br/>第1章绪论1
1.1引子——从电影《怒海争锋：极地远征》说开去1
1.2海洋沉积动力学的内涵3
1.2.1什么是海洋沉积动力学3
1.2.2从过程到产物的海洋沉积动力学5
1.2.3海洋沉积动力学的研究特点与方法6
1.2.4从沙粒到层序、从亚秒到万年——尺度问题7
1.3研究的实例8
1.3.1荷兰的“砂引擎”与海岸漂砂(砂质海岸)8
1.3.2长江口深水航道与河口*大浑浊带12
1.3.3海岸盐沼陡坎的侵蚀后退与湿地保护(泥质海岸)12
1.3.4中国东部海域的悬沙和沉积体系15
1.4研究历史17
1.5本书的章节安排与文献阅读建议19
1.5.1章节安排19
1.5.2从入门到前沿19
1.5.3文献建议20
参考文献21
第2章沉积物的特征与运动形式24
2.1单个沉积物颗粒的粒度24
2.2沉积物粒度信息的统计分析31
2.3粒度测量方法36
2.4沉积物的其他物理属性39
2.5沉积物的动力特性40
2.6沉积物的运动形式42
参考文献46
第3章沉积物的沉降速度49
3.1沉降速度的定义49
3.2影响沉降速度的因素50
3.3小型球形颗粒的沉降过程53
3.4一般非黏性沉积物颗粒(天然砂)的沉降过程58
3.5黏性沉积物的沉降61
参考文献66
第4章流体流动、湍流与边界层68
4.1湍流：从凡高到海森堡68
4.2流体流动状态的观测：流速测量70
4.3湍流与雷诺应力77
4.4边界层83
4.4.1非层结流体边界层内的受力平衡84
4.4.2近底床区域的等切应力和直线型涡黏系数假设87
4.4.3垂向线性减小的切应力和抛物线型涡黏系数假设88
4.4.4用对数流速分布反推底床切应力和摩阻高度89
4.4.5适用于一般情况的二阶k-ε模型90
参考文献96
第5章底床形态与底部摩擦阻力98
5.1底床形态及其测量方法98
5.2底床形态的生成与分类101
5.2.1底床沉积物黏性对底形的影响101
5.2.2底形的成因104
5.2.3底形的分类：低流态底形与高流态底形105
5.2.4低流态底形分类：小波痕、沙丘108
5.2.5波浪底形112
5.2.6潮流底形114
5.3水流的底部摩擦116
5.3.1底床切应力的计算公式116
5.3.2产生底床阻力的因素118
5.3.3底形糙率119
5.3.4水流底床切应力与水流底床表面切应力123
5.4波浪的底部摩擦124
5.4.1波浪边界层顶部的流速振幅：波浪轨道速度124
5.4.2波浪底床切应力126
5.5浪流联合作用下的底部摩擦128
附录：潮流沙脊(潮流脊)129
参考文献131
第6章沉积物的输运与起动135
6.1沉积物输运的定义与概念135
6.2沉积物的起动137
6.2.1非黏性沉积物的起动139
6.2.2粗细混合非黏性沉积物的起动142
6.2.3黏性沉积物的起动144
参考文献146
第7章推移质输运147
7.1推移质输运率的观测方法147
7.2推移质输运率公式149
7.3潮流作用下的推移质净输运153
参考文献156
第8章悬移质输运158
8.1悬沙浓度的观测方法162
8.1.1传统方法：采样称重162
8.1.2代用指标测量：光学和声学方法162
8.2悬沙输运方程167
8.2.1沉积物的质量守恒方程：扩散方程167
8.2.2湍流对扩散方程的影响169
8.3均匀恒定流下悬沙浓度的垂向分布170
8.3.1扩散方程的一维近似解：Rouse剖面170
8.3.2非黏性底床悬沙浓度计算的底部边界条件：浓度边界174
8.3.3黏性底床悬沙浓度计算的底部边界条件：通量边界179
8.4潮流作用下悬沙浓度的时空变化185
8.5潮流作用下悬移质净输运率190
参考文献193
第9章沉积物输运与地貌地层演化计算196
9.1沉积物输运计算196
9.2地貌地层演化计算198
参考文献201
内容摘要
笔者多年来在南京大学讲授“海洋沉积动力学”课程，在授课讲义的基础上写成本书。本书以注重可读性、偏口语化的风格来叙述海洋沉积动力学的基本原理，以期为具有一定数理基础的读者提供轻松入门的途径。同时，融入前沿和发展方向，希望借此激发读者的研究兴趣和灵感。内容包括沉积物的特征与运动形式，沉积物的沉降速度，流体流
动、流与边界层，底床形态与底部摩擦阻力、沉积物的输运与起动、推移质输运、悬移质输运，最终落实到地貌地层演化的计算。
本书适合海洋、地理、地质、水利等相关专业的高年级本科生和海洋地质、沉积地质、物理海洋学、自然地理学、港口海岸及近海工程等相关专业的研究生学习。本书对从事海洋和海岸沉积物（泥沙）与地貌地层研究及工程的相关科技人员亦有参
考价值。
精彩内容
第1章 绪论
1.1 引子——从电影《怒海争锋：极地远征》说开去
本章是绪论。从下章起，本书将一步一步地深入“海洋沉积动力学”这门学科中的不同科学问题。这里我们只先做些简单的了解。
*先，建议读者看一段电影的开头片段。它出自一部我昀喜欢的电影《怒海争锋：极地远征》( Master and Commander: The Far Side of the World，2003)。电影里讲的是英法两国海军交战的故事。电影一开始就展示了风帆战时代( 19世纪 30年代)海军舰船上的生活。我们经常说，海军在风帆战时代的代表人物是纳尔逊(Nelson，1758～1805年)，蒸汽战时代的代表人物是当年日俄对马海战的东乡平八郎( Heihachirō，1848～1934年)，而航母时代的代表人物就是美国的尼米兹 (Nimitz，1885～1966年)。电影中我们看到的就是昀早的风帆战时代的海军。那时候海军舰船上的生活很艰苦，补给也不方便，只有在船上养活了鸡才能吃到鸡蛋，养活了牛才能喝到牛奶。在船上，天天伴随着潮涨潮落，滔天巨浪也是家常便饭，持续的洋流会帮助或阻碍航行，而海风吹过，人的头脑可能会冷静下来，亦可能胀痛不已。
如果你从事海洋学( oceanography)研究，往往也能体会到这些情形：你既会领略大海风平浪静的一面，也会感受到它脾气暴躁的时刻。有时你会享受在船上度过的美好时光，但有时你又会觉得很糟糕，尤其是在小船上。大船上的生活还说得过去，但如果是在一条仅宽6m、长30m的小船上，和五六个人同吃同住，在海上度过5～10d，你会发现生活没那么容易——既要亲近自然，也要努力与它搏斗。
舰上每4h换一班，用沙漏计时，以敲钟为号。从中午12点开始，甲板钟敲8响，12点30分敲1响，1点敲2响，依此类推，到下午4点敲8响时就换班，然后重新开始。电影在一开始就展现了这一生活场景。不过，我们更关注的是沙漏。之所以选择沙漏作为计时工具，是因为里面的砂子颗粒具有*特的力学特性，在郑晓静和王萍(2011)编著的《力学与沙尘暴》一书的第19章中有精彩的介绍。它们和水相比可不一样：底层水的压力随水深增加，因此水位高的时候水流得快，而水位低的时候就流得慢，水流的速度不是恒定的。但是砂子在底层的压力和砂堆高度的关系很弱，这样砂子流下去的速度就比较一致，对于计时来说更合适。这就是所谓颗粒态物质( granular matter)的特性之一。物质分气、液、固三态，但是对于沙漏里面的砂粒，或者是海滩、水底的砂子来说，从每颗上看，当然是固体，但是从宏观上看，它们又像流体一样会流动。而因为每个颗粒具有固定的形状，它们并不能被归入流体中，因此，有人将这样的“颗粒态”称为第四态( de Gennes， 1999)。
海洋沉积动力学所面对的研究对象“沉积物”( sediment)往往具有这种第四态特征。我们想知道的是，由这些颗粒组成的体系，会具有怎样的行为特点。打个比方，取一升颗粒——一升砂粒，可以算出一共有多少颗砂。你可能会去造访砂质海滩，可以试着计算那里一共有多少颗砂。根据牛顿力学可以知道单个颗粒会如何运动，但是面对数千甚至数亿个颗粒组成的体系，它们的运动又应该如何计算？如何用计算机去预测它们的动态？这在现在仍然是难以解决的问题。研究颗粒体系的运动问题，需要我们另辟蹊径，那就是海洋沉积动力学。
军舰的日常任务之一是测量水深，这很重要。得出海底地形(submarine topography)和当地的水深( water depth)，这对于海洋地质学(marine geology)而言，也是非常必要的调查工作。当时使用的工具就是一只拴在绳子上的铅锤，而当今早已用上了基于声学原理的多波束( multi-beam)测深系统。士兵们除了测量水深，还要想办法从海底表面刮一些东西上来，去了解底床的沉积物是什么样的。在电影中，水手大叫：“砂粒和碎贝壳！ ”(Sand with broken shells!)这是为什么呢？
斯德哥尔摩有座著名的博物馆，叫作瓦萨博物馆(Vasa Museum)，它因馆藏的巨大战舰“瓦萨号”而得名。“瓦萨号”是 17世纪的战舰，不幸的是，头一回出海时它就沉没了。接下来的故事倒是有趣：瑞典人设法把它的所有部件都打捞上岸，进行修复后送进了博物馆。在那里，还可以见到一些船上的仪器，它们和电影里出现的器材作用差不多，都用来在底床上采集沉积物样品。另外，建议参观南京龙江的宝船遗址公园，这也是一座和大船相关的“博物馆”。15世纪前期，中国明朝的郑和等人组建了庞大的船队，途经中南半岛、印度洋，昀终到达非洲东海岸。现在的博物馆，就坐落于当时修造船只的厂房遗址之上。在里面会发现，当时的中国水兵也使用一些仪器来采集底床沉积物样品。金秋鹏( 2011)在《中国古代造船与航海》一书中提到，古代中国水手用绳子悬挂涂了牛油的铅锤，放到海底测量水深，并且带起海底的泥沙。通过分辨泥沙的特征，就可以知道船到了什么地方。
采集底床沉积物其实是非常有意义的一件事。古代人对沉积物有一些初步的认识。他们发现，在离岸越近、风浪越大的地方，细颗粒沉积物(泥)无法沉积，而会被水流带往很远的地方。当能采集到砂粒和碎贝壳时，可能就离岸不远了；而如果采上来的是泥，那就说明距离陆地还很远。这个朴素的想法直到现在都仍然可以应用于海洋沉积动力学的研究。 Griffin等(2008)及 George和 Hill(2008)在Marine Geology杂志上发表的论文正是这个概念的延伸，他们认为在近岸的地方，水越浅、波浪越大，泥巴越无法存留。不过，在中国海岸的许多地方会发现古代人的经验并不总是正确的。
底床沉积物大小(粒度， grain size)的控制因素主要有两个。**个是当地的水动力(hydrodynamic force)条件。正如前文介绍的，越靠近海岸，水越浅，潮流和波浪作用也越强烈，细小的东西会容易被带走而难以存留，这样就理应不会出现泥质底床。但是，我们还必须考虑第二点，沉积物供给( sediment supply)。试想，如果这片海域得到河流输入的巨量的泥质沉积物，如中国的黄河口和长江口附近海域，那么近海浅水区域的沉积物类型也就只有泥；尽管这里的潮流、波浪作用强烈，但由于仅有大量的泥质沉积物供给，当地的底床也只能是泥质的(秦蕴珊 ， 1963)，反而是在许多较远较深的地方，海洋的底床是砂子，这在历史上被美国著名海洋沉积学家 K. O. Emery①称为陆架残留砂( relict sands)(Niino and Emery， 1961)。
所以，回到刚才的电影，在平静或者暴虐的海洋中，*先得知道海底地形— —这里的水有多深。这对海洋地质学很重要，对海洋沉积动力学也同样重要。士兵们采集底床沉积物样品，可以了解底床的性质，并获取其他信息，如估算距离陆地还有多远。其次是沙漏，从中可以看到颗粒运动的性质：它们和水或者子弹不一样，具有*特的力学属性。
更重要的是电影反映出的海权问题。当年英法双雄逐鹿大洋，特拉法尔加 (Battle of Trafalgar)战役奠定了日不落帝国的霸业。当今，中国与美国以及部分东南亚国家之间存在一些争端，这在南海议题上表现得尤为突出。而在东海和黄海，中国与日本、韩国之间也存有争议。作为中国人，我们应当开展更多的海洋学研究，获取更多的信息，从而了解如何保护和利用海洋资源，维护海洋权益。这也是“海洋沉积动力学”课程中的一项重要议题。在未来，读者之中有些人会成为科学家、工程师，也有些人会进入政府机关工作。无论如何，总得对整个海洋系统有些昀基本的了解，在此基础上发挥你的聪明才智，才能为国家争取合理的海洋权益。
1.2 海洋沉积动力学的内涵
1.2.1 什么是海洋沉积动力学
*先，什么是海洋沉积动力学呢？可以先看一幅有趣的插图(图 1-1)。河流从图中左上方的高山，流经平原，与海洋交汇形成冲淡水( river plume)，泥沙(沉积物)也随之被挟带入海。陆上昀接近海的地方是海岸( coast)，在此可以见到海滩(beach)或是潮滩(tidal flat)。从海岸往海的方向去就到了大陆架( continental shelf)，那里通常是水深小于 200 m的浅海(shallow sea)。如果再往海的深处去，就到了大陆架坡折( shelf break)，再深处就是深海平原( abyssal plain)了。河流输送来的沉积物，以及海岸边和海底的沉积物，其在海洋中可被波浪( wave)、潮汐 (tide)、洋流( ocean current)以及沉积物重力流( gravity current)等动力搬运。沉积物有时会悬浮在水中(悬移质)，有时会在海底滑动、滚动、跳跃(推移质)；它们经常暂时性地驻足海底，但是在一段时间之后又开始新的旅程。在不断运动中，有一部分沉积物失去了“活力”，沉积在底床上并保存下来，经过漫长的地质年代(长达数千年甚至数百万年)形成一定的序列，并且往往是一层一层的，称为地层 (strata)，就像图上所画的那样。海洋沉积动力学就是研究沉积物在海洋环境中搬运、堆积及其环境效应的学科。
图1-1 地球上的沉积物源-汇体系资料来源：Margins Office(2003)
海洋沉积动力学对科学研究具有重要作用。现在大家十分重视全球变化(global change)问题，研究过去的环境变化，可以为预测未来的环境变化提供参考。过去环境变化信息的载体是什么？其中一个很重要的载体，就是海底保存下来的沉积物。不论是深海的，还是浅海的，这些被埋藏的一层一层沉积物就像一页一页的记录本，每层的沉积物就是记录的载体，所以称为沉积记录( sedimentary record)。从这些被埋藏的沉积物中可以获取许多关于过去环境变化的信息。
但是这些记录能够准确反映历史上的环境变化吗？比如说，如果知道海底以下某个深度的地层中的沉积物是什么时候的(沉积物的年代)，又测得了反映环境信息的一些物理、化学指标，那么用这些指标就能够推知当时的地表环境(如温度、降水)了吗？其实答案是不一定的。因为地层作为一个系统，可能存在记忆效应，也就是说，地层中的沉积物，是地表或者海洋沉积物经过输运改造之后才保存下来的，记录的信息可能是滞后的。所谓“一口吃不出个胖子”就是指的类似的问题：一个人的体重往往和他的饭量不是同步变化的，而是存在一个滞后效应，并且这个滞后的时间受他的体质等因素控制。某地的沉积记录就相当于某个人，里面的相关指标就相当于体重，想要知道的环境信息就相当于人的饭量。同样，沉积记录里面的指标也可能反映的是滞后的地表环境信息，就像要知道人体运作的机理那样，要知道怎么校正、去除滞后效应，探索沉积记录的形成机理，这正是海洋沉积动力学的主要工作之一。
另一个问题是沉积记录的时间标尺，或者说是沉积记录的完整性问题。我们想要知道过去什么时候有怎样的环境特征，*先要建立沉积记录的时间标尺，即要了解保存下来的沉积记录是对应什么年代。一种典型的办法是，利用地质年代学的方法[如 14C、137Cs、210Pb、光释光(optically stimulated luminescence， OSL)等]，测量某些层位的沉积物的年龄，然后假设这些层位之间的沉积物是日复一日、年复一年连续沉积并完整保存下来的，这样就可以采用内插的办法，推算那些未测量层位的沉积时间。就像知道了第 100页和第 200页书的位置，那么在它们正中的就是第 150页。但是，书有可能是缺页的，沉积记录也有可能是不连续、不完整的。要知道哪些地方有多长的时间缺失，在海洋沉积动力学中，可以通过研究沉积物的输运—停留—侵蚀—保存过程来给出答案。
海洋沉积动力学不仅是一门有趣的科学，它在经济发展和环境保护上也有巨大的价值。读者知道哪里能找到石油吗？很多石油形成于现代或古代三
占位居中
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