撰稿：牛建伟
审定：蔡树群
近日，中国科学院南海海洋研究所热带海洋环境国家重点实验室（LTO）蔡树群研究团队在暴风浪影响下的近海泥沙动力学研究方面取得新进展。相关研究成果于2023年9月26日发表在JOURNAL OF GEOPHYSICAL RESEARCH-OCEANS上，助理研究员牛建伟为论文第一作者，蔡树群研究员为通讯作者，合作者还包括四川大学林鹏智教授和利物浦大学周燕博士等人。
传统泥沙动力学将波浪运动下的泥沙运动视作泥沙颗粒对水流的被动响应，将海底土体的侵蚀归因于水流剪切应力、湍流造成的底沙和悬沙空间输沙率的梯度，忽略海床内部响应对泥沙运动的影响。因此大多数的研究将液化和侵蚀当作独立的过程。实际上，风暴引起的波浪可以造成海底土体的液化，土体抗剪强度随土体的液化大幅降低，土体的抗侵蚀能力随之下降。仅考虑水流剪切应力的计算方法大大低估了风暴造成的泥沙侵蚀速率。而另一方面，随着液化深度增加，高浓度悬浮泥沙层抑制近底层的湍流强度，导致浮泥层的形成，浮泥层在一定程度上会抑制海底土体的侵蚀。由于国际上迄今为止尚未有同时考虑液化和输沙的相关理论，工程应用以及近海泥沙动力学研究仍然将二者分别进行计算，造成工程基础冲刷和近岸地形演化分析和预测的不准确。
本项研究在通过量化波致海床动力响应，在泥沙侵蚀方程引入液化指标等方法，提出新的海底土体液化-侵蚀模型，量化了波致海底土体响应对泥沙侵蚀速率的影响，并使用大型物理模型试验对模型的参数进行了估算。通过对比分析三十多次冬季寒潮大风影响下的黄河水下三角洲的泥沙再悬浮观测数据和模型模拟结果，液化-侵蚀模型可以很好地评估风暴过程造成的泥沙侵蚀通量。研究结果表明（图1），液化海区的泥沙侵蚀通量较非液化海区增加了5-10倍，液化增强的泥沙侵蚀通量抑制底层泥沙的垂向扩散，在海床底部形成2-12cm厚的浮泥层。随着浮泥层的形成，强（潮）流可以在风暴过后的10小时持续造成底部泥沙的再悬浮。再悬浮的泥沙受水平输运影响，向黄河三角洲、海湾和渤海扩散，影响范围几乎覆盖整个渤海,渤海范围内的垂向和水平的混合效率受到影响。
图1 风暴致浮泥影响下的泥沙输运机制
该工作量化了海底土体液化对输沙的影响，液化-侵蚀的模型可以良好地应用于近岸泥沙动力学的研究以及作为工程设计的计算参考，在泥沙动力学理论方面和工程实践方面都具有十分重要的价值。
该研究由国家自然科学基金重点项目、面上项目、海南省自然科学基金、广州市科技计划项目、中国科学院南海海洋研究所培育项目、LTO自主项目、中国地质调查局舟山海洋地质野外科学观测站开放课题等共同资助完成。
相关论文信息：
Niu, J., Xie, J., Lin, S., Lin, P., Gao, F., Zhang, J., & Cai, S*. (2023). Importance of bed liquefaction-induced erosion during the winter wind storm in the Yellow River Delta, China. Journal of Geophysical Research: Oceans, 128, e2022JC019256.
文章链接：https://doi.org/10.1029/2022JC019256
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