长江入海悬移质泥沙粒度特征分析

长江入海悬移质泥沙粒度特征分析

长江海域的悬浮沙是形成河口沉积物的原始材料。它的悬浮运动、偏移和沉降过程是改变河口地形和形成河口地形的主要途径之一。深入研究入海悬移质泥沙特性及其变化,不仅对研究长江河口的环境演变有重要意义,且可以加深对全球海陆相互作用、物质循环和物质迁移转化的了解。与长江入海悬移质泥沙有关的研究已有不少。但关于长江入海悬移质泥沙粒度特性与流量(Q)、含沙量(SSC)关系的系统分析尚未见报道。本文将以大通站(枯季潮区界,距口门约640km)为例,着重对这一问题做一探讨。1悬移质泥沙粒度测量的校正本文所用资料为大通水文站1956年、1960、1962～1967年、1971年、1974年、1976～1978年、1980年、1983年和1985年共16年的流量、含沙量及悬移质泥沙级配资料,三者都包括多年年平均值、各月月平均值。由于所用级配资料是用粒径计测得的,其测试结果存在系统偏粗问题,因而在级配资料处理中,首先进行数据校正:粒径小于0.1mm的采用文献的校正公式;粒径大于0.1mm的应用文献的校正方法。然后用自编插值程序求出大于0.05mm粗颗粒悬移质泥沙的百分比(以下简称%>0.05)和中值粒径(D50),作为悬移质泥沙粒度特征的表征量,之所以把%>0.05作为悬移质泥沙粒度的主要表征,是因为大于0.05mm的粗颗粒泥沙在水沙两相流的固相中起着重要作用,在长江流域被视为粗泥沙、中下游的床沙质,其在悬移质泥沙中的数量主要取决于水流挟沙力。最后分别做了各年月均Q(SSC)～%>0.05之间的回归分析、多年平均月均Q(SSC)～%>0.05之间的回归分析以及年均Q(SSC)～%>0.05之间的回归分析,利用相关系数平方最大的原理选取回归方程,从而揭示悬移质泥沙粒度特征与流量、含沙量的相关性及其年内、历年的变化规律。2结果和讨论2.1悬浮渣沉淀的粒度与流量的关系2.1.1流量对长江基本动态的影响为探讨长江入海悬移质泥沙粒度随流量的年内季节性变化规律,笔者对大通站各年%>0.05月均值与流量月均值进行了回归分析,结果见图1。可以看出:这16年中,二者的回归关系主要满足乘幂回归(占56%),其次满足多项式回归(占31%),还有指数和对数回归(各占6.5%)。其中相关性明显的(|R|≥0.6)年份占81.25%,差的(|R|<0.6)年份占18.75%(1978、1983和1985年),差的原因在于这三年月均流量与月均%>0.05最大值发生的时间不一致(见图2)。从图1还可以看出:各年月均%>0.05随月均流量的年内变化基本是随之增加而增大,说明就年内月均状况而言,长江入海悬移质泥沙粒度是随流量增加而变粗的,原因在于,入海悬沙中的床沙质虽主要来自上游河段,还可随时从本河段河床上获得补给(床沙中富含床沙质),补给数量由水流挟沙力决定。因而,在床沙质来源充足的情况下,随着流量增加、水动力增强、水流挟沙力增大,入海悬移质泥沙中床沙质百分含量就会持续增加,悬移质粒度变粗。由于大通站流量洪季大于枯季,所以其悬移质泥沙粒度随流量的变化特点还揭示出,长江入海悬移质泥沙的粒度洪季大于枯季,这一结论在以下分析中也能得出。另外,图1中相关性较好的回归曲线还显示,当流量月平均值较小时,关系点与回归曲线吻合较好,当流量月平均值较大时,关系点偏离回归曲线较远,也就是说,长江入海悬移质泥沙粒度与流量的相关性枯季较洪季好。为揭示入海悬移质泥沙粒度随流量年内变化的总趋势,笔者又对多年平均月均%>0.05～Q进行了回归分析(图3),其相关系数平方最大的回归方程是乘幂回归Y=0.0056X0.7836R=0.89式中:Y代表%>0.05,X代表流量。可以看出:%>0.05～Q多年平均月均值之间的相关性很好,R达0.89以上,是正相关,说明长江入海悬移质泥沙粒度随流量年内变化的总规律是随流量增加而变粗。2.1.2项式回归y图4为%>0.05～Q年均值之间的回归曲线,其相关系数平方最大的回归方程是多项式回归Y=1E−0.7X2−0.0054X+75.283R=0.76式中,X代表%>0.05,Y代表流量。图4显示:年均%>0.05与年均Q相关性明显,也是正相关,说明长江入海悬移质泥沙粒度随流量的历年变化也是随之增加而变粗。2.2悬浮渣沉淀的粒度与含砂量之间的关系2.2.1月内含沙量的季节变化为阐明长江入海悬移质泥沙粒度随含沙量的年内变化,笔者在图5中点绘了各年月均%>0.05与月均含沙量的关系,并做了回归分析。不难看出,各年月均%>0.05～含沙量之间的回归关系大多满足多项式回归(占56%),其次为幂(占25%)和指数回归(占13%),另外还有对数回归(占6%)。相关性较明显的年份占75%,较差的年份占25%(1966、1971、1978和1985年),差的原因在于这四年月均含沙量与月均%>0.05最大(小)值不是同时发生的(见图6)。对比可知,大通站月均%>0.05与月均流量及月均含沙量相关性好的、差的年份是基本对应的,这是因为据资料分析显示,大通站各年月均流量与月均含沙量有着较好的正相关关系(|R|均大于0.6,80%年份|R|达0.8以上)。另外,对比图1和图5还可以发现,各年月均%>0.05与月均流量的相关系数总体上大于其与月均含沙量的相关系数,说明入海悬移质泥沙粒度与流量的关系比与含沙量的关系密切。图5还显示,16年的月均%>0.05随月均含沙量的年内变化有两种情况:(1)多数年份(9年),随月均含沙量增大,月均%>0.05先是增大,达到最大值后又减小,但是进入大含沙量范围之后,月均%>0.05所达到的最小值比其曲线左半支的最小值高得多,分析显示,月均%>0.05最大值对应的含沙量值刚好是各年洪、枯季含沙量的界限值,多出现在5月,这种情况说明,这9年长江入海悬移质泥沙粒度在枯季随含沙量增加而变粗,在洪季随含沙量进一步增加又有细化趋势,但仍比枯季粗;(2)少数年份(7年),月均%>0.05随月均含沙量增加而增大,即入海悬移质泥沙粒度是随着含沙量增加而变粗的,说明这7年长江入海悬移质泥沙中随含沙量持续增加的主要是粗颗粒的床沙质。为什么会出现上述两种情况呢?这既与水动力条件有关,又受泥沙供应的影响,兹解释如下:据沈焕庭等分析,长江入海悬移质泥沙主要来自上游干流产沙区,中、下游产沙相对较少。这些悬移质泥沙可分为两部分:较细的一部分是床沙中少有或没有的冲泻质,主要由流域供给,不能从本河段河床上获得补给,它可以一泻千里,但运动过程与流速无关:较粗的一部分是床沙中大量存在的床沙质,它也主要来自上游河段,但可以随时从本河段河床上获得补给,补给数量取决于水流挟沙力。据此,在枯季,降水少,对流域冲刷小,冲泻质来量稳定、含量变化不大,床沙质含量则随流量增大、水流挟沙力增强而不断增大,所以在所有年份的枯季入海悬移质泥沙粒度随含沙量增加而增大;进入洪季,情况有了分歧:若遇降水强度大、持续时间长的大水年,整个流域冲刷厉害,洪季会有大量冲泻质进入河道、到达河口,使得大通站%>0.05相对降低,悬移质泥沙变细,但仍比枯季粗,第一种情况的9年即是此种情形的代表;若遇枯水年或流域植被覆盖好的中水年,从流域冲入河道的细颗粒泥沙较枯季增加不明显,床沙质含量则随流量增大而继续明显增加着,这就是为什么那7年入海悬移质泥沙粒度保持了随含沙量增加而变粗的特点。由于大通站含沙量也是洪季大于枯季,大通站悬移质泥沙粒度随含沙量的变化特点也揭示出,长江入海悬移质泥沙粒度洪季大于枯季。对比图1和图5,还可以看出,有7年(1956、1963、1966、1967、1971、1977和1985年),月均%>0.05随月均流量与随月均含沙量的变化趋势完全相同(均是单调递增的变化关系),说明这些年水沙的年内分布是同步的,即月均流量和月均含沙量的最大(小)值是同时发生的;另9年,该两种变化趋势是不完全相同的(枯季相同、洪季相反),反映出这些年月均流量与月均含沙量的年内分布不是完全相应的。另外,图5中相关性较好的回归曲线也显示,当%>0.05和含沙量的月均值较小时关系点与回归曲线比较接近,当两者的值慢慢增大时,关系点逐步偏离了回归曲线,说明大通站悬移质泥沙粒度与月均含沙量的相关性也是枯季好于洪季。同理,为揭示大通站悬移质泥沙粒度随含沙量年内变化的总趋势,笔者做了多年平均月均%>0.05～SSC之间的回归分析(见图7)。可以看出,其回归方程是多项式回归Y=−85.877X2+92.636X+0.1001|R|=0.88式中Y代表%>0.05,X代表含沙量。由此可见,二者的相关性很好,|R|达0.88以上。图7还显示:随多年平均月均含沙量增大,多年平均月均%>0.05先增大,达到最大值(0.4kg/m3)后又减小,资料分析显示:在大通站各月月均含沙量的多年平均值中,等于0.4kg/m3的是5月,最接近它的有4月、6月和10月,含沙量最小的是2月。这反映出:(1)长江入海悬移质泥沙粒度随含沙量年内变化的总趋势是,随含沙量增加先增大,达到最大值后又减小;(2)长江入海悬移质泥沙粒径的最大值多出现在5月、较大值常发生在4月、6月和10月、最小值多山现在2月,这与大通站月均中值粒径多年平均值的分布规律一致(见图8)。2.2.2悬移质泥沙粒度的年度变化图9给出了年均%>0.05～SSC之间的回归关系,其相关系数平方最大的回归方程是多项式回归Y=655.95X2−608.94X+154.54|R|=0.66式中X代表%>0.05,Y代表含沙量。可以看出,就年均序列而言,%>0.05与含沙量的相关性也较明显,|R|达0.66以上。图9显示:随着含沙量年均值增大,年均%>0.05减小,但是当年均含沙量大于0.45kg/m3(刚好为16年年均含沙量的平均值)时,年均%>0.05又随含沙量年均值增加而增大,即长江入海悬移质泥沙粒度随含沙量历年变化的特点是,少沙年(指年均含沙量低于年均含沙量多年平均值的年份)间,悬移质泥沙粒度随年均含沙量增加而减小;多沙年(年均含沙量高于年均含沙量多年平均值的年份)间,悬移质泥沙粒度随年均含沙量增加而增大。原因在于少沙年多出现在枯水年和中少水年,流量小、动力弱、水流挟沙力小,大通站床沙质含量小且增加受限,而冲泻质含量增加则不受水流条件限制,流域所能供应的几乎都可以到达大通站,就是说,枯水年间,大通站含沙量相对高的年份比相对低的年份所增加的悬移质泥沙一定是冲泻质,因而在少沙年间出现了悬移质泥沙粒度随含沙量增加而减小的变化特点;而多沙年则多发生在中(丰)水年,其流量、水流挟沙力较枯水年大大增强,且历年变幅较大,相应地,床沙质百分比也会随之有较大的增幅,所以在多沙年间,入海悬移质泥沙粒度表现出随含沙量增加而增大的特点。3悬移质泥沙粒度与含沙量的关系(1)长江入海悬移质泥沙粒度与流量具有较好的相关关系(非线性),二者的相关性枯季好于洪季;无论是各年年内变化、总的年内变化、还是历年变化,入海悬移质泥沙粒度随流量均呈现出随之增加而变粗的特点,说明水动力条件对长江入海悬移质泥沙粒度特性具有明显的控制作用。(2)长江入海悬移质泥沙粒度与含沙量也具有较明显的相关关系(非线性),二者的相关性也是枯季好于洪季,但是悬移质泥沙粒度与含沙量的关系不及与流量的关系密切;入海悬移质泥沙粒度随含沙量的变化相对复杂:年内变化,多数年份随含沙量增加而先增后减,少数年份随含沙量增加而增大;总的变化趋势是随含沙量增加而先增后减;历年变化则为随含沙量增加而先减后增,这些变化行为与水动力和泥沙供应有关。(3)悬移质泥沙粒度随流量、含沙量的年内