北槽大型航道整治工程水沙纵向输移机制研究

北槽大型航道整治工程水沙纵向输移机制研究

1航道水沙动力特性及工程特性长江河口北槽的大规模航道改造工程直接改变了北槽的边界，不可避免地影响了北槽的水沙过程。这种高强度人类活动影响下河口拦门沙水沙动力特征的变化正是陆海相互作用研究的重要内容,也是河口对人类活动响应的研究热点之一,具有重要的科学意义。同时,水沙过程的研究可为今后长江河口深水航道维护及拦门沙滩槽的合理整治规划提供参考,具有一定的现实意义。长江口北槽深水航道一、二、三期工程分别于2001、2005、2011年竣工,航道水深分别浚深至8.5m、10m和12.5m,其主要工程包括:南导堤,长48.08km,北导堤,长49.20km,堤顶高程为中水位(吴淞基面2m);丁坝19座,总长30.1km;分流口潜堤工程;航槽疏浚工程等(见图1)。作为国内规模最大的航道整治工程之一,北槽水沙过程对工程的响应是国内近期河口海岸研究的热点。北槽水动力数值模拟表明:导堤和丁坝的束水作用使北槽主槽的水流流向更为集中,北槽下段主槽的水流流速大幅增加,并在丁坝的坝田区产生地形控制的涡流;导堤和丁坝的阻水作用使北槽阻力增加,导致南北港分流口南港的分流比减少,同时南北槽分流口北槽的分流比也减小,北槽上段主槽水流流速有所减小;北槽航槽整治浚深使盐水入侵加剧。大量学者基于实测水沙资料对一期工程前后北槽的悬沙絮凝特征、浮泥发育规律和消长过程、深水航道的回淤规律、泥沙运动特性、最大浑浊带分布规律、鱼咀及丁坝对南北槽分流分沙的影响等一系列问题进行了研究。二期、三期工程完成后,对北槽水沙动力特性的综合研究尚不多。刘猛等对南导堤越堤水沙运动的观测研究表明:S4-S5段存在越过南导堤指向北槽的净输沙运动,大量悬沙在涨潮时从九段沙输送到北槽中段。刘高峰等基于工程前后的实测数据分析表明:二期工程后,枯季北槽底层余流在弯曲段汇集,重力环流对泥沙捕集具有重要贡献。本文将基于实测数据系统分析深水航道工程前后北槽主槽的潮流特征、泥沙运动特征和水沙纵向输移机制的变化。2数据和方法2.1分流比和观测数据本文收集了1964-2010年的南北槽分流口同步落潮量和分流比数据,1964-1998年间落潮分流比的施测位置在目前的下断面(图1),工程开始后由于南北槽分汊口分流界线被固定、分流口上提,1998-2010年间分流比的施测位置在上、下两个断面(图1),数据来源于交通运输部长江口航道管理局。工程实施以来的分流比数据至少包括每年每个季节一次的落潮量和分流比,把每年4次(每个季节一次)的断面潮量平均,即得到工程实施以来每年的代表潮量。同时,本文还收集了工程实施初期(代表工程前)和三期工程期间(代表结构工程竣工后)的洪季和枯季大潮汛的纵向多站同步水沙观测数据各一次,观测站和观测时间见图2和表1,观测数据包括流速、流向、含沙量和盐度,数据来源于上海河口海岸科学研究中心。工程前后洪季观测时段对应的月平均流量差异为7%,而枯季观测时段对应的月平均流量差异为5%,上游来水条件相似,且同为大潮汛期间的观测,故认为有可比性。2.2机制分解法分析导致水沙输移机制的变化本文的研究方法主要是基于实测数据的统计学方法,通过统计涨、落潮期间的单宽潮量和单宽输沙量及表征涨落潮动力相对强弱的优势潮量和优势沙,分析北槽水动力和涨落潮输沙的变化,并运用机制分解法把水沙的输移总量按照输移机制进行分解,得到不同的输移项,分析工程前后水沙输移机制的变化。2.2.1涨、落潮量对涨潮流期和落潮流期的潮量分别进行统计,得到单宽涨潮量(Qf)和单宽落潮量(Qe),可表明潮周期内通过某一垂线的涨、落潮量。其中,m为涨潮流历时或者落潮流历时,n为分层数,u为流速(m/s),h为水深(m),t为时间(s),θ为实测流向与潮流长轴方向的夹角,j为某时段,i为某层次。涨落潮量的对比可描述涨落潮强弱,称为优势潮量,即以单宽落潮量(Qe)除以单宽涨潮量(Qf)和单宽落潮量之和:如果RQ大于50%,则为落潮优势流,小于50%则为涨潮优势流。2.2.2潮流来沙的净输沙e在河口拦门沙地区,泥沙在涨、落潮流的作用下往复搬运,对涨潮流期和落潮流期的输沙量分别进行统计,得到单宽涨潮输沙量(Gf)和单宽落潮输沙量(Ge),可反映潮流对泥沙输移的作用。其中,m为涨潮流历时或者落潮流历时,n为分层数,c为含沙量(kg/m3),u为流速(m/s),h为水深(m),t为时间(s),θ为实测流向与潮流长轴方向的夹角,j为某时段,i为某层次。Ge和Gf两者之差为一个潮周期内的净输沙,净输沙可指示一个潮周期内泥沙输运的方向和强度。把落潮输沙量除以涨、落潮输沙量之和得到优势沙的百分比:如果Rs大于50%,则为落潮优势沙,小于50%则为涨潮优势沙。2.2.3潮周期内余流输移量的描述水深可分解为潮平均项和潮变化项,即:瞬时流速可分解为垂向平均量和垂向偏差项,即:瞬时流速成分和u′(x,t)又可分解为潮平均项和潮变化项,即:所以瞬时流速可分解为:瞬时含沙量可用瞬时流速的分解方法分解为:式(5)~(10)中,上划线“—”表示垂向平均,上标(’)表示垂向偏差,下标“0”表示潮周期平均,下标“t”表示潮变化。潮平均单宽水体输移量则余流的表达式为:其中,〈·〉表示潮周期内平均。UE为欧拉余流,US为斯托克斯余流,UL为拉格朗日余流。瞬时单宽悬沙输移量潮平均单宽悬沙输移量其中,上下标的意义同式(5)~(10)。T1-T5为潮汐与垂向平均流速和含沙量相关项,其各自的输沙机制如下:T1为欧拉余流输沙项;T2为潮汐与潮流相关项,即斯托克斯漂移输沙项;T3为潮汐与潮变化含沙量的相关项;T4为潮流与潮变化含沙量相关项,通常被称为潮泵输沙项;T5为潮汐、潮流和潮变化含沙量三者相关项。T6-T10为潮流和含沙量的垂向切变引起的输沙,其各自的输沙机制如下:T6为垂向环流输沙项;T7为潮流和潮平均含沙量的垂向切变与潮汐相关项;T8为余流和潮变化含沙量的垂向切变与潮汐相关项;T9为潮流和潮变化含沙量两者的垂向切变相关项;T10为潮流和潮变化含沙量两者的垂向切变与潮汐相关项。3流量特征的变化3.1输入段的分离比和潮量变化3.1.1工程实施后南港分流北槽水量北槽落潮分流比在1999年以前总体呈持续增大的趋势(图3a),但深水航道工程实施以来落潮分流比发生逆变,呈不断减小的趋势,表明工程实施以来南港分流北槽水量不断减小(图3b)。一期工程实施期间(1999.08-2001.07)落潮分流比下降速度最快,上断面从61.4%减小到的46.5%;二期工程及其后下降速度减缓,到三期工程开工时(2006.09)为41.1%;三期工程期间相对较稳定,目前分流比保持在40%左右(图3)。3.1.2工程前北槽内水流场分布北槽分流断面的落潮量变化与落潮分流比变化一致,呈不断减小的趋势,减小幅度达35%以上;而涨潮量变化幅度较小,上断面涨潮量有小幅的波动下降,下断面涨潮量有小幅的波动上升(图4(a))。工程前,从横沙水道汇入北槽的水流基本与通过江亚北槽向南槽分流的水量相平衡,上、下断面的落潮量差异不明显;工程后,江亚北槽封堵,北槽向南槽的分水受阻,上、下断面的落潮量差异增大,下断面的落潮量明显大于上断面,增加的落潮量一部分来自横沙水道,一部分来自越堤流。北槽入口段的优势潮量一直保持在50%以上,为落潮优势性质。工程前,优势潮量在65%以上;工程后,由于落潮量不断减小而涨潮量变化不明显,优势潮量的百分比下降10%左右(图4b),落潮优势程度下降。3.2主流的特征变化3.2.1工程前后北槽三种类型落潮特征工程前,北槽入口段和上段的潮流以往复流为主,中段和下段随着河道逐渐放宽潮流流向略有分散(图5a);工程后,由于受到导堤和丁坝的束水作用,主槽潮流皆以往复流为主,且潮流流向更集中,潮流的横向动力减弱,主流线基本与导堤走向一致(图5b)。工程前,北槽主槽的落潮历时和流速大于涨潮,呈落潮优势(表2)。工程后,落潮优势特征仍保持不变,但潮流特征值较工程前发生明显变化(表3)。洪季,CS2站以上的入口段和上段涨潮历时和流速增大,中段的CSW站附近涨潮历时和流速也增大,而下段落潮历时和流速增大;枯季,入口段和上段的涨潮历时和流速增大,中段的CSW站附近涨潮历时增大,下段CS7站附近落潮历时和流速增大。总体上,工程后北槽入口段和中段CSW站附近的涨潮动力明显增强,而北槽下段落潮动力明显增强。洪季以下段落潮动力增强最为显著,而枯季则以入口段和上段涨潮动力增强最为显著。3.2.2单宽潮量、优势潮量工程前,洪季的优势潮量百分比为57%~79%,枯季的优势潮量百分比为53%~62%,优势潮量在洪季和枯季总体上均由口内向口外逐渐减小(表2和图6)。工程后,洪季优势潮量百分比为59%~73%,其中CSW站的优势潮量最小,其它站点的优势潮量均大于65%,沿程呈现波动变化;枯季的优势潮量百分比为50%~66%,CSW站的优势潮量最小,CS7站的优势潮量最大,沿程呈现波动变化(表3和图6)。工程前后北槽主槽均保持落潮优势性质,但各站点的单宽潮量和优势潮量均有显著变化。入口段的涨潮量增大,落潮量减小,优势潮量减小;中段CSW站附近的涨潮量增大,优势潮量减小;下段的涨潮量减小,落潮量增大,优势潮量增大。北槽上段的潮量变化在洪季和枯季呈现不同特征:洪季,落潮量显著增大,优势潮量增大;枯季,涨潮量和落潮量均增大,但涨潮量的增幅大于落潮量,优势潮量减小。4砂浆机特征的变化4.1工程后北槽主槽含沙量分布工程前洪季,北槽主槽涨潮含沙量为0.2~0.8kg/m3,落潮含沙量为0.4~0.9kg/m3,CS1、CS2和CS3站的落潮含沙量明显大于涨潮(表4)。工程前枯季,涨潮含沙量为1.2~1.6kg/m3,落潮含沙量为1.0~1.8kg/m3,CS1和CS2站的涨潮含沙量大于落潮,而CS3和CS4站的落潮含沙量大于涨潮(表4)。含沙量的沿程分布特征为:CS3站的含沙量最大,向口内和口外均减小。工程后洪季,北槽主槽涨潮含沙量为0.4~1.7kg/m3,落潮含沙量为0.3~1.6kg/m3;入口段和中段的涨潮含沙量大于落潮,而上段和下段的落潮含沙量明显大于涨潮;中段和下段的含沙量明显大于入口段和上段,涨潮最大含沙量出现在中段CSW站,落潮最大含沙量出现在下段CS7站(表5)。工程后枯季,涨潮含沙量为0.4~1.5kg/m3,落潮含沙量为0.6~1.6kg/m3;入口段和上段涨潮含沙量大于落潮,而中段和下段的落潮含沙量大于涨潮;含沙量在上段CS2-CS6和下段CS3-CS7较大,最大值出现在CS3站(表5)。工程前后含沙量的显著变化为:洪季,涨潮含沙量增加一倍以上,落潮含沙量增加50%左右;枯季,涨落潮含沙量均有小幅下降,其中下段出口处CS4站含沙量不到工程前的50%。4.2洪枯季不同河段净输沙纵向分布特征工程前,洪季落潮单宽输沙量为134~234t,涨潮单宽输沙量为22~154t,落潮输沙大于涨潮,整个河槽净输沙指向海,为落潮优势沙;净输沙量自CS2站至出海口不断减小,表明在中下段拦门沙水域泥沙发生落淤,使河床发生淤积。枯季,落潮单宽输沙量为244~388t,涨潮单宽输沙量为208~313t,落潮输沙大于涨潮;净输沙量由CS2站至出海口不断增大,表明在中下段拦门沙水域泥沙发生再悬浮,使河床发生冲刷。因此,北槽中下段拦门沙出现“洪淤枯冲”现象。工程后,多数河段净输沙仍以落潮方向为主,为落潮优势输沙,但在河槽走向、河道两侧丁坝长短和人工疏浚等因素的影响下,洪枯季不同河段净输沙量出现较大差异。洪季,河槽入口段和上段(CS0-CS2)的净输沙指向海,且由上游往下游增大,河床发生冲刷;中上段(CS2-CSW)净输沙量由上游往下游减小,且净输沙由指向海转化为指向陆,悬沙在此河段辐聚,河床发生淤积;中下段和下段(CSW-CS7)净输沙指向海,且由上游往下游大幅增加,河床发生冲刷。枯季,河槽入口段(CS0-CS1)净输沙量由上游往下游减小,且净输沙由指向海转化为指向陆,悬沙在此河段辐聚,河床发生淤积;河槽上段(CS1-CS6)为泥沙辐散区,向陆的净输沙量逐渐减小,并在下端转为向海输沙,泥沙再悬浮作用明显,河床冲刷;河槽中下段到下段中部(CSW-CS7),净输沙指向海,且由上游往下游大幅增加,河床冲刷;河槽下段出口处(CS7-CS4),净输沙指向海,且由上游往下游大幅减小,河床淤积。因此,航道整治工程改变了北槽的输沙过程,并使洪季大潮期一个潮周期内河床冲淤的纵向分布发生显著变化,表现为:工程前,在CS2以下普遍淤积;工程后,在CS2-CSW段集中淤积,在CS2以上和CSW以下普遍冲刷。枯季大潮期的河床冲淤纵向分布在工程前后的变化不明显,整个河段以冲刷为主,工程后在河槽两端有明显的淤积。5砂、沙纵向输送机制的变化5.1工程前后拉格朗日输水量和净洪水内的分配关系在潮汐河口中,潮周期内的水体净输移除欧拉余流输水外,由于潮汐和潮流的相互作用而产生斯托克斯输水。斯托克斯输水量由相同周期的分潮潮汐和潮流振幅的大小及两者的相位差决定,而方向由两者的相位差决定。一般由于涨潮流期水位总体上高于落潮流期,一个潮周期内产生向陆的净输水,其中前进波的斯托克斯输水量最大,驻波的斯托克斯输水量为零。欧拉输水量和斯托克斯输水量之和为拉格朗日输水量(净输水量),其对应的余流分别为:欧拉余流UE、斯托克斯余流US和拉格朗日余流UL。在北槽主槽,UE指向海,US指向陆,且UE总是大于US,故UL指向海。因此,斯托克斯的向陆输水作用部分削弱了欧拉向海输水,单宽净输水指向海(见图7)。从工程前后余流的变化来看,US变化不明显,但UE的纵向分布发生明显变化,从而使UL的纵向分布也发生变化。UE纵向分布在工程前后的显著变化为:工程前,UE由陆向海逐渐减小;工程后,UE总体上呈现由陆向海增大的趋势,但在CSW附近出现跳跃减小,在下段出口处也有所减小,洪季的变化幅度小,枯季的变化幅度大(图7)。UE纵向分布在工程前后变化的原因为:导堤和丁坝的建设阻碍了北槽与邻近滩槽的水沙交换,并使水流向主槽集中。5.2c2-cs3-cs7段根据输沙的驱动力,可把输沙项分为两类:平流输沙项(T1、T2、T6和T7)和潮流输沙项(T3、T4、T5、T8、T9和T10)。平流输沙项中,欧拉余流输沙(T1)、斯托克斯输沙(T2)和垂向环流输沙(T6)在悬沙纵向输移中均起着重要作用,其中欧拉余流输沙占主导地位(见表6和表7)。潮流输沙项中,悬沙与潮流场变化相关项(T4+T5)为主导项,其次为垂向潮振荡切变作用(T9),其他潮流输沙项(T3、T8和T10)可以忽略(表6和表7)。平流输沙总体上指向海,而潮流输沙则随着季节而变化。工程前洪季:平流输沙和潮流输沙均指向海,且两者输沙率在CS2站最大,向两端减小,使净输沙率也呈现由CS2站向两端减小的分布,故悬沙在CS2-CS4段落淤由平流和潮流的向下游输沙作用同时减弱所致(图8a)。工程前枯季:平流输沙指向海;潮流输沙呈现由中段辐散的模式,入口段的CS1站和上段的CS2站指向陆,而中段的CS3和下段的CS4站指向海;故CS2-CS4段河床泥沙的再悬浮主要由潮流的辐散输沙控制(见图8b)。工程后洪季:平流输沙指向海,除在CSW附近出现跳跃减小之外,其沿程变化基本上为由陆向海增大;潮流作用下,全槽以向上游输沙为主,CS2以下至CS7以上河段,向上游的输沙作用强,且在CSW处达到最大;故悬沙在CS2-CSW段集中落淤为平流向下游输沙作用减弱和潮流辐聚输沙双重作用的结果(见图8c)。工程后枯季:平流输沙总体上指向海,在CSW附近出现小幅的向上游输沙;潮流输沙呈现从中段辐散的模式,CSW以上指向陆,而CSW以下指向海;CS1-CS7段河床泥沙的再悬浮主要由潮流的辐散输沙控制,两端悬沙落淤是平流和潮流输沙共同作用的结果(见图8d)。对比工程前后平流和潮流的输沙作用发现:平流输沙率的纵向分布由向海减小转变为向海增加,且工程后在CSW附近出现跳跃下降;洪季的潮流输沙发生显著变化,由向下游输沙转化为向上游输沙为主,枯季的潮流输沙变化不明显,仍为由中段向两端辐散的输沙模式。洪季,平流输沙和潮流输沙在工程前后的变化使一个潮周期内的河床冲淤由CS2以下河段普遍落淤转化为CS2-CSW段集中落淤。枯季,在入口段和上段,工程后平流作用向下游输沙减小,潮流的向上游输沙占优势,使得悬沙在入口段落淤。平流输沙的主要成份中,欧拉余流输沙指向海,而斯托克斯输沙和垂向环流输沙均指向陆。欧拉余流输沙远大于斯托克斯输沙和垂向环流输沙,斯托克斯输沙大于垂向环流输沙,且斯托克斯输沙在枯季较强(图9)。斯托克斯输沙作用在工程前后变化不明显,但洪季的垂向环流输沙作用在工程后明显增强。从各输沙项的纵向分布来看:欧拉余流输沙的纵向结构在工程前后有显著变化,其变化规律基本上与总的平流输沙的纵向结构变化一致;斯托克斯输沙和垂向环流输沙在工程前呈现中间大、两端小的特征,工程后输沙的纵向波动明显,最大值出现在中段,但对总的平流输沙的纵向分布影响不大(图9)。因此,工程前后平流输沙纵向分布的变化主要由欧拉余流输沙的纵向分布变化所致,即工程引起的欧拉余流纵向结构的变化是平流输沙纵向变化的主要原因。潮流输沙的主要成份中,以潮流与潮变化含沙量相互作用产生的输沙(潮泵输沙项T4)占绝对优势,两者与潮汐的相关项(T5)和两者的垂向切变相关项(T9)处于次要地位,T4远大于T5和T9(见表6和表7)。输沙项T4的纵向分布特征与总的潮流输沙一致:在洪季,工程前为向下游输沙,工程后以向上游输沙为主;在枯季,工程前后均为由中段向两端辐散的输沙模式。输沙项T5和T9基本指向陆,T5在工程前后变化不明显,而T9在工程后洪季北槽中段和下段的输沙明显加强