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拉齐奥大区沿海陆棚疏浚作业中悬浮物扩散的数值模拟（意大利第四纪中央海）
马可·卡佩罗a,nLaura CutroneoaMaria P. FerrantiaMichela CastellanoaPaolo Poveroa, 吉奥吉奥布迪隆bLuisa GriecobSergio Tuccia
aDistav热那亚大学，26，科索欧洛巴，16132热那亚，意大利
bDabm大学那不勒斯大学“帕特诺普”，伊索拉那波利中心，Naples，C4-80133，意大利
文章信息
文章历史：
2012年7月20日收到接受2013年6月8日
网上2013年7月19日可用
关键词
疏浚
环境监测
数学模拟
总悬浮固体浊度
海滩营养
摘 要
人工营养是一个首选的战略用来弥补沿海侵蚀沿沙质海岸。为了对使用淹没砂质沉积物对人工养殖业的环境影 响进行初步研究，在潜在的疏浚地点进行了海洋和沉积学研究。目的是确定悬浮固体的浓度和特性，以及在拉 齐奥大区（意大利）海岸的大陆架（20—100米）上的水团的物理和动力特性，以评估在疏浚过程中悬浮固体的 扩散和负面影响的可能性。测得的水团特征使我们能够建立悬浮固体扩散的预测模型，然后将其应用到潜在的 地点。在评估疏浚的可能性时，应用模型可用于确定疏浚沉积物中不同粒度级的行为，并预测再悬浮沉积物对 沿岸生物栖息地的潜在影响。
1.背景介绍
沿海地区一直被视为脆弱的规划区，由于其脆弱的侵蚀和经济重要性，并有很大的兴趣，有问题的环境过程，可以影响他们，如人工营养品（ 卢皮诺和里卡迪， 2001; 巴菲提和柯林斯， 2005; 诺亚 2006;OSPAR, 2008).
海滩上的沙质物质非常流动，很容易被海流冲走。沿岸流倾向于沿着海岸移动沙子，但不能将其移开，不同于横跨海岸，可以通过将其转移到波浪作用的影响之外永久地去除沙子。Kennett, 1982）为了弥补这种情况，用于营养方案的无粘性残留沙子通常沉积在海滩上，其轮廓比平衡更陡峭，在自然规划和海滩的横剖面中产生扰动。这种扰动引起沉积通量，随着时间的推移，减少了不平衡，并使海滩达到稳定状态。贝纳萨伊 等 人，1997; Culosio等人，2007; 霍恩和沃尔顿，2007)
这种营养技术在北欧和美国的许多国家使用了二十多年，取得了非常积极的效果。克拉克，1983; 普雷蒂，2002; Hamm等人，2002; Simonini等人，2005由于各种原因：它是最类似于产生沙质地幔的自 然过程的干涉类型，它不会改变营养区域或海岸动力学的风景特征。 普雷蒂，2002）不需要暴露的围护结构或沿海岸产生泥泞或窒息的区 域，如在人工防波堤后面经常发生的情况（Dal Cin和Simeoni，1987； 它在保护环境方面提供了无可非议的好处（ 阿德里安斯和 科森， 1991; 科雷吉亚里等人，1992）这种修复技术的成功可能在于，不再通过天然固体输送到达的沙子完全被部分地取代，或者部分地被从海底带走的沙子所取代。Browder和迪安，2000）软营养兼具防御与重建海滩的双重功能，从营养与防御性结构的不同而不同。史密斯等人， 2009).
减缓这种干预扩散的因素主要是经济和环境性质。普雷蒂，2002; 拉鲁德，2008）为了补偿这种类型的疏浚所带来的高经济成本，必须 回收大量的正确粒度的砂，这些砂必须不含细粒级。事实上，细小的 组分不停留在海滩上，而是通过波浪作用分散，造成水的质量的恶化，进而成为
当地生物群落的危险，包括Posidonia oceanica的珊瑚和草甸冈萨雷兹 科雷亚等人，2008, 2009）P. oceanica是一种特有的海草物种，其对总悬浮固体（TSS）含量的增加是不容忍的，它被指令92/43／EEC认定为“优先栖息地”，这是“自然2000遗址”中一个重要的栖息地。欧洲2004; EEA, 2005; BoudoRekes等人，2006），并受国家和国际法规的保护（硼砂等，2004).
在残余沙地疏浚过程中可能发生的主要环境威胁是在工作循环的各 个阶段释放沉积物，产生浑浊的羽流和天然水特征的变化（锚地环境， 2003; 沃灵福有限公司与疏浚 研究有限公司，2003; 吴等人，2007）疏浚后最好的沉积物可通过局部水动力条件分散，并与疏浚区保持显著距离。ICES, 1996; 希尔等人，1999）如果它们到达敏感的栖息地，就会产生严重的环境影响。Erftemeijer和 刘易斯三世，2006; FANI等人，2009）， 比如P. oceanica meadows（冈萨雷兹科雷亚等人，2008, 2009; 蒙特法尔肯等人，2009).
通过对水团的沉积学、物理和动力学特征的研究以及数学扩散模 型的应用，为疏浚过程中混浊羽流的扩散方向和悬浮物浓度的预测 提供了有用的信息。
为了研究残留在拉齐奥大区海岸（意大利Tyrrhani中心海，罗马） 的大陆架上残留的沉积物对人工营养学的可能的环境影响，热那亚大学，环境保护与研究所（ISPRA，以前的ICARAM），以及那不勒斯大学“帕特诺普”。研究了海底的沉积学特征和该区水柱的物理和动力学特征，并将其结果应用于模拟浑浊羽流扩散的数学模型。
本文介绍了Montalto di Castro（拉齐奥大区，意大利）大陆架上20～120米深处水团和颗粒物的表征结果及其在数学模型中的应用。
拉齐奥大区沿海疏浚环境监测工作的现状与对策拉波特，等，2009; MaGi等人，2009; 尼科莱蒂等人，2009; 诺尼斯等人，2011已在欧洲项目ITERG IIIC BEACHMEDE E的框架内进行（http://www. BeaMeMe).
- 研究区特色
拉齐奥大区大陆架的宽度从北部和南部的30—40公里到中部只有20 公里：研究区位于北部地区。图1）平均坡度略小于0.51，从N增加到S。陆架的边缘是明确的，位于120—150米的深度处，那里是陆坡开始的地
方。离岸盆地的几何学是由具有NW-SE方向的构造取向确定的。乔奇奇和拉莫尼卡，1996）研究区包括FIORA河（平均流量）
7.9米3Sminus;1，它流经蒙塔托迪卡斯特罗和两个山洪（阿罗内和马尔塔），
平均流量为2.3。
7.3 M3Sminus;1分别在城市南部（图1）从沉积学的角度来看，海岸的特点是沙质和砂质泥质沉积物，增加了淤泥-粘土部分离岸。在更大的深度， 沉积，
不能与水深相关，受河流泥沙分散过程的影响，特别是在陆架的中部和南部。托尔托拉，1989; 奇奥奇与La 莫尼卡，1996）向海岸输送的泥沙主要是砂质黏土，只有流入该区域的主要河流能够为沿海沙质沉积提供相当大的分数。Evangista等，1996).
区分Tyrrhani地区的气旋环流的特征是与风的强相互作用，尤其是在冬季，由来自SW和NW的主导风的影响而加强。Ovchinnikov, 1966; 布迪隆等， 2000）在海岸带中，一般环流由与海岸平行的NW流所区分， 通常与风具有良好的相关性。比尼米等人，1996）在夏季，区别于水柱的分层，电流可以垂直于海岸流动。研究区主要受S、SW和W波的作用； 来自南方的风导致沿岸向NW漂移，而SW的风则产生两条流向北部海岸和东南部西北部的东南气流。比尼米等人，1996).
拉齐奥大区海岸北部的大洋洲草甸分布很不均匀，有两种典型的 情况：
- 充足的死区，散布有生物成因的岩石，有稀疏的大洋彼岸的
沙堆的沙地，有时，更一致的P.大洋洲的斑块；
- 或砂砾、生物岩和大洋彼岸的斑块在宽阔的沙质地带或浅层的生 物岩和大型死的冰丘草甸上，生活稀疏的P. oceanica。迪维亚科等人， 2001; ISMAR, 2009）在宏观尺度上，草地被淹没在山洪口和菲奥拉河附近。图1).
本研究的砂取样地点位于大陆架35 ～ 55 米深处， 距Montalto di Castro海岸4.5海里。图1).
- 材料与方法
在四次海洋学运动中，在2002／2003（二月、四月和2002年9月和2003年11月）进行的R/V ASTRAA，我们测量了物理参数，采样水团，并在每个战役40站进行了电流测量（图2目的是在疏浚作业开始前确定水团的背景条件。
水文测量采用了来自海鸟电子的多参数“SBE 9/11加”探头，配备了带有六升10升的转盘“SBE 32单元”，以确定水团的物理特性（温度、盐度、透光率或浊度）的演变。
我们收集了298个水样从三个深度，如果可能的话，（表面，中间和底部）的TSS的分析。水样直接从一个25厘米Tygons管的尼斯金瓶的插口收集。
TSS测定采用直径为0.45mu;m的HA直径为47 mm的微孔过滤器。卡佩罗等。(2009).
测定TSS的无机组分（IF），加入一些丙酮滴（Carlo Erbas，最小测定99.8%）溶解纤维素过滤器，然后在ISCO马弗（ISM320 MOD） 中以550小时还原为灰分3小时，以完全除去有机馏分（OF）；未燃烧 的馏分称重并用作无机组分（IF）。
图1。研究区位于拉齐奥大区（意大利）近岸海域；灰色地带为P.大洋洲草甸分布；灰色线为水深测量（M）。
图2。沿着海岸的P.大洋洲草甸的位置，在战役期间（黑点）、释放点（黑星）和模拟区域（黑方块内的面积，等于15times;15 km2）中研究的40个采样站，构成平流和扩散模型的模拟应用领域。
(阿法瓦瓦1998）TSS和IF之间的差异给出了。从水样中获得的IF浓度被认为是研究区存在的大洋洲草甸耐受的自然无机沉降速率的背景值，并与模拟疏浚沉积物释放的浓度进行比较，以评估可能的影响。
在第一次战役中用来进行浊度测量的仪器是SeaTeCe透射计和连续的OBS海王星浊度传感器；这两种仪器提供可比的数据。沃尔姆斯利等， 1980; 阿法瓦瓦1998).
第一次运动（2002年2月）光传输与TSS数据的线性回归得到良好的相关性（R20.85）；图3).
用frac14; 来确定方向和速度的仪器。
电流是AANDARAA RCM9多普勒流速仪。两个测量是在水文站的每一个站， 一个大约5米以下的表面和一个6 - 7米以上的底部；电流表被编程为获取平均值每分钟。总采集时间约为4分钟，每4个记录的测量。用血管漂 洗进行测量，并用G.P.S.测定船在读数开始和结束时的位置，使我们能 够校正后处理阶段中船舶的跑偏和漂流引起的测量误差。莫雷蒂等人， 1987; Butyon等人，1996, 2000).
- 数值模型
为了更好地理解由可能的疏浚引起的扩散现象的演变，使用模拟数值模型。用Eulerian方法研究了分散过程，分析了示踪剂的空间和时间变异性。假定示踪物的分散过程服从方程。(1) 治理羽流的平流、扩散和沉降格里科和布迪隆，2003).
C＝T＝uC·KHb 1）Calpha;＝z z Kb 2）z Z＝C＝Z Z W Vb 3）C 0 eth;1THORN;变量C（X，Tb 6））是研究的材料的浓度，Kb 7）和Kb 8）是湍流 扩散的水平和垂直参数，它们分别具有10b 9）cm2Sminus;1和10minus;1CM2Sminus;1的值
（大久保，1971; 江和梅塔，2001; Mann和拉齐尔，1996. 垂直速度W
是由动量守恒方程积分得到的；V塞德是沉降速度：
V g gpi;pgamma;-Wd2＝12mu; eth;2THORN;
塞德
其中g是重力（M Sminus;2），mu;是水的粘度（KS Sminus;1），D的平均粒径（m），
p的示踪物释放密度（kg mminus;3）和w在释放深度处的水密度（kgmminus;3）。
在模拟过程中计算的垂直速度与沉降速度相比基本上可以忽略不 计。
图3。光传输与总悬浮固体（TSS）数据的线性回归（TSS）数据（88个样本）与TSS采样 和CTD铸型在第一次战役（2002年2月）中获得。
表1
仿真模型的主要特点。
没有陡峭的浓度梯度的扇区，而较低阶的方案，但类似于一阶“迎风” 方法，在扇区中使用，因为陡峭的梯度，有可能获得物理上不真实的 负解。一个或另一个方案的自动选择是通过引入流的非线性函数（限制流），它调节从一个方法到另一个方法的通道。因此，这种限制性流动函数强制了正性，仍然强制质量守恒（参见科伦，1993岁; 亨德多弗等人，1995; 亨德多弗，1996; SPEE等人，1997; 格里科和布迪隆， 2003; 格里科等人，2005; Pagnanelli等人，2013).
通过一阶“上游”方法离散垂直速度和沉积项，而扩散项（水平和垂直） 的空间离散是由中心差分方案经典地解决的。用二阶Runge-- Kutta方法求解一个显式格式的时间积分。塞利尔和Kofman， 2006).
利用在该区域进行的研究揭示的速度场来评价悬移质泥沙的动力 学。
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