长江口深水航道治理一期工程北槽最大浑带分布规律研究

长江口深水航道治理一期工程北槽最大浑带分布规律研究

1长江口、北槽深水拦截门沙地形改善研究在河口地区，有盐和淡水的交汇现象。盐水以不同的重量流的形式插入水体底部，淡水通过沉积物浮在生理盐水中。当盐淡水混合时,河流携带的泥沙因遇到含电介质的海水及颗粒间的相互碰撞而发生粒聚、沉降。泥沙下降至盐水楔后因下层环流的作用而向楔顶方向运动并集聚。因此在楔顶附近泥沙浓度最大,形成最大浑浊带。早在1893年,在法国的Gironde河口首次观测到最大浑浊带。此后,Bowden、Uncles&Stenphens、Odd以及Postma等人对最大浑浊带的分布和形成机理进行了广泛研究。长江口的盐淡水交汇基本属于缓混合型,有利于最大浑浊带的发育。从上世纪60年代,国内学者对长江口盐水楔异重流、盐淡水交汇中的最大浑浊带问题、细颗粒泥沙的絮凝和沉降特性、长江河口环流及悬沙输移规律、长江河口的滞流点分布以及水沙运动特性和航槽回淤规律等问题从不同角度进行了研究。北槽是长江口入海航槽之一(图1)。长期以来,北槽最大浑浊带的存在和上下摆动,在很大程度上影响着北槽水下拦门沙地形的演变。根据实测资料,北槽拦门沙滩顶最浅水深约为6m左右,水深小于10m的浅段长度约为56km,形成碍航浅段。长江口北槽深水航道治理工程的总体方案是南北导堤和丁坝群的建设与疏浚结合(图1),治理目标是使北槽航道水深由工程前的7.0m左右增加到工程后的12.5m。一期工程于1998年1月开工建设,2000年7月通过交工,宣布8.5m深水航道进入试通航期;2001年6月一期工程含完善段工程全部竣工,2002年9月通过国家验收。二期工程于2004年1月全面实施,将于2005年4月全面完成,竣工后通航深度将达到10.0m。国内学者就北槽深水航道治理一期工程前后拦门沙航道演变规律、北槽悬沙絮凝特征、北槽浮泥发育规律、深水航道的回淤规律泥沙运动特性等问题进行了一系列研究。本文在上述研究的基础上,主要依据实测资料,首次对北槽深水航道一期工程实施前后最大浑浊带的分布规律及其对北槽淤积的影响进行系统总结和分析,研究成果可为北槽深水航道治理二、三期工程的顺利实施提供参考,同时澄清一些认识。2地形地貌调查研究一期工程实施前后,在北槽沿程进行了多次水文测验。测验条件如表1,测站布置如图1、表2,测验项目主要包括定点流速流向、含沙量和含盐度等。此外,在一期工程实施以来上海航道勘察设计研究院定期对北槽地形进行测量。本文以上述实测资料为依据,分析北槽沿程的水流泥沙运动和盐水楔活动,对北槽一期工程实施前后最大浑浊带的分布规律进行综合分析。同时结合一期工程实施以来的航槽回淤和水下地形观测资料,深入研究了最大浑浊带分布对北槽淤积的影响。3北槽最大浑浊带的特点3.1河岸质与深基坑质以2002年8月北槽洪季河床质和悬移质为例,北槽洪季沿程河床质以粘土和粘质粉土为主,悬移质主要为粘土,二者中值粒径差值不大。河床质一经起动,常常呈悬浮状态运动,所以北槽沿程床面泥沙再悬浮比较频繁。3.2积物冲刷切应力根据历次实测资料,北槽CS0下游约30km的4#和CS3测点附近多为近底层高流速区段。表4为北槽2002年8月大潮近底层流速特征值。由此可以看出,CS3附近的涨落急前后和近底层流速多高于上下游。根据水流底部切应力的概念,在一个全潮周期中,当水流底切力低于悬浮泥沙的淤积切应力时(u*<u*.i,u*为切速),悬移质落淤;当水流底切力高于沉积物的冲刷切应力时(u*>u*.c),底床冲刷。不同水深处相应的底切速峰值u*可由卡门公式计算式中U2,0和U1,0为离底分别为Z2和Z1高度上的实测资料。采用实测分层流速推算北槽沿程各测点近底层切速峰值如表5所示。由表5可知,在涨落憩时刻,CS3附近的近底层切速峰值明显低于上下游,对悬沙落淤比较有利。而CS3落急时刻的近底层切速峰值明显高于同样未受到工程掩护的下游各点,可见该区域床面泥沙在落急前后的再悬浮运动较强。由于潮汐河口的水流为双向流,在下泄流占优势与上溯流占优势区域之间的过渡河段总存在一个净流程为零的地方,即滞流点。参考西蒙斯的研究成果,将各测点的落潮单宽流量过程线包络的面积除以涨落潮单宽流量过程线包络的面积,商大于50%则代表落潮优势流为主,小于50%代表涨潮优势流。而涨落潮单宽流量各占50%则代表涨落潮流程相等,该位置即为滞流点所在。根据实测资料推算北槽近底层滞流点位置如表6。上表说明,北槽一个潮周期中近底层滞流点多在CS0下游25-40km(K-T单元)范围内摆荡,目前洪枯季大潮时近底层滞流点的位置大致在CS0下游40km左右。与工程前数次实测值相比,工程后近底层的滞流点位置并无明显变化。3.3滞沙点滞流点的分布统计一期工程实施前后北槽实测大小潮近底层含沙量资料,得到北槽沿程含沙量峰值区段分布频次如下表所示。由上表可知,在一期工程实施前后,CS0下游约30km的4#和CS3测点附近多为北槽沿程的涨落潮近底层含沙量峰值发育区段,一、二期整治工程的实施并未使北槽近底层含沙量的沿程分布发生趋势性变化。在河口地区,下泄泥沙占优势区域与上溯泥沙占优势区域之间的过渡河段在一个潮周期内往往存在一个净输沙为零的地方,即滞沙点。将各测点落潮单宽输沙量过程线包络的面积除以涨落潮单宽输沙量过程线包络的面积,商大于50%则代表落潮优势沙为主,小于50%代表涨潮优势沙。而涨落潮单宽输沙量各占50%则代表涨落潮输沙量相等,该位置即为滞沙点所在。根据推算北槽近底层滞沙点位置如表8。由上表可以看出,长江口深水航道治理工程实施前后,北槽近底层滞沙点多位于CS0下游12-20km(E-J单元)和CS0下游30-50km(N-W单元)之间,滞沙点位置并未出现明显下移趋势。此外,滞沙点的位置与滞流点位置不完全吻合。图2为北槽沿程滞沙点分布的典型断面。在近底层滞沙点上游区段,水体垂线方向各层悬沙净向下游输移;在50%优势沙锋面的下游区段,水体垂线方向各层悬沙净向上游输移;在50%优势沙锋面附近,水体上层悬沙净向下游输移,下层悬沙净向上游输移,存在垂向泥沙环流。当然,这种输沙情况是不稳定的,在研究河段有时会出现全河段净输沙向下和净输沙向上的情况,甚至出现表层净向上输沙而底层净向下输沙的反向泥沙环流。3.4近底层盐水加强作用北槽盐淡水混合类型以缓混合型为主,盐度大多在5‰～28‰的范围内变化,有利于细颗粒泥沙的絮凝沉降。根据实测资料绘制北槽沿程盐度垂线分布图,进而推算近底层盐水楔位置(表9)。从实测资料看,近底层盐水楔洪季下移,枯季上提;小潮下移,大潮上提。根据陈邦林等的研究,北槽地区13‰左右的盐度最有利于泥沙絮凝。从所有统计资料来看(表9),北槽深水航道一期治理工程实施以来的涨落憩时刻13‰盐水楔在CS0以下30-45km(大致相当于为N-V单元)范围内多次出现,约占总数的56.1%,表明该区域在涨落憩时刻的絮凝作用比较明显,有利于最大浑浊带的发育。3.5槽内自然深水如图3,一期工程实施后,北槽航槽槽边自然水深明显增加,拦门沙滩顶隆起的地形逐渐消失。从自然水深的分布看,北槽W3弯段上游各单元槽边自然水深总体上自上向下呈下降趋势,大致CS0下游19-23km的H-J单元(B33-B36断面)、CS0下游30-35km的N-Q单元(B42-B46′断面及CS3附近)和CS0下游41km的T单元(B49-B49′断面及CS4附近)始终为自然水深的浅区。3.6最大东南角cs0-2-特征分区根据上述研究成果可以看出,北槽河床质一般为粉土和粘土,悬移质主要由粘土组成,两者交换频繁。长江口深水航道治理一期工程实施前后,滞流点多在CS0下游25-40km(K-T单元)范围内摆荡,形成滞流区。其中CS3点附近在涨落憩前后的近底层切速峰值小于上下游,明显有利于悬沙淤积。北槽近底层滞沙点多位于CS0下游12-20km(E-J单元)和CS0下游30-50km(N-W单元)之间。其中CS3点附近近底层常出现高浓度含沙层。北槽中下段盐度介于5‰-15‰,深水航道一期治理工程实施以来的涨落憩时刻13‰盐水楔在CS0以下30-45km(大致相当于为N-V单元)范围内多次出现,表明该区域的絮凝作用比较明显。从自然水深的分布看,CS0下游19-23km的H-J单元附近和CS0下游30-35km的N-Q单元(CS3)附近始终为自然水深的浅区,回淤量也居高不下。凡此种种,说明CS0下游19-23km(H-J单元)和CS0下游30-45km(N-V单元)是北槽最大浑浊带的主要分布区域。最大浑浊带的整体发育机制是多因素综合作用的结果。一期工程虽然改变了局部流场并引起河床调整冲刷,但诸如含沙量、输沙量、盐度(絮凝沉降)等因素的分布并未发生明显变化,这些因素的综合作用使最大浑浊带的位置基本保持稳定。由此可见一期工程并未对北槽最大浑浊带的发育机制和分布造成明显影响。4北槽回淤部位分布图4和表10显示了北槽沿程回淤量的分布。由上述图表可知,一期工程以来北槽的主要淤积部位存在一定变化:2002年11月以前,北槽回淤量峰值区段位于W3以下,2002年11月以后,回淤量峰值区段上移至W3以上,并且2001年和2004年航槽洪季回淤量分布出现双峰型。虽然存在上述变化,但是CS0下游21km的I单元至CS0下游约32km的O单元附近的区段始终为北槽回淤量较高的区域。在潮汐河口,最大淤积部位常常取决于最大浑浊带的位置,北槽最大淤积部位的分布也符合这一规律。由于一期工程实施前后CS0下游19-23km(H-J单元)和CS0下游30-45km(N-V单元)始终是北槽最大浑浊带的主要分布区域,这些区段航槽淤积量也较大。从2004年二期工程实施以来的回淤情况看,截至10月,二期整治工程基本完成,北槽口外的X单元以东的区段回淤量始终维持较低水平。此外,根据有关物理模型的研究成果,三期工程后最大