长江河口絮凝泥沙变化过程及动力因子的现场现测

长江河口絮凝泥沙变化过程及动力因子的现场现测

长江是世界著名的河流之一。它的河口从徐六井以下分为三个部分。与世界其他大河河口一样,在河口口门附近存在宽阔的拦门沙地形,自然水深仅有6m左右。数十年来,国内外众多学者和工程师们对不同河口拦门沙的成因、演变、水沙条件、治理工程及室内模型试验、细颗粒泥沙絮凝试验等方面进行了广泛的研究,取得大量的研究成果。与此同时,为了满足国际航运大吨位船只通航的要求,在河口拦门沙航槽增深治理方面也取得显著的成效。而在河口拦门沙成因及变化中起重要影响作用的因素之一,即细颗粒泥沙在陆与海二股水流相互作用下产生絮凝、沉降、淤积。以往因受现场观测仪器限制,其河口拦门沙河槽的细颗粒泥沙产生絮凝、沉降和淤积的过程难于获取。基于此,本研究利用激光改正粒度测量仪器、热敏式双频道回声测深仪以及HSDM声学高密度测沙仪等先进现场观测仪器,着重对长江河口拦门沙河槽絮凝颗粒粒径、浮泥层及变化过程,以及与此相关的动力因子进行现场观测,初步获得长江河口拦门沙自然河槽(南槽)和疏浚河槽(北槽)的絮凝颗粒粒径、浮泥层及变化过程的原始数据,并就此探讨其与水流速、盐度和含沙量变化的关系。1浮泥体颗粒粒径、容重量测量与评价2006年2月(枯季)和8月(洪季)在长江口南槽(自然河槽)和北槽(疏浚河槽)及南支、南港进行了泥沙絮凝颗粒、浮泥和相关的流速、含沙量、盐度等要素观测(图1)。利用美国Sequoia公司开发Lisst-100激光改正粒度测量仪现场量测泥沙絮凝颗粒粒径(图2),该仪器现场泥沙(絮凝团)颗粒粒径量测范围为2.5～500μm,适应于水体含沙浓度范围为0.02～1.50kg/m3,温度测量范围为-5℃～50℃,现场观测时考虑到长江河口拦门沙河道下层水体含沙量较高,上层絮凝颗粒偏小,故本次观测仪器探头放置在水面以下3m处(观测站南槽平均水深在7m左右,北槽在10m左右),设置每10分钟记录贮存一组数据;同时利于ADP声学流速剖面仪每10分钟记录一组流速流向数据;采用Innerspace-449热敏式双频道回声测深仪的高频率208KHz监测浮泥上界面,低频率24KHz监测浮泥下界面,再用HSDM声学高密度测沙仪测量浮泥体的容重值;并每小时采取水样、浮泥及河床沉积物样。在室内进行了含沙量、盐度、泥沙颗粒度和部分矿物含量等项目的测试分析,其中悬沙、浮泥、河床沉积物颗粒粒径均采用Coulter颗粒粒径分析仪测试,测试之前所有样品均分别用盐酸、双氧水(H2O2)处理消除有机质,再用蒸馏水稀释清洗,最后用偏磷酸钠浸泡和超声波振动进行分散处理。2沙子颗粒的粒径组成2.1悬沙粒径分布随时间的变化在空间上单颗粒泥沙粒径分布,与河口径潮流二股水流相互消长作用有关。众所周知,长江河口泥沙主要来源于长江流域,流域来沙中以细颗粒冲泻质泥沙为主,小于32μm的细颗粒泥沙占80%以上。而流域来沙中床沙质进入河口潮流界受其涨潮流顶托和河宽扩展水流扩散等因素影响,部份较粗颗粒泥沙常常发生落淤,势必使河口水体中悬移质泥沙颗粒组成变得更细,在盐水到达的上界面徐六泾实测悬沙颗粒粒径平均值为4.2μm,至南港悬沙颗粒粒径平均值为5.5～6.6μm,在拦门沙河段的自然河槽南槽悬沙颗粒粒径平均值为4.5～6.8μm、疏浚河槽北槽悬沙颗粒粒径平均值为3.6～6.1μm(表1)。由于进入河口的悬沙中均以冲泻质为主,颗粒普遍较细,故悬浮泥沙颗粒粒径组成的量级上在河口区平面分布上差异较小。在时间上单颗粒泥沙粒径变化,与长江流域来沙存在明显的季节性变化有关,在河口周期性变化的水流速及径、潮流相互作用下,河口区尤其拦门沙河段河槽悬浮泥沙颗粒组成存在随时间而变的规律,表现在枯季流域来沙少,悬沙颗粒粗,平均颗粒径为5.9～6.8μm,洪季流域集中来沙,悬沙颗粒细,均值为3.6～5.5μm(表1);一般大潮汛流速大,悬沙颗粒粗,而小潮汛水流速小,悬沙颗粒细。2.2粒径特征见表1长江河口细颗粒泥沙具备较好的絮凝环境,而絮凝泥沙颗粒大小又受到多种因素的影响,其颗粒大小存在明显地时空变化(表1和表2):1)实测平均絮凝泥沙颗粒粒径为61.5μm,是分散泥沙单颗粒粒径的10倍多,最大絮凝泥沙颗粒粒径为107μm,是分散泥沙单颗粒的20倍多,最小絮凝泥沙颗粒粒径为27.4μm,是分散泥沙单颗粒的4倍多;2)盐水到达的上界区域徐六泾实测絮凝泥沙颗粒粒径相对较小,平均粒径为32.6～60.4μm,而南北槽最大浑浊带区域絮凝泥沙颗粒粒径最大,平均粒径为57.3～79.2μm;3)实测平均絮凝泥沙颗粒粒径的洪枯季变化与分散泥沙单颗粒粒径相反,洪季絮凝泥沙颗粒粒径比枯季大,洪季平均絮凝泥沙颗粒粒径为60.4～79.2μm,枯季为42.5～66.6μm;4)在2006年洪枯季现场观测期间,发现水体中絮凝泥沙颗粒持续存在,但其泥沙颗粒粒径大小在多种因素的影响下始终出现较大的波动性变化(图3)。3细颗粒砂结构长江河口浮泥采用国际上习惯的以容重因子来定义,在现场用HSDM声学高密度测沙仪从水面向河床铅垂方面逐渐测量含沙水体容重,当实测容重值为1.04t/m3时,确定该值为浮泥体的上界面,至近河床泥体容重值为1.25t/m3时,为浮泥体的下界面(图4)。从表1看,经过室内分散处理的浮泥体泥沙颗粒较细,以粘土质粉砂为主,中值粒径为6.5～9.2μm,小于32μm的细颗粒泥沙占80%以上,小于4μm的粘土占33%以上。而且表现为底泥颗粒粒径略大于浮泥,浮泥颗粒粒径略大于悬沙,但差值很小,说明浮泥物源来源于悬浮泥沙。从表2和图4看,长江河口浮泥发育和运动存在明显的时空变化。1)在空间上主要发育在拦门沙河段的北槽和南槽,而且正在疏浚的北槽浮泥厚度大于自然状态的南槽。2006年洪季南槽实测浮泥厚度为0.11～0.35m,北槽为0.36～0.65m;2)在时间上的变化更明显,正常天气条件一般转流时刻前后均有浮泥发育,小潮汛浮泥最厚,在垂线分布上呈小h型分布(图4a),厚度在0.50m左右。当流速较大时段或者流域来沙较少的枯季,一般浮泥层较薄,厚度仅有0.10～0.20m左右,在垂线分布上呈大L型分布(图4b、c)。河口实测浮泥厚度与流域来沙、周期潮流速变化及絮凝颗粒粒径大小等因素有关,表现在流域来沙多的洪季大于来沙少的枯季,落转涨潮大于涨转落潮,大潮汛流速大,一般不利浮泥发育,故小潮时浮泥分布和厚度均比大潮大。4讨论4.1含沙量及水流特征对粒径的影响长江河口具有促使细颗粒泥沙絮凝的良好环境,但在整个河口区域细颗粒泥沙絮凝环境又受到多种因素不均衡的影响,其絮凝泥沙颗粒粒径表现为不稳定。盐度对絮凝泥沙颗粒粒径变化的影响盐度对细颗粒泥沙絮凝过程中的贡献率,在区域上表现极为明显。在河口盐水到达的上界徐六泾河段,常年盐度值均小于1‰,该区域絮凝颗粒团显得较小,而常年盐度值均在2～20‰之间的拦门沙河段,絮凝泥沙颗粒粒径与徐六泾河段相比明显增大,故该区域盐度在细颗粒泥沙絮凝过程中贡献率明显增高(表1)。然而,在某一固定河道断面或测点,因该河段水体在常年均能保持细颗粒泥沙絮凝的必要盐度值的条件下,而又在盐度值变幅较小的某一时段中,盐度值的微小波动对细颗泥沙絮凝颗粒粒径的影响往往被其他更敏感的因素所掩盖,故在图5中显示出絮凝泥沙颗粒粒径与盐度值的同步波动关系表现为更复杂。含沙量对絮凝泥沙颗粒粒径变化的影响含沙量对细颗粒泥沙絮凝过程中的贡献率,在区域上的表现与盐度值相类似。在徐六泾河段,常年含沙量均小于0.5kg/m3,而拦门沙河段常年含沙量均在1.0kg/m3左右,故拦门沙河段絮凝泥沙颗粒粒径明显大于徐六泾河段,以此可以推断不同河段水体含沙量的高低差异及变化对絮凝泥沙颗粒粒径有一定的影响作用。但是,由于拦门沙河段水体含沙量常年较高,泥沙颗粒之间的碰撞机率相对较大,故在图5中显示出某一时段中絮凝泥沙颗粒粒径与含沙量变化的同步波动关系并不十分敏感。泥沙颗粒粒径对絮凝泥沙颗粒粒径变化的影响长江河口水体中的单颗粒泥沙呈洪季细,枯季略粗,这与流域季节性的来沙条件不同有关,即洪季以流域直接来泥沙为主,枯季以洪季泥沙落淤在河口和邻近海域再悬浮泥沙为主,两者直接来源的不同导致其单颗粒泥沙外层性质和大小会有差异,这种差异对絮凝泥沙颗粒粒径的影响必然会显示出来,由于洪季单颗粒泥沙细,水体含沙量高,泥沙颗粒碰撞机率就高,在同等环境条件下有利于泥沙颗粒絮凝成团,因而洪季实测的絮凝泥沙颗粒粒径大,而枯季反之(表1)。流速对絮凝泥沙颗粒粒径变化的影响潮汐河口的水流流速存在大小潮和涨落潮周期性的变化(图5),长江河口实测水流流速变化幅度较大,一般大潮汛最大流速可达2.50m/s以上,而小潮汛一般均在1.0m/s以下,多数时段的水流流速在0.4～0.7m/s之间,而流时刻流速可以接近于零。从图5(a～b)看,不论在空间或时间上,水流流速与絮凝颗粒粒径变化的相关性最为清楚,絮凝泥沙颗粒粒径最大值均出现在中等水流流速时段,即流速为0.4～0.7m/s之间,由于大流速可提高泥沙颗粒之间的碰撞机率,但此时段水体紊动强,对絮凝团的破坏更大,故大流速时絮凝颗粒粒径表现为较小。低流速时段,水体紊动弱,絮团容易沉降落淤河床,水体中的絮凝泥沙颗粒粒径也表现为较小。可知,中等水流流速是细颗粒泥沙絮凝成团的最佳条件之一。而在盐度值、含沙量等因素均能保持细颗泥沙絮凝的必要量值的前提下,周期性的水流流速变化就成为控制细颗粒泥沙絮凝团大小的最敏感的因素。图3为实测瞬时流速、絮凝泥沙颗粒粒径随时间变化的过程线图,首先从絮凝泥沙颗粒粒径过程线与周期性的涨落潮流速变化的大尺度看,其最大絮凝颗粒粒径出现在涨潮或落潮过程的中等流速时段,而从流速和絮凝颗粒粒径过程线小尺度看,流速过程线仍表现为光滑的曲线,在一个潮周期中形成一条较规则的正弦曲线,而絮凝颗粒粒径随流速变化呈现波动性的过程线,说明在河口水体中细颗粒泥沙絮团也受其瞬时潮流速大小的影响,表现为不稳定地有规律的波动性变化。4.2大量絮凝泥沙颗粒沉降河口浮泥大量实测资料表明,长江河口浮泥体主要出现在河口拦门沙河道。以往的研究亦多关注浮泥的形成与该河段存在的动力平衡带的关系,然而,从现场实测资料看(表2和图5),河口浮泥发育及变化与动力平衡带环境条件下的细颗粒泥沙絮凝快速沉降关系更密切。从表1实测悬沙、絮凝体和浮泥的单颗粒粒径值看,三者被分散处理后的平均颗粒粒径均小于10μm,小于32μm的颗粒占80%以上,说明三者物质来源相同。但是,在正常的动水条件下如此细粒的泥沙颗粒很难沉降河床。据以往的研究成果表明,长江流域来沙有一半将淤积在河口区,仅洪季在拦门沙河道多年平均淤积厚度为0.6m左右,这必然与该季节河口细颗泥沙絮凝成团快速沉降有关。从2006年洪枯季实测絮凝泥沙颗粒粒径和浮泥分布及随时间变化的过程看(表2和图5),实测絮凝泥沙颗粒粒径普遍较大,是原始单颗粒粒径的10倍以上,属于细砂颗粒级别,达到具备抗拒一般紊动水流而下沉的基本重量,大量絮凝泥沙颗粒下沉,使近底含沙量达到2.0kg/m3以上(表2),成为河口浮泥形成的物质基础。从图5看,在涨潮或落潮过程中在最大流速前或后中等流速时段均出现絮凝颗粒粒径最大值,再对照表2看,在最大流速前期出现的絮凝泥沙颗粒粒径最大值而被后来的最大流速破环,下沉河床泥沙并不多,河床未形成较厚的浮泥层,而在最大流速后期出现的絮凝泥沙颗粒粒径最大值因随流速减小至流时段,大量絮凝泥沙颗粒粒径下沉河床,此时段常常出现最大浮泥层。可见,长江河口细颗粒泥沙絮凝沉降是浮泥形成的主要物质来源及其变化的重要影响因素之一。5细颗粒泥沙絮凝环境特征2006年枯(2月)、洪(8月)季利用多种较先进又实用的现场观测仪器,对长江河口絮凝泥沙颗粒粒径、浮泥层及变化过程,以及与此相关的动力因子进行同步现场现测,观测效果良好,获得一批以往因现场观测仪器所限想做而未做成的最新原始观测数据。主要观测数据显示:(1)长江河口悬沙组成以细颗粒泥沙为主,小于32μm的细颗粒泥沙占80%以上,实测悬沙单颗粒平均粒径为4.2～7.0μm。在洪季流域来沙集中期,悬沙颗粒更细,均值为3.6～5.5μm,而枯季流域来沙少,水体含沙量以再悬浮泥沙为主,颗粒略粗,均值5.9～6.8μm。(2)长江河口细颗粒泥沙絮凝环境良好,实测絮凝泥沙颗粒粒径均值为61.5μm,是分散单颗粒粒径的10倍多,实测最小絮凝泥沙颗粒粒径为27.4μm,最大为107μm;在盐水到达的上界线区域徐六泾实测絮凝泥沙颗粒粒径相对较小,均值为42.5～60.4μm,而南北槽最大浑浊带区域絮凝泥沙颗粒粒径最大,均值为57.3～79.2μm,这种差值是与区域间不同盐度值对细颗粒泥沙絮凝的贡献率有关;洪季实测絮凝泥沙颗粒粒径比枯季大,洪季均值为60.4～79.2μm,枯季均值为42.5～66.6μm,这与洪枯季泥沙来源多与