2003年2月7月长江河口悬沙浓度时空变化特征

2003年2月7月长江河口悬沙浓度时空变化特征

1河流悬沙分布特性水动力是影响河口形状和促进河口发展的主要动力因素。泥沙运动是动力作用与地形发展之间的联系。所以入海泥沙在河口陆海动力相互作用下的各种过程引起的悬沙浓度分布与变化是河口海岸工程、沉积地貌演变以及环境研究需要考虑的首要问题。许多研究者如沈焕庭等、谷国传对长江口,梁文、黎广钊对廉州湾的悬沙分布特征和输移规律做过研究;A.Ruiz等对西班牙Urdaibai河口,G.R.Tattersall等对英国的Tamar河口,Herman等对荷兰Emsy河口的悬沙浓度在时间上的分布特征以及输移规律进行了研究,并建立相关模型。但是,大部分研究者只是针对某个河段或界面讨论的较多,对整个河口悬沙的整体性、系统性变化特征研究的较少。长江是我国最大的河流,长江的入海口径流与海洋动力作用均十分强劲。长江丰水多沙,年均入海径流和泥沙分别为9.05×1011m3和4.33×108t(大通站,1951-2000)。随着长江三峡工程2003年6月正式蓄水、南水北调工程的动工,流域径流量及其季节分配势必会发生变化,长江口的大规模的促淤围垦工程和已经实施的北槽深水航道治理工程及正在筹划的河口整体开发治理工程也会改变边界条件,从而改变各汊道的分流比,继而影响到悬沙浓度的变化。因此,有必要在河口的主要区间自潮区界以下,进行在空间上上下游贯连、左右汊呼应,时间上涵盖洪枯季和大小潮乃至不同水文年的综合观测和比较研究,有利于总体把握悬沙浓度的时空变化格局,深化认识河口陆海相互作用的特点,为长江河口开发与治理提供科学的依据。2黄粱梦沙在长江河口区的观测2003年2月和7月枯、洪季,华东师范大学河口海岸国家重点实验室在长江口开展了西自江阴附近(经度120°21.48′E)东至口外海滨-20m(经度122°40′E),分大潮和小潮两个潮次的大规模综合水文观测,观测站点(图1)遍及长江河口区各个重要的关键界面点。洪、枯季都是进行先大潮后小潮定点26h连续观测。本文所公布的悬沙浓度数据是由传统的六点法所采取的水样,即在各正点时刻,分别在相对水深(Z/H)1.0、0.8、0.6、0.4、0.2及0.0处利用采样器采集含沙水样。在室内通过63μm滤纸,对水样进行过滤,然后放入105℃恒温箱内烘干,继而再放入干燥缸里冷却6～8分钟再称重。将泥沙和滤纸的总重量减去滤纸重量再除以水样体积得到单位水体中悬沙重量值。本文以两次所观测资料为基础,采用数理统计、水文学等方法以江阴-南通-徐六泾-南支(北支)-南港(北港)-南槽(北槽)同步布点的分布格局对长江河口悬沙浓度的变化特征进行分析研究。3砂浓度的时空变化水体中悬沙浓度的变化是泥沙运动的重要表现形式,悬沙浓度在时空上的变化反映了不同的动力作用和水深条件下的结果。3.1悬沙分布的分布纵向分布图2为长江口水文测站洪、枯季垂线平均含沙量柱形图,结果表明,徐六泾节点至江阴河段主要受径流影响,因此悬沙浓度比较稳定,洪季一般在0.350kg/m3左右,枯季在0.050kg/m3上下变化。而在徐六泾以下的多级分汊区段,由于各汊道的分流比不同,悬沙浓度的分布也存在着差异,在纵向上基本是呈低-高-低分布,高悬沙浓度多数出现在拦门沙最大混浊带区域0306站和0304站(图2)。从图2(a)可以看出位于南支上中段的0310站悬沙浓度要比其相邻的上下测站高,这一特例主要与当时布置的测点正好受到北支以似“水团”状运动形式倒灌进入南支的高盐水高含沙量有关。但要注意的是在洪季大潮口外海域0316站悬沙浓度要明显高于0306和0304站的悬沙浓度,平均悬沙浓度为1.80kg/m3,是因为洪季水量较大时最大混浊带核心区可以推移到河口拦门沙前缘水域而形成的。横向分布在横向上,洪季南槽的平均悬沙浓度为1.13kg/m3高于北槽的0.47kg/m3,相差2.5倍(表2)。这表明洪季南、北槽分汊口的分流比有较大的变化,淡水径流分入南槽的比例有明显的增加,这与北槽航道工程加大了北槽的河床阻力有关,洪汛条件下航道工程上游侧的南北槽分汊段会出现水面壅高,水体循南槽外泄。而枯季低于北槽是由于枯季北槽疏深进潮量加大,潮流增强,再悬浮泥沙增大,以及与北槽疏浚航槽工程诸多因素的影响有关。垂向分布在涨落潮潮流不断变化过程中,部分泥沙颗粒不断地经历着悬浮、落淤、再悬浮的运动,通常长江口的悬沙浓度在垂向上是由表层向底层逐渐增加的,但是由于河口水动力条件复杂多变,使得悬沙浓度在垂向上很少符合Rouse公式的指数形式,而大致可归纳为准直线型、斜线型、抛物线型和混合型1(图3)。准直线型的特点由表层至底层变化很小,在整个水深范围内的悬沙浓度趋于均匀,主要多出现在长江口上游悬沙浓度较低的区域,如0301站、0309站、0302站和口外水深较深的0316站;斜线型的分布在垂向上变化率均一,由表层至底层逐渐增加,较为普遍;从图3可以看出,抛物线型分布出现在南支的0310站洪季大潮时,其特点是垂向变化梯度较大,底层悬沙浓度达4.3kg/m3,这主要是由于大潮动力作用强,北支水沙倒灌掀动底沙引起的;悬沙浓度的垂向分布还可以表现为一种无规则的混合型曲线形态,如图3(b)中的H0304点,在垂向上明显出现层化现象,接近底部时悬沙浓度迅速升高,这主要是它所处在盐淡水交汇处,受絮凝和盐淡水异重流作用,垂向变化梯度较大。从图2还可以看出北槽的0306站枯季时垂向变化较显著,洪季时则较小,这主要是因为枯季北槽疏深进潮量加大,潮流增强,底部再悬浮泥沙增大的缘故。3.2枯季时、涨落潮变化及水流特征洪枯季变化悬沙浓度受径流影响具有明显的季节变化,一般洪季悬沙浓度要高于枯季(图2,表2)。本次测量结果,南槽0304站洪季垂线平均悬沙浓度为1.13kg/m3,枯季为0.77kg/m3,而位于北槽的0306站则呈现出枯高洪低的现象(表2),这可能与南、北槽分汊口的分流比变化和北槽疏浚扰动河床有关。口外水域悬沙浓度则明显呈现枯高洪低,这与洪季流域来沙主要在拦门沙及邻近水域沉积,而枯季拦门沙河床被再悬浮的泥沙向口外扩散有关。在垂向分层上,表层往往是枯季悬沙浓度较洪季大,底层则相反。这主要是因为洪季上游来沙多,水温高,盐淡水在口门附近交汇,絮凝作用活跃,促使悬沙加速沉降,从而使上层悬沙浓度减少;枯季上游来水来沙少,潮流作用增强,再悬浮增大,使细颗粒泥沙混和到上层,增大了上层的水体悬沙浓度。大小潮变化在南通以上河段由于受潮流作用影响小,大、小潮悬沙浓度基本相同。在长江河口口内大、小潮间流速变化最大,大潮流速远大于小潮流速,而导致大潮悬沙浓度大于小潮悬沙浓度(图2,表2),洪季时大潮悬沙浓度是小潮悬沙浓度的1.5～8.5倍,极不均匀,最大倍数值出现在口外的0316站,最小倍数值出现在处于最大混浊带的0304站;枯季时大潮悬沙浓度是小潮的1.5～2.0倍,变化不是很大。涨落潮变化在一个潮周期中,悬沙浓度的变化与流速大小密切相关(表1,表2),由于涨落潮的交替和流速的更迭使悬沙浓度出现明显的潮周期变化。口内一般是落潮悬沙浓度大于涨潮悬沙浓度,如0309、0302、0304、0306等站;口外则是涨潮流性质,如0316站。长江口最大悬沙浓度一般发生在涨落急前后,最小的出现在涨落憩附近,悬沙浓度的峰值一般滞后于流速峰值,即在流速达到最大值后,悬沙浓度才达到最大值,滞后时间由于各汊道的形态不同或季节不同而存在着一定的差别,一般在1～3h左右不等。2003年流域来水偏丰,在洪季大小潮时由于受长江巨大径流的影响,在南通以上基本无涨潮流,也无涨潮含沙量。有一点需要指出的是0310站和0303站水流呈落潮流性质,而悬沙浓度出现涨潮悬沙浓度大于落潮的现象,0310站原因是受北支涨潮流影响,水沙倒灌进入南支而使悬沙浓度增大;在0303站原因是在南槽中下层存在一个很强的上溯流,可以进入上游南港,使南港的0303站底层悬沙浓度增大。南、北槽中,北槽完全是落潮槽性质,而南槽呈现出洪季落潮悬沙浓度大于涨潮,枯季涨潮大于落潮性质(表1,表2)。3.3洪季不同潮期输沙量分布为了估算各测站涨落潮输沙量的优势程度,我们选取各测站悬沙浓度的垂线平均值来进行计算涨、落潮期间通过单位面积的输沙量以及优势沙,结果表明,长江河口附近的沙量进出存在着复杂的时空变化(表3)。洪季与枯季不同。洪季受径流作用影响,均是落潮输沙量大于涨潮输沙量,呈现出落潮优势沙,净向海输沙量较大,如0303站洪季小潮时落潮优势沙达94%,其中南槽的0304站净输沙量总量最大,洪季大潮为439t,小潮时为314t;枯季大潮时0303站和枯季大小潮时0304站均呈现出涨潮优势沙,其中0303站是由于枯季时该站布在长兴岛涨潮沟附近的缘故。总之,洪季输沙量要大于枯季。大潮与小潮不同。涨、落潮输沙量均是大潮比小潮大,一般是2～4倍左右,0303站尤为突出,大潮涨潮输沙量是小潮的18倍。在纵向上输沙量基本是逐渐增大的(表3),在拦门沙最大混浊带达到最大,其中洪季南北槽都是净向海输沙,枯季时南槽优势沙在40%左右,净输沙向陆。横向上洪季南槽输沙量比北槽大,枯季比北槽小。这说明洪季时分入南槽的径流量有明显的增加,基本形成分流比洪季南槽大,枯季北槽大的格局;还可能与枯季北槽疏浚船只扰动而掀动底沙有关。而且在南槽口存在一个中下层净进沙而上层净出沙的纵向泥沙环流,这是由于盐、淡水盐度梯度的影响使垂向流速变形,淡水径流从上层排出,下层在盐度梯度的作用下,涨潮流速大于落潮流速而产生净向陆的上溯流造成的。4潮周期内再悬浮现象长江口水流在潮汐作用下其流速存在由小到大再减小的周期性变化。当流速增大到足以使床面泥沙起动的起动流速时,淤积在床面的泥沙就有可能再次悬浮起来。长江口拦门沙地区集聚了众多泥沙,这些泥沙在水流作用下做悬浮沉降再悬浮再沉降的周期性运动,此区域是盐淡水交汇地带,泥沙再悬浮比淡水河段要复杂的多。由于南北槽汊道河道形态和动力作用不同,它们之间也存在着明显的差异。南槽处于河口拦门沙最大混浊带且又是盐淡水交汇区,是目前仍未受到人工干扰的自然状态的河槽,拦门沙滩顶仅有5.3m水深,因此泥沙再悬浮比其他河段更加明显。从图4上,可以清楚地看出在洪季大潮的一个潮周期内,存在3次明显的再悬浮过程,并且分别在落急、涨急和落急后1～2h左右达到最大值,最大值达7.22kg/m3,垂线平均悬沙浓度分别为2.93kg/m3、1.84kg/m3和2.60kg/m3,潮周期的平均悬沙浓度1.67kg/m3。此时是洪季大潮,盐度相对较低,垂线平均盐度3.13,垂线平均涨、落潮流流速分别为0.94m/s、1.33m/s,底层涨、落潮流流速0.66m/s、0.88m/s,再悬浮现象主要是由较强涨落潮流冲刷床面所引起的,这一点与沈焕庭等研究较为一致。与洪季相比,枯季大潮时该点盐度较高,表层平均盐度17.09,底层平均盐度20.06,表、底层盐度比值为85%,呈高度混合状态,一个潮周期中再悬浮过程只有1次,发生在落急后1h(图5),与淡水河段相似。与南槽相比,北槽所处地带与南槽相似,从图7底层悬沙浓度过程线可以看出,一个潮周期内有2个再悬浮过程。它们主要发生在落急、涨急附近,水体含沙量也较此时的南槽小(图4、图6),原因上述有叙。底层悬沙浓度峰值出现时间与流速最大值出现时间存在着一定的滞后性,滞后时间一般在1～2小时。枯季大潮泥沙再悬浮过程与洪季大潮相比较强,盐度也较大,垂线平均盐度13.38,表、底盐度比值71%,盐度混合作用较强,在一个潮周期内没有出现明显的泥沙再悬浮(图7)。拦门沙最大混浊带的独特的动力特征使南、北槽泥沙再悬浮特性更加复杂,与其相比位于南、北槽上游的南港,再悬浮过程只有一次,发生在涨急后1h;其他时刻泥沙再悬浮过程不太明显,且悬沙浓度较低。整个潮周期中,有一段时间高悬沙浓度多集中0.6或0.8层,再次说明床面泥沙再悬浮运动不显著。从实测资料分析愈向上游,再悬浮现象愈不明显,这主要与愈向上游床面泥沙颗粒愈粗,而潮流强度向上游逐渐减弱有关。5悬沙分布的季节变化动态(1)徐六泾节点至江阴河段主要受径流影响,因此悬沙浓度比较稳定,洪季含沙量一般在0.350kg/m3,枯季在0.050kg/m3。而在徐六泾以下的多级分汊区段,由于各汊道的分流比不同,悬沙浓度的分布也存在着差异。(2)径流大小、汊道分流比、潮汐强弱、以及河道形态对悬沙浓度变化影响很大。洪季南槽的悬沙浓度高于北槽,而枯季低于北槽。此外盐度的变化对河口拦门沙区域悬沙浓度的变化影响较大,受絮凝作用影响悬沙浓度的洪枯季、潮周期变化明显要大,其中以处于北槽最大混浊带的0306站最为突出。(3)在垂向分布上长江河口区主要有直线型、斜线型、抛物线型和混合型四类线型。通常是由表层向底层逐渐增加,但洪季与枯季、大潮与小潮、涨潮与落潮的垂向梯度又有着不同差异,一般洪季比枯季大,大潮比小潮大,落潮比涨潮大。(4)悬沙浓度受径流影响具有明显的季节变化,洪季径流量大,受其影响洪季悬沙浓度也明显高于枯季,其中变化幅度以0306站最大。在一个潮周期中,悬沙浓度的变化与流速大小密切相关,并悬