长江口深水航道北槽航道回淤特征

长江口深水航道北槽航道回淤特征

1期工程后的堆积预测图1显示了长江口深水运河的配置。近年来北槽航道的年回淤量及各疏浚单元年回淤量的分布见表1和图2。图1长江口深水航道疏浚单元平面图北槽航道回淤的主要特征:1)二期工程后淤积量明显增大,已大大超过二期初设阶段预测的年维护量2500万m3;2)分布集中,H—N单元16km长航道(占二期航道总长73.45km的22%)内的回淤量占总回淤量的60%~70%;3)2005年后,回淤量逐年增大;4)洪枯季的淤积规律不变(表2)。规律不变有二层含义:一是从一期工程后至今,洪季(5—10月)淤积量占全年80%左右的比重一直未变;二是北槽中段(H—N单元)与全槽其它各段并无不同:洪、枯季淤积量之比均约为8:2。2悬沙排水、絮凝条件泥沙在航槽中淤积,主要有两种形态:一是河床表层的泥沙(底沙)在水流的搬运下自上游向下游的运移,表现为一种缓慢的床面高程的过程性抬升,在长江口运移速度一般数公里/年;二是河床面以上的水体中的悬沙因水流的输沙动力不足落淤至床面,导致航槽淤浅。长江口水体含沙量洪季平均约1.0kg/m3,枯季约0.5kg/m3,悬沙淤积量的大小取决于水体含沙量(含沙量高则淤强大)、滩槽高差(淤强大致与槽滩水深比的二次方成正比)、流速(流速越大,挟沙力越大,淤强小)和细颗粒泥沙的絮凝条件(絮凝泥沙团的沉降速度可达0.5~0.8mm/s,比离散泥沙沉速大十几倍)等。因此,对于北槽航道严重回淤的原因,应当从上述泥沙条件(包含底沙和悬沙)和动力条件(对淤强有明显影响的地形条件——滩槽差、流场条件——流速及其纵横向分布、絮凝条件等)两方面入手,针对前述回淤特征,从空间上重点关注中段,时间上重点关注2005年前后这些淤积条件的变化。2.1沙子条件变化2.1.1微结构回淤量大,泥沙因果消除,但在一定的时间上又出现了较长周期的冲淤过程性1)悬沙。大通站多年悬沙输沙量约4.86亿t,但近年已锐减到1亿t左右(图3)。因此,通过北槽进口带入北槽的悬沙含量的变化不是北槽回淤量增大的原因。2)底沙。自2001年起,上游南港河段主流北偏,冲刷瑞丰沙腰部,加之人工大量采砂,瑞丰沙下沙体不断减小(图4)。2003年8月至2005年11月是下沙体冲蚀最快的时段。2000年2月至2007年2月10m等深线以上的沙体体积累计减少了约1.4亿m3,其中,因周边工程陆域形成的需要从瑞丰沙采走的沙量估计应超过6000万m3,其余泥沙尚有一部分进了南槽。因此,估算有数千万m3的泥沙随落潮流逐渐输入北槽。进入北槽的泥沙主要以底沙形态向下输移,引起北槽出现了较长周期的过程性淤积(图5)。由于航槽一直在以疏浚手段维护一定的通航水深,图中以滩地的冲淤来表示此变化。由图5可见,进入北槽的泥沙,首先于2004年在进口段导致滩面淤积。2004年2月至2005年2月的冲淤图(图6)清楚地反映了这一变化。由图5可知,这部分底沙约在2005年至2006年开始使中段的边滩淤高,正是困难段回淤量渐增的时期。到2007年,这部分底沙对边滩的淤涨作用已下移到W3以下,而W3以上边滩则开始了恢复性冲刷(图7)。前列表1中,2004年全槽回淤量仅1705万m3,比2001—2003年均少,上段8.5m航道水深的维护并未出现困难;而2007年中段边滩已明显进入恢复性冲刷,但2008年H-N段的回淤量仍高达4103万m3。这说明瑞丰沙下泄的泥沙并非中段严重回淤的主体物质来源。但是,2005年起北槽边滩(特别是南边滩)的淤涨,显著增大了中段的滩槽高差,使得悬沙落淤强度增大。总之,由于近年南港河势的变化,相当数量的底沙在北槽过境,不仅造成了滩地自上游而下游的过程性淤高,也加剧了2005年以来中段的回淤,但并不是中段淤积的主要泥沙来源。2.1.2水质泥沙含量与持续增长的关系北槽水体含沙量与潮汐的关系可概括为:大潮(潮差大)含沙量高,且大潮期涨潮含沙量明显大于落潮。1991年2—3月测得大潮落潮平均含沙量为0.623kg/m3,而涨潮平均含沙量却达0.912kg/m3;图8给出的2008年8月水文测验的成果也反映出北槽大潮涨潮平均含沙量在1.0kg/m3左右,而落潮平均在0.7kg/m3左右,W3附近的CSW垂线平均含沙量则更高些,涨潮为1.83kg/m3,落潮为1.13kg/m3。多年的观测资料证明,尽管1985年以后上游来沙锐减,但横沙以下长江口水域的悬沙含沙量及其季节性变化和随潮汐而变的规律均未改变,说明北槽的水体含沙量主要受潮汐动力控制。口外浅滩的泥沙取之不尽,潮汐动力生生不息,北槽水体中0.5~1.0kg/m3的泥沙将永远是航道回淤的泥沙来源。但是,既然主要受潮汐动力控制的口外来沙并未在2004年以后有明显的增减变化,也就不能认为它是造成2005年后主要在H-N局部区段回淤量骤增的主要原因。2.1.3坝体泥沙对航槽的补给作用深水航道治理工程以来,北槽19座丁坝间的坝田区累计淤积泥沙已超过3.0亿m3,大部分坝田区滩面高程已达±0m左右。遇风浪作用时,水深变浅了的坝田区易使波高1~2m的波浪即产生破碎,从而使滩面泥沙掀扬,并在潮流作用下分选,细颗粒泥沙被带出坝田,增大附近水域水体中的含沙量。2008年8月,“凤凰”台风后发现北槽内,特别是偏下段的坝田区明显冲刷,高程降低(图9),说明坝田区在风浪天的掀沙会增大北槽的水体含沙量。由于近年来南导堤外侧九段沙滩面的持续淤高,S3-S4丁坝及其上/下游的南导堤内外泥面已超过+2.0m(图10)。近期在附近做的多点OBS断面含沙量观测也发现,大风天存在九段沙滩面掀沙,较高浓度(6kg/m3)的含沙水体在涨潮时会越过南导堤向北输移进坝田区。坝田区和九段沙的淤高近年均呈缓慢发展之势,从时间上与北槽中段回淤量的增大是较协调的;而且,九段沙淤涨较高的部位及同样淤涨较高的邻近的S3—S5丁坝间的坝田区均距北槽中段航道最近。因此,坝田区泥沙的掀扬运移,应当对中段航道回淤起到重要的沙源补给作用。图11是典型的北槽涨落潮流场图。由图中可知,北槽航道及其两侧的水流,无论涨落潮,水流方向基本平行于航道轴线,夹角一般不大于10°。大量研究表明,北槽内滩面泥沙特别是航道南侧的泥沙基本在南侧向下游输移,而且槽外至丁坝坝头之间滩面坡度一般缓于1/100,很难认为,滩面泥沙能直接由水流输运入槽。根据2006—2008年河床质采样的资料,在W3断面,槽中采样点的中值粒径平均值约为0.0225mm,而南侧滩地采样点的中值粒径平均值约为0.0403mm,显然滩粗槽细。这些分析说明,北槽内的滩槽泥沙交换或滩面泥沙对航槽的补给,是以滩面泥沙在风浪作用下掀扬分选,从而增大水体含沙量,在航槽范围内以悬沙落淤的形式为航槽回淤做出贡献的。除台风骤淤会出现短期、局部的大量淤积外,2005年后北槽中段的大量淤积,主要是一种持续的常态淤积。滩面泥沙的补给,显然还不是最主要的原因。2.1.4防沙设施与含沙量长江口水体含沙量具有表层较低,向下逐渐增大的垂线分布特征。近底层高浓度含沙水体的生成及运移规律一直是考虑航道淤积问题时的关注点。但是,限于目前的观测及实验手段和影响因素的复杂性,现场实测资料还十分缺乏。在北槽回淤原因分析及对策措施研究过程中,有3次现场测验测到了近底较高的水体含沙量。一次是2007年8月,长江口水文水资源勘测局在现场水文测验时,在CSW垂线上,测到距滩面30cm处43kg/m3的极高含沙量。该垂线位于W3附近航道北侧的滩面处,局部涨潮流速高于北槽内所有其它垂线,且测验期(8月14—17日)正值一“出海低压”影响长江口(风力7—8级),又在“0709圣帕”台风(19日开始影响长江口)来袭之前。又,经查,2005年8月该垂线测得的底层最大含沙量为6.6kg/m3;2008年8月该垂线测得的底层最大含沙量为9.41kg/m3。由此推测,该含沙量数据可能有一定的偶然性。另一次是2007年8月13日—17日,华东师范大学在W3以上(相当于疏浚I单元)航道南侧200m外用座底式观测架OBS仪器测得距底30cm处含沙量25kg/m3。第三次是2008年1月上海河口海岸科学研究中心在W3上下游、航道南北侧布置了4个座底式观测架(平面位置见图12)。其中TR4与第二次测验所使用的仪器、布设位置和测得的最大含沙量均相同,采用ADCP测流,OBS测泥沙浓度。该处测得的最大含沙量也是第三次测验的4个位置中观测到的最大值,以下作为重点分析。TR4距底30cm处最大含沙量的历时变化见图13;第27个涨潮过程的近底流速与含沙量过程见图14。图13中第26~28个潮周期对应于农历12月初九至初十(小潮),涨潮期含沙量显著高于落潮期,最高达(第27个潮周期)26.21kg/m3。从图14可知,在1个潮周期过程中,最高含沙量出现在涨急后期流速减小的过程中,说明增大的含沙量不是当地起动的泥沙,而是随涨潮流从W3以下段输送来的泥沙。涨潮时,W3以下段动力是由下向上渐增的,具备把泥沙运入W3以上的动力条件,而W3以上流速则明显减小,悬沙落淤,近底浓度升高,这是可以理解的。又,在潮周期数19以后的时段,#10抛泥区日抛泥强度高达11万~14万m3(2008年1月后已严格控制),显然也增加了涨潮时段TR4处的含沙浓度。但是,TR1站距#10抛泥区更近,而同期测得的最大含沙量仅7.5kg/m3(图15)。考虑到TR1位于W3下游处,涨潮动力仍较强劲,结合前面的分析,可以认为,近底高浓度含沙量更容易出现在动力减弱的时段和区段。值得注意的是,这次观测期(2008年1月3日—18日)内经历了一次寒潮过程,时间从1月12日—17日(潮周期数为16~26),TR3处测得的最大平均波高达1.36m,联系到前述2007年8月TR4处及CSW处均是在恶劣气象条件下测到近底部高含沙量,应当说2处3次测到的特殊大值均与风浪作用有关。从图13和图15可以看出,在1~20潮周期范围内,10余天中,甚至经过了9~15(相当于农历初一至初四)的大潮期,只要没有较大的风浪,近底含沙量最高不过8kg/m3,仍在长江口区内近滩面处的正常含沙量范围中。因此,可以认为,北槽中段近底部高浓度含沙水体的出现,最主要的原因还是风浪天使北槽口外及滩地掀沙随涨潮流大量进入W3以上的中段,而中、下段涨潮动力的差异(参见图17)导致中段落淤增强,近底含沙量显著增大。显然,中段航槽及两侧存在近底的高含沙量对航道的淤积是极为不利的,虽然目前观测到的均非常态发生的现象,但仍应通过对北槽水流动力条件的改善尽力减少其影响。2.1.5抛泥坑失坡原因分析二期工程以来,主要受疏浚能力的制约和出于减少工程投资的考虑,在北槽南、北导堤之间设置了4个贮泥坑和1个#10抛泥区(参见图1)。4个贮泥坑供航道中上段耙吸船装舱的疏浚土卸泥,然后用绞吸船自坑内吸泥吹送至北导堤外造陆。贮泥坑和#10抛泥区的大量使用也恰好在2005年之后。采用现场测量、坐底式现场水流泥沙监测、中子活化示踪砂观测、ADCP走航式泥沙扩散监测等多种手段测验和数模分析。结果说明:这种一度在北槽内抛泥的泥土处理工艺确实存在加大了航槽回淤的弊病。主要表现在以下几方面。1)4个贮泥坑的疏浚弃土只有30%~40%留在坑内,由绞吸船吹至北导堤外,其余60%~70%均流失到坑外。2)分涨/落潮抛泥的条件下,贮泥坑抛泥量的7%~11%会重新淤回航槽,距中段航道最近的#3贮泥坑抛泥的回槽率最大(枯季10.25%,洪季11.4%)。3)#10抛泥区涨落潮抛泥基本不直接回槽,但涨潮期抛泥会部分向上输移至中段的南边滩。其中,2006年11月—2007年11月#10抛泥区一度超计划2倍抛泥3203万m3,对于同期S5-S8丁坝连线至航道南边线之间滩地淤涨1700万m3直接作了贡献。4)2008年1月起对各贮泥坑和#10抛泥区制定了严格分涨落潮时段抛泥、限量抛泥及将#3贮泥坑移至N4-N5坝头连线以北的低流速区等工艺优化措施,总体上使贮泥坑流失率降低了6~19个百分点。至10月17日,#10抛泥区仅落潮时段抛泥1171万m3,明显减少了对S5~S8坝头外滩地淤涨的负作用,同期南边滩已转入恢复性冲刷。考虑到2008年总淤积量仍达5767万m3,H-N段则高达4103万m3,淤强仍超过工艺优化前的2007年,结合前面的分析,可以认为:1)在导堤间设抛泥区和用抛-吹工艺处理疏浚土是在维护疏浚压力巨大、疏浚力量有限,尤其是具备艏吹能力的耙吸船很少的条件下不得不采用的工艺措施。疏浚土的流失和回槽不仅会在一定程度上直接增加北槽的回淤量,而且,由于在边滩的落淤增大了滩槽高差,进而也会使航槽内的淤强增大。2)4个贮泥坑从启用至2008年底的总抛泥量为9023万m3,即使全部按10%回槽,也才能直接增加回淤量902万m3,与2005年后中段每年以千万m3量级增大的回淤量相比,不能成为北槽严重淤积的主要原因。虽然滩槽差会因此而增大,从而在一定程度上增大淤强,但是,在南边滩恢复冲刷且流失率有10%左右减小的2008年仍出现接近2007年的回淤量这一事实,说明了2005年以后中段明显大淤的背后,一定还有更加长效作用的主要原因。2.1.6洪季回淤量大于枯季北槽中段基本位于工程前的拦门沙河段,悬沙粒径≈0.01mm,水体含盐度在5‰~15‰,是极易产生絮凝沉降的区段,与河口滞流点、最大浑浊带、盐水楔的活动范围较一致,因此,历史上就是悬沙淤积的重点部位。由于洪季水体含沙量高,且较高水温更加有利于泥沙絮凝(夏季平均絮团尺度和沉降速度是冬季的2倍),所以,洪季回淤量远大于枯季。由表2可以看出,北槽中段洪季淤积量始终占全年的80%左右,此比重在2005年前后并无明显差异。这说明相当于原拦门沙河段位置的这种自然特性并未因一、二期整治工程而改变,今后H-N段航道的淤积量占全航道的比重仍然会明显较大,且洪季淤积量仍会远大于枯季。既然絮凝条件等在治理工程以来并未明显改变,自然也不能说2005年以后中段的淤强大增与其有直接因果关系。但是2005年后淤积量集中在中段和同样地具备洪季大于枯季的明显特征与该段的絮凝沉降等特性基本一致,这恰恰说明了北槽中段泥沙的淤积形态主要是悬沙落淤,而不能认为是底沙的输移,因为絮凝沉降只是悬沙才具备的特征。2.1.7槽内滩面泥沙1)虽然北槽上/下游及滩地都可提供悬浮的泥沙来源,但北槽的悬沙含沙量主要受潮汐动力控制,涨潮输沙使北槽水体始终具有较高含沙浓度,构成了悬沙淤积的重要物质来源。2)近年来对北槽航道淤积有一定影响的上游来沙主要是瑞丰沙的下泄泥沙以底沙形态进入北槽,使北槽边滩自上而下出现过程性淤积,对中段回淤以增加滩槽高差的作用增加了航槽的淤强。3)槽内滩面泥沙(含从九段沙越南导堤进入北槽的泥沙)主要受风浪掀扬,会增加水体悬沙浓度。随着坝田区的淤高,这种负面影响会有增大的趋势,但不是直接随水流以底沙形态侵入北槽,也不是常态发生的。4)优化疏浚工艺有一定效果,但高流失率仍会起到部分增加悬沙浓度的作用。5)从与中段淤强猛增在时间上的一致性来看,2005年后贮泥坑抛泥量的增大和南边滩的一度明显淤高有明显的“促淤”作用,但从2008年工艺优化的效果并不显著、南边滩恢复性冲刷后回淤并无明显改善及量的大致估计等方面分析,泥沙条件的变化并不是中段严重回淤最主要的原因。6)采取工程措施改变泥沙条件的难度较大,有些条件(如中段絮凝)则基本不具备可能性。2.2权力条件的变化2.2.1上游水源变化从图3可知,多年来,大通站年径流量一直在9000亿m3上下波动,并无明显的增减变化。2.2.2密度沿程变化1)涨落急流速的变化。二期工程整治建筑物于2004年12月上旬完工,2005年3月10m航道全线贯通。因此,探讨2005年后北槽航道回淤量及分布变化的流场方面的原因,主要应分析二期工程前后水动力条件的变化。二期工程前,自2001年6月完善段工程完工后,直至2004年底,8.5m航道的维护和10m航道的基建疏浚一直比较顺利,且年回淤量在2103万~1705万m3,H~N段的回淤量平均为795万m3/a,占全槽回淤量的比例约为42%,台风骤淤在总量中所占比重和对年际波动的影响也相对较大。可以认为对中段淤积而言,当时的流场条件还是不错的。图16和图17是利用数模反演的二期工程前(完善段工程后)、后航中的落、涨急流速沿程分布图。为便于比较,各期建筑物和地形按当时的实际情况建模,但采用了统一的洪季大潮水文条件。由图16可见,完善段工程完工后,H-N段的航中落急流速在北槽沿程中是最大的,大于其相邻的上、下段。但二期工程后,O单元以下落急流速大增,S9丁坝断面处,落急增量最大,达70cm/s;但O单元以上,落急全面减小,W3附近减幅近20cm/s。下增上减的结果,已使北槽中段的流速低于下段,甚至还略低于上段,在I-P单元间形成一个相对“低谷”,势必造成中段落潮输沙动力的降低。而从图17可看出,大约以N3丁坝断面为界,N3以上航中涨急流速降低,但涨急的减小程度大于落急的减小程度;N3以下涨急也是增大的,但P单元以下的涨急增量小于落急。这样,总体上看,上段虽然落急减小,但仍保留了较强的落潮优势,下段则落潮动力明显增强。唯有中段是涨急增加,落急减小,因而中段向下游的落潮输沙动力明显减弱,形成了更利于淤积的动力环境。图16和图17反映的是航槽中点落/涨急流速的沿程分布。而图18和图19则以二期工程后和完善段后的流速差值反映了流场变化的平面分布。图18和图19给出了与槽中流速沿程变化定性完全相同的结果:大致以S3和S6丁坝断面为界,S3以上,涨落急均减小,涨急减幅更大些;S6以下涨落急均增大,落急在更大范围出现较大增幅;而在S3-S6之间的中段(覆盖了H-N疏浚单元区段)则是涨急全面增大,落急全面减小。2)涨落期平均流速的变化。取涨落潮期的平均流速,分析二期工程前后北槽沿程的变化,得到的结果与用涨落急作指标定性完全一致,不再赘述。3)槽中落潮量的变化。上海航道勘察设计研究院计算了二期工程前后航道轴线两侧各800m宽范围内落潮量的沿程分布(图20)。根据对一期工程以来各阶段大量实测及验算资料的分析,丁坝加长区段导堤内的落潮总量虽会降低,但槽中(两侧坝头连线之间)落潮量却是显著增加的,对应区段的河床则发生冲刷。而同期未加长丁坝的区段,槽中落潮量则会降低,河床淤浅。从图20可以看出,二期工程后,北槽下段槽中落潮量显著增大,对应该段河床发生了大范围的冲刷且回淤很轻;但北槽中段的槽中落潮量却是降低的,不利于中段地形的调整,会增大回淤。至于上段,虽然槽中落潮量也显著降低了,不利于地形冲刷调整,但由于泥沙环境和淤积条件远不如中段恶劣,所以,2005年后维护疏浚还不是太困难。4)落潮优势的变化。落潮优势是指落潮全时段内通过某一断面(采用垂线平均流速时取单位宽度)的落潮总流量占涨落潮总流量的比例,大于50%时称为落潮优势。落潮优势可基本反映出通过该断面向下游输送悬沙的动力。图21给出了二期工程前后落潮优势的差值,二期工程后,北槽下段的落潮优势明显增强,而中段则明显减弱,这同样给出了中段流场的变化及与下段落潮优势的反差会加剧中段回淤的凭据。5)输沙动力的变化。上海河口海岸科学研究中心根据流场计算结果对完善段工程后和二期工程后计算了北槽内各处的悬沙涨、落潮输沙能力和全潮净输沙能力。完善段工程后的悬沙净输沙能力分布见图22;二期工程后的悬沙净输沙能力分布见图23。由图22可见,完善段工程后,北槽内W3上下游的中段净输沙能力最强,说明从动力条件讲,该段最不易淤积。这也说明了,从泥沙条件讲,该段虽处于最易落淤的“拦门沙”河段,但由于输沙动力强劲,二期工程前该段8.5m航道维护为何并不困难。而从图23则可以看出,二期工程后,北槽下段的净输沙能力很强,10m航道维护期基本不用挖泥,航道水深却自然增深,目前平均水深已超过11m,W4以外段还达到12m。但是W3上下段的净输沙能力相对于上下段均较弱,略呈低谷状,自然易导致该区域泥沙大量淤积。2.2.3全槽回淤回淤量较弱综上