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1、迪河河口湾形态演变位于英国东爱尔兰海的潮汐不对称河口摘 要潮汐不对称（涨潮和落潮持续时间不相等）是导致河口剩余沉积物搬运和河口形态变化的主要因素。河口形态演变是一个短期的动态平衡过程，然而，这些特征在对于长期来说确是短暂的。在这项研究中，我们用三维数值模型法调查了迪河河口潮汐变形和潮汐不对称的空间分布。从流域测高法和近来的区域侵蚀和沉积方面来说，高分辨率的激光雷达测量被用来支持并解释我们的数值模型结果。数值模型结果的谐波分析表明更浅的潮间带区域潮汐最不对称，表现出涨潮控制作用。在主要的通航水道显示出一些落潮流处于控制地位，但是这些地方的潮水相对的没有变形.。总体看来，涨潮流处于主导作用的情况下
2、，将沉积物带入河口地区，这可以用来解释大家都知道的历史形态变化（在过去的两个多世纪中大面积的增长）及近期的可以从LIDAR测量中看到20032006年的形态变化。测高分析表明迪河河口可能趋于平衡，并且，在将来涨潮流的控制作用和沉积速率可能因此而降低。一个填充型的河口，潮滩面积的增长及海拔的升高会最终使得河口变成一个落潮控制型河口，如以前的研究所表现及在这项研究中理想化河口模型结果所呈现的结果一样。然而，迪河大潮幅与液压深度比率表明潮滩必然会向广阔发展。关键字：形态学 迪河河口湾 潮汐不对称 水动力学 测高法1.引言和目的河口和潮滩是受海洋和陆地影响的复杂的动力系统。通常有着非常高的娱乐、商业和
3、生态价值，因此，对其管理是非常重要的，深入的了解河口形态过程和演变对于海岸管理是不可缺少的，因为可以预测沉积物沉积和运移的变化模式。这项研究的目的是调查形态动力过程和识别导致现在迪河河口水深测量的机制，以用于预测将来的变化趋势。最近的LIDAR调查数据已经出来，并且已经用于推断河口范围的行为趋势的测高分析。随后，与迪河有关的河口平衡和稳定性的概念被讨论。迪河的潮汐传播被用数值模型分析法描画出来。迪河河口的潮汐不对称、剩余流和剩余沉积物搬运的模式也被研究。最后，用理想河口模型概念，涨潮和落潮控制作用的敏感度在测高学方面（比如，改变河道深度和潮滩海拔）也被探索。河口形态是由水动力条件、沉积环境、沉
4、积物供应及基础的地质情况共同作用控制的。特别是潮汐港湾的形态演变是沉积环境和非线性的潮汐传播不断的相互作用造成的。这样的相互作用会引起剩余循环和沉积物通量的空间变化。此外，形态改变的反作用影响潮汐的水动力特征和沉积物运移，特别是河口平均深度的改变和对潮间带区域海拔容积的改变。反馈机制和非线性相互作用使得潮汐港湾的地貌演变成为复杂的现象，并且很难预测。同时，以前假设沉积物特征控制河口水深。但是近来的理论却表明基础的测深参数（深度剖面和潮汐长度）取决于潮幅和河流径流的长期变化。无论在哪种情况下，无疑的，在长期的演变过程中，形态动力学和水动力学是紧密联系在一起的。.最近几年，形态模型已经有了重大的进
5、步，已经有几种方法了。首先，自下而上的模式在流场和沉积物搬运的独立模块中用物理过程的动力学方程。相反的，自上而下的模式用港湾范围形态行为预测变化，如几何学联系。这样的例子包括流态关系，如OBrien (1931) and Eyesink (1991)的潮水量关系，形成分析(Prandle and Rahman, 1980)和潮汐不对称分析(Dronkers, 1986; Friedrichs and Aubrey, 1988)。这两种方法的混合被认为是半经验主义或结合了复杂的自下而上方法来模拟水动力，但用经验公式模型来模拟形态变化。然而，水动力模拟的精确性远远大于沉积物侵蚀、搬运、沉积模拟的精
6、确性。因此，这项研究不是致力于沉积物侵蚀、搬运、沉积的数值模型，而是使用能推断变化的基于过程的水动力模型。1.1.潮汐不对称潮汐对称是指涨潮和落潮有相等的持续时间，并且能够达到大致相等的最大速度，最终没有净沉积物搬运。当涨潮和落潮持续时间不相等时，这就是大家都知道的潮汐不对称，潮汐不对称是当潮汐传播进入浅滩，沿着沿海大陆架和进入河口湾时产生潮波变形导致的。引起潮波变形的机制就是潮汐传播的非线性作用。非线性的主要原因是二次摩擦、随时间变化的水深、随时间变化的横截面宽度。当潮波接近海岸的时候变成浅水波（相速与水深的平方根成比例），波峰比波谷运动快，因为更大的水深在最高点之下。最终，在潮汐变化幅度很
7、大和强烈收敛港湾的极端条件下，潮波很可能变陡，直到波峰赶到波谷，从而形成一个涌潮，相同的基本原理，后面的波在海岸上破碎。潮汐变形可以用天文分潮的谐波来描述。基本潮汐周期的高潮汐谐频是由非线性的潮汐传播引起的。估计潮汐不对称的程度以前已经被研究过了，用河口结构分析的方法，还有对照M2和M4分潮的潮汐分析方法。M2分潮是占主导地位的太阴主要半日分潮，（M代表月亮，脚标2代表频率，每天两次），M4分潮是四分之一日潮，M2倍潮的非线性谐波。关于潮汐不对称在形态上的综合影响的细节可以参考Wang et al. (2002)。不断有论据证明，如果落潮的持续时间比涨潮长，应该有持续时间更短，更强烈（更高的速
8、度）的涨潮流。与落潮流相比，在涨潮时更高的涨潮流速导致对海床更强的剪切作用。一旦河床的临界剪切应力（启动沉积物运动的最小剪切应力）被超过，任何更多的增加都会引起大量的沉积物悬浮。因此，沉积物搬运是给定时间剪切应力和临界剪切应力被超过时水流持续时间的函数。最终，在潮汐周期中产生净沉积物搬运，涨潮控制水流导致向河口内的净沉积物搬运。这可能会引起河口充填。在落潮流控制条件下，会产生反方向的向海的净沉积物搬运，是沉积物从河口向外输出。沉积物搬运的悬浮负荷部分很大程度是受潮汐不平衡影响，而床底负荷部分不是。因此，当小颗粒处于优势并且悬浮是主要的搬运方式时，影响是最大的。这包括许多河口，如像迪河这样主要是
9、细砂和粉砂(为主)的河口。同样值得考虑的是，由于密度差异的原因，在海床附近水道最深的地区，河流径流会加强涨潮流同时消弱落潮流。这样的重力环流的加强或减弱（河流径流分别高或低时）可能会引起潮汐不平衡的显著变化，甚至是在高度混合型的强潮河口。潮汐不平衡通常是引起净沉积物搬运和沉积的主要因素，导致沉积物沉积于海岸区和河口湾。河口水道的适航性和河口的地质演变都会受潮汐不平衡的影响。因此，潮汐不平衡是潮汐港湾形态发展的控制因素。所以，了解河口的潮汐传播类型对于研究河口的沉积物动力学是至关重要的。1.2.形态平衡和稳定河口平衡原理的概念，在给定的水动力条件下，会存在一种平衡地貌，河口都会向这种平衡地貌演变
10、，然后变得稳定。形态动力学平衡需要长时期进入水湾河口湾的平均沉积物通量等于零。一个形态平衡的河口可能仍然保留一定程度的潮汐不对称。形态稳定性就是，在扰乱之后河口回到它的原始状态的能力(Hume and Herdendorf, 1993)。如果一个系统是形态学稳定的，形态的微弱扰动会使潮流的传播发生改变。为了使系统恢复到它的原始状态，涨潮和落潮的沉积物通量会失去平衡。然而，由于外部条件如平均海平面和风成浪模式随时间也会发生变化，很难说一个完全稳定的河口是否能存在(Dronkers, 1986)。潮汐入口或河口可能不断地变化以适应一个新的平衡(Van Dongeren and de Vriend,
11、 1994)。因此，可能存在一种动力地貌学平衡和稳定存在。存在一些形式的平衡被认为是保证一个河口长期存在并坚持的必要条件。一个不平衡的河口（不稳定，没有平衡状态）很可能会被侵蚀掉，或者，更可能的是，被完全填充。2.迪河河口湾：背景情况和资料库迪河河口湾是一个强潮型的漏斗形的潮汐型河口，位于英格兰和威尔士之间的东爱尔兰海(图1)。现在的迪尔河口有30公里的有效长度，河口的最大宽度是8.5公里。主要的运输水道从河口的最前面分叉向海延伸12公里，导致有两条深水道延伸进利物浦湾。向西的叫做Mostyn水道，向东的叫做Hilbre水道。图1.迪河河口湾的位置和环境，英国东爱尔兰海，显示的水深来源于200
12、3的LIDAR测量这是一个海岸平原河口，是在末次最大冰期的低海平面时期，在涨潮和落潮过程中被迪河切出来的谷。自然河口向内陆延伸到切斯特的罗马城（2000年前），3540公里长。在河口的最前端开凿运河、地面流水、以及开垦彻底的改变了河口的水动力系统，并且是河口长度缩短到30公里。以前主要的航道位于离河口的东海岸很近的地方。开凿运河使得靠近西海岸（威尔士）的水道发生变化。这导致由于接着发生的低水流条件，使得东海岸发生严重淤积且增长。高程度的增长导致河口变成一个非常浅的系统。随着泥岸和沙岸海拔在演变过程中不断地增长，大范围区域被盐沼垦殖。最早的开拓者是海篷子属植物，然后被唐氏米草属控制。1930年大
13、米草的引进被认为明显的加速了盐沼范围的伸展。盐沼改造陆地导致了河口有效长度的缩短，防潮堤的建造进一步恶化扩大了迪河开凿运河的部分。历史上关于淤积和盐沼扩张的摘要可以在Marker(1967)中找到。大潮及相关的强潮水流存在使得迪尔河口成为一个高能，高动力系统，迪河河口的平均潮水量是4108 m3。表明平均低水位和平均高水位之间的容积增加超过80%。平均河口径流相对比较小，大约31m3s。一个潮控河口会典型的有一个至少小于潮水量数量级的河流径流(Lanzoni and Seminara, 2002)。这在迪尔河是无疑的，在一个潮汐周期中，河流径流相当于大概潮水量的0.35%。在河口附近的希尔布勒
14、岛平均大潮超差为78米。3.方法学3.1.激光雷达测量迪尔河口的机载LIDAR测量已经在2003和2006年间被环境局完成，还有一个2004年的不完全测量，约2030cm的垂直精度。2003和2006测量的水平分辨率和垂直分辨率分别是2m 和1m，20-30cm。机载测量被应用于涨潮到最大潮时的低水位区的河口最大裸露区。在涨潮低水位时被水覆盖的更深水道被用船载的扫描测深。如此高的分辨率数据系统已经为数字模型提供了高质量的测深数据。LIDAR同时也提供了用于计算河口测高特性的重要数据。这些也可以用来推断形态行为。这些包括：横断面积河口容量（在高水位、低水位、潮水量等）河口有效长度测高轮廓（面积海
15、拔关系），一些几何特征已经在下面被计算和解释3.2.数字模型为了模拟水动力潮汐传播，数字模型已经应用于迪尔河口。然后水动力模型结果被用于推断可能的形态变化。这个被用的模型是一个POLCOMS（鲁德曼海洋实验室海岸模型系统），是一个三维传统格点配置法斜压模型。关于这个模型更多的详细内容可在霍尔特和詹姆士（2001）中找到。最近的修改包括为干燥和潮湿河口用TVD方案计算体积通量。TVD方案保证了总深度的准确性，而不是被怀疑的。这对于干燥或潮湿的潮间带区域的数值稳定性的得到是非常重要的。因此，这可以得到像迪尔河口那样在潮汐周期中会有大面即被淹没的浅水区精确的水动力模拟。这个模型已经被应用于现实和理想
16、的迪尔河口测深，用一种简单的方法来表现主要特征，解释重要的控制过程。3.2.1.现实的测深这个模型用的是2003年LIDAR测量得到的高精度测深数据。24标准差水平被用于垂直距离，并且15种标准潮汐组成波被用来促使开阔边界的形成（水平面和正压流对向海的开放边界和辐射边界条件非常特别）。一个滑动条件被应用在陆地边界。这个模型的全部范围可以在图7和图8中看到。这个模型也已被用来直接模拟河口的水动力条件和潮汐传播的特征。这个潮汐传播模型已经被证实了，通过比较模型的输出和上、下部河口（Hilbre岛）用检潮仪测得的潮汐观察数据（图2a,b），这些被标在纽林基准面上，高程基准被用于英国陆军测量地图。就像在19151921在英格兰康沃尔的纽林定义平均海平面一样。基于潮汐海拔模拟的潮汐分析结果已经被提出，非常强调涨潮或落潮控制力的位置和与之关联的形态行为。图2.潮汐曲线显示了检潮仪监测和模拟的潮汐高
