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热带海洋学报 >

2024 , Vol. 43 >Issue 4: 33 - 41

DOI: https://doi.org/10.11978/2023133

综述

生物碎屑砂运动特性研究进展

  • 陈杰 , 1, 2, 3 ,
  • 边城 1 ,
  • 蒋昌波 1, 2, 3 ,
  • 姚震 1 ,
  • 蒋超 1 ,
  • 梁海 1
展开
  • 1.长沙理工大学水利与环境工程学院, 湖南 长沙 410114
  • 2.洞庭湖水环境治理与生态修复湖南省重点实验室, 湖南 长沙 410114
  • 3.水沙科学与水灾害防治湖南省重点实验室, 湖南 长沙 410114
陈杰。email:

陈杰(1982-), 男, 教授, 博士, 主要从事海岸水沙动力过程及其数值模拟研究。email:

Copy editor: 孙翠慈

收稿日期: 2023-09-14

  修回日期: 2023-10-07

  网络出版日期: 2023-10-27

基金资助

国家自然科学基金项目(52271257)

湖南省杰出青年科学基金项目(2022JJ10047)

国家重点研发计划(2021YFB2601100)

收起

Advances in the characterization of bioclastic sediment motion

  • CHEN Jie , 1, 2, 3 ,
  • BIAN Cheng 1 ,
  • JIANG Changbo 1, 2, 3 ,
  • YAO Zhen 1 ,
  • JIANG Chao 1 ,
  • LIANG Hai 1
Expand
  • 1. School of Hydraulic and Environmental Engineering, Changsha University of Science and Technology, Changsha 410114, China
  • 2. Key Laboratory of Dongting Lake Aquatic Eco-Environmental Control and Restoration of Hunan Province, Changsha 410114, China
  • 3. Key Laboratory of Water-Sediment Sciences and Water Disaster Prevention of Hunan Province, Changsha 410114, China
CHEN Jie. email:

Copy editor: SUN Cuici

Received date: 2023-09-14

  Revised date: 2023-10-07

  Online published: 2023-10-27

Supported by

National Natural Science Foundation of China(52271257)

Natural Science Foundation of Hunan Province(2022JJ10047)

National Key Research and Development Program of China(2021YFB2601100)

Fold

摘要

生物碎屑砂是海洋沉积物的重要组成部分, 运动特性是研究其沉积过程的关键。从生物碎屑砂的特性出发, 归纳出形状和内孔隙这2个对泥沙运动产生影响的主要特性。分别从沉降、起动和岸滩演变的实验研究出发, 剖析了生物碎屑砂特性对泥沙运动特性产生的影响。现有研究只探究了形状对单颗粒生物碎屑砂运动的影响, 缺乏对群颗粒运动的探讨。受限于研究手段, 缺少讨论内孔隙特性对生物碎屑砂运动产生的影响。未来应结合海洋水动力条件, 综合考虑生物碎屑砂形状和内孔隙特性, 开展生物碎屑砂运动特性研究, 量化生物碎屑砂特性产生的影响, 将成果运用于实际, 预测生物碎屑沉积环境中的岸滩地貌演变。

关键词： 生物碎屑砂; 生物碎屑砂特性; 泥沙沉降; 泥沙起动; 岸滩演变

本文引用格式

陈杰 , 边城 , 蒋昌波 , 姚震 , 蒋超 , 梁海 . 生物碎屑砂运动特性研究进展[J]. 热带海洋学报, 2024 , 43(4) : 33 -41 . DOI: 10.11978/2023133

Abstract

Bioclastic sediments are an important part of marine sediments, and the motion characteristics are the key to study their depositional process. From the characteristics of bioclastic sediments, we summarize the two main characteristics of shape and internal pore space that affect sediment motion. From the experimental studies of settlement, inception and bank evolution, the influence of bioclastic sand properties on sediment motion characteristics was analyzed. Existing studies have only explored the effect of shape on the motion of single-particle bioclastic sediments and lacked the exploration of the motion of clusters of particles. Due to the limitation of the research tools, the influence of internal pore properties on the motion of bioclastic sediments was not discussed. In the future, we should take into account the shape of bioclastic sediments and internal porosity characteristics in the context of oceanic hydrodynamic conditions to characterize the motion of bioclastic sediments, to quantify the influence of the characteristics of bioclastic sediments, and to apply the results to the practical application in order to predict the evolution of the geomorphology of the shore and beach in the environment of bioclastic sedimentation.

Key words： bioclastic sediments; bioclastic sediment characterization; sediment settlement; incipient motion of sediment; beach evolution

1 研究背景与意义

生物碎屑砂是海洋沉积系统内部形成的, 由海洋生物遗骸组成的碳酸盐沉积物, 主要成分为CaCO3, 也被称为钙质砂。不同生物组成的生物碎屑砂表现的特性均不相同(de Kruijf et al, 2021)。我国生物碎屑砂主要以覆盖在珊瑚礁地貌上的珊瑚砂为主, 是珊瑚礁礁坪上灰沙岛地貌的重要组成部分(周胜男 等, 2019)。
我国拥有丰富的珊瑚礁资源, 作为重要的海洋地貌特征, 珊瑚岛礁地貌演变规律可以为气候变化、全球变暖、海平面上升等科学研究提供参考依据(姚宇, 2019)。现有研究表明, 近岸地区的岸滩演变主要受到水动力作用下的泥沙运动和泥沙淤积影响(陈杰 等, 2013; 伍志元 等, 2023)。而碳酸盐沉积物环境下, 海岸地貌特征的变化则主要取决于生物碎屑砂的运动特性(孙宗勋, 2000; 周胜男 等, 2020), 研究生物碎屑砂的运动特性是研究珊瑚礁岛礁在内的海洋地貌特征演变的重要基础。
生物碎屑砂的运动特性研究基于泥沙运动力学、颗粒特性分析、水动力学原理等基本概念与方法, 通过学科交叉寻求生物碎屑砂特性对泥沙运动特性的影响机制。相较于传统石英砂研究而言, 更注重于研究生物碎屑砂的颗粒特性以及颗粒特性在不同水动力条件下对泥沙颗粒运动特性产生的影响, 分别在沉降、起动、输运等泥沙运动力学基础研究中分析生物碎屑砂运动特性, 揭示其运动规律并建立数学公式, 并逐步应用到实际情况与海洋地貌演变研究中。

2 生物碎屑砂特性

已有研究表明, 泥沙特性会对泥沙的运动特性产生影响。而生物碎屑砂与石英砂为主的河道泥沙由于沉积环境的差异, 展现了完全不同的泥沙特性。河道泥沙经过长期的河道输运, 其级配大小变为正态分布, 形状呈球形与亚球形, 磨圆度高。与陆源碎屑砂的沉积环境不同, 生物碎屑砂在沉积过程中并未经过长期输运, 因此保留了原生生物骨骼的部分结构, 具有易破碎 (张家铭 等, 2009; 蔡正银 等, 2019; 王伟光 等, 2022)、内部多孔隙 (孙吉主 等, 2002; 陈海洋 等, 2005; 朱长歧 等, 2014)、形状不规则(王步雪岩 等, 2019, 2020; 金智涛 等, 2021)等特点。众多学者针对这些特性进行了大量的研究, 以下从形状不规则与内部多孔隙分别进行总结。

2.1 形状特性

泥沙形状作为泥沙的基本性质之一(Chien et al, 1999; 钱宁 等, 2003), 是泥沙运动与输移预测不准确的重要原因(Deal et al, 2023)。尽管国内外研究一直认为形状会影响泥沙运动特性(Komar et al, 1978; Blott et al, 2008), 但是形状泥沙运动特性的影响很难被量化(Cassel et al, 2021), 粒径大小和密度等其他因素的影响则能够被定量描述(Shields, 1936; Parker et al, 1982)。
生物碎屑砂由于搬运距离有限, 呈现形状极不规则的形状特征。首先需要对生物碎屑砂的不规则形状进行参数采集和形状划分。多数学者选择显微镜和电子显微镜来研究生物碎屑砂形状(Bowman et al, 2001)。吕海波等(2001)通过扫描电镜试验, 观察生物碎屑砂的不规则形状并将颗粒形状定性地分为棒状、枝状、片状、块状, 但没有对不同形状的珊瑚砂颗粒进行定量分析。陈海洋等(2005)在吕海波的研究基础上, 使用常规统计方法和分形理论对生物碎屑砂颗粒的几何形状进行了分析, 利用图像识别技术对电镜图片进行二值化, 分析了不同的生物碎屑砂颗粒形状, 提出长宽比在 1~3 之间的生物碎屑砂颗粒形状是块状和纺锤状, 长宽比均大于 3 的生物碎屑砂颗粒形状是片状、枝状。蒋明镜等(2017)采用扫描电镜对生物碎屑砂的颗粒形状和孔隙率开展了研究, 认为绝大多数的大粒径珊瑚砂颗粒可以通过目测的方法来判断颗粒的形状, 并且把颗粒粒径小于0.25mm的生物碎屑砂颗粒形状都看作为块状, 把颗粒粒径在0.25~0.5mm 的生物碎屑砂颗粒形状分为块状和条状。
但是通过显微镜和电子显微镜来拍摄生物碎屑砂图像存在拍摄时间长、工作量大、精确度低等缺点, 所以部分学者也选择使用其他方法来对珊瑚砂图像和形状参数进行采集(周博 等, 2019; 王步雪岩 等, 2019, 2020; 马登辉 等, 2021), 其中王步雪岩 等(2019, 2020)提出的PartAn系统能够快速、精确地区分生物碎屑砂中枝状、棒状、片状、块状颗粒的新貌特征。各家的形状分类大同小异, 但是没能得到一个公认的生物碎屑砂分类标准, 导致不同的研究难以归纳总结。
形状参数也是研究形状特征的重点之一, 学者们在经典泥沙研究中提出了很多能够量化单颗粒形状特征的参数, 具有代表性的是通过颗粒的长中短轴量化形状特征的Corey形状系数(Corey, 1949)和由等体积球体反推的等容粒径(Wadell, 1932, 1933)。然而基于亚球形的石英砂获得的形状参数是否适用于不规则形状的生物碎屑砂需要进一步探讨。Wang等(2018) 为表征生物碎屑砂颗粒的不规则形状, 提出形状系数ψ, 公式如下:
$ \psi=\frac{\Phi}{X} $
式中: Φ为球度系数; X为倒圆度系数。
ψ系数既考虑生物碎屑砂的球度又考虑倒圆度, 但是ψ系数仅是描述单颗粒生物碎屑砂形状的系数, 目前表征群颗粒生物碎屑砂形状的系数较为缺乏, 仅有Chen等(2022)和Bian等(2023a, b)提出了使用形状中位因子和等容中值粒径来表示群颗粒的形貌特征。然而两者是否能够准确地描述群颗粒的形状需要进行深入探讨。因此基于大量的生物碎屑砂形状参数提出统一的形状分类标准和量化群颗粒形貌特征的系数是生物碎屑砂形状特性的研究重点与难点。

2.2 内孔隙特性

由于生物碎屑砂在沉积过程中缺乏长途搬运, 保留了原生生物骨架中的细小孔隙, 内孔隙虽然未被证明是否会对生物碎屑砂的运动特性产生影响, 但是考虑到泥沙颗粒之间会产生黏结力(龚政 等, 2021), 胞外聚合物黏结力还能够渗透进入泥沙孔隙, 一些学者认为生物碎屑砂的内孔隙会改变黏结力从而对运动特性产生影响。
生物碎屑砂的内孔隙可以分为完全密闭的封闭孔隙和相互贯通的连通孔隙, 连通孔隙与颗粒表面的孔洞相连。目前针对内孔隙特性的研究通过切割将生物碎屑砂内部展示出来, 再通过电子显微镜扫描图像进行分析(陈海洋, 2005; 朱长歧 等, 2014; 蒋明镜 等, 2017)。研究发现粒径2mm以上的颗粒内孔隙比1~2mm的颗粒大, 且颗粒之间的差异大, 生物碎屑砂颗粒的内孔隙中小孔隙数量多, 大孔隙虽然少, 但总体的空间占比更多。受限于目前的研究手段等因素, 生物碎屑砂的内孔隙研究较为缺乏, 现有研究均未能定量表达生物碎屑砂的内孔隙所占空间比例, 更难以定量分析内孔隙在生物碎屑砂运动时产生的影响。

3 生物碎屑砂运动特性实验研究

近年来针对生物碎屑砂的运动特性研究逐渐增多, 主要集中在沉降、起动、岸滩演变三个方面。

3.1 沉降研究

颗粒沉降速度是涉及到沉积学和流体力学的一个基本参数, 它在泥沙重新分布的过程中起着关键的作用。而形状是影响泥沙沉降的重要因素之一(Wu et al, 2006), 现有研究中针对生物碎屑砂沉降研究集中在讨论形状对生物碎屑砂沉降速度的影响, 作为最早的生物碎屑砂沉降速度研究, Smith等(2003) 对夏威夷瓦胡岛998颗生物碎屑砂的沉降速度和阻力系数进行了试验, 得到了每颗生物碎屑砂的沉降速度、轴平均直径、阻力系数、雷诺数和Corey形状系数, 却并未能够将几个参数相结合, 定量的阐述形状给生物碎屑砂沉降过程中的各项系数带来的影响。如表1所示, 学者们分别利用Corey(1949)形状系数和Wang等(2018)形状系数来定量描述形状变化, 探究在不同温度的水(Alcerreca-Huerta et al, 2013; Li et al, 2020; Riazi et al, 2020)、不同黏滞系数的甘油-水溶液(Wang et al, 2018; 吴野 等, 2018; 金智涛 等, 2021)、含盐3.5%的海水(李佳徽, 2021; Chen et al, 2022)和不同黏滞系数的水(蒋超 等, 2023)等液体中, 形状对不同粒径下单颗粒生物碎屑砂沉降速度产生的影响。
表1 现阶段生物碎屑砂沉降特性研究总结

Tab. 1 Summary of the current research on the settlement characteristics of bioclastic sediments

研究学者 试验溶液 生物碎屑砂粒径/mm 形状系数
Smith等(2003) 20℃水 0.279~8.544 /
Alcerreca-Huerta等(2013) 17℃水 0.07~2.00 /
Wang等(2018) 不同黏滞系数的甘油—水溶液 2.9~9.7 Wang形状系数
吴野等(2018) 不同黏滞系数的甘油—水溶液 2.9~9.7 Wadell形状系数
Li等(2020) 24℃水 1~7 Corey形状系数
Riazi等(2020) 20℃水 0.279~8.544 Corey形状系数
李佳徽(2021) 淡水和含盐3.5%盐水 0.5~3 /
金智涛 等(2021) 分别在体积分数为33%的甘油溶液和水中 0.1~1 动力形状因子
Chen等(2022) 淡水和含盐3.5%盐水 0.5~5 Corey形状系数
蒋超等(2023)和陈杰等(2024) 不同黏滞系数的水 0.5~5 Corey形状系数和Wang形状系数
Slootman等(2023) 15~17℃水与浊流 0.001~2.36 Corey形状系数
近期蒋超等(2023)选取柱状生物碎屑砂进行单颗粒沉降试验, 通过分析不同的等效粒径和形状系数对柱状生物碎屑砂沉降速度的影响, 发现柱状生物碎屑砂的沉降速度与等容粒径和Corey形状系数密切相关, 并提出了适用于计算柱状生物碎屑砂沉降速度和拖曳力系数的经验公式, 公式如下:
$ w^{2}=0.946 \frac{\left(\rho_{\mathrm{s}}-\rho\right) g}{\rho C_{\mathrm{d}}} S_{\mathrm{f}}^{0.428} D_{v} $
$ C_{\mathrm{d}}=\left(\frac{-108 \times v}{D_{v}^{1.5} \times g^{0.5}}+2.39\right)^{-11.60}+\left(\frac{-74.5 \times v}{D_{v}^{1.5} \times g^{0.5}}+1.03\right)^{0.601} $
式中: w为颗粒沉降速度; ρs为颗粒密度; ρ为流体密度; Cd为流体阻力系数; Sf为Corey形状系数; Dv是等容粒径; ν为流体的运动黏滞度; g为重力加速度。
陈杰等(2024)则针对枝棒状、片状和块状这三种形状的生物碎屑砂, 通过形状实验建立了以下公式:
枝棒状生物碎屑砂公式:
$ \frac{V}{A_{\mathrm{p}}}=0.801 \frac{2}{3} \Psi^{0.777} d_{n}, w=\sqrt{1.068 \frac{\left(\rho_{\mathrm{s}}-\rho\right) g}{\rho C_{\mathrm{d}}} \Psi^{0.777} d_{n}} $
片状生物碎屑砂公式:
$ \lg W_{*}=0.662 \times \lg D_{*}+0.596 \times \lg S_{\mathrm{f}}-0.240 $
块状生物碎屑砂公式:
$ \frac{V}{A_{\mathrm{p}}}=0.650 \frac{2}{3} S_{\mathrm{f}}^{0.482} d_{n}, w=\sqrt{0.867 \frac{\left(\rho_{\mathrm{s}}-\rho\right) g}{\rho C_{\mathrm{d}}} S_{\mathrm{f}}^{0.482} d_{n}} $
式中: V为颗粒体积; Ap为颗粒下落时的垂直投影面积; dn为颗粒粒径; W*为无量纲沉速; D*为无量纲粒径, ψ为Wang形状系数。对于枝棒状珊瑚砂颗粒, 推导了V/Ap跟dn和Sf的函数关系, 得到了简单精确的沉降速度计算公式。
公式分别定量描述了不同形状对生物碎屑砂沉降过程的影响。对于片状珊瑚砂颗粒, 将无量纲参数W*、D*和Sf联系起来, 建立了适用性较好的阻力系数和沉降速度计算公式, 该公式可进一步推广至贝壳碎片的沉降特性研究。对于块状珊瑚砂颗粒, 将w、Cd和Sf联系起来, 通过非线性回归拟合修正经验系数, 提高了阻力系数和沉降速度计算公式的准确度。
已有研究表明不同形状的生物碎屑砂会对沉降速度有所影响, 但现有研究没有对生物碎屑砂的颗粒形状做细分研究, 部分学者虽然考虑了颗粒形状影响, 但研究的深度有限, 未考虑到颗粒形状的量化程度不同, 得到的公式不适用于形状分类后的生物碎屑砂颗粒沉速计算。形状的差异会直接影响形状系数的选用, 但目前可供参考的生物碎屑砂沉降特性的数据和经验公式少之又少。且目前学者们聚焦于讨论形状影响下的生物碎屑砂沉降规律, 针对内孔隙影响的研究仍处于初步阶段, 是研究生物碎屑砂沉降特性的难点之一。此外沉降研究应进一步拓展至生物碎屑砂粒子团的运动规律研究, 深入探讨生物碎屑砂特性对水体中的粒子团扩散过程产生的影响。

3.2 起动研究

泥沙起动问题是泥沙运动力学方面的基本问题之一, 但是过去的研究均聚焦于以石英砂为代表的河道泥沙起动问题, 生物碎屑砂的起动特性相关研究较少。
如表2所示, 学者们针对不同区域不同种类的生物碎屑砂进行了大量的运动特性研究, 结果表明不同区域不同种类的生物碎屑砂运动特性存在差异, 但只是对比与讨论了生物碎屑砂Shields数, 发现了生物碎屑砂起动阈值与石英砂阈值并不相同, 却未能总结得到一个适用于计算生物碎屑砂起动阈值的成果, 且各家研究并未说明起动标准, 起动标准的不同可能对起动阈值带来影响。
表2 现阶段生物碎屑砂起动特性研究总结

Tab. 2 Summary of the current research on the incipient motion characteristics of bioclastic sediment

研究学者 实验样品 样品获取区域 粒径/mm 水动力条件
Prager等(1996) 生物碎屑砂 巴哈马群岛 0.5~1.1 单向流
Paphitis等(2002) 凤尾贝和贻贝碎片 / 0.33~0.78 单向流
Smith等(2004) 生物碎屑砂 夏威夷瓦胡岛 0.2~1.13 单向流
曾成杰(2009) 生物碎屑砂 中国南海 0.52~0.92 水流、波浪、波流结合
Joshi等(2017) 生物碎屑砂 爱尔兰西部高威湾 2.0~7.8 单向流
Rieux等(2019) 贝壳碎片 法国圣米歇尔湾 0.715~4.075 单向流
Fick等(2020) 双壳类和腹足类贝壳 巴西圣卡塔琳娜州海岸 2.0~15.9 振荡流
Bian等(2023a, b) 生物碎屑砂 中国南海 0.58~4.5 单向流、振荡流
近期Bian等(2023a, b)分别研究了生物碎屑砂在单向流和振荡流作用下的起动特性, 根据实验现象观察, 发现相同粒径情况下, 形状改变了细颗粒生物碎屑砂的受力面积, 使得细颗粒生物碎屑砂相较于石英砂更容易起动, 而粒径较大的生物碎屑砂形状高度的不规则, 沉积时会产生颗粒与颗粒之间的交错, 沉积状态更加的稳定, 导致起动阈值与石英砂相近。结合大量的实验数据改进经典泥沙起动成果, 提出了适用于生物碎屑砂的Shields曲线带, 其界限由以下公式定义, 公式如下:
下限:
$ \theta_{\mathrm{ct}}=\frac{0.136}{1+R e_{*}}+0.0325\left(1-1.353 e^{-0.039 R e_{*}}\right) $
上限:
$ \theta_{\mathrm{cr}}=\frac{0.223}{1.462+R e_{*}}+0.0451\left(1-1.353 e^{-0.039 R e_{*}}\right) $
式中: θcr为希尔兹数, Re*为颗粒雷诺数。
同时分别提出了适用于单向流作用下和振荡流作用下的生物碎屑砂起动流速公式。
单向流作用下的起动流速公式:
$ U_{\mathrm{c}}=0.863\left(S f_{50}\right)^{-0.937} \sqrt{\frac{\left(\rho_{\mathrm{s}}-\rho\right)}{\rho} g D}\left(\frac{h}{D}\right)^{0.114} $
振荡流作用下的起动流速公式:
$ \begin{aligned} u_{\mathrm{m}}= & (0.081)^{4 / 7} \pi^{3 / 7}[g(s-1)]^{4 / 7} D^{3 / 7} T^{1 / 7} S f_{50}^{0.206}, \\ & D>0.5 \mathrm{~mm} \end{aligned} $
式中, Uc为单向流作用下的起动流速; Sf50为形状中位因子; D为筛分中值粒径; h为水深; um为振荡流作用下的起动流速; s为比重; T为振荡流周期。并在分析时发现使用等容粒径无法在计算Shields参数中体现形状带来的影响, 反而导致了Shields曲线发生了更明显的偏移, 说明等容粒径不适用于计算Shields参数。
以上公式有助于研究生物碎屑砂的输运过程以及形状在泥沙起动过程中的影响, 为实际工程提供参考。然而经验公式存在适用性较低的问题, 仍需较为全面的研究与验证。目前研究生物碎屑砂运动特性均集中在探讨形状带来的影响, 有关内孔隙带来的黏结力的改变应是未来的研究重点和难点。

3.3 岸滩演变研究

生物碎屑砂的运动特性影响其沉积过程以及海洋地貌形成机制。热带海洋环境中, 生物碎屑砂堆积形成的地形最具研究价值的是珊瑚岛礁, 其通常以沙洲和砂岛两种类型存在。沙洲和砂岛的演变与岛礁地貌上的岸滩演变息息相关, 具有重要的研究价值。目前对珊瑚岛的岸滩演变研究主要可以分为: 现场调查(曾昭璇 等, 1985; 吕炳全 等, 1987; Kench et al, 2008, 2014a, b; Costa et al, 2017, 2019; 王雪木 等, 2018; Nunn et al, 2019; 周胜男 等, 2019; Liang et al, 2020; Kane et al, 2020)、遥感影像研究(Webb et al, 2010; Kayanne et al, 2016; Zhu et al, 2016; Aslam et al, 2017; 周胜男 等, 2020)、物理模型实验(宇多高明 等, 1992; Uda et al, 1995; Kobayashi et al, 2008; 曾成杰, 2009; Mandlier et al, 2012; Weill et al, 2013; Fick et al, 2021)和数值模拟(Masselink et al, 2020; Ye et al, 2021)研究等。
现场调查研究可以很准确地研究出砂岛的形成和演变机理, 有效地达到研究目的, 但是现场调查研究需要花费大量的精力和财力; 遥感影像研究可以良好地展示近几十年, 珊瑚岛屿海岸线发生的显著变化, 探究生物碎屑砂质岸滩出现的不同程度的侵蚀现象, 证明遥感影像研究可以说明岸滩演变的趋势, 但是不能预测演变的结果, 无法定量描述演变的规律, 从而无法为岸滩侵蚀的防护提供较好的依据, 因而进行可控条件下的物理模型实验和数值模拟研究仍是研究生物碎屑砂岸滩演变的最优手段。如表3所示, 早期日本学者采取波浪水槽实验研究生物碎屑砂岸滩剖面较多, 近年来随着海平面上升、台风风暴潮灾害等研究的兴起, 极端条件下的生物碎屑砂岸滩演变研究以及生物碎屑砂岸滩防护逐渐受到关注。
表3 现阶段生物碎屑岸滩物理模型实验研究总结

Tab. 3 Summary of the current experimental research on physical modeling of bioclastic beaches

研究学者 实验样品 水动力变化参数 研究重点
宇多高明 等(1992) 生物碎屑砂 水深、波浪参数 海平面上升对珊瑚岛形成机制的影响
Uda等(1995) 生物碎屑砂 水深、波浪参数 提出预测珊瑚砂岛剖面变化的模型
Kobayashi等(2008) 生物碎屑砂 波浪参数 不同尺寸的砂岛在波浪作用下的平衡岸滩形态形成规律
曾成杰(2009) 生物碎屑砂 水深、波浪参数 潮汐作用下的生物碎屑砂输运
Weill等(2013) 生物碎屑砂 水深 生物碎屑砂形状对于海滩和冲淤区泥沙分层中的作用
Masselink等(2020) 生物碎屑砂 水深、波浪参数 海平面上升影响下的生物碎屑砂岛剖面演变规律
Fick等(2021) 贝壳碎片 波浪参数 生物碎屑砂与石英砂岸滩在滩脊形态演化中的区别
YAO(2024) 生物碎屑砂 波浪参数 岸滩剖面演变与平衡岸滩
近期梁海(2023)按比尺还原珊瑚砂岛, 研究珊瑚砂岛在波浪影响下的演变规律, 通过岸滩形态对比发现生物碎屑砂质岸滩中沙坝离岸距离比石英砂质岸滩沙坝离岸距离更远, 且沙槽的侵蚀深度更深, 由此判断石英砂质岸滩判别公式无法准确判断生物碎屑砂质岸滩的剖面形态, 通过修正 Sunamura等(1975)判别式, 得到适用于珊瑚砂质岸滩剖面类型分类的判别式。
$ \left(H_{0} / L_{0}\right)^{-0.67}(\tan \beta)^{0.27}>7.35 \text { 侵蚀型 } $
$ 5.05<\left(H_{0} / L_{0}\right)\left(D / L_{0}\right)^{-0.67}(\tan \beta)^{0.27}<7.35 \text { 过渡型 } $
$ \left(H_{0} / L_{0}\right)\left(D / L_{0}\right)^{-0.67}(\tan \beta)<5.05 \text { 淤积型 } $
式中: H0为波高, L0为波长, D为筛分中值粒径, β为岸滩坡度。
生物碎屑砂岸滩演变研究均与生物碎屑砂的运动特性密切相关, 全面开展和完善生物碎屑砂的运动特性研究, 对防治生物碎屑砂流失、海洋岛屿的开发与保护、海岸防灾减灾和生态保护修复具有重要的意义。

4 总结与展望

现有工作对于研究生物碎屑砂特性以及对运动特性产生的影响具有重要贡献, 可以为未来工作中的理论分析和数值模拟方法等方面提供借鉴和参考。但现有研究还处于起步阶段, 无法应用于复杂的海洋动力条件中。应从生物碎屑砂特性相互关联、水沙相互作用和复杂海洋条件下的地貌塑造等多过程角度, 进一步探究生物碎屑砂特性影响下的生物碎屑砂沉积过程和岸滩演变规律。未来研究可以从以下四个方面进行:
(1)深入探讨生物碎屑砂的三维形状特性, 并与内孔隙相关联, 以达到定量描述生物碎屑砂内孔隙的目的。
(2)分析并总结生物碎屑砂特性对泥沙运动产生的影响, 构建生物碎屑砂特性影响下的输运模型。
(3)目前生物碎屑岸滩演变实验研究还较为缺乏, 且仅仅与沉降速度相关联, 仍需开展大量研究探讨岸滩演变规律, 最终探讨海洋地貌上的水沙相互作用, 建立相关模型。
(4)综合考虑海洋水动力条件、生物扰动、内孔隙影响、波浪随机性及非线性、极端条件等因素是今后研究生物碎屑砂运动特性的重点突破方向。

参考文献

原文顺序 | 文献年度倒序 | 文中引用次数倒序
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