博士论文 潮流脊及水下沙丘形态和沉积动力过程分析

摘要

潮流脊和水下沙丘是陆架海中普遍存在的床面形态，是砂质沉积物在水流作用下自组织行为的结果。它们的空间迁移危害海洋设施（海底管线、风力发电场）的安全，作为大型砂质堆积体能够提供人类发展所需的砂土资源。陆架海区域，潮流脊和沙丘的形态和演化研究不仅在地貌学、沉积学、水文学、工程学上具有重要意义，在保护海洋设施和海砂资源开采利用方面也具有重要经济价值。然而，它们的形态空间差异及形成演化机理研究仍有不足。形态（几何）特征的定量分析是床面形态研究的基础。随着各种高分辨率地形（水深）测量仪器的应用，床面形态数据量和数据处理的复杂性增加。为了准确而高效地定量分析复合床面形态的形态参数，急需一个床面形态自动分析方法。欧洲北海南部和黄海作为典型的陆架海，发育众多砂质堆积体，是研究潮流脊和水下沙丘的经典区域。由于测深数据和分析方法的限制，缺乏这两个海域的大型潮流脊形态定量统计和对比分析。南黄海江苏潮流脊分类仍存争议，其现代形态和演化是否符合基于北海南部潮流脊发育的 Huthnance 理论需要进一步研究。并且，这一理论认为，沉积物净输运的平面环流是形成潮流脊的主要机制，但是潮余流和潮流不对称性在沉积物净输运中的相对贡献，一直没有基于野外数据予以区分。本研究重点针对上述问题开展了以下研究：（1）结合现有的床面形态分析方法的优势，融合开发床面形态自动分析程序；（2）将该方法应用于潮流脊及其上覆沙丘的形态分析中，定量对比分析了欧洲北海南部和黄海大型潮流脊的形态特征，结合 Huthnance 理论探讨潮流脊形态异同；（3）以江苏如东岸外潮流脊为典型研究区，进行潮流和悬沙的同步观测，利用砂质沉积物净输运解析公式，分析潮流脊沉积物输运结构，区分潮余流和潮流不对称性对于砂质沉积物输运的贡献，研究潮流脊形态演化机理。主要结果和结论如下：（1）床面形态自动分析方法的创建。融合二维离散傅里叶变换、小波变换、跨零点分析及各种过滤方法的优势，开发了一个床面形态分析方法。该方法只须一个输入参数——目标波长。基于二维离散傅里叶变换，开发一个程序自动获取目标波长，实现床面形态分析的自动化。该方法能够准确而客观地自动获取区域特征床面形态的脊线方位和床面形态个体的形态参数（脊槽位置、波长、波高、不对称性、陡坡坡度等），尤其是复合床面形态中不同尺度的床面形态。其在人工合成沙丘、江苏潮流脊上沙丘和北海南部潮流脊上复合沙丘的形态分析中表现良好。（2）北海和黄海潮流脊形态异同及其成因。使用上述床面形态自动分析方法，对欧洲北海南部（Norfolk 潮流脊和 Dutch 潮流脊）和黄海（江苏潮流脊和朝鲜湾潮流脊）四个大型潮流脊系统，开展潮流脊形态定量统计分析。结果显示，四个区域的潮流脊形态符合 Huthnance 理论，形态及其空间变化的差异主要与发育基底的地形差异有关。黄海的潮流脊发育于近岸浅海或河口湾的斜坡地形，而北海南部潮流脊位于开阔平坦的陆架海。由于北海南部潮流脊较深的水深和较粗的沉积物有利于沙丘的生长，北海南部潮流脊上发育由特大型沙丘（一级沙丘，波长~200 m）和中大型沙丘（二级沙丘，波长~10 m）叠置的复合沙丘，而江苏潮流脊上仅发育大型沙丘（波长~20 m）。北海南部潮流脊上，一级沙丘脊线两侧的二级沙丘的不对称性相反，指示两侧二级沙丘均向一级沙丘脊线移动，与特大型沙丘的垂向环流理论一致，说明虽然垂向环流不是潮流脊宏观形态形成的必要条件，但对潮流脊上的复合床面形态（一、二级沙丘）的形成演化具有重要作用。四个潮流脊体系的脊间距与水深呈正比，与 Huthnance 潮流脊理论模型预测结果一致。黄海的两个潮流脊的脊间距与水深的比值更大，根据上述理论，可以用更小的海底拖曳系数来解释。这的确是黄海的实际情况，相比北海，沙丘尺度小和高悬沙浓度（及其层化），导致了较小的海底拖曳系数。江苏岸外辐射状潮流场导致了江苏潮流脊辐射状分布，使得通过脊间距和水深的关系预测的拖曳系数被低估。北海南部潮流脊不对称性的统计结果和脊线弯曲模式，证明了潮流脊不对称性能够指示潮流脊迁移。统计结果显示，大多数潮流脊无法达到均衡态限制高度，即最大水深的 60%。黄海的近岸潮流脊具有更大的脊生长率，甚至可以露出平均海平面。这可能由于沿岸的海床坡度加剧了潮流脊的向岸生长，以及较小的波浪作用。（3）潮流脊的沉积物输运结构。江苏如东岸外潮流脊研究区内，潮余流在潮流脊上发生顺时针旋转，南坡和北坡分别向西和向东。潮汐不对称性，和潮余流类似，南坡是涨潮（向西）优势，北坡是落潮（向东）优势。砂质沉积物净输运呈顺时针方向环绕潮流脊。观测数据的理论分析显示，在潮流脊两侧区域，相比潮流不对称性，较大的潮余流是砂质沉积物净输运的主要原因，沿脊方向的潮余流是沿脊和跨脊方向输运的主导因素。在脊顶位置，余流较小，砂质沉积物净输运主要受潮流不对称性的影响。沉积物净输运结果以沿脊方向输运为主，而粒径趋势分析结果以向脊输运为主，揭示了粒径趋势分析可能是沉积物净输运梯度的结果，表明江苏潮流脊向陡坡迁移。江苏潮流脊现代形态特征和沉积物输运结构，与基于北海南部潮流脊发育的Huthnance 理论相一致，表明江苏潮流脊可归于开阔陆架沙脊一类，可用潮流脊底床稳定性分析理论来分析其形态和演化。本研究为黄海潮流脊的非线性模拟研究提供了基础。

ABSTRAC

TTidal ridges and submarine dunes are common bedforms in shelf seas, which areoften generated through self-organization processes under flows. Their spatialmigration endangers the safety of marine facilities (submarine pipelines, wind farms).They can provide sand and land resources which are needed by human. The studies oftidal ridges and dunes in shelf seas are not only of great significance in geomorphology,sedimentology, hydrography and engineering, but also of great economic value in theprotection of marine facilities safety and the exploitation of marine sand resources.Nevertheless, their spatial differences in morphology and formation need further study.Quantitative analysis of morphological characteristics is the basis of bedformstudy. The volume and complexity of bedform data have increased with the applicationof various high-resolution bathymetric instruments. In order to quantify themorphological parameters of compound bedforms accurately and efficiently, it is urgentto create an automated bedform analysis method. The southern North Sea and theYellow Sea, as typical shelf seas with numerous bedforms, are classic areas for the studyof tidal ridges and dunes. The quantitative statistics and comparative analyses of tidalridge morphological characteristics are not fully available in these seas, due to thelimitation of bathymetry data and analysis tools. The classification of Jiangsu radialtidal ridge system is still controversial. The theory of Huthnance was developed basedon the observation of tidal ridges in the North Sea. The extent to which the theory ofHuthnance may be applicable to the morphology and maintenance of Jiangsu radialtidal ridge system is clearly worthy of further study. The theory suggests that thecirculation of net sediment transport is the basic mechanism leading to the generationand maintenance of tidal ridges. However, the relative contributions of tidal residualcurrents and tidal asymmetry in net sediment transport have not been investigated basedon field data.The morphological characteristics and sediment transport patterns herein areconsistent with the theory of Huthnance developed on the basis of the tidal ridges in theNorth Sea. It suggests that the tidal ridge here can be classified as an open shelf sandridge, and its morphology and maintenance can be analyzed by the theory of seabedstability analysis. The initial formation of the tidal ridge in the Yellow Sea, whichdevelops in a coastal zone, can be further investigated based on findings here withnonlinear modelling.

目录

摘要

abstract

第一章 绪论

第二章 研究区概况

第三章 数据与方法

第四章 床面形态自动分析方法创建

第五章 水下沙丘形态分析—床面形态自动分析方法的应用和检验

第六章 潮流脊形态对比研究—北海和黄海

第七章 潮流脊沉积物输运结构研究—以江苏如东岸外潮流脊为例

第八章 结论

参考文献

第一章 绪论

1.1 研究背景及意义陆架边缘海，约占世界海洋总表面积的 8%，但它在海洋生态系统和海洋动力学中具有重要地位（Yool and Fasham, 2001），是浮游植物初级生产力以及潮汐和波浪能量消散的重要区域（Simpson and Sharples, 2012）。从社会经济学角度来看，陆架海具有巨大价值，提供了航行运输条件和石油、天然气和矿物等自然资源。在砂质底床的陆架海中，往往发育各种大小的韵律性床面形态，它是底床沉积物受近底流速等作用而形成的自组织形态。根据脊线与主要水流方向的关系，床面形态可以分为脊线几乎垂直于流向的水下沙丘和脊线与水流方向近于平行的潮流脊。潮流脊常见于较强往复潮流和砂源供给充足的近海陆架区，脊长通常为 10 1 ~102 km，脊间距离为 100 ~101 km，脊高为 100 ~101 m（Off, 1963; Huthnance,1982a; Stride, 1982; Dyer and Huntley, 1999）。水下沙丘广泛存在于河流、河口和陆架浅海区，是砂质沉积物在流体作用下以推移质方式运移和堆积的结果（Ashley, 1990）。水下沙丘形态尺度比潮流脊小，波长约 0.6~102 m，波高约0.075~100 m，相当于前人所提出的大波痕（Megaripples）和沙波（Sand waves）（Ashley, 1990），可发育于潮流脊上。潮流脊和水下沙丘都是水流（水深、流速、流向）、波浪和沉积物输运共同作用的产物，其形成演化机制尚未完全研究，而其形态空间差异及均衡态的机理认识更为有限（Baas et al., 2016; de Swart and Yuan, 2019）。现代床面形态及其形成过程研究，是进行古沉积环境恢复的基础（Baas et al., 2016）。移动的潮流脊和水下沙丘威胁海底管线、海上建筑设施（如风力发电等）和船只航行的安全，可成为一种海底灾害（de Swart and Yuan, 2019; Nnafie et al., 2020）。近岸的潮流脊和水下沙丘是天然的海底防波提，能够在风暴期间保护海岸（Spencer et al., 2015）。随着人类活动（如填海造地、海滩养护和建筑工程）对海砂的需求不断增加，近海大型砂质堆积体被认为是海洋采砂的潜在资源（王颖等, 2014）。因此，研究些海底床面形态的特征及动力演化不仅在地貌学、沉积学和工程学上具有理论意义，还在海砂资源开采规划、维持海洋生态系统平衡及评估水下结构稳定性等方面具有实际意义。

研究区（a）等深线图（m），底质沉积物粒度参数：（b）平均粒径（φ）；（c）分选系数；（d）粘性沉积物（< 8 μm）含量Fig. 7-1 Bathymetry (m) of the study area (a) and Seabed surface sediment grain sizeparameters: (b) mean grain size (φ); (c) sorting coefficient; and (d) cohesive sediment(< 8 μm) percentage.

1.2 国内外研究进展

1.2.1 潮流脊研究1.2.1.1 沙脊分类及潮流脊定义沙脊（Sand ridges），又称沙洲（Sandbanks），泛指宽~100 km，长~101 km 的长条状砂质堆积体。根据其动力形成原因，可分为潮流控制沙脊（Tide dominatedsand ridges）和风暴控制沙脊（Storm dominated sand ridges）（Amos and King, 1984;Swift, 1985; Belderson, 1986）。而根据沙脊的地理位置和发育成因，Dyer 和 Huntley（1999）将沙脊分为（1）开阔陆架沙脊；（2）宽河口湾沙脊与窄河口湾潮流三角洲（潮流三角洲和近滨沙脊）；（3）与无蚀退岬角（Non-recessional headland）和蚀退岬角（Recessional headland）相联系的沙脊。开阔陆架沙脊有两个基本形成条件，即丰富的砂质沉积物供给和强往复流作用为主的水动力环境（Stride, 1982）。因此，只要往复潮流流速超过 0.5 m/s，在潮差较大的砂质沉积浅海陆架区域，几乎都可发育。以欧洲北海南部最为典型，脊长可达 80 km，高度为几十米，脊间距往往与深度成正比，脊线走向与水流方向近于平行，两者之间有一个较小角度的偏离（5~30°），北半球脊线走向左偏于流向（Huthnance, 1982a, 1982b; Collins et al., 1995; Dyer and Huntley, 1999）。河口湾可分为开阔型和狭窄型，Hayes（1975）认为以河口宽度 10 km 为界可区分这两种类型，宽度小的发育潮流三角洲。Harris（1988）则认为与潮流强弱有关，强潮河口湾发育沙脊，中小潮河口湾发育三角洲。宽河口湾沙脊指发育于强潮的喇叭状河口内外的线性潮流沙脊。由于喇叭河口湾地形向河口快速缩窄和增高，强潮河口往往存在砂质沉积物向湾顶输运的趋势，被搬运至河口的泥沙和河流输出泥沙为潮流沙脊发育提供丰富的物源（Dyer and Huntley, 1999）。河口湾沙脊一般位于涨潮流为主和落潮流为主的槽道之间，脊线与落潮流平行，与涨潮流斜交（Ludwick, 1974, 1975）。常见于澳大利亚 Ord 河口（Wright et al., 1975）和 Moreton 湾（Harris et al., 1992）、美国 Delaware 湾（Kraft et al., 1974; Weil etal., 1974）和 Chesapeake 湾（Ludwick, 1974, 1975）及英国泰晤士河口（Harris,1998）。窄河口湾潮流三角洲，一般形成于中小潮控制的狭窄河口和潮汐汊道口门内外（Dyer and Huntley, 1999）。潮流三角洲主要指形成于连接潟湖和外海的潮汐汊道口门内外或者狭窄海峡的潮流三角洲。一般是成对形成的，落潮流三角洲形成于河口向海的地方，而涨潮流三角洲则形成于河口向陆的地方。如 Essex 河口（Smith and Fitzgerald, 1994），Wadden 海堡岛潮汐汊道（Sha, 1989）及琼州海峡（刘振夏和夏东兴, 2004）等。近滨沙脊（Shoreface connected ridges; shoreface attached ridges; shorefacedetached ridges），即风暴控制沙脊，常见于美国的大西洋沿岸（Swift et al., 1973，1991）、荷兰沿岸（Swift et al., 1978）和阿根廷沿岸（Parker et al., 1982）。在美国的大西洋沿岸，潮汐汊道是近岸沙脊的主要物质来源，该区域的风暴作用比潮汐更强。沙脊高可达 10 m，约为水深的三分之一，脊相距 2~5 km，脊线可延伸 10 1km。最后一种沙脊与岬角有关（Dyer and Huntley, 1999）。在侵蚀活跃的海岸岬角两侧，波浪作用形成的沿岸漂沙方向相反，砂质沉积物在汇聚点处形成沿岸浅滩。如果海岸线侵蚀后退且速度较慢，砂质堆积体与海岸相连，形成无蚀退岬角的沙脊（Banner banks）。如果海岸侵蚀后退速度很快，会形成一系列并排沙脊，在流场的作用下，逐渐拉长，形成蚀退岬角的沙脊（Alternating ridges）。据目前的形态动力学活动，沙脊可分为活跃（Active）、准活跃（Quasi-active）和衰亡（Moribund）三种。活跃沙脊表示在沙脊整个区域都存在泥沙输运活动，衰亡沙脊则不存在，而准活跃沙脊介于两者之间，仅有部分区域存在物质输运活动。活跃沙脊一般分布于内陆架浅水环境中，水深 10~50 m，潮流流速通常大于0.5 m/s，例如北海南部（Kenyon et al, 1981）和江苏沿岸（刘振夏和夏东兴, 2004）。而衰亡沙脊则存在于相对较深的海域（100~200 m），一般形成于低海面时期，现代潮流很弱，不足以使床面的砂移动，例如凯尔特海（Stride et al., 1982）。准活跃沙脊一般出现在水深 50~100 m 之间的陆架海，形成于低海面时期，现代潮流弱于低海面时期但仍能进行一部分侵蚀搬运活动，如东海陆架沙脊（Liu et al.,2007）。通常，活跃和准活跃沙脊具有不对称的横截剖面，其上发育有较小的沙丘床面形态；而衰亡沙脊的横截剖面几乎对称，无沙丘床面形态发育。本文研究的潮流脊（Tidal ridges），又名潮流沙脊（Tidal sand ridges）或线性沙洲（Linear sandbanks），指潮流作用主导的活动沙脊，具有线性沙脊成片成群的特点，且发育规模较大。潮流脊一般位于开阔陆架海、宽河口湾和开阔的近岸浅海，北海的 Norfolk 和 Dutch 潮流脊属于开阔陆架沙脊，黄海北部的朝鲜湾潮流脊属于宽河口湾沙脊。Dyer 和 Huntley（1999）认为江苏岸外的南黄海辐射沙脊（后面简称江苏潮流脊）属于宽河口湾沙脊，而刘振夏和夏东兴（2004）则认为属于开阔陆架沙脊。1.2.1.2 潮流脊观测研究Off（1963）首先统计研究了世界范围内的潮流脊的形态特征和分布，发现潮流脊与潮流近似平行发育，脊间距随脊间槽道的水深增大而增大，脊的横剖面（即垂直于脊线的剖面）是不对称的。对 Norfolk 潮流脊的观测研究（Caston and Stride,1970; Caston, 1972）发现，沉积物在潮流脊上顺时针辐聚，潮流脊向陡坡移动。Kenyon 等（1981）认为潮流脊陡坡可作为沉积物净输运方向，并将这个指标拓展到北海南部和黄海东部朝鲜半岛一侧的众多沙脊体系中。并且发现潮流脊的脊线方向与北半球潮流的主要方向逆时针斜交，角度一般为 7~15°，最大可超 20°。Norfolk 潮流脊上沙丘和叠置小沙丘的形态和分布观测研究表明，潮流脊两侧沙丘背流坡指示方向相反，形成顺时针物质输运循环，脊线上沙丘相对对称，沙丘波谷内的叠置沙丘显示了向潮流脊脊部输运的信号（McCave and Langhorne,1982）。大量水文观测研究（Howarth and Huthnance, 1984; Pattiaratchi and Collins,1987; Collins et al., 1995）发现，Norfolk 潮流脊上存在潮流余流的顺时针循环。潮流脊上沉积物粒度参数的粒径趋势分析结果显示了相同的物质输运循环（Gaoet al., 1994）。Knaapen（2009）基于水深数据对 Dutch 海岸沙脊分布进行了研究。van der Veen 和 Hulscher（2009）利用模型预测了北海南部沙脊的分布范围。Albers（2022）基于基质临界剪应力与波流联合剪应力之间的关系，建立了沙脊的预测模型，成功预测了北海南部的沙脊。我国陆架海中的潮流脊分布较广，以江苏岸外的江苏潮流脊最具特色。国内对江苏潮流脊研究开始于上世纪 70~80 年代，主要进行了地形地貌、水文、沉积物组成等观测研究（周长振等, 1981; 杨长恕, 1985; 任美锷，1986; Liu and Xia,1985; Liu et al., 1989）。90 年代中期，王颖（2002）对江苏潮流脊进行了动力、地貌、沉积全方位调查研究。张忍顺和陈才俊（1992）研究表明，江苏潮流脊在101 年尺度上就有较大变化。潮流模拟表明辐射状的潮流是先于潮流脊地貌而存在的（张东生等, 1998; 诸裕良等, 1998）。908 专项调查对江苏潮流脊的沉积物、动力、沉积环境进一步全方位调查研究（南京大学等, 2011）。Wang 等（2012）研究了江苏潮流脊的物质来源和末次冰期以来海平面上升对潮流脊形成的影响。根据观测数据，在江苏潮流脊上发现了顺时针方向的余流环流（Ni et al., 2014）和水下沙丘指示的砂质沉积物净输运循环（Wang et al., 2020）。Xing 等（2012）建立江苏潮流脊区辐射状潮流模型，研究该区域悬沙浓度时间和空间分布差异。Zhong 等（2018）使用雷达数据分析江苏潮流脊的稳定性。利用地貌和水文数值模拟（Tao et al., 2019; Zhang et al., 2020），研究江苏潮流脊的动力和成因。1.2.1.3 潮流脊理论研究关于潮流脊的初始成因，一般有两种理论（Pattiaratchi and Collins, 1987; Dyerand Huntley, 1999）。第一种是次生横向环流（Helical circulation）（Off, 1963;Houbolt, 1968）。第二种是形态与动力之间的自组织行为，即水流和沉积物的正反馈作用（Blondeaux, 2001; Dodd et al., 2003; Coco and Murray, 2007）。第一种理论可能与无蚀退岬角的沙脊的形成和维持有关，而后一种理论能够更好地的解释开阔陆架潮流脊的形态和动力特征（Dyer and Huntley, 1999）。Huthnance（1973）利用垂向平均流浅水方程，模拟了北半球潮流脊上顺时针的余环流。Huthnance（1982a）通过线性稳定性分析，首次将自组织理论应用于潮流脊的初始形成，使用了潮流的垂向平均浅水方程、流速三次方的砂质输运公式和质量守恒的底床演变方程。研究结果表明，潮流脊形成的关键因素是潮流在初始地形、科氏力和摩擦力影响下发生偏转，形成余环流，使砂质沉积物向脊汇聚（图 1-1）。潮流在跨过初始地形时，跨脊方向的流速增大，而沿脊方向的流速在摩擦力的作用下减小，使得潮流在脊上发生偏转，并在脊上形成余环流，沉积物向脊净输运。

1.3 本文的研究思路综上（1.2）所述，床面形态及其分析方法仍需进一步研究，涉及问题如下：（1）随着高分辨率测深仪器的普及，床面形态数据量和数据复杂性大大增加，人工分析和半自动化分析方法已不能满足科研工作者和海洋管理者的需求，急需一个自动化处理床面形态数据的分析方法，尤其是对复合床面形态的分析。（2）定量描述形态特征是床面形态研究的基础，欧洲北海南部潮流脊形态和动力研究，一定程度上促进了潮流脊理论研究的进步，形成了潮流脊底床稳定性模型（Huthnance, 1982a），能够较好符合北海南部开阔陆架沙脊现场观测结果，但其是否适用于黄海宽河口湾潮流脊体系值得进一步研究（Dyer and Huntley,1999）。由于测深技术和床面形态分析方法的限制，自 Off（1963）和 Kenyon 等（1981）之后，很少有大规模的定量的潮流脊形态统计分析。随着多波束测深系统的普及和床面形态自动分析方法的发展，大范围的精细的潮流脊床面形态对比分析研究成为可能。欧洲北海南部和黄海潮流作用强劲，砂质沉积物物源丰富，是发育潮流脊和水下沙丘的典型陆架海，分布着世界上最大的几个活跃的潮流脊体系。（3）基于北海南部潮流脊发展的 Huthnance 理论，能够很好地解释潮流脊的形态和动力特征。而江苏潮流脊成因复杂，前人的研究更多关注于地质地貌成因和辐射潮流，较少关注潮流脊形态是否符合 Huthnance 理论的问题。沉积物净输运的平面环流是形成潮流脊的主要机制，但是潮余流和潮流不对称性在沉积物净输运中的相对贡献，一直没有基于野外数据予以区分。基于以上问题，本项研究的科学问题、目标、方法、内容简述如下。研究目标：开发床面形态自动分析方法，通过形态统计和沉积物输运结构分析，研究黄海潮流脊的分类和 Huthnance 理论的普适性，丰富潮流脊演化理论研究，为黄海潮流脊非线性模型模拟提供基础。科学问题：北海南部和黄海潮流脊形态异同及其成因；江苏潮流脊沉积物输运结构研究。研究方法：根据现有的床面形态谱分析方法，融合创建床面形态自动分析程序；将该方法应用于潮流脊及其上覆沙丘的形态分析中，对比分析欧洲北海南部和黄海大型潮流脊及其上覆沙丘的形态特征，结合 Huthnance 理论对潮流脊形态异同作出解释；以江苏如东岸外潮流脊为典型研究区，通过潮流水文观测和解析模式建立砂质沉积物净输运的理论表达，分析潮流脊沉积物输运结构，研究潮流脊演化。研究内容

水文观测站位剖面位置图（P1、P2 和 P3 位置如图 3-3）Fig. 7-3 The location of hydrological observation sites on tidal ridge cross-sectionalprofiles. P1, P2 and P3 are shown in Fig. 3-3.

（1）结合二维离散傅里叶变换、小波变换、跨零点分析、众多过滤器等一系列分析方法的优势，融合开发一个床面形态自动分析程序。基于二维离散傅里叶变换，自动获取目标波长，作为所有方法的输入参数，实现床面形态分析方法的自动化。跟据二维离散傅里叶变换的原理，分析脊线方向计算的误差。（2）使用人工合成沙丘数据集、江苏潮流脊上沙丘数据集和北海南部多佛海峡 South Falls 潮流脊上沙丘数据集，对床面形态自动分析方法进行验证。对江苏潮流脊和欧洲北海南部潮流脊上发育的沙丘，进行对比分析，研究复合沙丘的叠置现象。（3）使用床面形态自动分析方法，对欧洲北海南部和黄海四个大型潮流脊系统潮流脊形态进行定量统计分析，包括潮流脊的脊深、脊高、槽深、脊间距、不对称性等形态参数及其空间分布。对比研究潮流脊脊间距和水深的比例关系、脊不对称性和沉积物输运及脊高限制，结合 Huthnance 潮流脊理论作合理解释。（4）以江苏如东岸外潮流脊为典型研究区，通过对潮流脊上潮流和悬沙的同步观测，利用砂质沉积物净输运解析法计算潮周期平均的砂质沉积物净输运，以揭示研究区内潮流脊潮流和悬沙的特征。分析潮流脊上砂质沉积物净输运的模式，评估潮流不对性和余流对沉积物输运的影响；对比分析潮周期砂质沉积物净输运结果和粒径趋势分析结果的异同和关系；结合 Huthnance 理论讨江苏潮流脊分类和演化。

本章小结本章以江苏如东岸外潮流脊为典型研究区，通过在潮流脊上 10 个站位分三个批次共计 11 天的剖面潮流和悬沙剖面同步观测，揭示了研究区内东西向的潮流脊剖面潮流、悬沙和余流的特征；利用砂质沉积物净输运解析法，计算了潮流脊上砂质沉积物净输运通量，分析了潮流脊沉积物输运结构，评估了潮流不对性和余流对沉积物输运的影响；对比分析了潮周期砂质沉积物净输运结果和粒径趋势分析结果的异同和关系；根据潮流脊形态和沉积物输运特征，结合 Huthnance理论分析了江苏潮流脊形态维持成因和分类。潮流观测和调和分析结果显示，潮流脊北侧以落潮流为主导，而南侧由涨潮流控制。潮流脊与北侧潮流通道的潮流逆时针旋转了 7.2°，潮流脊上潮流发生顺时针旋转，脊顶处潮流与潮流脊夹角最大，为 28.9°。潮余流在潮流脊上发生顺时针旋转，南坡和北坡分别向西和向东。余流之外的潮流不对称性，和潮余流类似，南坡涨潮（向西）优势，北坡落潮（向东）优势。砂质沉积物净输运方向也是如此，顺时针方向环绕沙脊。基于观测数据的理论分析显示，在沙脊两侧区域，相比潮流不对称性，较大的潮余流是砂质沉积物净输运的主要原因。在脊顶位置，余流较小，砂质沉积物净输运主要受潮流非对称性的影响。沉积物净输运是潮周期的平均，沿潮流脊方向输运更明显；而粒径趋势分析结果几乎没有沿潮流脊方向的输运，均为向脊输运；表明粒径趋势分析结果是系统长期作用的结果。粒径趋势结果表明不对称潮流脊向陡坡迁移。江苏潮流脊现代形态特征和沉积物输运结构，与基于北海南部潮流脊发育的 Huthnance 理论相一致，表明这里的潮流脊可归于开阔陆架沙脊一类，可用潮流脊底床稳定性分析理论来分析其形态和演化。本研究为黄海潮流脊的非线性模拟研究提供了基础。

第八章 结论

8.1 主要结论本文以形态定量统计和野外观测方法，对比分析欧洲北海南部和黄海大型潮流脊体系潮流脊形态特征，以江苏如东岸外潮流脊为典型研究区，研究潮流脊沉积物输运结构，结合经典潮流脊理论，探讨江苏潮流脊形态及演化。主要结论如下：（1）结合二维离散傅里叶变换、小波变换、跨零点分析、各种过滤方法等一系列分析方法的优势，开发了一个床面形态自动分析方法。经过人工合成和野外观测的沙丘数据的检验，该方法能够准确而客观地获取区域特征床面形态的脊线方位和床面形态个体的形态参数（脊和谷位置、波长、波高、不对称性、陡坡坡度等），尤其针对复合床面形态中不同尺度床面形态的分析。通过一个改进的二维傅里叶床面形态分析程序，自动确定目标波长，实现了床面形态分析方法的自动化。（2）黄海的潮流脊体系（江苏潮流脊和朝鲜湾潮流脊）发育于宽阔的近岸浅海或者河口湾中，由几十米深的陆架向浅水岸边延伸，而欧洲北海南部的潮流脊体系（Norfolk 潮流脊和 Dutch 潮流脊）位于开阔的陆架海，海床相对平坦。潮流脊形态及其空间变化的差异主要与其发育基底的地形差异有关。北海南部潮流脊上发育由特大型沙丘（一级沙丘，波长~200 m）和中大型沙丘（二级沙丘，波长~10 m）叠置的复合沙丘，而江苏潮流脊上仅发育大型沙丘（波长~20 m）。北海南部潮流脊上，一级沙丘脊线两侧的二级沙丘的不对称性相反，指示两侧二级沙丘均向一级沙丘脊线移动，与特大型沙丘的垂向环流理论一致，说明虽然垂向环流不是潮流脊宏观形态形成的必要条件，但对潮流脊上的复合床面形态（一、二级沙丘）的形成演化具有重要作用。四个潮流脊体系的脊间距与水深呈正比，与 Huthnance 潮流脊理论模型（1982a）预测结果一致。黄海潮流脊的脊间距与水深的比值更大，可能是因为较小的沙丘尺度导致拖曳系数较小。江苏潮流脊区域拖曳系数很小，可能是高悬沙浓度背景下垂向沉积物分层导致的减阻效应。北海南部潮流脊不对称性的统计结果和脊线弯曲模式，证明了潮流脊不对称性能够指示潮流脊迁移。大多数潮流脊无法达到均衡态限制高度，即最大水深的 60%。黄海的近岸潮流脊具有更大的脊生长率，甚至可以露出平均海平面。这可能由于沿岸海床坡度加剧了潮流脊的向岸生长，以及浅水区域较小的风浪作用。（3）江苏如东岸外潮流脊的潮余流在潮流脊上顺时针旋转，南坡和北坡分别向西和向东。潮流不对称性，和潮余流类似，南坡涨潮（向西）优势，北坡落潮（向东）优势。砂质沉积物净输运呈顺时针方向环绕沙脊。基于观测数据的理论分析显示，在沙脊两侧区域，相比潮流不对称性，较大的潮余流是砂质沉积物净输运的主要原因，沿脊方向的潮余流是沉积物向脊输运的关键因素。在脊顶位置，余流较小，砂质沉积物净输运主要受潮流不对称性的影响。砂质沉积物净输运结果以沿脊方向为主，而粒径趋势分析结果以向脊输运为主。这说明粒径趋势分析是沉积物净输运梯度的结果，表明江苏潮流脊向陡坡方向迁移。江苏潮流脊现代形态特征和沉积物输运结构，与观测的北海南部潮流脊和模拟的潮流脊结果一致，符合开阔陆架沙脊分类特征和潮流脊底床稳定性分析理论（Huthnance, 1982a）。

8.2 主要创新点（1）创建了新的床面形态分析方法。通过改进二维傅里叶床面形态分析程序，实现了目标波长的自动确定，形成了自动化的床面形态分析方法。（2）揭示了黄海潮流脊形态符合 Huthnance 理论。四个潮流脊体系的脊间距与水深均呈正比，与 Huthnance 潮流脊理论模型预测结果一致。但是黄海的两个潮流脊的脊间距与水深的比值更大。相比北海，沙丘尺度小和高悬沙浓度（及其层化），导致了黄海潮流脊区域具有较小的海底拖曳系数。（3）根据潮流脊形态和沉积物输运结构，揭示了江苏潮流脊形态维持和演化符合 Huthnance 理论。通过野外观测和砂质沉积物净输运解析法，确认了沿潮流脊方向的潮余流是砂质沉积物净输运循环的关键因素，潮汐不对称性仅在沿脊方向余流较小的潮流脊脊部占主导作用。8.3 研究不足与展望

（1）本文提出的床面形态分析方法结合了众多谱分析方法，导致计算效率不高，对大范围床面形态数据分析耗时较多。下一步可简化方法程序，提高计算效率，改进方法细节，以适用于各类韵律型地貌形态的分析。（2）在黄海的潮流脊体系（江苏潮流脊和朝鲜湾潮流脊）和欧洲北海南部的潮流脊体系（Norfolk 潮流脊和 Dutch 潮流脊）形态对比研究中，缺乏潮流脊上潮流特征对比，可进一步进行潮流脊区域的潮流模拟工作，完善潮流脊形态研究。（3）不同来源的水深数据具有不同的空间分辨率，对床面形态形态分析的结果对比具有一定影响。两个水下沙丘实测数据集均采用多波束测深数据，江苏近岸沙丘数据的水平空间分辨率为 0.5 m，多佛海峡沙丘数据的水平空间分辨率为 1 m。由于区域内的沙丘波长均大于 8 m，江苏近岸数据集的空间分辨率完全满足沙丘形态分析要求。多佛海峡数据集的分辨率，基本满足波长约 200 m 的一级沙丘和波长约 10 m 的二级沙丘的形态分析要求，但是对波长较小的二级沙丘的背流坡角度计算有一定影响。黄海和北海的潮流脊水深数据分别采用了 1:50万的航海图资料和 EMODnet DTM。为了减少不同来源数据分辨率的影响，对两个海区的数据进行再插值，统一形成水平空间分辨率为 500 m 的 DTM，以基本满足潮流脊形态分析的要求。但是对脊间距较小的潮流脊的背流坡坡度计算有一定影响。EMODnet DTM 的水平空间分辨率更高，约为 115 m，但是仍然不能满足潮流脊上波长约为 200 m 的一级沙丘的形态分析要求。而航海图的水平空间分辨率更低，根本无法直接进行潮流脊上沙丘的形态分析。随着测深技术的发展和数据共享的进步，期望未来可以使用覆盖整个潮流脊区域的高分辨率的多波束测深数据进行潮流脊和水下沙丘形态分析研究。（4）江苏潮流脊系统南北部的潮流脊形态和历史成因不同，江苏如东岸外潮流脊形态和沉积物输运结构研究，能否代表所有江苏潮流脊，仍需进一步以南部和北部的典型潮流脊为研究对象作观测研究。而江苏如东岸外潮流脊形态特征和沉积物输运结构，符合以欧洲北海南部开阔陆架沙脊形态发展的潮流脊底床稳定性分析理论（Huthnance, 1982a）。以 Huthnance 潮流脊模型为基础，结合非线性模型，可进一步研究黄海潮流脊的形成和演化。（5）江苏潮流脊悬沙观测结果显示悬沙中砂质沉积物只占很小的一部分，而大部分是泥质沉积物。江苏潮流脊和 Dutch 潮流脊的脊间的槽道中存在泥质沉积物，这些泥质沉积物与悬沙输运是否存在联系？悬沙中的泥质沉积物的输运结构如何？这些泥质沉积物对全部是砂质沉积物的潮流脊的形态和演化是否有影响？需要进一步对潮流脊的脊、槽形态和水文野外观测及理论模型开展研究。

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