黑泥湾海域沉降颗粒物通量及其影响因子研究_博士学位论文

1、博士学位论文黑泥湾海域沉降颗粒物通量及其影响因子研究 原创性声明本人郑重声明：所呈交的学位论文是在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明的法律责任人由本人承担。论文作者签名： 日期：学位论文版权使用授权书本人完全了解中国科学院海洋研究所有关保留、使用学位论文的规定，同意海洋研究所保留并向国家有关部门或机构送交学位论文的复印件和电子版，允许学位论文被查阅和借阅。本人授权中国科学院海洋研究所可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行

2、检索，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存、汇编本学位论文。（保密论文在解密后适用本授权书）学位论文作者签字： 签字日期：导师签字： 签字日期：第一章 引言15 Study on Settling Particulate Matter Flux and Impact Factors in Harny Bay ByXiao LiuA Dissertation Submitted toGraduate University of Chinese Academy of SciencesIn partial fulfillment of the requirementFor the degree of

3、Doctor of PhilosophyINSTITUTE OF OCEANOLOGYCHINESE ACADEMY OF SCIENCESMay, 2012致谢三年的博士学习生活即将结束，回想在中科院海洋所的学习生活，一幕幕如温馨熟悉的画面如发生在昨天，令我心中充满感慨与留恋！首先感谢我的导师黄海军研究员。本论文是在黄老师的悉心指导下完成的，从毕业论文选题、实验设计到结果分析讨论等各方面，黄老师倾注了大量心血，为我确定论文思路，制定研究计划，帮我联系收集数据，特别是在外业实验中为我提供了最好的研究条件。在我失去信心的时候与我共同探讨解决问题的方法，鼓励我坚持下去。黄老师的谆谆教导，必将伴随我

4、一生，成为我的一笔精神财富，时时鼓励我不畏艰难，勇敢前进。感谢秦蕴珊先生、李铁刚研究员、吴时国研究员、阎军研究员、李安春研究员、曾志刚研究员、于心科研究员、常凤鸣博士在本论文选题、实验等方面给予的指导。李安春研究员对本文中动力沉积环境分析思路方面提出了宝贵建议，在此再次表示感谢。感谢王国秀老师，他有丰富的野外工作经验，实验设计与安排，仪器投放与回收，都融入了他的智慧和辛苦劳动。感谢王珍岩博士，指导我进行实验样品的分析，同时对我的实验方案提出了宝贵意见。感谢生态室的周毅老师，给我提供了沉积物捕获器原型，并帮我设计了采样方案。感谢我的师兄严立文博士，本文的许多工作都是在他前期成果的基础上深入开展的

5、，同时他对论文的撰写提出了宝贵意见。感谢我的师姐马立杰博士、刘艳霞博士，他们对我的研究进行了大量指导，使我受益匪浅。感谢刘长华博士，参与了时间系列沉积物捕获器投放、回收方案的设计，并且实地帮助完成投放、回收仪器的工作，以及帮助整理浮标站位观测数据。感谢王红丽老师在粒度测试过程中给予的帮助。感谢周晓静博士、卢健博士、郑旭峰硕士帮助测定烧失量数据。感谢我的舍友翟方国博士、以及环流室的冯兴如博士在物理海洋研究方面给予的技术支持。感谢中科院海洋所能力办，提供了本研究中使用的浮标观测数据（来自于中国近海海洋观测研究网络荣成楮岛海洋观测研究站7号浮标）。感谢国家海洋局第一海洋研究所的胡泽建研究员，为本研究

6、提供了多船同步测流数据。感谢同实验室的付佳、刘勇、杨曦光、张金芝、祁雅丽、尹超以及已经毕业的刘桂卫、孔梅、毕海波、李振等同学对我的支持和诸多帮助。感谢地质室的各位老师和同学！衷心感谢我的家人。三年来他们的理解、支持和鼓励是我努力学习、踏实工作的最大动力。论文工作得到国家自然科学基金项目“浅海大规模海带养殖活动对沉积环境的影响研究”和海岛公益性项目“遥感技术在海岛规划编制中的利用”的资助。作者 2012年4月摘 要海水中的悬浮体是重金属、营养盐等不同物质赋存的主要形态，其在近岸环境下的迁移、转化过程是认识陆海相互作用的核心问题。相对于研究较广泛的悬浮体空间格局和平面迁移扩散机制而言，近岸悬浮体垂

7、向通量过程更为复杂，尤其对近岸沉降颗粒物（SPM）的垂向通量和影响因素的分析往往受到仪器设备等观测条件的限制，以往的研究尚较少涉及。作为海水-表层沉积物界面物质、能量交换的载体和影响沉积作用的重要过程参量，SPM对浅海区域动力沉积过程、营养盐循环以及岸滩、海底地形地貌的发育演化过程都具有重要意义。目前在我国近岸海域广泛分布的筏式海带养殖对悬浮体浓度、悬浮泥沙来源、悬浮泥沙输运方式、颗粒物沉降特性可能产生较大的影响。从水动力条件上，大量养殖筏架及海带生物体在海面形成新的上边界层，阻碍了外侧海域波浪能量向近岸的传输，同时消减了海带养殖区内海流流速。在这一动力条件干扰变异的前提下，养殖海域的动力沉积

8、过程尤其是SPM的垂向通量过程如何适应是值得关注的问题。已有的研究多在自然状态下海域进行，而人类活动干预下的近岸海域动力沉积过程研究尚处于起步阶段。本论文以黑泥湾内大规模筏式海带养殖海域为研究对象，研究沉降颗粒物受到筏式海带养殖干扰产生的变异。相关研究成果将为人类活动影响下的近岸物质通量过程研究提供借鉴。大风浪天气对近岸海域沉积环境产生突变性的影响，是改变岸滩、海底地形地貌的重要外力条件。在台风干扰的变异作用下，近岸动力沉积过程尤其是SPM的垂向通量过程如何适应对科学研究与工程实践都具有重要意义。台风过程中动力沉积环境研究，受观测条件和事件突发性限制，国内外较少开展。本研究中观测到一次大型台风

9、天气事件对该海域沉积环境产生影响的全过程，以该观测数据为基础，探讨SPM对台风天气的响应，并基于水动力环境变化对其形成机理进行分析，其研究成果可以为揭示极端天气下动力沉积环境变异提供有益的参考。本研究对黑泥湾养殖区内、外两个站位2007年47月同步观测的波浪数据进行对比，使用海带养殖季节（冬季）和非养殖季节（夏季）养殖区内、外多船定点同步连续观测调查资料，分析了筏式海带养殖对波浪的消减作用、对流场空间格局的改变及对悬沙分布运移模式的影响。另外，通过3组自制沉积物捕获器春秋季节采集的两次取样，对养殖区域内不同位置、不同深度水层的沉降颗粒物样品进行了收集，并进行通量计算和有机组分含量、粒度分布等参

10、数测定，对其空间分布及季节变化情况进行了系统分析。并从水动力、颗粒物质来源角度对形成该沉降颗粒物空间分布格局的原因进行分析，揭示了筏式海带养殖通过改变水动力场及物源条件，影响养殖区内沉积环境的规律。运用大型时间系列沉积物捕捉器，收集了2011年台风“梅花”期间沉降颗粒物样品并进行测试，结合观测到的气象、水文要素资料，分析2011年“梅花”台风过程对动力沉积环境的影响，及台风过程中黑泥湾海域沉降颗粒物通量变化。通过上述研究，揭示了黑泥湾海域沉降颗粒物的性质及特点，包括水平及垂直空间分布、季节变化、物质来源、粒度组成、对大规模筏式海带养殖的响应、以及大风浪条件的响应等。通过本研究，对近岸海域动力沉

11、积环境及其影响因子取得了一些新的认识，丰富了陆海相互作用过程和现代沉积动力学理论，对海洋开发和工程实践也具有重要的科学意义。关键词：沉降颗粒物 沉积环境 沉积物捕获器 筏式养殖区 黑泥湾Study on Settling Particulate Matter Flux and Impact Factors in Harny BayAbstractLiu Xiao（Environmental Science）Directed by Prof. Huang HaijunSuspended substance in the sea is the main form of heavy metals,

12、nutrients and other substances. The process of its migration and transformation in the nearshore environment is the key to understand theinteraction betweenland and sea. Researches on the distribution and spreading mechanism of suspended substance in the horizontal space are widely carried out, and

13、in comparison the suspended substance vertical flux nearshore is more complex and seldom studied. The analysis on settling particulate matter (SPM) vertical flux nearshore and its influencing factors are limited by the instruments and other observation conditions. SPM is of great importance to the d

14、ynamics sedimentary process in the shallow sea, nutrientcycle and the development process of submarine morphology and seafloor relief. Therefore,to carry outobservationandresearch on SPMis necessary Nowadays the widely distributed raft cultivation of sea kelp in costal water area may have changed th

15、e pattern of suspended substance concentration, suspended sand source, suspend sand transportation and SPM characteristics. Widely distributed rafts and sea kelp hinder the waves from the outer sea from broadcast to the seashore, form a new up boundary layer at the sea surface, and decrease the curr

16、ent speed in the cultivation area. With this change of hydrodynamic condition, the dynamic sedimentary process, especially SPM vertical flux process is in great need of research. Research on this topic is mostly done in the ocean of its natural state, and the study on nearshore dynamic sedimentary p

17、rocess with human disturbance is just in its infancy. In this paper, raft based sea kelp cultivation area is selected as the study object, difference between the dynamic sedimentary environment in and out of the cultivation area is studied, the modification process of the bay influenced by culture o

18、f sea kelp is researched. The related interaction mechanism and other research results will provide useful references to the study on nearshore matter flux procedure research with the interferance of human activities.Gale and surge will affect near shore sedimentation dramatically, and they are very

19、 important outer factors to change the seaboard and seafloor relief. Yellow sea is less affected by typhoon weather, but the typhoon process is an important external condition to the change and development process of the bank and seabed topography. With the interruption of typhoon, changes of nearsh

20、ore dynamic sedimentary process, especially SPM vertical flux process, are of great importance to scientific research and ocean engineering. Seldom research is carried out on dynamic sedimentary process in time of typhoon because of terrible observation condition and the suddenness of the event. In

21、this study, one typhoon process and its impacts on dynamic sedimentary condition are recorded. With this observed data, the change of SPM in typhoon process is studied, and related analysis is carried out based on the hydrodynamic environment. The research result will provide reference to the study

22、of dynamic sedimentary process in extreme weather condition In this study, data from two observation station in and out of raft culture area of sea kelp from April to July in 2007 are compared. Other data observed synchronous on different ships, which covered in and out of the raft cultivation area

23、of sea kelp in summer and winter, is used. With these data, the wave decrease function and other functions on the distribution of ocean currents and suspended sand transportation from culture of sea kelp are studied. In addition, three groups of self-made sediment traps collected samples in spring a

24、nd autumn separately, and got SPM samples in different locations and depths in the raft cultivation area. The flux, loss of ignition (LOI), grain size parameters are analyzed to see the changes among seasons and locations. And the reasons of the distribution layout are explained from the viewpoint o

25、f hydrodynamic environment and suspend sand matter source. Then，the mechanism is revealed on how raft cultivation affected hydrodynamics environment and matter source, and then affected sedimentary environment. Time series sediment trap is used to collect SPM during the process of typhoon Muifa. Win

26、d, wave data collected near the study area is used to analyze the process of hydrodynamic condition being affected by the passing typhoon. At the end, we explained the reason why and how SPM changed when typhoon Muifa passed by.With these studies, the nature and characteristics of SPM in Harny Bay a

27、re revealed, including flux, spatial distribution, seasonal changes, matter source, grain size distribution, impacts from sea kelp cultivation, and impacts from gale and surge. This study revealed the mechanism of near shore dynamic sedimentation and its influencing factors. It enriches the theories

28、 on sea-land interaction and modern dynamic sedimentation, and is of great scientific significance to ocean development and ocean engineering.Key Words：settling particulate matter，sedimentary environment，sediment tray，suspended cultivation area， Harny bay 目 录致谢i第一章 引言11.1 研究背景和意义11.2 研究现状31.2.1 SPM研

29、究的历史与应用31.2.2 筏式养殖对水动力环境及SPM的影响51.2.3 SPM对风暴天气的响应71.3 沉积物捕获器的应用研究81.4 研究思路与方法121.4.1 研究区的选择121.4.2 研究思路131.4.3 研究方法15第二章 区域背景172.1 研究区简介172.2 地形与地貌182.3 海洋动力条件192.4 动力沉积环境21第三章 筏式养殖对动力环境的影响243.1 研究材料243.1.1 定点连续观测资料243.1.2 多船同步水文观测资料273.2 研究区筏式养殖分布范围313.2.1 黑泥湾海域主要地物光谱及纹理特征313.2.2 养殖区自动提取333.2.3 黑泥湾

30、海域筏式养殖区分布范围353.3 波浪对筏式养殖的响应373.3.1 波高及周期的季节分布373.3.2 养殖区内外波高数据对比383.4海流对筏式养殖的响应403.4.1 实测海流分析403.4.2 余流分析443.5筏式养殖对悬沙分布的影响473.5.1 悬沙时空分布特征473.5.2 全潮单宽输沙量的计算503.6 结论54第四章 筏式养殖区SPM变异分析564.1 研究材料与方法564.1.1 数据采集方案564.1.2 现场数据采集584.1.3 数据分析604.2 沉降颗粒物通量614.3 有机组分含量634.4 粒度分布特征664.5 样品参数的同步变化694.6 不同历史时期沉

31、积环境演变704.6.1 不同时期海底地形冲淤情况的差异714.6.2 筏式养殖对沉积环境影响的验证724.7 结论73第五章 台风干预下的SPM动态变化765.1 研究材料与方法765.1.1 台风“梅花”概况765.1.2 时间系列沉积物捕获器观测785.1.3 海洋及气象观测资料795.1.4 根据温深仪记录推测波浪变化趋势805.2 水动力条件变化过程825.2.1 波浪参数对台风的响应825.2.2 海底切应力及浊度的变化855.3 SPM动态变化及其机制895.3.1 浊度影响SPM的机理895.3.2 沉降颗粒物通量905.3.3 沉降颗粒物粒度参数915.3.4 有机组分含量9

32、45.4 台风过程中SPM各参数协同变化955.5 台风影响阶段的划分975.6 结论98第六章 结论与讨论1016.1 结论1016.2 主要创新点1026.3 存在的问题与下一步的工作设想102参考文献错误！未定义书签。攻读博士期间发表的论文112第一章 引言1.1 研究背景和意义近岸海域沉降颗粒物（Settling Particulate Matter，SPM）通常认为主要由物源条件、水动力条件决定（Balls, 1990；Algan et al., 1999；Wu et al., 1999； 王丕波等，2005）。在没有外来河流注入的情况下，近岸区域海水中的悬浮体，其物质来源主要由水动

33、力场导致的沉积再悬浮及泥沙输运决定，故水动力环境对颗粒物沉降具有至关重要的影响（Friedman GM, 1978；Shapiro, 2004；陈聚法等，2007）。水动力环境通过改变海底表层沉积物的沉积、再悬浮通量、水体中泥沙输运过程等沉积环境要素的性质、速率、周期，对岸线、海底地形、地貌、底质类型、岸滩发育演变造成影响（魏子新，2007；季有俊，2010）。在这个过程中，作为水动力要素直接作用结果，沉降颗粒物通过颗粒物沉降速率、粒级组分、物质组成情况等指标，反映了水动力环境要素的性质（侯志民，2010；庞重光等，2010）。因此，沉降颗粒物是水动力环境影响下近岸海域海底地形、地貌、岸滩发育

34、变化的直接影响因子，对沉降颗粒物进行研究，对于水动力环境、沉积环境的研究，以及岸滩、海底地形地貌的发育演化过程研究，都具有重要意义(方建勇等，2011)。沉降颗粒物的物源主要是海水中的悬浮颗粒物质，主要指以固体形式存在，颗粒直径大于0.1um的物质。实际测量中指用孔径为0.45um的滤器过滤水样时，被阻留在滤器上的物质。海水中的沉降颗粒物包括陆源颗粒物、大气沉降颗粒物、通过再悬浮作用进入水体的颗粒物、以及来自海洋自身产生的颗粒物，包括浮游生物及其排泄物和残骸(陈建芳等，1998；扈传昱等，2006a）。海洋中的悬浮颗粒物质在其产生、运移、凝聚过程中记录了许多海洋物理化学过程信息。在水环境动力、

35、生物、化学要素作用下，这些颗粒物相互聚集、凝聚，当其质量增大到一定程度后，在特定的水动力条件下发生沉降，形成沉降颗粒物。对这些物质进行分析研究，可以反演获得反映海水物理、化学、生物、水动力特性的多种参数，这已经成为许多学科研究海洋过程的重要方法和技术手段(周晓静，2009；曾辰等，2012）。对于沉降颗粒物来说，它与水动力条件之间的关系可以用图1-1 表示。由图所示，在物源与水动力环境作用下，特别是物源充足且水动力环境发生变化的时候，可以产生大量沉降颗粒物。这些沉降颗粒物形成海底表层沉积物，又通过沉积物再悬浮进入水体作用于后来再生成的沉降颗粒物。水动力条件变化悬浮体沉降颗粒物海底表层沉积物沉积

36、物再悬浮图1-1沉降颗粒物与动力沉积环境因子之间的关系海湾地区沉积环境复杂多变，影响因素众多，可以形成多种发育演化模式。海湾地区能量与物质交换非常复杂，泥沙运动十分活跃。在潮、浪、流、盐度等多种因素作用下，存在悬移质、推移质、浮泥流等复杂的泥沙运动体系(韩树宗等，2005）。在正常的水动力条件下，海湾区域动力沉积环境相对稳定，海湾与外界环境泥沙交换过程、沉积再悬浮过程、泥沙输运过程基本处于平衡状态。当外界环境发生改变，波、流等水动力条件发生改变时，可以导致岸滩地形地貌发生变化。这种变化可以是迅速突变的过程，也可以是不断变化缓慢累积的过程。对海湾沉积环境的研究可以通过悬浮体浓度、海底表层沉积物空

37、间分布及颗粒级配、沉降颗粒物通量等方法进行，其中沉降颗粒物通量作为直接描述物质在水体内部及水体海床界面运移的直接参数，是研究海湾地区沉积环境的有效手段(贾建军等，2004）。国内外对于海洋中的沉降颗粒物开展了大量的研究，这些研究对于工程实践与科学探索都有重要意义，受到越来越广泛的重视。海水中的沉降颗粒物，是不同界面物质、元素、营养盐迁移交换的重要载体，在全球物质、能量循环过程中有重要作用。陆架地区的沉降颗粒物不仅为底栖生物提供丰富的食物来源，而且是水层底栖系统耦合过程的决定性因子(张岩松，2004）。近岸海域的沉降颗粒物主要由陆源入海物质组成，是人类生产、生活产生的污染物进入海洋的主要载体。沉

38、降颗粒物通量在河口沉积过程中对泥沙的聚集与输运、拦门沙的形成与演变起着十分重要的作用，并且在河口的生物地球化学过程中对许多重金属元素和有机物质的化学行为、迁移和归宿产生显著影响。海湾地区是海水养殖的主要场所，该区域沉降颗粒物是水体中营养盐成分运移重要载体，对养殖容量、防治病虫害、以及养殖区生态环境的健康发展起到重要作用(葛长字，2006；张继红，2008；史洁，2009；史洁等，2010a）。因此对浅海环境的沉降颗粒物通量进行研究对于了解近海海域营养盐、污染物及元素的迁移转化，具有重要意义。1.2 研究现状1.2.1 SPM研究的历史与应用对颗粒物沉降通量的定量研究始于上世纪70年代，直到今日

39、沉降颗粒物依然是研究海洋中元素地球化学行为的重要途径。早期科学家们发现传统的海洋调查方法难于有效地捕捉大而快速沉降的颗粒物，为解决此问题，沉积物捕获器应运而生。故可以认为，沉积物捕获器的出现标志着沉降颗粒物定量研究的开始。沉积物捕获器是目前研究沉降颗粒物的生物地球化学循环最直接的方法和手段。使用捕获器不仅能够定量不同时间、空间以及不同深度的颗粒物通量, 而且还能够收集到进行物理、化学分析的样品，大大拓展了沉积环境研究的技术方法(Buesseler et al., 2007）。沉积物捕获器大约在上世纪70年代中后期得到推广，该期间出现了一批使用沉积物捕获器进行沉积环境、元素地球化学研究的成果，与

40、此同时一批对沉积物捕获器机理及该方法有效性的研究应运而生。如1974年Dendy对小水库中沉积物捕获器的有效性进行研究(Dendy, 1974），Kirchner，Heinemann，Zeitzschel等对沉积物捕获器方法进行系统的评价(Kirchner, 1975；Heinemann, 1978；Zeitzschel et al., 1978）。此期间沉积物捕获器不仅被用于浅海泥沙运动，还用于大陆架、深海的研究中，如Bishop等于1977年利用沉积物捕获器研究了赤道大西洋400m水层颗粒物的化学、生物学特征和垂直通量(Bishop et al., 1977）。美国伍兹霍尔海洋研究所（WH

41、OI）Spencer等人通过分析收集到的Sargasso海区5000m水深的沉降颗粒物，对其化学通量进行研究，发现其主要成分是上部海区浮游生物的粪便(Spencer et al., 1978；Honjo et al., 1980）。近年来，对沉降颗粒物物源及其与水动力环境之间关系的研究，取得了广泛进展，如Heiskanen等（1995）注意到快速沉降类型的颗粒物是影响沉降颗粒物组成和垂直通量的主要因素，而垂直迁移的光合自养微型生物的活动也会影响到沉积物捕获器的计算沉降通量(Heiskanen, 1995）。Bloesch、Jrg通过对颗粒物沉降与再悬浮的研究，初步建立了颗粒物再悬浮模型(Blo

42、esch et al., 1982；Jrg, 1996）。Weyhenmeyer(1996）则提出温跃层对沉降通量的影响，并运用回归分析的方法建立了沉降与再悬浮通量线性模型(Weyhenmeyer, 1996）。 Lee等对日本海时间系列沉积物捕获器中收集到的沉降颗粒物中烯酮类进行分析 (Lee et al., 2011）。Lin等对中国南海沉降颗粒物及拖网获得的现代浮游生物稳定同位素进行分析(Lin et al., 2011）。目前，基于沉积物捕获器收集沉降颗粒物进行分析研究，已经成为世界范围内海洋物质循环迁移研究工作的主流 (张岩松等，2005）。在国内，使用沉积物捕获器收集沉降颗粒物通量

43、的方法在近年也得到了广泛应用，但主要应用于大洋中沉降颗粒物化学、生物成分的分析。扈传昱在南极普里兹湾外开阔海域布放时间系列沉积物捕获器,研究沉降颗粒物中生源组分(生物硅、有机质、碳酸钙） 通量、组成、来源及元素的摩尔比值的生物地球化学意义。并对有关捕获器偏差的误差来源及相关建议做了一定的总结(扈传昱等，2003；扈传昱等，2006b）。陈建芳根据南海北部(SCS-N）、南海中部(SCS-C）、吕宋岸外(SCS-NE2）及越南岸外(SCS-SWI）时间系列的捕获器资料，对“南海沉降颗粒物的生物地球化学过程及其古环境意义”这一命题作了初步探索(陈建芳，2005）。王海荣运用2006年6-7月以及2

44、007年1-2月对黄东海海区进行的两次大面调查以及若干连续站调查的数据，分析了颗粒有机碳和颗粒有机氮的含量及分布特征，进一步证实了运用碳氮比判断颗粒物来源的有效性；在诸多影响因素中，重点讨论了水团的季节变化对颗粒有机碳垂直分布的影响；最后利用斯托克斯公式对夏季东海四个典型站位真光层颗粒物的输出通量及沉降速率进行了计算(王海荣，2008）。徐鲁强通过对放置于南海北部Honjo-Mark VI型时间系列沉积物捕获器样品糖类组成分布的分析测定,研究了颗粒物有机物质的来源及控制因素及其与沉积记录的关系。结果表明糖类物质主要来源于海洋浮游植物,其通量变化受由季风影响的浮游植物季节性的消长所控制。沉积物中

45、糖类组分与颗粒物相比呈现陆源有机质特征,推测是由于北部陆架物质通过浊流或海底移动进入陆坡所致(徐鲁强等，1996） 。宋金明用沉积物捕捉器研究南沙群岛珊瑚礁潟湖沉降颗粒物中主要元素垂直通量、垂直转移形态、再循环过程及垂直通量与表层海水温度的关系(李鹏程等，1998；宋金明等，2003）。段毅等首次应用有机地球化学方法, 对我国南沙永暑礁潟湖和东海大陆架沉降颗粒物质进行了分析和研究，结果表明两地区沉降颗粒有机质在达到距海底5m以前,接近一半被消耗。烃类和脂肪酸分布指示了两地区沉降颗粒有机质来源存在着较小的差异, 但是主要来自海洋浮游生物（段毅等，1997a；段毅等，1997b）。方建勇于2009

46、年3月末在九龙江河口区采用自制沉积物捕获器分层收集沉降颗粒物并研究其垂直通量，结果表明该海域各站各层沉降颗粒物类型以生物和矿物颗粒为主，絮凝体类型在各站各层有所不同。各站各层之间粒度参数的变化主要是受絮凝作用的影响所致，致使沉降颗粒物垂直通量在各海域各层次之间变化较大。影响沉降颗粒物地球化学组成分布特征的主要因素是陆源物质的输入和人类活动的影响(方建勇等，2011）。本研究中也使用沉积物捕获器进行沉降颗粒物收集，其目的分析近岸水动力环境变化对沉降颗粒物影响。对沉降颗粒物研究的另一种思路是基于现场水动力要素测量结果，使用数学模型估算沉降颗粒物通量及沉降速度，这种方法在物理海洋研究中应用较广。如F

47、ugate & Friedrichs（2002）通过在 Chesapeake 湾布放 OBS,LISST100 以及 ADV，现场测量底边界层内悬浮物质浓度。该研究中假设在底边界层内悬浮物由于重力沉降导致的垂直通量和湍扩散达到平衡，通过 ADV的高频流速资料和反演得到的悬浮物浓度计算了悬浮物的沉降速度（Fugate et al., 2002）。Maa & Kwon（2007）利用 ADV（三维高频点式流速仪）计算了悬浮物的沉降速度，并且将计算结果应用于颗粒物三维数值模拟中，极大的提高了数值模拟精度（Maa et al., 2007）。Voulgaris （2004）利用 ADV 和 LISST

48、-100 在河口滩涂地带研究悬浮颗粒物的沉降过程，利用 ADV 得到的高频流速和悬浮物浓度资料间接测算了悬浮物沉降速度，并且与采用 Stoks 沉速公式计算的沉降速度进行比较，结果吻合较好（Voulgaris et al., 2004）。Soulsby （1984）利用海床基搭载的电磁海流计、浊度计的准同步观测，推导出一种利用悬浮物浓度脉动谱估计垂向湍通量的方法，计算结果表明在高潮时刻，悬浮物的重力沉降通量显著大于湍扩散通量（Soulsby et al., 1984）。原野通过海床基观测平台和水体剖面观测系统在我国近高时空分辨率的温盐、流速、声学回声强度和悬浮物粒径的水体剖面或近底层时间序列，

49、在利用声学反演模型估测悬浮颗粒物浓度和计算湍流混合动力参数的基础上，分析了海底沉积物和水体悬浮物在不同水动力条件下、不同湍流混合背景下的再悬浮和沉降等关键动力过程，估测了悬浮颗粒物的垂向湍扩散通量和沉降通量，并对湍流和近底沉积物的相互作用做了较为深入的研究（原野，2009）。通过数值模拟的方法是分析水动力环境及沉积环境的有效方法（庞启秀等，2008），但是由于波、流作用下的泥沙运动机理十分复杂，故很难找到一个可以推广到不同区域，且适用于各种情况下的数学模型。目前多是根据泥沙运动特质，地形地貌变化情况，分类建立数学模型进行泥沙运动输移扩散和地形演变研究。1.2.2 筏式养殖对水动力环境及SPM的

50、影响浅海区域筏式养殖深受水动力环境影响，在进行养殖对象选择、筏架布防方式设计、养殖周期设计时，都需要预先对水动力环境进行分析（中华人民共和国农业部，2001）。同时，大规模筏式养殖反过对水动力环境来产生广泛影响，进而影响到养殖区域的动力沉积环境（张学雷等，2004）。以往对于海水养殖与水动力环境之间关系，主要集中在养殖容量的估算，及养殖对象对于水动力环境的适应。如Navas运用3D水动力模型和粒子追踪模型对网箱养鱼海域海洋环境的管理进行分析（Navas et al., 2011）。蔡惠文应用ECOM-Si海洋模式重现了象山港海域的水动力场，并结合最大允许排污量，得出象山港海域各网箱养殖源的养殖

51、环境容量（蔡惠文，2004）。葛长字对爱莲湾海域网箱养殖的关键物理过程进行了研究，并以模型试验进行了容纳量的评价（葛长字，2006）。刘学海对桑沟湾、南黄海两个不同尺度的典型海域进行了生态动力学模型研究，建立了能够良好地再现水动力过程的物理模型，分别建立两海域的生态动力学模型,通过数值模拟研究两域的生态特征。（刘学海，2009）。对大规模海藻群落对流场的干预作用亦有较多研究，主要主要体现在对流场速度的削弱上。Jackson在对加勒弗尼亚南部的Pt. Loma群落的潮流场研究后认为，群落区内的顺流向流速衰减强烈，其量值仅约为自然条件下的1/3,而在垂直流向上流速变化很小（ Jackson et

52、al., 1983；Jackson, 1997）。Gaylord对加利福尼亚Mohawk Reef礁石海带群落内流场的变化进行了测定 （Gaylord et al., 2007）。张学雷等对吊养和底播养殖区中利用同步自容式仪器水环境参数进行了短期连续监测，观测结果为分析养殖笼对潮流流速的削减、悬吊养殖贝类对浮游植物的摄食压力和底层代谢对水层溶解氧的消耗等养殖对环境的影响提供了证据（张学雷等，2004）。对于大规模海水养殖对水动力环境的影响，亦有报道，但相关研究不多。Grant等2001年对桑沟湾海域筏式养殖造成的海水流场变化进行模拟（Grant et al., 2001）。Ito等对网箱养殖对

53、水动力环境进行使用数值模拟的方法进行研究（Ito et al., 2008；Ito et al., 2009）。樊星等采用改进的一维水动力模型对我国近岸典型筏式养殖海区桑购物的潮流垂直结构进行了数值研究，通过增加潮流上边界层来描述养殖活动与潮流垂直分布的关系，取得了较好的成果（樊星等，2009；樊星等，2010）。严立文对黑泥湾海域筏式海水养殖产生的消浪效果进行分析，提出消浪作用强弱与海带筏架数量、入射波强度等密切相关（严立文，2008）。本研究从动力沉积环境角度，通过实测数据分析筏式海带养殖改变水动力条件，进而对沉积环境影响的过程。大规模筏式海水养殖对沉降颗粒物的影响，国内外学者的研究成果，

54、多见于扇贝等养殖对象产生的生物沉积。周毅在2002.42003.9期间于桑沟湾现场测定了养殖海区栉孔扇贝、虾夷扇贝、牡蛎、海湾扇贝等的生物沉积及其季节变化特征（周毅等，2003）。 Giles等2006年对贝类养殖区氧、氮沉积通量进行研究（Giles et al., 2006a；Giles et al., 2006b）。Grant等2005年对加拿大西部河口位置生物沉积进行分析（Grant et al., 2005）。黄洪辉等于2001年6月到2004年10月按季度对大亚湾大鹏澳网箱养殖区及其邻近海域（对照区）沉积环境进行对照分析（黄洪辉等，2005；黄洪辉等，2007） 。葛长字、方建光等2

55、006年研究了山东荣成爱伦湾抗风浪网箱沉降颗粒物通量（葛长字，2006a；葛长字等，2006b） 。陈聚法、赵俊等2007年对桑沟湾贝类养殖区沉积物再悬浮动力机制及其对水体中营养盐影响进行研究（陈聚法等，2007） 。蔡立胜、方建光等2003年使用沉积物捕捉器在桑沟湾养殖海区的扇贝区、牡蛎区和海带区分别进行自然沉积作用的研究，通过对收集的沉积物进行分析，估算该养殖海区的总氮和总磷由海水到海底的通量（蔡立胜等，2003）生物沉积多由于养殖对象排泄产生，在海带养殖区这种机制影响较小，对海带养殖区而言，沉降颗粒物的改变主要来自于海带养殖减弱了水动力环境。对于因养殖改变动力环境而产生的沉降颗粒物，国内

56、外尚未见到报道，这正是本研究要开展的内容。1.2.3 SPM对风暴天气的响应SPM是对水动力环境敏感的沉积环境因子，而水动力环境主要受制于海-气界面相互作用，极端天气情况下，如台风、飓风、寒潮等会剧烈改变水动力环境，形成较高的沉降颗粒物通量，该过程对地形地貌演化、营养盐循环、物质输运等都具有重要意义。在国内，受仪器设备及风暴天气偶然性的限制，风暴过程对沉降颗粒物通量影响较少开展，仅有部分研究涉及到风暴天气过程中动力沉积环境因子，如悬浮体浓度、水质参数等（邓明等，2002； 丁平兴等，2003；许艳等，2011）。相比较而言，国外学者对于风暴过程中沉积环境要素的变化有较多研究，但对于沉降颗粒物通

57、量的研究成果较少。这些成果为本研究提供了良好的对比分析的参照，但由于风暴天气出现的偶然性及观测的困难性，该方面研究成果总体较欠缺。韩树宗根据计算所得的9711台风过程波要素，计算并验证分析了日照近海的水动力环境，并基于水动力悬沙模型COHERENS-SED，对9711天气过程悬沙进行数值模拟（韩树宗等，2008）。王爱军对泉州湾盐沼2006年格美台风登陆前后沉积动力参数进行监测，观测到台风过境对附近海域悬沙浓度的影响，并计算盐沼和光滩底层悬沙输运量（王爱军等，2008）。丁平兴分析了台风对航槽冲淤可能造成的影响，以“杰拉华”台风为例 ,提出计算风暴引起长江口北槽航槽冲淤变化的模型与方法（丁平兴

58、等，2003）。Silverberg等使用时间系列沉积物捕获器于2002至2004年，在Cuenca Alfonso海域410m水深处对沉降颗粒物进行收集，记录了2003年Ignacio飓风、Marty飓风期间该海域沉降颗粒物通量（Silverberg et al., 2007）。Sheremet等于飓风Claudette期间，在Atchafalaya湾5m等深线处，对波浪与悬浮体进行测量，观测到波、流共同作用下的再悬浮过程（Sheremet et al., 2005）。Yang等使用沉积物捕获器对台湾北部湖泊鸳鸯湖在台风天气时沉降颗粒物通量及有机碳通量进行研究，并与正常天气情况时参数进行对比，（Yang et al., 2011）。Fan使用沉积物捕获器对20m70m水库环境中沉降