滨海盐沼密度流实验研究

第19卷 第9期 中 国 水 运 Vol.19 No.9 2019年 9月 China Water Transport September 2019

收稿日期：2019-07-02

作者简介：沈城吉（1987-），男，河海大学 港口海岸与近海工程学院讲师，研究方向为海岸带资源与环境。 基金项目：中央高校基本科研业务费项目（编号：2019B12314）。

滨海盐沼密度流实验研究

沈城吉，赵忠伟

（河海大学 港口海岸与近海工程学院，江苏 南京210024）

摘 要：盐沼，作为世界上初级生产力最高的生态系统之一，在维持滨海生态多样性、净化沿海水质等方面有着举足轻重的作用。盐沼土壤中的孔隙水动力过程是支撑盐沼生态功能的主要过程之一，深入理解该过程有助于人们更好得保护盐沼，使其免受人类活动的影响。盐沼孔隙水动力过程受许多因素影响，而地表水和地下水之间的盐度差所产生的密度流长期被忽略。本研究基于物理沙槽实验，探讨了滨海盐沼的密度流特性。实验结果表明，当盐沼地表水盐度高于地下水盐度时，盐沼土壤中的密度流能够产生非稳定指流，且指流在盐沼内陆侧的作用较强。此外，密度流作用下的孔隙水动力过程更复杂，指流的垂直向下移动在局部范围内产生上向孔隙水流。研究还发现，密度流的作用随着孔隙水和地表水的不断混合而逐渐减弱。本论文的发现促进了人们对盐沼孔隙水动力过程的认知，同时能够为制定保护、修复盐沼的有效措施提供科学参考。 关键词：滨海盐沼；孔隙水动力过程；密度流；物理沙槽实验

中图分类号：P343 文献标识码：A 文章编号：1006-7973（2019）09-0263-02

一、引言

位于海陆交界带的盐沼是世界上初级生产力最高的湿地系统之一，具有维护沿海生态多样性、净化滨海水质、缓解全球变暖等诸多生态功能[1，2]。然而，在人类活动（例如过度农业发展、水资源不合理利用、沿海土地围垦）影响下，全球范围内的盐沼面积正急剧下降，其生态功能也随之不断退化。因此，制定保护、修复盐沼的有效措施迫在眉睫，而深入理解盐沼生态功能背后的各种机制和过程是关键。其中，盐沼孔隙水动力过程被认为是支撑盐沼生态功能的主要过程之一，其影响着盐沼土壤中的通气条件以及盐度分布，进而决定了盐沼植被的空间分布规律[3，4]。针对盐沼孔隙水动力的已有研究大多考虑潮汐、土壤属性、大孔隙、内陆淡水输入、蒸发蒸腾等因素的影响，在一定程度上揭示了盐沼孔隙水动力过程的特征。但是，这些研究均忽略了潮汐波动、蒸发蒸腾和降雨共同作用下盐沼土壤地表水和地下水之间的盐度差对孔隙水动力过程的影响。盐沼土壤中的地表水盐度通常高于地下水盐度，并且在潮汐淹没期间迅速渗入盐沼土壤，与地下水之间产生盐度差，进而形成密度流。本论文采用物理沙槽实验方法，研究了盐沼土壤中的该密度流过程。

二、物理实验设置

本研究采用物理沙槽开展示踪剂实验，实验设置如下图1所示，代表一个垂直于潮沟的二维断面。沙槽长3.4m，高0.8m，宽0.1m。沙槽正面为钢化玻璃，用于观测示踪剂实验，背面为不锈钢板，布置毕托管和孔隙水抽样孔，分别用于测量孔隙水压力和孔隙水盐度的时空变化及分布。沙槽前方架设一台高像素数码相机，通过电脑软件控制其自动拍照

以记录完整的实验过程。沙槽由不锈钢丝网分为左右两部分，左边部分填充模型沙以模拟盐沼土壤，右边部分为盐水库，用于模拟盐沼潮沟。沙槽右边设置为海边界，盐水库与能生成潮汐信号的潮波生成器相连。海水添加红色示踪剂以可视化孔隙水流态，同时在盐水库中布置毕托管和电导率探头，分别测量边界水位及盐度变化。物理实验设置的具体尺寸如图1

所示。

图1 物理实验设置示意图，其中蓝线表示孔隙水流向 三、结果分析 1．浓度羽变化分析

图2展示了实验过程中所拍摄的浓度羽在不同时刻的分布情况。可以看出，当地表水盐度高于地下水盐度时，地表水入渗后与地下水之间形成盐度梯度，进而产生非稳定指流。靠近潮沟处的指流较大且较少，而靠近内陆侧的指流较小且较多。这是由于潮沟附近仍以潮致孔隙水循环为主导，密度流作用较弱，而内陆侧潮汐作用较弱，密度流占主导。此外，通过图2还能看出，在实验初期，潮沟附近的浓度羽下移速度明显快于内陆侧的浓度羽下移速度。但是，随着实验的进行，内陆侧的密度流作用逐渐增强，所产生的非稳定指流使得内陆侧的浓度羽下降速度逐渐赶上甚至超过了潮沟附近浓度羽的下降速度。

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图2 实验过程中浓度羽在第30、60个潮周期时的分布情况，

绿点表示测量孔隙水压力的毕托管所在位置 2．孔隙水压力变化分析

图3比较了密度流情况下第30（黑线）、60（蓝线）、100（红线）个潮周期内不同位置所测得的水力梯度随时间的变化（注：另外黑色虚线表示无密度流情况下测得的水力梯度，以作为参照）

。

图3 不同位置水力梯度在一个潮周期内随时间的变化比较

图3所示的比较反映出密度流对盐沼孔隙水力梯度有着显著影响，尤其在靠近盐沼内陆侧。具体来说，当盐沼被淹没之后，无密度流时的水力梯度几乎为零，而有密度流作用下的水力梯度则随时间而变化：当高盐度浓度羽未到达毕托管所在位置时，对应的水力梯度变化与无密度流情况相同；当高盐度浓度羽向下移动经过毕托管所在位置时，能够产生局部的上向流。该上向流在潮汐淹没瞬间更为强烈，这是由于迅速入渗的地表水加强了浓度羽的向下移动。随着实验的不断进行，孔隙水与地表水之间的混合愈发充分，盐度差也随之降低。因此，在实验后期，浓度羽所引起的上向流变弱。

3．孔隙水盐度变化分析

图4比较了从B、E 和H 列的孔隙水抽样孔测得的孔隙水盐度变化趋势。可以看出，在实验初期，B 列抽样孔内的孔隙水盐度变化大于E 列和H 列，再一次表明潮汐波动所产生的地下水循环使得近潮沟处的浓度羽向下移动速度较快。随着浓度羽整体持续向下移动，内陆侧的浓度羽下降深度逐渐赶上甚至超过近潮沟处和中间区域的浓度羽下降深度（图4红色虚线）

。

图4 孔隙水盐度在不同时刻（从上往下：第20、40、60、80个潮

周期）的垂向分布（左列）以及示踪实验拍摄图片（右列） 此外，孔隙水盐度变化趋势反映出实验过程中所形成指流的三维性。例如，在第80个潮周期时，能够明显看出指流在沙槽正面和背面的下降速度不同。从图4d 可以看出，在沙槽下部，背面的指流下降速度快于正面的指流下降速度，因此透过沙子能看到较淡的红色印记。

四、结论

基于物理沙槽实验，本论文研究了盐沼土壤中的密度流特征，发现当盐沼地表水盐度高于地下水盐度且两者之间的

盐度差达到一定程度时，盐沼土壤中有非稳定流形成。此外，非稳定密度流作用下的孔隙水动力过程较无密度流情况下更复杂，尤其在盐沼内陆侧，指流的垂向移动能够在局部范围内产生垂直向上流。这些结论深化了人们对滨海盐沼复杂孔隙水动力过程的认识，能够为保护、修复盐沼以及建设人工湿地提供科学依据和理论指导。

参考文献

[1] Adam P. Saltmarsh Ecology. Cambridge，UK：Cambridge

University Press；1990.

[2] Chmura GL，Anisfeld SC，Cahoon DR，Lynch JC. Global

carbon sequestration in tidal，saline wetland soils.[J].Global Biogeochemical Cycles，2003，17（4）：1111.

[3] Armstrong W，Wright EJ，Lythe S，Gaynard TJ. Plant

zonation and the effects of the spring-neap tidal cycle on soil aeration in a humber salt marsh. [J].Journal of Ecology，1985，73（1）：323-339.

[4] Bertness MD，Gough L，Shumway SW. Salt tolerances and

the distribution of fugitive salt marsh plants[J].Ecology，1992，73（5）：1842-1851.