长江口新梁型涨潮槽水沙条件与水沙关系研究

长江口新梁型涨潮槽水沙条件与水沙关系研究

长江历史悠久。丰富的盆地带来大量沉积物，并在地陆海动力的相互作用下形成了广阔的三角洲河口。由于科氏力的影响,落潮主流呈南偏,涨潮主流呈北偏,在长江河口造就了二类河槽,一类以落潮水流作用为主的落潮槽,一般表现为河口主槽,如长江口南支主槽、南、北港主槽、南、北槽等。另一类以涨潮流作用为主的涨潮槽,一般表现为副槽,如长江口的天生港水道、北支、新桥水道、南小泓等(图1)。此类河槽在世界上许多入海河口均有发育,并写进了大不列颠沉积学百科全书条目。长江口涨潮槽正在不断地开发利用之中,如南通电厂建于天生港北岸,上海振华港机厂、江南造船厂和上海造船厂等一批特大型企业分别已经或正在移建南小泓北岸长兴岛和新桥水道北岸崇明岛。所以,此类河槽的成因和发育过程等,曾引起众多学者和工程师的广泛关注,并做了大量的研究工作,而系统地研究与涨潮槽发育和演变有关的泥沙运动和输沙过程尚缺少。本文在数十年来多次进行现场观测资料的基础上,着重对涨潮槽泥沙特性进行分析,同时与落潮槽泥沙运动过程进行对比研究,这可加深涨潮槽发育过程的认识同时,可为河口涨潮槽开发利用及治理提供理论依据。1资料的获得和分析方法1973年至今的30年中,我们多次对长江河口的天生港水道、北支河道、新桥水道、南小泓、横沙串沟和崇明东滩串沟等涨潮槽(沟)的水文泥沙和河床沉积物进行了现场观测和采样,积累了大量的原始观测资料,在对涨潮槽性质和水沙条件有所了解的基础上,2001年9月(洪季)和2003年2月(枯季)又一次对长江口新桥水道和南小泓两条典型的涨潮槽与其相邻的南支和南港主槽进行了较系统的观测,利用直读式和恩特柯海流计观测流速、流向、盐度和温度等,河床形态测量是用双频道水深仪和旁测声纳,沉积剖面是用浅地层剖面仪,同时用GPS定位。本文着重对长江口涨潮槽泥沙运动规律进行研究。2涌潮现象明显长江河口涨潮槽均呈喇叭型(图1),潮波变形强烈,较多地表现驻波性质,有些河段常出现涌潮现象,如北支的青龙港河段涌潮高度可达0.5～2.0m。除小潮外,无论是洪季还是枯季,潮流历时涨潮小于落潮,潮流速、潮量均为涨潮大于落潮,呈涨潮流优势(表1),且落转涨潮后流速增速迅速,这种潮流特性对泥沙运动影响尤为明显,而落潮槽的潮流特性与此相反。3泥沙粒径随水流的变化从表2和图2可知,长江河口涨潮槽悬沙粒径均较细,中值粒径在0.0044～0.0084mm之间,优势粒径为0.0018～0.030mm。尽管悬沙粒径差异较小,但泥沙粒径的大小随水流强弱及沿水深垂向变化明显,表现在:(1)大潮期悬沙粒径比小潮期粗;(2)涨急时悬沙粒径比落急时粗;(3)下层悬沙粒径比上层粗。说明长江河口涨潮槽河床与水体间存在一定数量的泥沙交换。表3为长江河口涨潮槽河床表层沉积物粒径统计值,河床泥沙以细砂为主,粒径较粗,中值粒径在0.07～0.16mm之间,优势粒径为0.05～0.30mm,由涨潮槽下口向槽顶粒径逐渐变细。4涨潮槽和涨潮、潮水双正交时下潮潮地面沙量没有污染的原因长江河口涨潮槽和落潮槽的含沙量高低均与水力因子有一定关系(表4和图3)。表现在:①在一个潮周期中含沙量出现二高(涨急和落急)二低(涨憩和落憩),最大或最小含沙量滞后最大或最小流速1～2小时;②由于涨潮槽涨潮平均流速和最大流速均大于落潮,故涨潮含沙量明显大于落潮,而落潮槽正好相反;③大潮时水流速强,小潮时水流速小,故大潮时涨落潮过程中的含沙量明显大于小潮,差值在1.5～2.5倍;④长江河口涨潮槽存在明显的季节性变化,这与流域来沙的季节性变化有关,实测洪季含沙量是枯季的2倍多。5粘土砂运动过程和成沙量5.1泥沙击穿流速由于不同的河流或河段河床泥沙矿物成分和颗粒组成及沉积层密实度存在差异,为此对原武汉水利电力学院的泥沙起动流速公式进行补充,即增加与当地沉积物特性有关的系数Ab,即式中H为水深,取潮周期平均水深10m,D为河床泥沙粒径,据图2中悬移质与河床质泥沙颗粒组成曲线关系,选择悬沙中最大颗粒径D为0.05mm,又据胡克林博士对长江河槽大量实测资料试算结果,Ab取0.4,求得该河段河床泥沙起动流速为0.5m/s。5.2河口涨潮槽和潮周期内泥沙运动特性图3为观测期间涨、落潮槽大小潮近底流速和含沙量潮周期剖面分布图。本文仅以图3中A1、C、D测点为例,分别描述长江河口涨、落潮槽大小潮潮周期过程中的泥沙起动、再悬浮、再沉积过程中的泥沙运动规律。C测站位于新桥水道(涨潮槽),从大潮期潮周期流速和含沙量分布剖面图可知,10:15落潮转为涨潮,转流后27分钟(10:42)水流流速已达泥沙起动流速0.5m/s,河床泥沙开始起动,近底含沙量升高到1.07kg/m3,与前一小时相比增加0.32kg/m3。但中上层含沙量仍较小,且变化不大,随着涨潮水流速迅速增大,水流紊动作用增强,河床泥沙再悬浮量也不断增大,水体含沙量相应增高,至12时表层流速达2.1m/s,近底流速为1.5m/s,13时近底含沙量达2.17kg/m3,中上层含沙量超过1.0kg/m3,尔后随着潮流流速减小,泥沙颗粒开始沉降,由上层向近底层含沙量逐渐降低,部分泥沙颗粒又回到河床。涨转落后,尽管大于泥沙起动流速持续时间要长,但水流速较涨潮小,尤其是最大流速仅为1.66m/s(涨急达2.46m/s),水流紊动作用也较弱,在落急后虽也形成一个含沙量峰值,但无论从量值或扩散强度讲,与涨潮相比要逊色,A1测站大潮期泥沙运动规律与此类似。这再次证明挟沙力与流速高次方成正比的定律,水流越强,再悬浮泥沙就多,输沙率大,含沙量必然就高,充分反映了河口涨潮槽泥沙运动特性。D测站位于南支主槽(落潮槽),从大潮期潮周期流速和含沙量分布剖面图看,落潮槽潮周期过程中泥沙起动、再悬浮、再沉积与涨潮槽基本类似,而其含沙量的量值或扩散强度,正好体现了落潮槽泥沙运动特性,由于落潮流时的流速远大于涨潮,促使落潮过程泥沙再悬浮量大,紊动扩散强,水体上层含沙量近1.0kg/m3,加上流域不断地补充来沙,与涨潮过程相比含沙量要高1～2倍。总体上看,不论是落潮槽还是涨潮槽,大潮期水流速大,挟沙能力强,河床除槽顶端外,一般以冲为主,水体含沙量较高。在涨潮槽涨潮含沙量大于落潮,落潮槽落潮含沙量大于涨潮。从图3看,由于小潮期水流较弱,在一个潮周期过程中小于泥沙颗粒起动流速时段占60%多,最大流速仅为0.6～0.8m/s,河床泥沙难于起动或再悬浮,如图3中的A1测站的小潮含沙量剖面图,整个潮周期中含沙量分布较均匀,未出现含沙量峰值和低谷,上下层含沙量差异小,上层仅为0.1～0.3kg/m3,中层为0.3～0.4kg/m3,近底层为0.4～0.6kg/m3。而C测站潮流速比A1站略大一些,涨落急前后2～3小时流速大于0.5m/s,河床泥沙颗粒有所松动,由于最大流速超过1.0m/s,部分较细颗粒出现起动悬浮,中下层含沙量增高,而水流紊动强度较弱,上层含沙量仍较低。故涨潮槽在小潮期,水流速小,挟沙能力低,水流含沙量小,河床以淤积为主。5.3河口涨潮槽流场及地形特征表3列出南小泓河床表层泥沙粒径统计值(站位见图1),从河槽下口门往槽顶方向,河床泥沙粒径明显细化,A5站中值粒径为0.16mm,A1站中值粒径为0.07mm。正反映河口涨潮槽水流与泥沙运动特性,潮流进入喇叭口后,受河槽地形影响,一般潮流速出现先增大,尔后因地形束窄阻力加大使潮流速减小,在此种河槽水流条件作用下,河槽泥沙运动总趋势向槽顶搬运,河槽顶端容易发生淤积和床沙颗粒细化。在此类河槽的中下段,一方面河床较细颗粒泥沙被起动悬浮,随水流搬至槽顶淤积,另一方面,河床较粗颗粒以推移质方式向河槽上游推移,在A5～A3河段,河床出现沙波运动(图4)。可知,长江河口涨潮槽在大流速期间存在悬浮和底沙同时向槽顶输移过程,而小流速期间河槽以淤为主。5.4单宽输沙量大,单宽输沙量对2001年洪季和2003年枯季实测含沙量资料进行处理和计算,结果列于表4,可知:①长江河口水流输沙量较大,单宽输沙量最大值可达83737t(落潮槽)和931.84t(涨潮槽)。②涨潮槽单宽输沙量涨潮大于落潮,净输沙向上游方向。落潮槽相反且差值更大,这与流域不断补充来沙有关。③优势沙是判断河槽性质的重要指标,即优势沙大于50%,为落潮槽,小于50%为涨潮槽,表4列出的计算结果与河槽性质基本一致。6涨潮槽和泥沙及沉积物的关系涨潮槽为长江河口主要河槽类型之一,而此类河槽的发育演变及退化过程,以及深层次的开发利用,与河槽泥沙运动关系密切,对它进行深入研究,无论