长江口同步实测分水分沙比与净泄分水分沙比的比较

长江口同步实测分水分沙比与净泄分水分沙比的比较

在巨大的地表径流和强流之间的相互作用下，长江口形成了一个复杂的子午线河口，呈现出三种类型的河流和四个海湾。径流抵达各级分汊口发生分流,通常分流量大的汊道,趋于发展,成为主槽;分流量小的汊道,趋于衰退,成为副槽。如北支曾是长江口的主槽,18世纪中叶后分流量减少,成为副槽,1959年起开始出现水沙倒灌南支的现象,之后分流量长期处于5%以下,不断趋于衰亡。又如埃及尼罗河口,自1964年阿斯旺大坝截流后,改变了下游分汊河道的分流量,引起典型河段主槽的弯曲、缩窄和萎缩。由此可见,分流控制汊道的兴衰,影响河口的演变。长江口北槽深水航道治理的关键工程之一,就是在三级分汊口的江亚南沙滩顶上实施分流鱼咀工程,使北槽的分流量稳定在55%以上。分流就是在分汊口地形作用下上游来水分入汊道,同时泥沙也随流分入汊道。在分流多分沙少的情况下,水体挟沙力增强,汊道易冲刷,反之,易淤积。长江历来水沙丰沛,据大通水文站1950—2003年资料,年径流量9051×108m3,年输沙量4.33×108t。然而,近年来到达长江口的泥沙呈显著减少的趋势。在此背景下,深入探讨长江口分水分沙及泥沙输移问题,将对长江口演变趋势预测和开发治理具有重要的理论意义。1南支-南港河段本文研究区域为徐六泾至白龙港-连兴港连线之间的长江河口水域(图1),包括长江河口的一、二级分汊口及三条汊道:(1)北支水道,崇头至连兴港,长约80km,平均水深2~4m,分汊口宽约2km,连兴港断面宽约13km,最窄处青龙港宽仅1.8km,为北支泥沙进入南支的瓶颈。河槽上段沙咀发育,中段心滩和汊道并存,下段潮流脊发育。(2)南支-南港水道,徐六泾至白龙港河段,是一、二级分汊的主槽,全长105km,其中吴淞口以西称南支,长70km,以东称南港,长35km。该水道多暗沙,主要有白茆沙、扁担沙、浏河沙和中央沙,近年来白茆沙变动较小,脊部稍有淤高,将水域分成了南、北两条水道,南水道为主槽。其余三沙多游荡,沙体间有汊道和串沟发育。(3)北港水道,长兴-横沙岛与崇明岛间的河段,长约26km,上连新桥水道和新桥通道,槽内青草沙沙尾常上下游荡,南北摆动。2数据和方法2.1断面位置及行政特征2002年9月22至29日在南北支及南北港5个断面26个站进行了大中小潮连续27h同步观测(图2),观测项目包括流速、流向、含沙量及水位。站位布设:北支水道,上口设0203和0204两站,其中0204站作为计算青龙港断面水沙通量的基本站;下口0205~0207三站组成连兴港断面。南支-南港水道,上口设0214~0218五站,组成白茆沙断面;下口设0219~0222四站,组成南港断面。北港水道,设0223~0226四站,组成北港断面。其余8站设在浅滩或水道,不参与断面通量计算,其中0201站设在白茆沙滩脊,0202站设在上扁担沙沙尾,0208站设在新宝山水道上游的陈行水库前沿,0209站设在新浏河沙串沟,0210、0211和0212站依次设在新桥水道、新桥通道和中央沙南沙头水道;0213站设在青草沙沙尾的涨潮沟内。断面地形:除青龙港断面据2002年实测地形图绘制外,其余均依据2002年出版的海图进行数字化处理后绘制,基面均统一到吴淞零点。2.2采用标准水文法进行水沙单宽的计算河口区水沙通量估算对河口演变分析具有重要意义。上世纪六、七十年代Bowden、Fisher和Dyer等就初步建立了断面水沙通量计算公式,此后一些新的通量计算公式和方法逐渐被提出,如断面通量传输公式和机制分解法等。本文采用的标准水文法通过推算水沙单宽值着手,已被广泛应用,如陈子燊利用单宽物质通量分解法计算珠江口铜鼓水域的水沙输运;Kitheka采用标准水文法计算非洲塔纳河口(TanaEstuary)水沙通量,均取得了理想的效果。另外,以往长江口水沙通量的计算多采用标准水文法,因此采用此法便于与以往结果进行对比。3结果与分析3.1潮型和净输水量北支为上窄下宽的喇叭形水道,下口的连兴港河宽为上口青龙港的7.2倍,过水断面面积为青龙港的6倍,两口相距约60km,平均潮位下可容纳水体约20×108m3。特定的河槽条件造成上、下两断面水沙通量的悬殊。计算结果(表1)表明,连兴港断面,潮量大进大出,水沙净输向上,呈现倒灌;从潮型比较,涨、落潮量和进、出沙量均为大潮>中潮>小潮;倒灌沙量也以此为序;而倒灌水量相反,为大潮<中潮<小潮,但相差不大。青龙港断面,进、出潮量均小于5.5×108m3,较连兴港断面小一个量级;各潮型的净输水量均为下泄,但量值很小,大、小潮均不足1×108m3,大潮泥沙净输上溯,倒灌入南支1.69×104t。纵观两个断面,净输水、沙(沙除大潮外)青龙港下泄,连兴港上溯,都暂蓄在北支水道内,而上口下泄的水、沙远小于下口上溯的外海水、沙,造成北支盐度较大,颇具海水属性。3.2检测内水流沙通量南支为长江水沙入海的主要通道,其中白茆沙断面是上游控制断面,反映上游进入长江河口的水沙状况。据计算(表2),白茆沙断面落潮水、沙通量均数倍于涨潮通量;净泄水量随潮汛增大而减小,小潮最大,日下泄量为26×108~30×108m3,均值为28.60×108m3;而净泄沙量随潮汛增大而增大,大潮最大,日下泄量为30×104~90×104t,均值为61.95×104t,呈现“小潮泄淡、大潮排沙”的特征,反映出潮流对长江水沙下泄的影响。以观测期间日均下泄水量推算,2002年9月下泄水量为858×108m3,加上青龙港同期下泄38×108m3,可得该月从上游输达长江口的径流量为896×108m3;而同期大通站月下泄水量为1099×108m3,考虑本次观测时间为9月下旬,计算结果基本符合实情。下游南北港断面涨、落潮水沙通量也以落潮占优,但两者的差值较上游白茆沙断面小,南港净输水沙量同样显示“小潮泄淡、大潮排沙”的特征,日下泄水量为9×108~10.5×108m3,变幅较小,均值为9.91×108m3;日下泄沙量为13×104~27×104t,均值为20.95×104t。北港净输水沙通量均随潮汛增大而增大,呈现出水、沙输运的一致性,日下泄水量为17×108~19×108m3,均值为17.97×108m3,日下泄沙量为27×104~76×104t,均值为54.99×104t,为南港的2倍以上。因此,北港的暗沙多游荡,航道水深比南港小。上、下游断面对比:净泄水量,大潮时上游比下游小1.91×108m3,表明上、下断面之间的南支内有暂蓄水体被排出,而中、小潮反之,为上游大于下游,反映出有水体暂蓄,并以小潮时为大。这是由于小潮时低潮位升高,中潮次之,大潮时降至最低,水位升高需水体充填,反之则排出水体,于是造成了上、下游断面进、出水量的不平衡。净泄沙量均为下游大于上游,反映出观测期间南支河段有冲刷迹象,这相对以往长江口洪淤枯冲的规律而言,是一种新出现的情况,是否与上游来沙减少有关,需进一步探讨。3.3涨潮汇流沙比对北支泥沙品质的指示意义分水分沙常用于河口汊道演变的研究,以往南北支分水分沙研究成果较多,但标准不尽相同,有的采用汊道落潮水、沙量和河道总落潮水、沙量之比,有的采用汊道净泄水、沙量和河道总净泄水、沙量之比,统称分水分沙比,并无严格区分。计算结果(表3、表4)表明,两者的量值不同,北支落潮分水比大潮时最大,达到11%,小潮时最小,仅为1%;净泄分水比中潮时最大,为6%;取大、中、小潮均值,落潮分流比为7%,净泄分流比为3%。分沙比与分水比相似,亦为落潮分沙比大于净泄分沙比,其值分别为27%和10%。不同标准的分水分沙比对汊道演变影响的指示意义是不同的。就北支而言,如采用落潮分流比,表示的仅为落潮分入北支的水量比,无法反映北支涨潮水体上溯携带的泥沙对北支演变的影响;而净泄分水比反映了长江径流的分入量,北支的衰退就是分入北支径流减少之故。因此,预测北支的演变趋势采用净泄分水比为宜。同样,净泄分沙比能更直接反映泥沙倒灌南支的情况,如表4中大潮的净泄分沙比出现负值,显示出泥沙的倒灌。为说明北支泥沙倒灌南支,本文使用“涨潮汇流(沙)比”进行描述。南、北支涨潮汇流(沙)比采用涨潮阶段分别通过白茆沙断面和青龙港的水、沙量进行计算,泥沙通过青龙港这个“瓶颈”后,即视为“倒灌”。涨潮汇沙比能更有效地反映出北支泥沙的倒灌,如表4中南、北支的大潮至小潮期间的平均涨潮汇沙比分别为46%和54%,表明北支涨潮进入南支的泥沙大于南支涨潮上溯的泥沙。从青龙港0204站含沙量随时间变化图(图3)可知,北支泥沙主要于大、中潮高水位阶段倒灌入南支。3.4南港下泄径流比南、北港更表5显示了2002年9月的南、北港分流状况,其中净泄分流比,南港占31%,北港占69%,北港约为南港的两倍;而涨潮汇流比南、北港相等,各为50%,反映出北港下泄水量中,不全是长江下泄径流,而较多地含有南港涨入的外海水。净泄分沙比(表6),南港占28%,北港占72%,北港约为南港的2.6倍,且涨潮汇沙量也大于南港。反映出北港是一条多沙的汊道,具有水大沙多的特性,泥沙运动活跃。3.5泥沙下泄特征综合各断面及各站水、沙通量及分水分沙特征,长江口洪季水沙运动具有径流“主体南泄”,汊道“副淤主刷”和水沙“输移分异”等特征。观测期间,长江径流日均下泄量达33.51×108m3,其中南支下泄32.46×108m3,占绝对优势,北支下泄仅为1.05×108m3,分流比仅3%。北支连兴港断面海水日倒灌量达1.5×108~1.8×108m3,超过径流下泄量,形成北支海水上溯、南支径流下泄的情形。青龙港断面除大潮泥沙倒灌入南支外,仍有泥沙向北支输入,而连兴港断面泥沙倒灌上溯,上下两口同时进沙,势必造成北支发生淤积;南支下游断面输出的泥沙多于上游断面输入的泥沙,多输出的泥沙大部出自南支自身河段,反映出南支有被冲刷的迹象,形成北支淤积南支冲刷的格局,在一定程度上反映了汊道“副淤主刷”的特征。通过单位过水断面积(1m2)落潮泥沙下泄量(下称输沙强度)统计(表7),发现在同一断面上(除南港小潮外),靠北测站的落潮输沙强度均大于靠南的测站,且净泄泥沙存在着偏左输移的现象,这与径流在科氏力作用下主体偏右输移相反,呈现出水沙“输移分异”的特征。从南支河段内各点泥沙净输向(图4)多偏于落潮输沙量左侧可得到进一步证实。北港的泥沙多于南港,水沙“输移分异”可视为原因之一,但产生水沙输移分异的机理尚需进一步研究。根据泥沙输移计算结果,可描绘出长江口悬沙输移的基本路径(图5):长江来沙主体入南支,通过白茆沙南北水道下泄,至二级分汊口时,又分入南、北港水道入海,其中南港又分南、北槽入海,并在输移途中进行着频繁的滩槽交换;海域泥沙从北支下口上溯,至崇头倒灌入南支,和长江来沙汇合后多在白茆沙北水道下泄,构成南支→海域→北支→南支悬沙输移大循环。4长江口洪季水沙运动特征(1)白茆沙断面和南港断面的净下泄水量均随潮汛增大而减小,以小潮下泄量最大;泥沙净下泄量反之,以大潮下泄量最大,即小潮泄淡大潮排沙,显示了以径流作用为主的分汊主槽的水沙输移规律;北港断面的净下泄水量和泥沙净下泄量均随潮汛增大而增大,具有水沙输移的一致性,显示了径流作用较弱的分汊副槽的水沙输移规律。(2)净泄分水分沙比能更好地揭示分汊河道的发展趋势,南、北支净泄分流比为97%和3%,净泄分沙比为90%