河口海岸作业-副本

1、河口海岸学期中作业 刘金建 长江口细颗粒泥沙过程长江口细颗粒泥沙过程长江口细颗粒泥沙过程长江口细颗粒泥沙过程参考论文：参考论文： 长江口细颗粒泥沙过程长江口细颗粒泥沙过程 时钟 (上海交通大学 港口与海岸工程系, 上海 200030)，泥沙研究第六期。摘要摘要:本文对长江口细颗粒泥沙过程研究进行了总结, 并提出了今后重点研究方向: 1) 长江口细颗粒泥沙是非均匀沙,其运动机理究竟如何? 2)大规模水利工程究竟如何影响长江口最大浑浊带? 3) 在长江口细颗粒泥沙过程的数学模拟中, 如何考虑河口波、流相互作用(耦合) 及其对近底细颗粒泥沙输移的影响? 4) 整个长江口水域瞬时、连续的水深、含沙量、

2、地形变化资料的获取技术和方法的改进, 以提高长江口细颗粒泥沙过程数学模拟的精度。5) 长江口悬沙以拉格朗日模式输运, 而过去大多悬沙观测调查是在欧拉模式中进行,如何进行欧拉和拉格朗日模式对比研究? 6)风暴潮、台风等对长江口细颗粒泥沙运动的影响。关键词关键词:长江口; 最大浑浊带;细颗粒泥沙论文大纲论文大纲1引言2长江口细颗粒泥沙特征3长江口细颗粒泥沙过程4长江口悬沙平面扩散、悬沙峰5长江口最大浑浊带6长江口浮泥特性7长江口细颗粒泥沙絮凝机理和絮凝体沉降速率8长江口近底边界层细颗粒泥沙运动9长江口细颗粒泥沙运动的数学模拟10长江口入海航道疏浚、回淤和治理11结论1引言引言 长江口是长江注入东海

3、的入海口, 自徐六泾以下经过三次分汊, 共形成四个入海通道。崇明岛崇明岛将长江口分为南支和北支;长长兴岛和横沙岛兴岛和横沙岛又将南支分为南港和北港;南港又进一步被九段沙九段沙分为南槽和北槽。 根据大通水文站多年统计资料,长江多年平均流29500m3s-1。长江口外潮汐为正规半日潮长江口外潮汐为正规半日潮,口内为非口内为非正规半日浅海潮正规半日浅海潮。长江口为中潮河口,根据中浚站多年统计资料, 多年平均潮差为2. 66m。长江口波浪主要为风浪以及风浪和涌浪的混合浪风浪以及风浪和涌浪的混合浪。长江口水域的沿岸流主要为苏北沿岸流苏北沿岸流。长江口实测最大年输沙量为6. 78 亿t, 最小年输沙量3.

4、 41 亿t,年平均输沙量大约有4. 66亿t。每年由上游携带来的泥沙中有 50%左右在长江口水下三角洲地区沉积下来,成为形成长江口拦门沙的主要成份。 长江口细颗粒泥沙过程的研究主要起因于长江口细颗粒泥沙过程的研究主要起因于: 1) 海洋科学陆海相互作用中长江河口动力学的基础理论研究; 2) 长江口深水航道的维持(整治、 疏浚) ; 3) 长江河口水环境、 污染物的处理的日益恶化。长江口细颗粒泥沙过程主要研究径流、 潮流、 波浪、 科氏力及沿岸流与细颗粒泥沙、 淤泥质底床相互作用。 长江口细颗粒泥沙过程研究长江口细颗粒泥沙过程研究可以揭示长江口淤泥底床侵蚀、 堆积过程的机制和长江河口演变规律,

5、深入理解长江口细颗粒泥沙过程, 是海岸带陆海相互作用( LOICZ) 的重要基础研究内容, 具有重要的科学理论意义。而且对港口航道回淤有重要影响的浮泥形成运动机制、时空分布规律得到进一步认识,并从而得到工程措施所需的科学依据,特别对上海市的长江口深水航道建设有重要现实意义。 长江口细颗粒泥沙过程研究成果大量来自海洋学家(河口海岸学、物理海洋学)、土木水利工程师(海岸工程师)、流体力学家(环境流体力学)的文献、著作。 本文的目的本文的目的: 1) 是力图把这些文献( 以正式发表的文献为准,不包括研究报告)汇集起来,对长江口细颗粒泥沙过程的研究进行总结;2) 究竟我们对长江口细颗粒泥沙过程了解多少

6、? 3) 究竟长江口细颗粒泥沙过程还有哪些问题值得研究?2长江口细颗粒泥沙特征长江口细颗粒泥沙特征 河口水体中含有大量细颗粒泥沙,即粒径小于0. 004mm 的粘土粘土和一定比例的粉沙粉沙(粒径在0. 0044 0. 062mm之间)。细颗粒悬沙一般并不是以单颗粒的形式存在, 往往同附近其它大量的悬沙颗粒结合在一起,并形成一定的结构,这种相邻颗粒在一定条件下结合成集合体的作用被称为絮凝作用絮凝作用, 通过絮凝作用结合而成的这种结构体称为絮凝体絮凝体。长江口悬沙或底沙,粒径均以 0. 032mm的颗粒为主,在悬沙中占90%以上,底沙中占75% 。长江口河床质主要由粉沙和粘土所组成,是一种粘性细颗

7、粒非均匀沙, 0. 050mm 的颗粒占88%, 其中 0. 005mm的粘土约占 13%。长江口细颗粒悬沙粒径0. 032 0. 016mm以下各粒级占90. 5%。3长江口细颗粒泥沙过程长江口细颗粒泥沙过程 不少学者对长江口细颗粒泥沙输移做了定性研究。Milliman et al.就长江口悬沙通量进行了半定量研究, 北槽似乎是悬沙进入海洋的主要通道。长江口门附近的悬沙浓度和净输沙量在时间上有明显的涨落潮、 大小潮和洪枯季变化。北港是长江输水输沙的主要通道, 122。30，E- 123。E 是悬沙向东扩散的一条重要界线,入海泥沙主要向东偏南方向扩散 13。借助于环行水槽的实验装置,沈承烈、阮

8、文杰 2对长江口天然河床质的冲淤特性和机理进行了初步研究。在动水淤积过程中,长江口悬移质与床沙有着粗细颗粒泥沙交换, 而在冲刷过程中无 2。长江口细颗粒泥沙过程与环流有关 6, 14 16。基于现场水文泥沙调查资料,潘定安 17就长江口南港的水文泥沙环境及污染物输移进行了探讨。4长江口悬沙平面扩散、悬沙峰长江口悬沙平面扩散、悬沙峰 遥感卫星资料被应用于长江口入海悬沙扩散问题研究, 进而定量分析了长江口不同季节的悬沙浓度、扩散方向、扩散范围。依据悬依据悬沙浓度分布沙浓度分布,分四类分四类: 高浑浊舌状构成长江向海冲泻的主体高浑浊舌状构成长江向海冲泻的主体;浑水带浑水带; 羽状体羽状体; 冲淡水带

9、。冲淡水带。这四个带的变化受径流、风向、 风级影响,主要由长江径流、台湾暖流、苏北沿岸流控制, 它们的输移方向是冬季朝南、夏季朝东北东。由于卫星照片能够反映同一时刻广阔区域内的悬沙分布情况,这一研究工作取得了很大进步。新的卫星图像资料( 1988 1993)进一步提供了长江口表层悬浮泥沙浓度场空间分布和动态变化规律并给出了表层悬浮泥沙浓度场的定量分布及其与垂线平均含沙量的关系。此外, 利用现场的调查资料,谷国传、 曹沛奎、邵秘华等分析了长江口及其毗邻区域悬沙成份和浓度平面分布。利用长江口水文泥沙现场观测资料, 曹沛奎、严肃庄对长江口含沙量梯度较大的悬沙锋进行了研究, 发现了内、外两个锋面。悬沙

10、锋对长江口的物质输移和冲淤变化起积极作用。它们的变化规律仍有待深入研究。5长江口最大浑浊带长江口最大浑浊带 在北槽口内, 最大浑浊带形成的主要动力过程是潮汐的不对称性和河口重力环流。在北槽口外,最大浑浊带形成的主要动力过程则是河口底部泥沙的周期性再悬浮。在长江口北槽口内、 口外最大浑浊带中,细颗粒泥沙的再悬浮过程也存在着一定的周期性。此外,由盐度、 悬沙浓度层化引起的层层化抑制紊流化抑制紊流也是长江口北槽口内、口外最大浑浊带的成因机制之一。 从以上研究可见,长江口最大浑浊带细颗粒泥沙运动主要表现为: 1)垂向交换垂向交换2) 南北槽平面输移南北槽平面输移3)水平富集沉降。水平富集沉降。这几种运

11、动方式分别发生于何种条件下呢? 作者认为可能同时发生, 从已有的文献看, 这一问题有待进一步研究。6长江口浮泥特性长江口浮泥特性 河口学家对长江口浮泥也进行了现场实验观测研究39,40。通过对提纯粘粒做X射线、电子显微镜、差热和脱水分析,张志忠等 39定性地鉴定出长江口浮泥的粘土矿物成份,并探讨了浮泥的形成条件和分层沉淀现象。结果发现结果发现: (1)长江口南槽底质中粘土的矿物成分主要是伊利石; (2)长江口的浮泥可能主要是汛季上游带来大量粘土的细颗粒物质在长江口受咸水环境作用絮凝沉降所致; (3)长江口浮泥层是由浓度高、 密度大、 颗粒细的物质组成的分层的半流体的透镜体。长江口浮泥的特性长江

12、口浮泥的特性: 长江口浮泥面容重1. 04g/ cm3,底板容重 1. 25g / cm3; 组成浮泥的细颗粒泥沙中值粒径6. 44 6. 97; 组成浮泥泥沙的粘土矿物为伊利石- 绿泥石高岭石蒙脱石组合; 自然状态下一般浮泥厚度为 0.10.4m40。7长江口细颗粒泥沙絮凝机理和絮凝体长江口细颗粒泥沙絮凝机理和絮凝体沉降速率沉降速率 细颗粒泥沙絮凝细颗粒泥沙絮凝是潮汐河口的普遍现象, 其机理具有多样性, 如: 盐度、 高含沙量条件下颗粒碰撞、有机物或生物作用引起的絮凝,湍流强度变化产生的变化。长江口细颗粒泥沙絮凝主要侧重于盐度絮凝盐度絮凝。在紊动水体中, 絮凝现象的产生必须同时具备两个条件:

13、 絮凝体的电化学反应和颗粒之间的碰撞; 絮凝体所受剪切力小于其抗剪强度 41, 42。实验表明,产生絮凝的最小悬沙粒径是0. 030mm,当粒径处于0.01至0.03mm 时, 絮凝作用是很微弱的。由于絮凝作用,颗粒大小可以在0.001mm到0.1mm范围内迅速变化。 长江口细颗粒泥沙絮凝机理长江口细颗粒泥沙絮凝机理的研究也得到了发展 5, 41 54。通过现场新鲜水样进行的显微摄影,关许为等 46测得长江口不同区域絮凝体分布、形状、结构和尺寸,并分析了盐度分布和潮汐现象对泥沙絮凝现象的影响。絮凝体直径分布在0. 01 0. 5mm 之间,大部分出现在0. 01 0. 2mm 范围内。絮凝团主

14、要絮凝团主要有条状、有条状、 团状和蜂窝状三种形式。团状和蜂窝状三种形式。盐淡水交汇锋面附近、拦门沙河段临底区域为出现大量絮凝体的区域。低流速情况下,特别是憩流期,絮凝较为显著;而高流速情况下, 例如涨急与落急期,絮散比较明显。根据长江口细颗粒泥沙絮凝沉降试验和长江口一年的实测阳离子阳离子浓度资料, 蒋国俊、张志忠 48分析了阳离子浓度对细颗粒泥沙动力絮凝沉降的影响。结果发现结果发现: 长江口细颗粒泥沙动力絮凝存在最佳离子浓度; 在阳离子浓度相同的水体中,高价离子比低价离子更能促进细颗粒泥沙的动力絮凝沉降; 长江口阳离子浓度的时空变化,影响细颗粒泥沙絮凝沉降强度和沉积部位, 对拦门沙的发育及冲

15、淤变化有重要影响。 依据悬沙扩散理论, 李炎等 55、Li 等 56提出运用分粒分粒级的泥沙垂线分布推算长江口各粒级相对沉速、絮凝因级的泥沙垂线分布推算长江口各粒级相对沉速、絮凝因素比和絮凝指标的方法素比和絮凝指标的方法。 研究结果表明: 长江近口段悬浮泥沙处于絮凝程度低,群体沉速较低的亚稳态; 近口段至河口段间盐度急剧变化的区间, 存在着一个絮凝程度和沉降特征的迅速变化带; 河口段最大浑浊带的絮凝程度高, 群体沉速大,各粒级沉速接近,絮凝团形成已近极限状态; 口外海滨段盐度大于20 时絮凝程度又有所降低利用流速仪和声学悬浮泥沙观测系统, 时钟等 57获得了长江口北槽口外大潮水流、 悬沙浓度垂

16、线分布资料, 通过Rouse公式拟合法计算得到细颗粒悬沙沉降速度为3. 0 4. 0mms- 1, 此值可能偏大, 更多组的计算仍需加强。8长江口近底边界层细颗粒泥沙运动长江口近底边界层细颗粒泥沙运动 在淤泥质河口近底边界层,强劲的潮流、波流能引起淤泥底床沉积物的侵蚀或再悬浮,产生悬沙浓度的垂直分层现象,反过来又影响潮流、波流。占水体 10 20%的近底高含沙层近底高含沙层( 浓度5 10kgm- 3) ,这作为河口细颗粒泥沙输移的主要形式, 普遍存在于许多高浑浊的河口内。深入理解河口底部边界层高含沙层的动力学机制具有重要的科学意义,这将加深我们对河口近底水- 泥相互作用的认识,而这种作用控制

17、着整个河口细颗粒泥沙的输移过程。 近年来,海洋水声学和声学悬浮泥沙观测系统被成功应用于长江口近底边界层细颗粒泥沙输移的实验研究。具体地讲,有以下几个方面的进展进展:1 连续的、高时空分辨率的河口细颗粒悬沙浓度垂线分布2 河口近底细颗粒泥沙再悬浮、再挟运过程3 河口近底高含沙层(浮泥)和高、低频率界面波9长江口细颗粒泥沙运动的数学模拟长江口细颗粒泥沙运动的数学模拟沈焕庭等 探讨了长江河口入海航道治理研究。陈吉余深入讨论了长江口治理。顾伟浩等对长江口铜沙老航槽自然回淤进行了初步分析。钟修成、 任苹对长江口拦门沙航道(北槽)回淤进行了分析。张栋梁、 孙建国长江口北槽挖槽段泥沙淤积机理探讨张栋梁、 姚

18、金元就长江口北槽挖槽段泥沙淤积特性进行了分析研究顾伟浩分析了台风对长江口北槽航槽挖槽段回淤影响。10长江口入海航道疏浚、回淤和治理长江口入海航道疏浚、回淤和治理研究成果11结论结论 本文对长江口细颗粒泥沙过程研究进行了回顾总结。在过去20年中, 长江口细颗粒泥沙特征长江口细颗粒泥沙特征、细颗粒泥沙过程细颗粒泥沙过程、悬沙平面扩散悬沙平面扩散、悬沙锋、最大浑浊带悬沙锋、最大浑浊带、 浮泥特性浮泥特性、细颗粒细颗粒泥沙絮凝机理和絮凝体沉降速率泥沙絮凝机理和絮凝体沉降速率、近底边界层细颗粒泥沙近底边界层细颗粒泥沙运动和细颗粒泥沙运动的数学模拟运动和细颗粒泥沙运动的数学模拟等方面取得了一定成就, 为长

19、江口入海航道疏浚、治理等提供了科学依据。海洋水海洋水声学声学被成功应用于长江口近底边界层细颗粒泥沙输移的实验研究这应为深入理解河口近底边界层高含沙层的侵蚀、 挟运、 输移和堆积过程提供新的实验研究途径,对河口最大浑浊带成因的进一步认识应有重要的科学意义。数学模数学模拟拟已成为长江口细颗粒泥沙过程研究及应用的重要手段。 就作者的认识和兴趣, 今后应在以下几个方面加强进一步研究:大规模水利工程势必对长江口悬沙场等产生影响大规模水利工程势必对长江口悬沙场等产生影响,究竟对长究竟对长江口最大浑浊带的影响程度如何江口最大浑浊带的影响程度如何? 在长江口最大浑浊带细颗粒在长江口最大浑浊带细颗粒泥沙过程的数学模拟中泥沙过程的数学模拟中, 如何考虑河口波、流相互作用如何考虑河口波、流相互作用(耦合耦合)及其对近底细颗粒泥沙输移的影响及其对近底细颗粒泥沙输移的影响? 长江口地形变化大长江口地形变化大,整个整个水域瞬时的水深、地形变化资料很难获取水域瞬时的水深、地形变化资料很难获取;此外此外, 整个水域瞬时、整个水域瞬时、 连续的含沙量资料缺少连续的含沙量资料缺少,这些都给长江泥沙过程数学模拟精度这些都给长江泥沙过程数学模拟精度带来不少问题。带来不少问题。整个长江口水域瞬时、连续的水深、含沙量、 地形变化资料的获取技术和方法的改进,