水利工程論文-黃茅海河口灣泥沙輸移研究.doc

水利工程論文-黃茅海河口灣泥沙輸移研究摘要：以珠江黃茅海河口為例，使用1988年4月、1992年洪、枯季表層沉積物顆粒分析成果，根據(jù)泥沙粒徑統(tǒng)計(jì)特征值，運(yùn)用McLaren模型分析河口泥沙輸移趨勢(shì)，并結(jié)合水動(dòng)力及水下地形進(jìn)行綜合分析，確定泥沙來(lái)源、搬運(yùn)方向，探討泥沙輸移機(jī)制。為進(jìn)一步研究河口泥沙運(yùn)動(dòng)規(guī)律及泥沙通量提供背景，同時(shí)為研究河口灣出海航道、港口泥沙淤積及河口污染物輸移擴(kuò)散提供一條新途徑。關(guān)鍵詞：黃茅海河口泥沙輸移趨勢(shì)McLaren模型1前言泥沙粒徑的空間分布是由各種動(dòng)力、沉積過(guò)程綜合作用產(chǎn)生的，它反映了這些過(guò)程的長(zhǎng)周期和累積效應(yīng)。通過(guò)對(duì)泥沙粒徑空間分布的結(jié)構(gòu)特征(如空間相關(guān)性、方向性等)進(jìn)行研究，有助于對(duì)產(chǎn)生該結(jié)構(gòu)的各種原因進(jìn)行深入探討，從而提高對(duì)泥沙運(yùn)動(dòng)的各種過(guò)程的認(rèn)識(shí)。泥沙輸移受顆粒的粒徑、形狀和密度等多種特性的影響，其中粒徑的影響最重要(RobertLarson等，1997)。因此許多研究者試圖通過(guò)分析泥沙粒徑統(tǒng)計(jì)特征的空間變化即粒徑趨勢(shì)來(lái)確定凈泥沙輸運(yùn)方向。如McLaren(1981，1985)提出依據(jù)輸運(yùn)中的泥沙粒徑三個(gè)主要特征值(均值、分選系數(shù)和偏度)的空間變化來(lái)判斷泥沙輸運(yùn)凈方向(稱為McLaren模型)。該模型已廣泛應(yīng)用于工程項(xiàng)目(McLaren和Powys,1989)、污染物質(zhì)的輸移(McLaren和Little，1987)和沉積物搬運(yùn)方式及穩(wěn)定性研究(McLaren和Collins，1989)。McLaren模型是在設(shè)定方向上來(lái)判斷泥沙輸移方向的概率大小，對(duì)于單一泥沙來(lái)源的輸移趨勢(shì)的判斷的確是成功的，但對(duì)于有多種泥沙來(lái)源尤其是對(duì)多汊河口區(qū)的輸移趨勢(shì)的判斷存在人為的隨意性，在某些環(huán)境中不能成功地確定搬運(yùn)泥沙輸移路徑(如Masselink,1992)。其原因主要是：泥沙搬運(yùn)路徑的確定存在隨意性；使用不恰當(dāng)?shù)内厔?shì)分析方法。為此Gao和Collins(1991，1992，1994)基于粒徑趨勢(shì)沿沉積物搬運(yùn)方向比其相反方向發(fā)生的頻率高的假設(shè)，建立了在半定量濾波技術(shù)基礎(chǔ)上的粒徑趨勢(shì)分析方法。從表層沉積物樣品網(wǎng)格確定粒徑趨勢(shì)，然后通過(guò)濾波得到代表沉積物搬運(yùn)路徑的“余方式”(Residualpatterns)。因此該方法的可行性依賴于恰當(dāng)?shù)剡x擇粒徑趨勢(shì)和分析方法。上述兩種方法均不考慮水下地形對(duì)泥沙輸移路徑的影響，而底床的形態(tài)方向、水動(dòng)力特征等對(duì)泥沙的輸移都產(chǎn)生直接的影響。實(shí)際上這兩種方法都是通過(guò)粒徑趨勢(shì)的線狀(Linebyline)檢驗(yàn)來(lái)確定相關(guān)的搬運(yùn)方式(McLarenandBowles,1991)。本文以珠江黃茅海河口為例，運(yùn)用McLaren模型分析河口泥沙輸移趨勢(shì)，并結(jié)合水下地形及水動(dòng)力進(jìn)行綜合分析，確定河口泥沙來(lái)源、搬運(yùn)方向，探討泥沙輸移機(jī)制。為進(jìn)一步研究河口泥沙運(yùn)動(dòng)規(guī)律及泥沙通量提供背景，同時(shí)為研究河口海灣出海航道及港口的泥沙來(lái)源和輸運(yùn)及河口污染物輸移擴(kuò)散提供一條新途徑。2黃茅海河口灣概況黃茅海位于珠江口西部，是一個(gè)喇叭形溺谷河口灣(圖1)。在北部灣頂，通過(guò)崖門和虎跳門水道與珠江水系和潭江水系溝通，匯集了潭江的全部徑流和西江的部分徑流。在南部灣口有兩列東東北西西南向島鏈，內(nèi)側(cè)島鏈為南水、三角山、大芒和大襟諸島；外側(cè)島鏈?zhǔn)歉邫?、荷包和畜諸島。島間峽口形成黃茅海河口灣三大出口：大襟以西水道稱為西口，大襟至荷包之間為中口，荷包至高欄為東口。2.1水下地形根據(jù)動(dòng)力地貌學(xué)觀點(diǎn)，可將黃茅海水下地形劃分為幾個(gè)單元：(1)落潮沖刷槽，又稱主槽。位于三虎以北的海灣北半部，長(zhǎng)20km，寬300900m，深512.4m。(2)漲潮沖刷槽，包括東槽和西槽，分布在荷包島的東側(cè)和西側(cè)。(3)攔門淺灘。位于海灣中部寬展部位，頂部水深2.43.0m，灘頂位置偏北，形成內(nèi)坡陡，外坡緩的形態(tài)。(4)潮坪。水深小于2.0m的潮坪主要有三片：主槽以東的稱東灘，以西的稱西灘，第三片為南水島以北的大海環(huán)淺灘。圖1黃茅海河口地形及沉積物采樣點(diǎn)分布（等深線以米為單位，小襟島位于大襟島的西南）Location,morphologicalstructuresandbathymetricfeaturesofHuangmaohaiEstuaryshowingsamplingsitesforbottomsedimentandlocationsofcurrentmeters.Contoursareinmeter.XiaoIslandsituiatedHebaoIslandbeyond(5)環(huán)島淺灘。分布在口門島嶼的周圍，水深小于5.0m，最淺處不足2.0m。(6)波成沙脊。零星分布在攔門沙頂部和西灘南緣，是波浪造成的較小的地貌單元。2.2水動(dòng)力環(huán)境據(jù)李紹寧等(1984)計(jì)算，黃茅海及其上游河段進(jìn)潮量約每年4608億m3，而年徑流量?jī)H是進(jìn)潮量的7%，因此黃茅海為弱徑流、強(qiáng)潮流并以潮流作用為主的河口灣。依據(jù)羅斯貝數(shù)*110、艾克曼數(shù)*103104，WuandWu(1994)系統(tǒng)地提出了控制河口泥沙輸移和沉積過(guò)程的小尺度動(dòng)力結(jié)構(gòu)(SSDS)體系。在黃茅海河口灣縱向上分別有以下幾個(gè)小尺度動(dòng)力結(jié)構(gòu)：(1)雙向射流系統(tǒng)在黃茅海作為一個(gè)主要的動(dòng)力結(jié)構(gòu)它分布于喇叭形河口灣頂基巖峽口。(2)垂直密度環(huán)流隨徑流洪、枯季，潮汐的大、小潮等強(qiáng)度的時(shí)空變化，在黃茅海河口中部上下遷移，但它的分布范圍明顯受控于上、下射流系統(tǒng)控制范圍的強(qiáng)度。垂直密度環(huán)流是洪季泥沙大量淤積的主要?jiǎng)恿Y(jié)構(gòu)。(3)潮汐射流系統(tǒng)發(fā)育河口口門附近大芒和三角山島之間峽口，它是東槽主要的動(dòng)力結(jié)構(gòu)。(4)水平余環(huán)流分布于河口灣下段口門附近，在河口右側(cè)(面向陸)呈逆時(shí)針環(huán)流。它可能是河口開爾文波、渦度變化、地形作用及廣東西沿岸流綜合作用形成的。水平余環(huán)流對(duì)河口下段水體和泥沙輸移產(chǎn)生一定影響。2.3泥沙運(yùn)動(dòng)應(yīng)強(qiáng)等(1997)根據(jù)底沙樣品的中子活化分析示蹤泥沙的原始數(shù)據(jù)，采用模糊數(shù)學(xué)聚類分析方法得出了泥沙輸移的主要路線。同時(shí)通過(guò)選取沙源泥沙樣本，采用均方差最小的方法，計(jì)算各沙源對(duì)海域內(nèi)各樣本點(diǎn)的貢獻(xiàn)，確認(rèn)各沙源的淤積范圍。洪季時(shí)海域內(nèi)主要以上游徑流挾沙和高欄島附近區(qū)域內(nèi)的泥沙為主，其它沙源則相對(duì)較弱，而徑流來(lái)沙主要淤積在崖門與三虎之間的區(qū)域。泥沙的輸移路線主要有三條，泥沙主要來(lái)源于高欄島附近淺灘，沿東槽向黃茅海腹地的攔門淺灘輸送?？菁竞Ｓ騼?nèi)以上游徑流和大襟島附近區(qū)域的泥沙為主，其它沙源輸移量則較少。徑流挾沙與大襟島西側(cè)沙源對(duì)攔門淺灘及西灘的泥沙淤積起主要作用，而中口沙源主要淤積在西槽內(nèi)。泥沙的主要輸移路線有兩條：西槽是主要輸沙路線，大襟島西側(cè)的西口也有一定的泥沙輸移。3資料及模型簡(jiǎn)介3.1資料本文使用的資料主要是1988年4月1625日采集的表層沉積物樣品，室內(nèi)顆粒分析共107個(gè)，另外還收集到1992年洪季(7、8月)和枯季(11月)共計(jì)113個(gè)顆粒分析成果。顆粒分析以1為間距從-2到10按重量百分比進(jìn)行，計(jì)算出粒徑特征值如：均值(MD)、分選系數(shù)(QD)和偏態(tài)(SK)。表層沉積物采樣點(diǎn)在河口三槽、三灘和灣內(nèi)潮溝、島間深槽等水下地形單元均有分布(圖1)。3.2McLaren模型簡(jiǎn)介關(guān)于McLaren模型的詳細(xì)內(nèi)容可參閱有關(guān)文獻(xiàn)(McLaren,P.1981,1985,1991)。3.2.1McLaren模型幾個(gè)假設(shè)1)僅考慮唯一的泥沙來(lái)源和單向泥沙輸運(yùn)，如弧形海灣中的侵蝕崖未固結(jié)泥沙在穩(wěn)定波浪作用下運(yùn)動(dòng)，狹長(zhǎng)單一河流上游徑流來(lái)沙或下游海域來(lái)沙。2)細(xì)顆粒較粗顆粒更容易啟動(dòng)和搬運(yùn)或有更大的概率。3)任何粒徑泥沙的起動(dòng)和搬運(yùn)具有獨(dú)立性，即不受其它粒徑泥沙的影響。4)搬運(yùn)任何粒徑泥沙的概率隨流速的增加而增加。3.2.2模型的計(jì)算方法設(shè)有n個(gè)樣品序列，存在N=n(n-1)/2個(gè)方向?qū)Γ砟骋环较蜉斶\(yùn)趨勢(shì)或同等數(shù)目反方向的輸運(yùn)趨勢(shì)。兩個(gè)樣品若分別從它們的均值(MD)、分選系數(shù)(QD)和偏態(tài)(SK)三個(gè)統(tǒng)計(jì)特征值進(jìn)行比較，則共存在八種可能的事件：更細(xì)(F)、分選更好(B)和更加負(fù)偏(-)；更粗(C)、分選更差(P)和更加正偏(+)；C、B、-；F、P、-；C、P、-；F、B、+；C、B、+；F、P、+。其中僅兩種事件表示輸移趨勢(shì)，即F、B、-(事件B)和C、B+(事件C)。事件B和C均代表沿搬運(yùn)方向序列沉積物的轉(zhuǎn)換函數(shù)由高能到低能減小，但事件B代表低能搬運(yùn)轉(zhuǎn)換過(guò)程，事件C代表高能搬運(yùn)轉(zhuǎn)換過(guò)程。由此任一隨機(jī)事件發(fā)生的概率為p=1/8=0.125。為了確定特定事件發(fā)生的概率是否超過(guò)0.125，提出下面兩個(gè)假設(shè)條件：H0：p0.125，不存在選擇的輸移方向；H1：p0.125，存在選擇的輸移方向。使用單尾(邊)Z得分檢驗(yàn)(Spiegel,1961),如果(0.05置信水平)或2.326(0.01置信水平)則H1可接收。其中x:兩相反方向中某一方向特定事件(B或C)發(fā)生的樣品對(duì)數(shù)目；N：可能的某方向樣品對(duì)總數(shù)，N=n(n-1)/2；n:序列沉積物樣品數(shù)；p=0.125,q=1-p=0.875.一般，當(dāng)N30時(shí)，Z統(tǒng)計(jì)才認(rèn)為有效。因此恰當(dāng)估計(jì)一個(gè)輸移趨勢(shì)，至少需要8個(gè)或9個(gè)樣品。4計(jì)算結(jié)果討論根據(jù)黃茅海水下地形單元分布，分別從北部主槽、東槽、西槽、大襟島西口、西灘潮溝、大海環(huán)淺灘等六個(gè)區(qū)域選點(diǎn)計(jì)算泥沙輸移趨勢(shì)。計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表1，從表中可見(jiàn)：1.北部主槽南向泥沙輸移趨勢(shì)顯著，同時(shí)還顯示，搬運(yùn)過(guò)程表現(xiàn)為一個(gè)高能轉(zhuǎn)換函數(shù)，能量沿搬運(yùn)方向遞減(事件C)。主槽受灣頂射流和側(cè)向摻混動(dòng)力結(jié)構(gòu)控制，射流中心線速度和動(dòng)能隨離灣頂射流口距離增加而減小。從實(shí)測(cè)最大流速矢量圖(圖2)看出：本區(qū)為整個(gè)河口灣動(dòng)力最強(qiáng)勁的區(qū)域，漲落潮流向與主槽走向基本一致；無(wú)論大潮或小潮，落潮流速明顯大于漲潮流速；垂向上各層流向基本一致，流束相對(duì)集中；單寬輸水計(jì)算結(jié)果(楊干然，1988)表表1黃茅海河口六個(gè)區(qū)域泥沙輸移趨勢(shì)計(jì)算結(jié)果CalculatedtrendsofsedimenttransportinsixregionsoftheHuangmaohaiestuaryNorthTrendSouthTrendNo.1*CaseBN=78x=13Z=1.11N=78x=10Z=0.09CaseCN=78x=7Z=-0.94N=78x=20Z=3.51No.2CaseBN=45x=12Z=2.87N=45x=9Z=1.52CaseCN=45x=10Z=1.97N=45x=3Z=-1.18No.3CaseBN=36x=3Z=-0.76N=36x=8Z=1.76CaseCN=36x=9Z=2.27N=36x=1Z=-1.76No.4CaseBN=36x=13Z=1.76N=36x=7Z=1.26CaseCN=36x=7Z=0.76N=36x=0Z=-2.27No.5CaseBN=45x=1Z=-2.08N=45x=9Z=6.03CaseCN=45x=7Z=0.62N=45x=1Z=-2.08No.6CaseBN=36x=8Z=1.76N=36x=6Z=0.76CaseCN=36x=6Z=1.76N=36x=3Z=-0.76*No.1北槽No.2東槽No.3西槽明，不論大潮或小潮，主槽中的測(cè)點(diǎn)均表現(xiàn)為向海輸水為主，可見(jiàn)主槽有較強(qiáng)的下泄流存在，受下泄流控制泥沙自北向南輸運(yùn)。因此泥沙輸移趨勢(shì)預(yù)測(cè)與通過(guò)水沙實(shí)測(cè)資料得到的一致。2.東槽西北向泥沙