长江口外海滨悬沙分布特征研究

长江口外海滨悬沙分布特征研究

1流域悬沙分布与动力因子关系研究长江口位于中国东部沿海地区，是中国最大的河口。近年来，由于长江口运河的疏浚和港口贸易的日益繁荣，港口地区沉积物的薄位移和扩散特征已成为港口、运河和海岸工程中的一个普遍问题。1958～1973年,华东师范大学、南京水利科学研究所等单位通过野外资料分析认为,大量的流域来沙常以悬移状态随径流输送至口门附近堆积,其堆积的主要原因是流速降低和盐淡水交汇后细颗粒泥沙发生电化学作用聚凝所至;谷国传利用长江口外水域大规模同步水沙测验资料,分析了该水域的悬沙分布特征及悬沙分布与动力因子和地形之间的关系;徐海根等在1970～1976年间在铜沙航道河段布设44个水文测站,并计算各测站的单宽输沙量;陈吉余等根据长江口南汇咀近岸水域的水文泥沙观测和沉积地貌等资料,通过综合分析研究,探讨了长江口入海水沙在南汇咀近岸水域与杭州湾的交换和泥沙输移途径;茅志昌等利用实测资料,探讨了长江河口悬沙的输移形式和沉积作用,并重点分析了长江口三种不同性质河段的悬沙运移形式;李九发等对长江河口最大混浊带的泥沙特性和输移规律进行了研究;高建华等利用ADCP在长江河口地区对悬沙输运的情况进行了观测。还有一些学者也对长江河口地区的泥沙分布和输移特征进行了研究。[7,8,9,10,11,12,13,14]据长江流域下游大通站多年实测资料统计(1950～2000年),流域平均每年汇集河道的径流总量达9.05×1011m3,并挟带约4.33×108t泥沙入海(中国水利部,2000),口外海滨地区位于涨落潮流优势转换界面与冲淡水扩散界面之间,是河流和海洋之间的过渡区域,陆海相互作用非常显著。由于该区域紊流结构、泥沙颗粒性质、河口潮汐的不对称等因素的复杂性,悬沙浓度在此区域多表现为一个随机性很强的变量,同时含沙量分布的差异也反映了口外海滨地区特有的动力环境。针对这一情况,本文利用丰富的实测资料,对口外海滨地区的悬沙分布特征进行综合研究,探讨了不同水流条件下的含沙量分布特征,并且从泥沙运动力学的角度计算了泥沙垂向扩散系数,这对于了解口外海滨泥沙分布的影响因子以及提高未来模型研究的精度和相关工程的实施都具有一定的参考价值。2研究区域和数据来源2.1内河口地区的作用从陆海相互作用的角度看,长江河口至少存在以下几个重要界面:潮区界、潮流界、盐水入侵界、涨落潮流优势转换界面、泥沙向海扩散的主边界和长江冲淡水扩散的主边界。陈吉余、沈焕庭等根据萨莫伊洛夫(1958)的河口划分标准,将长江河口地区划分为三个区域:从大通(潮区界)至江阴(潮流界),河槽主要受径流和边界条件控制,为河流近口段;江阴至口门(拦门沙滩顶),径流和潮流相互作用,愈向上游,径流作用愈显著;愈向下游,潮流逐渐加强,为河口段;自口门向外至滨海浅滩的外界,即30～50m等深线处,以潮流作用为主,为口外海滨(图1)。口门是最大浑浊带核心部位所在和拦门沙滩顶位置,拦门沙滩顶向外,发育着规模宏大的水下三角洲,水下三角洲前缘是长江流域来沙向海扩散的主边界,因此口外海滨地区是长江入海泥沙扩散、堆积的主要场所,也是与杭州湾、苏北沿岸等临近水域进行水、沙交换的过往之地,是陆海相互作用较为显著的区域,本文即选定长江河口口外海滨地区作为研究区域,着重分析该区域的悬沙分布及扩散特征。2.2测点布置及资料采集自20世纪70年代以来,对长江河口及邻近海域进行了多次现场调查,但是多选择单个或几个测点进行同步测量,迄今为止最完整的资料是1982年海岸带调查中获得的,当时在口外海滨布设了22个测站,观测范围大致是西起长江口拦门沙前端,东至水下三角洲前缘,南起南汇嘴,北至启东嘴(图2),本水域面积约7000km2,水体体积约740×108m3。分别在洪枯季,大小潮周期内进行了四次同步测量,观测内容包括四次同步航测得到的水深、流速、流向、盐度和含沙量等资料。本文根据观测站点的位置,将口外海滨研究区域自北向南划分为六个典型断面。文中实测数据是按照《海洋调查规范》中规定的标准水层(即0、5、10、15、20、25m等)进行分层采集的,悬沙资料的测量精度按国家标准GN50159-92《河流悬移质泥沙测验规范》,一至三类测站总系统误差控制在5%～13%以内。根据本文的研究需要,垂向坐标不采用绝对坐标,而是采用无量纲的相对水深坐标,这对于像长江口这种潮差与总水深之比较大的河口而言是非常适用的,运用数值内插的方法将数据由绝对水深层转化至相对水深层(即0H、0.2H、0.4H、0.6H、0.8H和1.0H),对处理后的数据计算各分层的涨落潮周期平均值及垂线平均值,其中垂线平均流速采用垂线加权平均的方法获得:〈u〉=110(u0+2×u0.2+2×u0.4+2×u0.6+2×u0.8+u1.0)⟨u⟩=110(u0+2×u0.2+2×u0.4+2×u0.6+2×u0.8+u1.0),垂线平均含沙量也采用同样的方法获得。3悬砂的分布和传播3.1潮周期内悬沙分布本文所选择的研究区域是从涨落潮流优势转换界面到冲淡水扩散界面,该区域水体跨度较大,悬沙浓度的差异也非常显著,本区瞬时悬沙浓度小的不足0.1kg/m3,大则可达8kg/m3,即使是同一测站的含沙量,其值有时也可相差数十倍。长江口外不同水域间的径流、潮流等动力因子和盐度、地形的差异又决定了该区域悬沙浓度(含沙量)时空分布的复杂性。洪季悬浮泥沙在口外海滨地区沿着两个轴线方向扩散,一条沿东北偏北方向;另一条沿东南偏南方向,并在口外形成南北对峙的两个高含沙量区,含沙量等值线密集(图3),潮周期平均的中心最大含沙量可达0.7kg/m3。枯季悬沙分布的趋势与洪季基本一致,但崇明东滩外缘的高含沙区已不明显,而浓度普遍升高,一般为洪季悬沙浓度的两倍左右,洪季大潮全水域平均含沙量约有0.34kg/m3,枯季大潮时可达到0.80kg/m3;洪季小潮时全水域平均含沙量约为0.19kg/m3,枯季小潮时为0.36kg/m3。虽然洪季流域来沙量大,但是由于拦门沙地区受到流域季节性来水来沙的影响非常显著,具有洪淤枯冲的特点,洪季的泥沙大部分要在拦门沙附近淤积下来,而枯季径流作用相对减弱,潮流作用有所加强,拦门沙地区的泥沙受到冲刷,在口外海滨地区扩散开来,因而本区域枯季悬沙浓度明显高于洪季(图3)。平面分布不均、高低相差悬殊、枯季大于洪季、大潮高于小潮是长江口外水域不同潮周期内悬沙平面分布的主要特点。口外海滨地区水体含沙量平面变化的这种格局也说明,该区域悬沙扩散过程明显受到径流与海洋动力相对作用强度和河口地形的影响和制约。3.2悬沙纵向分布长江口外海滨地区主要以潮流作用为主,地形和地理条件的差异对含沙量的纵向变化影响也非常明显,下面将口外海滨地区按测站位置自北向南选择六个典型断面来讨论洪、枯季不同潮周期平均含沙量的变化情况(表1)。统计结果表明,自北向南含沙量逐渐增大,尤其是在南槽口外的两个断面Ⅴ和Ⅵ潮周期平均含沙量远远高于其他断面。口外海滨地区悬沙的纵向分布差异也非常显著,自西向东含沙量逐渐减小,而且各断面上大潮期的含沙量也明显高于小潮期,枯季含沙量大于洪季含沙量,图4为各断面在不同潮周期内的含沙量的纵向分布情况。由图4可以看出,各潮周期内断面悬沙浓度都遵循西高东低的总趋势,洪季各断面在10～15m等深线以上的拦门沙淤积地带,含沙量等值线分布密集,且悬沙浓度较高,在15m等深线以上,每公里悬沙浓度大约减少0.002～0.03kg/m3,15m等深线以下,每公里悬沙浓度减少量均小于0.01kg/m3。这主要是由于盐水楔的作用,盐水密度远远大于含沙水体的密度,河口上游下来的冲淡水浮于高密度盐水之上,大量细颗粒泥沙在盐水楔前端沉降,因而该区域的水体含沙量明显大于其他地区。枯季自西向东含沙量均匀减小,等值线分布稀疏,且各断面纵向悬沙浓度递减率也有所不同,北部和中部各断面每公里悬沙浓度约减少0.01kg/m3以下,而南部两个断面Ⅴ和Ⅵ由于悬沙浓度较高,每公里悬沙浓度大约减少0.01～0.04kg/m3左右。3.3垂向分布3.3.1涨落潮悬沙垂向分布及与悬沙分布的关系在涨落潮流不断变换的过程中,部分泥沙颗粒不断地经历着悬浮、落淤、再悬浮的运动,通常长江口外海滨的悬移质泥沙含量在垂向上是由表层向底层逐渐增加,但是由于河口潮汐的不对称和涨落潮流速沿垂线分布的差异,含沙量的瞬时垂向分布形式时刻都处于变化之中,所以很难严格地划分各种垂向形式的分布区域,甚至同一测站在一个潮周期内各类曲线形式也相继出现。为了消除这种局限性,我们根据各测点涨、落潮平均含沙量,分别绘制了涨落潮悬沙垂线变化曲线(图5),它能较好地反映口外海滨某一地区在特定的动力条件下,悬沙垂直结构的平均状况。从长江口外整个水域分析可见,西部浅水区和南槽口外的高含沙区多表现为斜线型(如测站01),盐水楔活动区多为抛物线型(如测站19),而其他水域则表现为混合型(如测站16)。3.3.2理线两相性条件的拟合目前用于研究含沙量垂线分布的理论虽然各不相同(如扩散、混合、能量、相似及随机理论等),但最后都能得到类似于按扩散方程所得出的结构形式,只是泥沙扩散系数不同而已,垂向扩散系数是悬沙运动中一个非常重要的物理量,扩散系数的大小决定于产生扩散现象的原动力-涡体的脉动,不同的处理方法可导致截然不同的垂向扩散系数结果,通常的处理方法大致可分为三类:(1)将扩散系数εs取作常数。(2)εs≠常数,而是空间位置的函数,一般εs认为与流体湍流扩散系数相当,而后者又与动量交换系数εm相当,所以有εs=εm或εs=βεm。(3)εs≠εm,可从不同的理论和方法出发导出εm。本文采用时伟荣的计算方法,将εs看作是局部理查德数Ri(Richardsonnumber)的函数:εs=k(1+α·Ri)-β根据KeithR.Dyer,取理查德数Ri:Ri=gρ⋅dρmdz⋅(dudz)-2Ri=gρ⋅dρmdz⋅(dudz)−2式中:κ-卡门常数,取κ=0.408;α,β-经验系数,根据不同情况α的值取1～10,β在1左右,根据参考文献,取α=3.5,β=1;g-重力加速度(m/s2);u-流速(m/s);z-水深(m),垂直方向向下为正;ρm-水沙混合物比重(kg/m3),文中取:ρm=C+ρωρs⋅(ρs-C)ρm=C+ρωρs⋅(ρs−C);ρω=ρ0·(1+a·s)式中:C-含沙量(kg/m3);ρω-咸水比重(kg/m3);ρ0-净水比重,取ρ0=1×103kg/m3;α-比例系数,取a=7.6×10-4;S-含盐量(‰);ρs-悬沙干容重,取ρs=2.65×103kg/m3。这样在计算过程中同时考虑了盐度分层和含沙量分层的影响,盐度和含沙量的分层情况以底层和0.8H层的实测量的差异来表示。利用实测流速数据拟合流速的垂向分布情况,拟合曲线形式如下:u=(Az2+Bz+C)·lnz+D从而可以得到流速梯度dudzdudz,流速梯度值可以反映流速的垂向变化情况:dudz=(2Az+B)⋅lnz+(Az2+Bz+c)/zdudz=(2Az+B)⋅lnz+(Az2+Bz+c)/z利用上述方法分别计算了各个站位不同潮周期内的垂向扩散系数(图6)。计算结果表明,大潮期的垂向扩散系数一般要略高于小潮期,洪季的垂向扩散系数也略高于枯季,这表明随着水流速度的增加,水体中泥沙的掺混作用会有所增强,垂向扩散系数εs增大。同时在口外的中西部水域均形成了垂向扩散的相对密集区,垂向扩散系数较大,水体中泥沙的掺混作用增强,水体垂向混合程度均匀,因而在中西部的浅水区和南槽出口的下端会出现含沙量在垂向均匀增加的现象。同时垂向混合程度的加强,水体含沙量也显著增加,这也造就了口外的南北两个高含沙区。当然在盐淡水混合区,由于泥沙颗粒自身的絮凝作用影响,扩散速率虽有明显下降,但水体含沙量不一定降低。4悬沙分布的演变及其影响因子本文通过大量实测资料,详细分析了长江口外海滨地区悬沙的分布特征,结果表明:(1)平面分布不均,西高东低,南高北低,高低相差悬殊是长江口外水域悬沙平面分布的一大特点,口外海滨地区水体中悬沙的分布明显受到径流与海洋动力相对作用强度和河口地形的影响和制约。(2)口外海滨地区各潮周期内断面悬沙浓度都遵循西高东低的总趋势,自北向南悬沙浓度也逐渐升高,洪季各断面在10～15m等深线以上的拦门沙淤积地带,含沙量等值