水利工程論文-長江口粗粉砂和極細(xì)砂輸移特性研究.doc

水利工程論文-長江口粗粉砂和極細(xì)砂輸移特性研究摘要：在長江口區(qū)主航槽中利用懸浮物濃度測定系統(tǒng)(ACP1)第一次獲得了近底紊流“猝發(fā)”(burst)和床面泥沙噴發(fā)(ejection)的連續(xù)時間序列可視圖像和數(shù)據(jù)，同時利用高分辨率流速儀以及旁側(cè)聲納、熱敏式雙頻測深儀等手段獲得了大量底形沙波的實(shí)測圖像和數(shù)據(jù)。這些圖像和數(shù)據(jù)結(jié)果表明：長江口南支南港之間粗粉砂至極細(xì)砂在漲落潮流的作用下，呈現(xiàn)靜止細(xì)顆粒泥沙起、懸揚(yáng)粗顆粒噴發(fā)運(yùn)移的同時進(jìn)行大尺度底形運(yùn)動細(xì)顆粒起揚(yáng)、懸揚(yáng)靜止的輸移循環(huán)模式，即當(dāng)U50cm/s，泥沙在底床上基本不運(yùn)動；50cm/sU65cm/s，小尺度紊流猝發(fā)發(fā)生，泥沙開始小尺度起揚(yáng)，并有幕式猝發(fā)現(xiàn)象；65cm/sU100cm/s時，小尺度紊流猝發(fā)強(qiáng)度和持續(xù)寬度急劇增大，床面細(xì)顆粒泥沙開始噴發(fā)導(dǎo)致床面開始沖淤，形成中小尺度沙波；100cm/sU110cm/s時，大尺度紊流形成，床面粗顆粒泥沙開始噴發(fā)；到了U110cm/s時，宏觀紊流規(guī)模更大，床面粗顆粒泥沙的噴發(fā)強(qiáng)度和持續(xù)寬度急劇增大，導(dǎo)致床面形成大尺度沙波運(yùn)動。由于U110cm/s的落潮流速遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于漲潮流速，且落潮最大流速達(dá)137cm/s，落急(流速100cm/s)歷時(3小時16分)長，因而發(fā)育了大量陡坡朝向下游的大尺度底形沙波，尤其是波長10m的大尺度沙波都是朝向落潮流方向；而漲潮最大流速僅113cm/s，漲急(流速100cm/s)歷時僅約40分鐘，因而沒有發(fā)育朝向上游方向的沙波。關(guān)鍵詞：粗粉砂極細(xì)砂幕式再懸浮猝發(fā)噴發(fā)底形運(yùn)動輸移模式1引言與波流共同作用下的砂質(zhì)河口13相比，長江河口是一個懸沙濃度較高、底質(zhì)分布較復(fù)雜的潮汐河口，有泥、粉砂、極細(xì)砂和浮泥、細(xì)砂等，且各河槽底床表層泥沙的平面分布存在較大差異(圖1)4。中值粒徑d50在0.1250.03mm的粗粉砂和極細(xì)砂在長江河口區(qū)分布廣，如南支下游、南港、北港，北支及灘槽交界處，水深均在1015m左右5。根據(jù)現(xiàn)代普遍采用的美國地球物理學(xué)會(AGU)泥沙分類標(biāo)準(zhǔn)6和國際沉積學(xué)會(SEPM)的底形分類標(biāo)準(zhǔn)7，粒級為0.030.125mm的粗粉砂至極細(xì)砂由于其粒度太細(xì)，粘滯力較大，一般以沖瀉質(zhì)、平床方式運(yùn)動，僅低流速時有波高0.03mm的沙紋運(yùn)動，與懸浮泥沙基本無交換8。甚至在KomarandReiners(1978)的圖解中被歸到了粘性斯托克斯域(viscousStokesregime)9內(nèi)，亦無大尺度底形發(fā)育。圖1長江口底質(zhì)沉積物類型分布圖DistributionofbedsedimenttypesintheChangjiangEstuary周程熹等曾報道在長江口該粒徑分布區(qū)洪季有大尺度底形(bedform)沙波運(yùn)動1012，因而多年來一直為人們所關(guān)注，但由于受觀測方法和儀器條件的限制，迄今為止其存在的可能性仍受到懷疑1315。而且粗粉砂至極細(xì)砂被認(rèn)為因顆粒間的粘滯力明顯增大，泥沙顆粒所受到的起動切力大，只有在足夠大的漲急和落急水流條件下，細(xì)顆粒周圍的粘土被懸浮后才能以跳躍或半懸浮形式在近床面上運(yùn)動12，16。作者于1997年12月3日至5日沿長江口南支下游至南港上游河段進(jìn)行了走航式旁側(cè)聲納、熱敏式雙頻測深儀、Geochirp淺地層剖面儀測量，并在14小時的一個連續(xù)漲、落潮過程中進(jìn)行了連續(xù)定點(diǎn)懸沙剖面(ASSM)、ENDCO海流計、懸沙含量等新儀器的測量，獲得了清晰、完整、系統(tǒng)的高分辨率三維底形沙波和實(shí)時同步高分辨率底流速實(shí)測資料、14小時連續(xù)時間序列的底沙變化運(yùn)動全過程的數(shù)據(jù)和可視圖象。這些研究成果證實(shí)了長江口粗粉砂至極細(xì)砂在洪、枯季都有底形運(yùn)動的發(fā)育，對長江口泥沙的全沙輸移模型、港口航道的疏浚等研究將具有重要意義，填補(bǔ)了國際沉積學(xué)界關(guān)于粗粉砂至極細(xì)砂粒級范圍內(nèi)大尺度底形運(yùn)動研究的空白。本文特向同行報道這一研究成果，并對長江口粗粉砂至極細(xì)砂的輸移模式作一初步探討。2研究區(qū)域長江是流域面積達(dá)1.8106km2，年平均流量29300m3/s，最大流量可達(dá)92600m3/s，最小流量4620m3/s，平均潮差3.12m，每年向東海輸送4.78108t的泥沙，其中有0.8108t的較粗顆粒的泥沙沉積在河口段7，與外海輸入泥沙一起組成河口區(qū)底沙(bedmaterial)。長江出徐六涇節(jié)點(diǎn)之后，首先被崇明島分隔為南北兩支，繼而南支又被長興、橫沙島分隔為南北兩港，節(jié)點(diǎn)到口門的距離和口門的寬度相當(dāng)，均為90km。長江口的平均粒徑為0.160.002mm，中值粒徑d50=0.170.002mm，即從細(xì)砂到粘土均有。平均而言，長江口水域沉積物較潮灘粗，水域中，口內(nèi)河道較口外海濱粗；河道中，南支粗于北支，北港粗于南港。河道呈現(xiàn)從上游向下游變細(xì)的趨勢：如北支上、下段Mz平均為0.06和0.045mm。由于水下地形灘槽交錯，沉積物橫向變化頻繁劇烈，一般規(guī)律是自深槽向淺灘變細(xì)?？紤]到南支對下游南、北港和南、北槽發(fā)育的控制性影響和前人的雙頻測深資料2，3，研究者選擇了床面泥沙平均粒徑在0.177mm0.031mm之間的南支下段至南港上段，展開了由吳淞口至下游(剖面AA、測線長18km)和由下游南港至上游南支(剖面BB、測線長21.07km)等兩條剖面的實(shí)測工作(圖2)，并在南支下游寶山河段選擇一個實(shí)測點(diǎn)進(jìn)行定點(diǎn)定位測量(DZ1站)。在南支與南港兩河段之間有黃浦江自吳淞入?？?，吳淞年平均凈徑流量約345mm3/s，最大進(jìn)潮流量可達(dá)12100m3/s，最大落潮流量為6000m3/s，最大漲潮平均流速1.8m/s，最大落潮平均流速1.5m/s，漲潮流時間約5小時，落潮流時間約7小時。圖2長江口中的測線和測站DetectedlineandstationofbedconfigurationintheChanggjiangEstuary3研究方法調(diào)查時使用80t木質(zhì)漁船，船速3節(jié)，所有觀測儀器除了探測器外，其它設(shè)備均安裝在船艙內(nèi)。航線和測點(diǎn)定位采用美國DelNorteInc.公司的1008/586D.GPS(實(shí)時定位)。河槽床面形態(tài)的縱剖面特征由測深儀和淺地層剖面儀獲得，前者為美國InnerspaceInc.公司的熱敏式測深儀(449MThermalDepthSounderRecorder)沿兩條測線(剖面AA、BB)展開，后者為英國GeoAcousticsLimited公司的GeoChirpSubBottomProfilerSystem沿測線2展開，這兩種儀器的探測器垂直懸掛在船右舷水面以下1m處。河槽床面形態(tài)的平面分布則利用英國UltraElectronics公司的旁側(cè)聲納(3050LWscanSidescanSonar)進(jìn)行測量，拖魚狀探測器放置在船尾水面漂浮。1997年12月4日至5日14小時連續(xù)定點(diǎn)定位測量主要有兩項內(nèi)容：一為底沙輸移隨時間的變化過程；二為底沙上部水體流速流向隨時間的變化過程。底沙隨時間的輸移變化過程采用中國科學(xué)院東海研究站設(shè)計出品的ACP1聲學(xué)濃度剖面儀測定，探測器(發(fā)射/接收共用換能器)與加重鉛魚垂直懸掛在船右舷水面以下6m。底沙上部水體隨時間的變化(流速、流向)過程則利用美國Endeco/YSIInc公司的流速儀(174SSMCurrerntMeter)進(jìn)行測量，將其垂直懸掛在調(diào)查船左舷離水面以下1m處；同時進(jìn)行的傳統(tǒng)流速、流向測量儀與加重鉛魚垂直懸掛在左舷床面以上1m。水樣的采集點(diǎn)為0.6H，0.8H，1.0H(H為水體深度)，采集時間間隔為30min,其將作為懸浮物的濃度和粒度分析之用，前者采用0.45m定性濾紙過濾法，后者采用TACoulter計數(shù)器分析。底質(zhì)粒度分析采用標(biāo)準(zhǔn)篩析法。4結(jié)果4.1底沙粒徑組成根據(jù)粒度分析結(jié)果，本次調(diào)查區(qū)域的底沙在枯季為粉砂至細(xì)砂，以粗粉砂至極細(xì)砂為主(圖3)，Mz=0.125mm0.031mm，部分采樣點(diǎn)則以細(xì)砂為主，Mz=0.083mm，且粗粉砂至極細(xì)砂中仍含有2030%的細(xì)砂。因此長江口南支南港沉積物粒度組成有較寬的粒度分布區(qū)間。表1長江口南支-南港底沙沉積物粒度參數(shù)GrainsizeparametersofbedsedimentinSouthBranchandSouthChannelintheChangjiangEstuary分級名稱粒度區(qū)間(mm)比例(%)比例(%)中砂0.50.250.050.25細(xì)砂0.250.1254.0020.50極細(xì)砂0.1250.0632.6451.52粗粉砂0.060.0332.3216.17中粉砂0.030.0169.132.72細(xì)粉砂0.0160.0089.884.52極細(xì)粉砂0.0080.0045.072.11粘土0.0046.912.21圖3長江口南支粗粉砂和極細(xì)砂質(zhì)底沙的累計頻率曲線(a)和頻率曲線(b)Accumulative(a)andfrequency(b)curvesofbedsedimentcomposedofcoarsesiltandveryfinesandinSouthBranchintheChangjiangEstuary4.2底形特征本區(qū)測線水深在1017m，兩條測線上絕大部分聲納圖像均顯現(xiàn)出河床表面呈波狀起伏的韻律形態(tài)。根據(jù)雙頻測深圖譜上的波長、波高大小和聲納圖譜上沙波脊的寬度、形態(tài)、連續(xù)性等(圖4、5，表2)可將本區(qū)沙波劃分為以下幾種類型：圖4長江口南支南港粗粉砂和極細(xì)砂質(zhì)分布區(qū)底形沙波的熱敏式測深儀記錄(測量時間：1997年12月3日至5日)其中A：小型對稱和不對稱沙波，波長510m；B：對稱沙波，波長1015m；C：不對稱和疊置波波，前者波長1015m，后者波長小于5m；D：大型孤立沙波，波長大于30mPThermalDepthRecorderrecordsofbedformscomposedofcoaresesiltandveryfinesandinSouthChannelandSouthBranch,ChangjiangEstuaryduringDecember35,1997圖5長江口粗粉砂和極細(xì)砂質(zhì)底沙大尺度底形動波的旁側(cè)聲納記錄(測量時間1997年12月3日至5日)A：直脊?fàn)钚⌒蜕巢˙：彎曲小型沙波C：新月型沙波D：左彎曲沙波；右新月型沙波WidescanSonarSidescanrecordsofbedformscomposedofcoarsesiltandveryfinesandintheChangjiangEstuarydurngDecember35,1997表2長江口高分辨率底形沙波雙頻測深和旁側(cè)聲納記錄TheThermalDepthRecorderandSonarSidescanrecordsofhighresolutionbedformsintheChangjiangEstuary名稱波長(m)波高(m)波/高比陡坡(角度和方向)雙頻測深、聲納圖像百分比(%)直脊?fàn)钚⌒蛯ΨQ沙波5100.20.5253035下游直脊線狀脊、谷密集均勻圖4A、5A26.97直脊