沼过去100年的沉积速率为0.64cm/a。 [20] Delaune等测量到路易斯安娜州西南Spartina patens盐沼的增长速率平均为 0.8mm/a，在过去的三十年中，垂直增长速率还没有与海岸下沉相匹配。 [21] Stevenson 等测量到马里兰东岸的沉积速率为0.17到0.36cm/a。 [22]
我国学者朱骏, 杨世伦等对长江口滨海某研究断面上24个观测点的定期(每周一次) 滩面高程测量结果的分析, 定量化地探讨了滩面垂直淤积速率的变化，结果分析得出: (1) 滩面的年垂直淤积速率在淹没机率为30 % 左右的沼泽中下部(位于平均小潮高潮线与平均高潮线之间) 达到4915 cm/ a 的最大值。自这点向岸和向海垂直淤积速率逐渐降低, 向岸在近堤处(接近平均大潮高潮位) 达到最小值212 cm/ a (仅为最大值的1/ 22) , 向海在光滩—沼泽交界处出现另一低值, 而在光滩上又有所增大。 [17] 时钟利用“声学悬沙观测系统”对长江口深水航道北槽在涨潮，涨急，涨憩，落潮的悬沙浓度的垂向变化做了观测分析，得出在涨潮，涨憩时悬沙浓度垂向梯度较小，(浓度小于1.0gl -1 )，而在涨急和落潮时悬沙浓度垂向梯度较大，(可达10gl -1 )，在接近落憩时，悬沙浓度的垂向梯度适中。 [23]
目前已有众多学者利用声学仪器获得了定点或断面上的悬沙浓度分布剖面， [24-31] 通过对长江口南港和南槽两站悬沙粒径的频率分布曲线的分析得出长江口在枯水期垂向混合作用强烈。在水下不同深度3米，6米，11米处对悬沙的砂、粉砂和粘土三种组分所对应的标准差峰值的比较分析，说明组分在水体上部的变化程度要大于底部, 主要是由于底部再悬浮作用将下部的粗颗粒物质带到水体上部造成的。同时悬沙各粒级在半日潮周期内的变化特性也反映了再悬浮作用的影响∶随着水深的减小,其敏感组分相应增多,同时变化程度(标准差值) 也增大。此外,水深、流速和悬沙浓度的潮变动相关项以及垂向环流的作用和垂向潮振荡切变作用也和悬沙输运密切相关,这表明了再悬浮和垂向环流对悬沙输运的重要作用。 [31] 在南汇东滩的高潮滩、中潮滩和低潮滩的不同观测点的泥沙运移模型研究中发现, 高、中潮滩的泥沙向岸输送, 低潮滩上的泥沙上层归槽, 下层上滩, 形成一个顺时针向的泥沙输移垂向环流。 [32]
3、结论
由上述的研究现状可知，该领域研究难度大，耗费高(高精度检测仪器，野外观测平台建设等)，致使研究深度相对不足，主要表现为以下几个特点：
1、野外实地获得第一手数据困难。目前所得数据大多是在理想状态下采集，野外考察获取数据比较少，并且多以定性分析为主，某种程度上缺乏定量分析，以至影响该问题的深入研究。
2、数据的可靠性受到质疑。使用传统仪器的局限性是工作量大、耗资巨大、数据的空间分辨率较低,存在一定误差,这需要我们在实际工作中尽量采用一些高精度,高分辨率实验仪器和设备采集样本,以缩小与实际的误差。当然这需要一定技术和资金的支持。
3、界面数据的连续性采集不够。目前数据采集和样品取样一般多进行的是小尺度上(时日)的，时间间隔一般在2，3个月左右，跨年度的采集取样较少，对比分析较少，这必将影响该领域整体性的研究，具有一定的局限性。
4、界面的整体性研究不足。当前研究多侧重于界面上各个因子的独立研究，未能把整个界面内的泥沙输移过程作为一个整体的研究对象，研究的领域比较局限。尤其是对植物覆盖条件下水流中的悬沙浓度垂向分布的研究，还几乎是空白。综上所述，基于国内许多学者已经在这方面积累了大量的宝贵资料，我们在今后的工作中应继续加强这方面的研究，以期对该领域研究有所突破。
参考文献
[1] Christinasen，T.，Wiberg，P.L.，Milligan，T.G.. Flow andSediment Transport on a Tial Salt Marsh Surfance[J]. Estuarine，Coastal andShelf Science ,2000, 50:315-331.
[2] Langlois, E., Bonis,A.,Bouzille, J.B..Sediment and plantdynamics in saltmarshes pioneer zone: Puccinellia maritima as a keyspecies?[J].Estuarine,Coastaal and Shelf Science, 2003,56 :239-249.
[3] Scoffin ,T. P..Thetrapping and binding of subtidal carbonate sediments by marine vegetation inBimini Lagoon , Bahamas[J]. Journal of Sedimentary Petrology ,1970 ,40 :249– 2731.
[4] Shi ,Z. (时钟) ,Pethick ,J. S. ,Burd ,F. and Murphy ,B..Velocity profiles in a salt marsh canopy[J]. Geo- Marine Letters ,1996 ,16 :319 – 3231.
[5] Shi ,Z. (时钟) ,Pethick ,J. S. and Pye ,K. .Flow structure in and above the various heights of a saltmarshcanopy : a laboratory flume study[J]. Journal of Coastal Research ,1995 ,11:1204 – 1209.
[6] 时钟. 海岸盐沼植物单向恒定水流流速剖面[J]. 泥沙研究，1997, (3):82 –88.
[7] Thomas P., Kozerski,H-P. Particle trapping on leaves andon the bottom in simulated submerged plant stands.Hydrobiologia[J].Estuarine,Coastaal and Shelf Science 2003, 506–509:575-581.
[8] 庄武艺,J谢佩尔.海草对潮滩沉积作用的影响[J].海洋学报,1991,13(2):230~239.
[9] 杨世伦，缪莘.海岸盐沼泥沙过程现场实验研究[J].海洋工程，1998，19(3)：51-59.
[10] 杨世伦，时钟，赵庆英.长江口潮沼植物对动力沉积过程的影响[J].海洋学报，2001，23(4)：75-80。
[11] Nepf,H.M.,Mugnier,C.G.,Zavisyoski,R.A.The effects ofvegetation on longitudinal dispersion.Estuarine,Coastal and ShelfScience[J].1997, 44:675-684.
[12] Leonard ,L. A. ,Hine,A. C. and Luther ,M. E..Surficial sediment transport and deposition processesin a Juncus roemerianus marsh ,west - central Florida[J]. Journal of CoastalResearch ,1995 ,11 :322 – 3361.
[13] Fench,J.P., Spencer, T. Dynamics of sedimentation ina tidedominated backbarrier salt
marsh,Norfolk,UK[J].Marine Gerlogy,1993.110:315-331.
[14] Knuston ,P.L.,Seeling ,W. N. and Inskeep ,M. R...Wave damping in spartinaalternifloras
Marshes[J].Wetlands,1982,2 :87 – 104..
[15] Stumpf,R.P..The process of senimention on the surface ofa salt marsh[J]. Estuarine,Coastal and Shelf Science , 1983,17:495-508.
[16] Fonseca ,M. S. and Cahalan ,J . A. ,A preliminaryevaluation of wave attenuation by four species of seagrass. Estuarine ,Coastaland Shelf Science[J] ,1992 ,35 :565 – 5761.
[17] 朱骏, 杨世伦, 谢文辉, 赵庆英.潮间带短期冲淤过程的横向差异及其定量表达———以长江口南汇滨海岸段的观测分析为例[J].地理研究，2001，20(4)：423 – 430.
[18] Thompson,C.L.E.,Amos,C.L. Umgiesser,G..A comparisonbetween fluid shear stress reduction by halophytia plants in VeniceLagoon,Italy and Rustico Bay,Canada-analyses of in situ measurements[J].Journalof Marine Systems,2004,51:293-308.
[19] Maker M E.The Deeestuary: its progressive silting and saltmarsh development[J].Transactions ofInstitute of British Geographer,1967,41:65-71.
[20] Armentano T V andWoodwell G M. Sedimentation rates in a Long Island marsh determined by 210Pbdating[J].Limnolgy and Oceanography,1975,20:452-456.
[21] Delaune R D,BaumannR H and Gosselink J G.Relationship among vertical accretion, coastalsubmergence, and erosion on a Louisiana Gulf Coast marsh[J].Journal ofSedimentary Petrology, 1983,53:147-157.
[22] Stevenson JC,Kearney M S and Pendleton E C.Sedimentation and erosion in a Chesapeake Baybrackish marsh system[M].Marine Geology, 1985,67:213-235.
[23] 时钟.长江口底部边界层细颗粒泥沙过程[J].海洋科学，2000，24(4)：26-30.
[24] Shi Z, Ren L F ,LinH T1 Vertical suspension profile in the Changjiang Estuary[J]. Marine Geology ,1996 , 130 : 72～81.
[25] Shi Z , Ren L F ,Zhang S Y, Chen J Y1 Acoustic imaging of cohesive sediment resuspension andrentrainment in the Changing Estuary , East China Sea1[J]. Geo-Marine Letters ,1997 , 17 :162～168.
[26] 时钟.长江口细颗粒泥沙过程[J]. 泥沙研究,2000 , (6):72～811
[27] 时钟,凌洪烈. 长江口细颗粒悬沙浓度垂向分布[J]. 泥沙研究,1999 , (2):59～641
[28] 时钟,张淑英,Hamilton L J.河口近底细颗粒悬沙运动的声散射观测[J]. 声学学报, 1998 , 23(3) :221～227.
[29] 时钟,周洪强.长江口深水航道被槽口外悬沙浓度垂向分布[J]. 上海交通大学学报, 1997 ,32(11) :132～138.
[30] 时钟,朱文蔚,周洪强.长江口北槽口外细颗粒悬沙沉降速度[J]. 上海交通大学学报,2000 ,34 (1):18～23.
[31] 时钟,凌洪烈.长江口细颗粒悬沙浓度垂向分布[J]. 泥沙研究,1999 , (2):59～64.
[32] 茅志昌, 潘定安, 沈焕庭.长江河口悬沙的运动方式与沉积形态特征分析[J].地理研究，2001，20(2)：170-177.
使用微信“扫一扫”功能添加“谷腾环保网”
