中国河口最大浑流型特征及成因分析

中国河口最大浑流型特征及成因分析

在河口的局部范围内，上游和下游段的含沙量稳定大于上游和下游段的两倍，底部含沙量显著增加，床面经常有漂浮的沉积物。这些现象的区域被称为“最大浑浊带”。它是反映河口细颗粒泥沙输移的一种典型现象,是河口“过滤器”作用的突出表现。早在1938年就有关于法国吉伦特河口(LaGironde)最大浑浊带的报道,由于这一现象在河口航道维护以及河口学理论上的重要性,近数十年来,也引起北欧、英国和美国研究者的广泛重视,他们从不同学科出发,对世界上许多河口的最大浑浊带作了调查研究,就其成因、时空变化规律及其对河口淤积的影响提出了各自的见解,并尝试建立数学模型进行描述,至今已取得很多进展。相对而言,我国对河口最大浑浊带的专门研究开展较迟,但进展颇为迅速。作者等于1980年对长江河口最大浑浊带的变化规律及其成因进行了初步探讨1,揭开了我国研究河口最大浑浊带的序幕。嗣后,同类研究在其它河口及长江河口相继展开。吴超羽2(1981)、贺松林(1983)对瓯江河口,毕敖洪等(1984)、谢钦春等(1998)、李伯根等、(1999)对椒江河口,田向平(1986)对珠江河口伶仃洋,苏纪兰等(1992)、李炎等(1992)对杭州湾,孙志林(1993)对我国的强混合河口,沈焕庭等(1984、1992、1993、1994)、时伟荣等(1993a、1993b)、孙介民等(1993)、李九发等(1994)、姚运达等(1994)、黄世昌等(1994)、沈健等(1995)、顾新根等(1995)、徐兆礼等(1995)、贺松林等(1996)、陈敏等(1996)、夏初兴等(1996)、潘定安等(1996、1999)、时钟等(2000)、杨作升等1、2(1987、1999)对黄河口等的最大浑浊带进行了研究,取得了一系列有价值的研究成果。研究表明,不同类型的河口其最大浑浊带具有不同的特性、形成机制和时空变化规律。我国入海河口众多,类型复杂,这为深入研究河口最大浑浊带提供了有利条件。本文试图在上述一系列研究的基础上,对我国一些河口的最大浑浊带作综合分析,比较它们形成的环境背景和特点,并进行成因分类,以期将此项具有重要理论和实践意义的研究引向深入。1台、琼及其他海域的河流类型河口最大浑浊带的形成机制和类型与河口的基本特性密切相关,故有必要先论述本文拟讨论河口的基本特性。我国入海河口众多,类型复杂,据初步统计,在包括台、琼及其它一些大岛在内的长达21000多公里的海岸线上,分布着大小不同、类型各异的河口1800多个,其中河流长度在100公里以上的河口有60多个。本文选择长江口、珠江口、黄河口、钱塘江口、瓯江口和椒江口等6个河口作为研究对象,其中前4个是我国著名的大河口,后二个是颇具特色的中小河口,这6个河口基本上能反映我国河口的特色和类型。1.1主要采用混合b伤口属于此种类型的河口有长江口和珠江口。其共同特性是:(1)汉季510月径流及枯季114月长江口大通站(位于枯季潮区界)最大流量为92600m3/s,年径流总量9240亿m3,最大径流变率为20。洪季(5～10月)径流量占全年的71.7%,枯季(11～4月)占全年的28.3%。珠江口伶仃洋有珠江四大分流河口(虎门、蕉门、洪奇沥和横门)注入,多年平均流量为5663m3/s,年径流总量为1792.6亿m3,约占珠江出海总径流量的59%,洪季(4～9月)径流量占全年的80%,枯季(10～3月)的径流量仅占20%。(2)潮潮和稳定期长江口是一个中潮河口,南支口门附近多年平均潮差为2.66m,最大潮差4.62m,北支潮差比南支大,三条港的多年平均潮差为3.06m,最大潮差5.01m。在上游径流接近年平均流量,口门潮差接近年平均情况下,河口涨潮量为266300m3/s,约为平均流量的9倍。伶仃洋的平均潮差小于2m,是个弱潮河口湾,但由于口门宽阔,河槽容积大,因而进潮量很大,从下边界进入伶仃洋的平均涨潮量为73500m3/s,约为平均流量的13倍。外海潮波进入这二个河口后均发生变形。反映在流速和历时上,涨潮历时缩短和流速增强,落潮历时延长和流速减弱。此种潮汐不对称性对浑浊带泥沙的集聚有重要作用。(3)全年以b型为主,仅有高沙潮、低潮、水潮、盐潮一般在不同季节内发生c型长江口南支的南槽、北槽和北港下段,除枯季大潮出现充分混合型(C型)以及洪季洪峰遇小潮时出现高度分层型(A型)外,全年以B型出现机率最多,伶仃洋的盐淡水混合,无论洪季或枯季,大潮或小潮,一般为B型,在枯季大潮遇径流偏小的情况下可出现C型,在洪季小潮遇径流偏大的情况下可出现A型。由于这两个河口的混合型均以B型为主,故在其口门附近的拦门沙地区,都存在明显的上层净流向海、下层净流向陆的纵向环流,此种环流也是促使泥沙在浑浊带集聚的重要原因。(4)年生时期废水排放长江大通站的平均含沙量为0.544kg/m3,年平均输沙量达4.86亿吨,其中洪季的输沙量占全年的87.2%。珠江水系的含沙量比长江小很多,进入河口区各干道的平均含沙量仅为0.283kg/m3,约为长江的1/2,但由于径流丰沛、平均每年进入河口区的输沙量也达8336万吨,其中约有3064万吨进入伶仃洋,洪季的输沙量占全年的91.7～95.8%。由于流域的来水来沙丰富,故浑浊带的泥沙以流域来沙为主,在洪季尤为如此。1.2主要采用混合c型河口钱塘江口、瓯江口、椒江口和黄河口属于此种类型,其中前三个河口的共同特性是:(1)径流总量与年际变化这三条河流均属山溪性河流,流程短,流域面积小,落差大,故径流量小,季节性变化特大,如瓯江全长376km全程落差1800m,在17958km2的流域面积中,山地占80%,是一条典型的山溪性河流,干流圩仁站多年平均流量469m3/s,加上支流楠溪江的流量68.6m3/s,平均每年入海径流总量169.5亿m3,汛期4～9月径流量占全年的78%以上,最大洪峰流量23000m3/s,最小流量仅10.6m3。椒江全长190km,流域面积4290km2,多年平均流量163m3/s,年径流量66.6×108m3,汛期4～9月径流量占全年的76%,洪水暴涨暴落,最大洪峰流量16300m3/s,最小流量不到0.39m3/s,钱塘江全长688km,流域面积55558km2,年平均流量988m3/s,年径流总量311.8亿m3,汛期3～9月径流量占全年的70%,最大洪峰流量29000m3/s,最小流量22.4m3/s。(2)潮差深值型河口这三个河口均位于强潮海区,故潮差比较大。瓯江河口口门平均潮差4.29m,平均进潮量3.0～3.9亿m3,山潮水比值仅0.06～0.08。椒江口海门站平均潮差4.01m,最大潮差6.30m,小潮进潮量1.4×108m3,山潮水比值为0.04～0.06。钱塘江口澉浦站平均潮差5.58m,最大潮差达8.93m,平均进潮量约37亿m3,山潮水比值0.01。此类河口的河床形态一般呈下宽上窄,是宽度、深度急剧变化的河口。潮波极不对称,外海潮波经喇叭状河口湾向口内传播时,潮能辐聚,潮差增大,单位面积潮能在一定距离内沿程集中,然后因阻力耗能而逐渐减小,中间存在高能区。与此相应,水流切应力和流速自湾口向上游沿程增大,于口内最大潮能处上游侧达最大,继而递减。落潮流自上游下泄,沿程缓慢加速,而经口门入海扩散时,水流切应力和流速随之迅速减弱。同时,潮波进入口门后也急剧变形,前坡迅速增陡,后坡变缓,到沙坎河段,由于水深骤浅便破碎形成涌潮。如在钱塘江口就形成举世闻名的涌潮,在长江口北支的永隆沙至青龙港河段也时有涌潮出现。由上述可见,潮汐作用是此类河口最大浑浊带形成的主要因素。(3)垂向密度环流由于潮流十分强劲,而径流相对较弱,故这几个河口的混合指数K明显小于1,一年中大部分时间盐淡水处于高度混合状态,垂向盐度梯度很小,呈C型,仅在径流量很大时才出现B型。故此类河口的垂向密度环流在大部分时间难以形成,仅在洪季径流量很大和小潮时才有所发育。此与以B型为主的长江口和珠江口有明显不同,它不能成为此类河口最大浑浊带形成的主要原因。(4)最大东南角枯季水体泥沙特征瓯江口圩仁站的平均含沙量为0.165kg/m3,年输沙量仅230万吨,主要集中在汛期,如1960年和1971年汛期的输沙量分别占全年的95%和99%。椒江河口的平均含沙量为0.23kg/m3,年输沙量123.4×104t,流域来沙输移质中的细砂占27.6%,粉砂占46.1%,粘土占26.3%,中径为0.047mm,而最大浑浊带的泥沙其细粉砂占30%,粘土占70%,中径为0.007mm。枯季水体悬沙浓度明显高于洪季,悬沙粘土矿物成分与长江口、浙江沿海的成分相似,显然,其细颗粒泥沙主要来自海域。钱塘江流域来水的平均含沙量为0.16kg/m3,年输沙量为790万吨,而地处最大浑浊带的澉浦河段,大潮最大垂线平均含沙量达14.86～22.02kg/m3,尖山断面曾测得最大含沙量达51.1kg/m3。可见瓯江、椒江和钱塘江基本上均属清水河流,输入河口区的泥沙量很少,河口最大浑浊带的泥沙主要来自海域。黄河口是一个比较特殊的河口,它潮差很小,而径流量相对较大,按此种情况,盐淡水混合应属于B型或A型,但在浑浊带发育的拦门沙滩顶地区水深很浅,通常高潮时2m,低潮时1m,由于这一因素使其在大部分时间从表层到底层盐度分布均匀,无分层现象,呈C型。故盐淡水异重流也不明显,但因输沙量很大,受高强度输沙的影响,在水体下层形成密度高而盐度低的泥沙异重流,中层是盐度较高但泥沙较少的入侵水体,上层是泥沙浓度和盐度较小的泥沙异重流。表1给出了上述6个河口最大浑浊带的环境背景及特性的比照。2在最大黑暗带中的共同性和异质性从以上六个河口最大浑浊带所处的环境背景及其变化规律可以看出它们既有一些共性,又各具特色。2.1最大东南角泥沙这是最大浑浊带赖以发育的物质基础。然而细颗粒泥沙主要得自流域还是得自海域,有两种情况:一种是主要靠流域补给,如长江口、珠江口、黄河口。由于流域供沙汛期明显多于枯期,因而最大浑浊带的含沙浓度都是汛期大,枯期小,而且河流输沙量越大,其河口的最大浑浊带含沙浓度越高,在合适潮情配合下,汛期最大浑浊带核部的床面还出现浮泥;另一类是主要靠海域补给,如瓯江口、椒江口、钱塘江口和长江口北支。由潮流将口外的细颗粒泥沙从口外输入河口,河流本身多属山溪性河流,坡降大,流程短,汛期向河口输送的物质多为粗颗粒泥沙,细颗粒泥沙为量甚少。此类河口的最大浑浊带以枯季发育最佳。2.2泥沙聚合性分析集聚的区段就在动力平衡带或盐淡水的主混合带。径流挟运泥沙向海输移,进入河口段会因潮水的顶托而趋弱,潮流的不对称性和斯托克斯等效应驱使泥沙向河口内搬运,进入河口后因径流的下泄而受阻,两者之间形成在一个匀势相持、净流程很短的平衡区段,在这个区段,泥沙在一个潮周期内的净位移很小,滞留时间长,滞留则沙聚。再者,盐淡水的主混合带盐度纵向梯度大,指向上游的密度梯度力总是助长涨潮流,削弱落潮流,从而在某一部位的向海一侧下层出现净上溯流,使一部分口外泥沙重返口内,也阻截了一部分流域泥沙向海输移。一般而言,这两种集聚因素在入海河口都起着富聚泥沙的作用,只是主次而已。钱塘江口、瓯江口、椒江口、黄河口的最大浑浊带主要与动力平衡带有关,盐水入侵因素为次。长江口和珠江口盐水入侵因素对最大浑浊带的影响明显,最大浑浊带的形成动力平衡带和盐水入侵都起着重要的作用。2.3泥沙主要靠流域补给的河口最大浑浊带的核部涨潮上推,落潮下移,大潮偏上游,小潮偏下游。但季节性变化存在明显的差异:径流变率小、潮汐强度居中弱、泥沙主要靠流域补给的河口,其浑浊带是洪兴枯衰,如长江口、珠江口;而径流变率大、泥沙主要靠海域补给的山溪性强潮河口,其浑浊带则是枯兴洪衰,特大洪水时,浑浊带甚至被推出口外或含沙浓度大大减小,如瓯江口、椒江口、钱塘江口。黄河口则是一个特例,它处于弱潮环境,径流变率尽管也很大,但洪峰时黄河本身就是高含沙浓度水流,因此其浑浊带也是汛期比枯期典型。2.4最大东南角带悬沙沉降在最大浑浊带的核部活动区段内,床底都相应存在地形隆凸的堆积体,或是拦门沙(如长江口、珠江口、黄河口等),或是河口沙坎(如钱塘江、长江口北支)或是拦门沙、沙坎均有(瓯江口)。最大浑浊带悬沙沉降对这些堆积体的形成有重要的贡献;反过来,堆积体形成后以及沉积物的再悬浮又对最大浑浊带产生影响。3盐淡水混合私家车相染河口最大浑浊带形成需有二个基本条件:一是有丰富的细颗粒泥沙补给,二是存在使泥沙在特定区段集聚的动力机制。两者构成了划分最大浑浊带成因类型的基本依据。最大浑浊带的泥沙有河流的、海洋的、侵蚀的、生物产生的和工业、城市垃圾等多种来源,但主要有陆源和海源两大类。所谓陆源指河流从河口上游搬运而来;所谓海源系指从口外海滨或邻近海域搬运而来,其矿物组合与流域来沙有明显差异。对某个河口而言,说是“陆源”并非无海域来沙,说是“海源”也不是无流域来沙,而是指何种来源为主。促使细颗粒泥沙在最大浑浊带集聚的机制比较复杂,有沉降和起动滞后效应、絮凝作用、河口环流、潮波变形、潮流冲刷作用、高浓度悬浮体的悬浮作用和锋面的集聚等多种,但归纳起来主要可分成两大类:一类与潮汐作用有关,由此形成的最大浑浊带谓之潮汐浑浊带或潮致浑浊带;另一类与盐淡水混合有关,由此形成的浑浊带谓之盐淡水混合浑浊带或盐致浑浊带。潮汐作用主要表现在二个方面:一是外海潮波在向河口传播过程中逐渐发生变形:前坡增陡,后坡变缓;涨潮历时缩短,落潮历时加长;涨潮流速增大,落潮流速减小。此种不对称性导致斯托克斯输移,使由径流挟带下泄的部分泥沙和涨潮流带来的部分泥沙被截留下来,集聚在径流与潮流势均力敌的动力平衡带内,从而形成最大浑浊带。二是底沙再悬浮。在潮流、波浪等动力因子作用下,最大浑浊带内的泥沙部分处于持续悬浮状态,部分处于悬浮—沉降—再悬浮的运动状态。由于在河口特别是C型河口普遍存在与最大浑浊带相吻合的强切应力场,故床面水流切应力有规律地先沿程增强尔后递减是造成最大浑浊带含沙浓度高的重要因素。如钱塘江口、椒江口等,其最大含沙量可高达50kg/m3以上。盐淡水混合作用主要表现在三个方面:一是盐水楔异重流,即垂向密度环流。在滞流点上游,净流从表层到底层均向海,而在滞流点下游,出现上层净流向海,下层净流向陆的垂向余环流。此种环流不仅阻碍流域来沙向海排泄,而且也能捕集向海侧的泥沙,从而使大量泥沙在滞