長江口粗粉砂和極細砂輸移特性研究

1、長江口粗粉砂和極細砂輸移特性研究(1)    摘要：在長江口區(qū)主航槽中利用懸浮物濃度測定系統(tǒng)(ACP 1)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據，同時利用高分辨率流速儀以及旁側聲納、熱敏式雙頻測深儀等手段獲得了大量底形沙波的實測圖像和數據。這些圖像和數據結果表明：長江口南支 南港之間粗粉砂至極細砂在漲落潮流的作用下，呈現靜止細顆粒泥沙起、懸揚粗顆粒噴發(fā)運移的同時進行大尺度底形運動細顆粒起揚、懸揚靜止的輸移循環(huán)模式，即當U50cm/s，泥沙在底床上基本不運動；50cm/sU65cm/s，小尺

2、度紊流猝發(fā)發(fā)生，泥沙開始小尺度起揚，并有幕式猝發(fā)現象；65cm/sU100cm/s時，小尺度紊流猝發(fā)強度和持續(xù)寬度急劇增大，床面細顆粒泥沙開始噴發(fā)導致床面開始沖淤，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)強度和持續(xù)寬度急劇增大，導致床面形成大尺度沙波運動。由于U110cm/s的落潮流速遠遠大于漲潮流速，且落潮最大流速達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

3、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。 關鍵詞：粗粉砂 極細砂 幕式再懸浮 猝發(fā) 噴發(fā) 底形運動 輸移模式      1 引言 與波流共同作用下的砂質河口13相比，長江河口是一個懸沙濃度較高、底質分布較復雜的潮汐河口，有泥、粉砂、極細砂和浮泥、細砂等，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。根據現代普遍采用的美國地球物理學會(AGU)泥沙分

4、類標準6和國際沉積學會(SEPM)的底形分類標準7，粒級為0.030.125mm的粗粉砂至極細砂由于其粒度太細，粘滯力較大，一般以沖瀉質、平床方式運動，僅低流速時有波高0.03mm的沙紋運動，與懸浮泥沙基本無交換8。甚至在Komar and Reiners (1978)的圖解中被歸到了粘性斯托克斯域(viscous Stokes regime)9內，亦無大尺度底形發(fā)育。         圖1 長江口底質沉積物類型分布圖Distribution of bed sediment types in the Changji

5、ang Estuary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)沙波運動1012，因而多年來一直為人們所關注，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。而且粗粉砂至極細砂被認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行了走航式旁側聲納、熱敏式雙頻測深儀、Geo chirp淺地層剖面儀測量，并在14小時的一個連續(xù)漲、落潮過程中進行了連續(xù)定點懸沙剖面(AS

6、SM)、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時同步高分辨率底流速實測資料、14小時連續(xù)時間序列的底沙變化運動全過程的數據和可視圖象。這些研究成果證實了長江口粗粉砂至極細砂在洪、枯季都有底形運動的發(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，填補了國際沉積學界關于粗粉砂至極細砂粒級范圍內大尺度底形運動研究的空白。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1.8×106km2，年平均流量29300m3

7、/s，最大流量可達92600m3/s，最小流量4620m3/s，平均潮差3.12m，每年向東海輸送4.78×108t的泥沙，其中有0.8×108t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(bed material)。長江出徐六涇節(jié)點之后，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)點到口門的距離和口門的寬度相當，均為90km。長江口的平均粒徑為0.160.002mm，中值粒徑d50=0.170.002mm，即從細砂到粘土均有。    2，3，研究者選擇了床面泥沙平均粒徑在0.177mm

8、0.031mm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)等兩條剖面的實測工作(圖2)，并在南支下游寶山河段選擇一個實測點進行定點定位測量(DZ1站)。在南支與南港兩河段之間有黃浦江自吳淞入?？冢瑓卿聊昶骄鶅魪搅髁考s345mm3/s，最大進潮流量可達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。本篇論文是由3COME文檔頻道的網友為您在網絡上收集整理餅投稿至本站的，論文版權屬原作者，請不要用于商業(yè)用途或者

9、抄襲，僅供參考學習之用，否者后果自負，如果此文侵犯您的合法權益，請聯系我們。         圖2 長江口中的測線和測站Detected line and station of bed configuration in the Changgjiang Estuary    3 研究方法調查時使用80t木質漁船，船速3節(jié)，所有觀測儀器除了探測器外，其它設備均安裝在船艙內。航線和測點定位采用美國Del Norte Inc.公司的1008/586 D.GPS(實時定位)。河槽床面形

10、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Inner space Inc.公司的熱敏式測深儀(449M Thermal Depth Sounder Recorder)沿兩條測線(剖面AA、BB)展開，后者為英國Geo Acoustics Limited公司的Geo Chirp Sub Bottom Profiler System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Ultra Electronics公司的旁側聲納(3050L W scan Side scan Sonar)進行測量，拖魚狀探測器放置在船尾水面漂浮。1997年12

11、月4日至5日14小時連續(xù)定點定位測量主要有兩項內容：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院東海研究站設計出品的ACP 1聲學濃度剖面儀測定，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/YSI Inc公司的流速儀(174SSM Currernt Meter)進行測量，將其垂直懸掛在調查船左舷離水面以下1m處；同時進行的傳統(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。水樣的采集點為0.6H，0.8H，1.0H(H為水體深度)，

12、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TA Coulter計數器分析。底質粒度分析采用標準篩析法。4 結果4.1 底沙粒徑組成根據粒度分析結果，本次調查區(qū)域的底沙在枯季為粉砂至細砂，以粗粉砂至極細砂為主(圖3)，Mz=0.125mm0.031mm，部分采樣點則以細砂為主，Mz=0.083mm，且粗粉砂至極細砂中仍含有2030%的細砂。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

13、60;   Grain size parameters of bed sediment in South Branch and South Channel in the Changjiang Estuary            分級名稱     粒度區(qū)間(mm)    比例(%)    比例(%)  

14、60;         中砂    0.50.25    0.05    0.25    細砂    0.250.125    4.00    20.50    極細砂  

15、;  0.1250.06    32.64    51.52    粗粉砂    0.060.03    32.32    16.17    中粉砂    0.030.016    9.13  

16、60; 2.72    細粉砂    0.0160.008    9.88    4.52    極細粉砂    0.0080.004    5.07    2.11    粘土    0.

17、004    6.91    2.21        本篇論文是由3COME文檔頻道的網友為您在網絡上收集整理餅投稿至本站的，論文版權屬原作者，請不要用于商業(yè)用途或者抄襲，僅供參考學習之用，否者后果自負，如果此文侵犯您的合法權益，請聯系我們。             圖3 長江口南支粗粉砂和極細砂質底沙的累計頻率曲線(

18、a)和頻率曲線(b)Accumulative (a) and frequency (b) curves of bed sediment composed of coarse silt and very fine sand in South Branch in the Changjiang Estuary4.2 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出河床表面呈波狀起伏的韻律形態(tài)。根據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：     

19、60;      圖4 長江口南支南港粗粉砂和極細砂質分布區(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30mPThermal Depth Recorder records of bed forms composed of coarese silt and very fine sand in South Channel and South Branch,

20、Changjiang Estuary during December 3 5, 1997         圖5 長江口粗粉砂和極細砂質底沙大尺度底形動波的旁側聲納記錄(測量時間1997年12月3日至5日)A：直脊狀小型沙波 B：彎曲小型沙波 C：新月型沙波 D：左 彎曲沙波；右 新月型沙波Widescan Sonar Sidescan records of bed forms composed of coarse silt and very fine sand in the Changjiang Estuary d

21、urng December 3 5, 1997    表2 長江口高分辨率底形沙波雙頻測深和旁側聲納記錄    The Thermal Depth Recorder and Sonar Sidescan records of high resolution bedforms in the Changjiang Estuary            名稱    

22、;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(%)            直脊狀小型對稱沙波    510    0.20.5

23、60;   2530    3°5°下游    直脊線狀脊、谷密集均勻圖4A、5A    26.97    直脊狀小型不對稱沙波    512    0.10.4    5080    3°11°下游為主

24、60;   直脊線狀脊、谷不均勻圖4A、5A    34.25    彎曲型對稱沙波    1015    0.30.7    2140    5°7°，下游為主    脊彎曲或分叉，圖4B、5B    5.60 

25、60;  彎曲型不對稱沙波    1015    0.20.7    50100    7°12°，下游為主    脊線斷續(xù)，圖4C、5B、5D左本篇論文是由3COME文檔頻道的網友為您在網絡上收集整理餅投稿至本站的，論文版權屬原作者，請不要用于商業(yè)用途或者抄襲，僅供參考學習之用，否者后果自負，如果此文侵犯您的合法權益，請聯系我們。  &

26、#160; 10.32    新月型對稱沙波    1520    0.41.0    2040    5°6°，下游為主    脊線斷續(xù)、呈新月型圖4C、5C、5D右    11.36    新月型不對稱沙波   &#

27、160;15    0.51.2    3050    5°12°，下游為主    同上圖4C、5C、5D右    11.00    孤立狀沙丘    30    1.0    30   &

28、#160;    圖4D    0.5            4.3 高分辨率流速、流向與懸浮物濃度變化過程定點定位流速、流向和ASSM懸浮物濃度剖面儀測量圖像和結果(圖6、7和表3)顯示：研究區(qū)內落潮歷時大于漲潮歷時約2小時，落潮流速大于漲潮流速，落潮最大流速達137cm/s，漲潮最大流速達113cm/s，落急(流速100cm/s)歷時(3小時16分)亦長于漲急(流速100cm/s)歷時(僅約4

29、0分鐘，圖6)；流速可分成以下幾個區(qū)間，且長江南支 南港由粗粉砂 極細砂細砂組成的河槽床面形態(tài)和床沙的再懸浮等特征與流速的變化直接相關：U50cm/s時，床面基本保持平整，無床沙起、懸揚；50U60cm/s時，床面稍有侵蝕和堆積地貌，床沙有掀動，起揚高程達640cm，僅有波長為數cm的沙紋；60cm/sU100cm/s時，床沙再懸浮(或噴發(fā)，ejection)作用加強，形成大型沙紋和和小尺度沙丘，持續(xù)時間較短；100U110cm/s時，底沙再懸浮作用急劇加強，持續(xù)時間長且噴發(fā)高度大；U110cm/s時，底沙再懸浮作用很強，且能形成大尺度沙丘(圖7和表3)。   &

30、#160;     圖6 長江口南支1998年12月4日至5日連續(xù)14小時流速和流向變化過程Fluctuation of current velocity and direction in continuous 14 hours in South Branch in the Changjiang Estuary during December 4 5, 1997        圖7 長江口粗粉砂和極細砂質底沙隨漲落潮的流速變化周期發(fā)生底形運動和再懸浮輸移變化過程的聲學懸浮物濃

31、度剖面儀(ACP)記錄(測量時間1997年12月4日至5日)A：伴隨著沙紋的運動細顆粒的中等強度再懸浮(黃色)和粗顆粒的弱再懸浮(紅紫色) B：伴隨著小尺度沙波運動細顆粒的強再懸浮和粗顆粒的中等強度再懸浮 C：伴隨著中等尺度沙波運動粗細顆粒均有強再懸浮 D：伴隨著大尺度沙波運動粗細顆粒均亦有很強的再懸浮Acoustic Suspended Concentration Profile records composed of coarse silt and very fine sand with the current velocity fluctuation of ebb and flood i

32、n the Changjiang Estuary during December 4 5， 1997    表3 1997年12月4至5日長江口南支 南港枯季流速、流向和再懸浮變化特征(圖6、7)    Current Velocity, direction and re suspension change in South Branch and South Channel in the Changjiang Estuary in dry season during December 4 5, 1997 

33、           時間    流速(cm/s)    流向    床面形態(tài)特征    再懸浮特征(起揚高程和持續(xù)寬度)            16141630    

34、54.063.8    303319本篇論文是由3COME文檔頻道的網友為您在網絡上收集整理餅投稿至本站的，論文版權屬原作者，請不要用于商業(yè)用途或者抄襲，僅供參考學習之用，否者后果自負，如果此文侵犯您的合法權益，請聯系我們。    少量掀沙和微量沖淤    660cm130s    16311712    48.717.6    301321 &#

35、160;  平整    無    17131745    3.319.6    159311，方向經常變化    大型沙波    無    17461809    17.849.2    183151 

36、0;  平整    無    18101900    50.9997.96    137149    少量掀沙、微量沖淤    640cm115s    19011906    100.2107.5    144148&

37、#160;   較大掀沙和沖淤    2600cm160s    19072020    73.698.5    139142    同上    同上    20212337    100137    1381

38、51    大強度掀沙和沖淤    同上    2338003    99.253.8    141151    中等強度掀沙和沖淤    6600cm130s    004025    44.216.3   

39、 106186    平整    無    026102    9.062.3    203310，方向經常變化    大型沙波    無    103200    63.898.7    

40、311329    少量掀沙和沖淤    240cm115s    201237    100.2113.5    314319    較大掀沙和沖淤    660cm130s    238404    52.096.2 

41、0;  312317    中等強度掀沙和沖淤    2400cm160s    405444    13.649.2    300332    平整    無    445    0.550  &#

42、160; 168326，方向經常變化    大型沙波    無         5 長江口粗粉砂至極細砂輸移模式討論 通過上述對長江河口南支下游南港上游主槽及其附近的粗粉砂和極細砂質底床床面形態(tài)以及其上部水體運動進行三維立體觀測時所獲得大量可靠底沙再懸浮和大尺度底形沙波數據和圖像資料研究結果，可以提出這樣一個關于長江口粉砂和極細砂的輸移模式(圖8)，即在漲落潮流的作用下，呈現靜止細顆粒泥沙起、懸揚粗顆粒噴發(fā)運移的。同時進行大尺

43、度底形運動細顆粒起揚、懸揚靜止的輸移循環(huán)模式，即當U50cm/s，泥沙在底床上基本不運動；50cm/sU65cm/s，微觀紊流猝發(fā)(microturbulent burst)發(fā)生，泥沙開始小尺度起揚，并有幕式猝發(fā)現象；65cm/sU100cms時，小尺度紊流猝發(fā)強度和持續(xù)寬度急劇增大，床面細顆粒泥沙開始噴發(fā)(ejection)導致床面開始沖淤，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)(ejection or kolks)；到了U110cm/s時，大尺度紊流規(guī)模更大，床面粗顆粒泥沙的噴發(fā)強度和持續(xù)寬度急劇增大，導致床面形成大尺

44、度沙波運動。本篇論文是由3COME文檔頻道的網友為您在網絡上收集整理餅投稿至本站的，論文版權屬原作者，請不要用于商業(yè)用途或者抄襲，僅供參考學習之用，否者后果自負，如果此文侵犯您的合法權益，請聯系我們。         圖8 長江口粗粉砂和極細砂輸移概化模式Conceptual model of coarse silt and very fine sand transport in the Changjiang Estuary    表4 底流速(U)、再懸浮和底形特征(圖6、

45、7)    Current velocity (U), re suspension and bed form characteristics            底流速(cm/s)    再懸浮特征(濃度，持續(xù)時間和噴發(fā)高度)    底形    ACP圖像特征(圖7)    &

46、#160;       50    無    無        5060    少而低    沙紋    A    60100    較多而高  &#

47、160; 大型沙紋和小型沙波    B    100110    較強，持續(xù)時間長且高    中等尺度沙波    C    110140    很強，長且高    大尺度沙波    D    

48、;    由于U110cm/s的落潮流速遠遠大于漲潮流速，且落潮最大流速達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。顯然上述有關粗粉砂至極細砂質大尺度沙波形成和運動成因機制與目前地學界一般看法很不一致，后者認為大尺度底形沙波是由細砂級以上的泥沙顆粒作推移質運動而成，成因假說有四種：從局部擾動引起的近壁層流層的紊動特性出發(fā)1718；從床

49、面表面作用力的平衡條件考慮床面的不穩(wěn)定性和水面波的誘導19；前兩者的結合20；從水流底部的紊動結構出發(fā)，結合運動底沙擺動特點的“準共振界面波”21。由于這四種假說針對細砂級以上粒徑而言，均不能解釋本文對長江口粗粉砂至極細砂分布區(qū)所開展的野外水體底部小尺度紊流和泥沙運動顯影觀測結果。大量實驗室水槽中的水流顯影研究(如Rao22，Sumer等23)將紊動結構和猝發(fā)特征與床面附近的泥沙運動聯系起來，獲得了一些有意義的結論，即當紊動猝發(fā)自床面附近上升時，也夾帶了那里的泥沙，如果泥沙的沉速較大，則在抬升過程中會很快回到河床床面，這樣的泥沙就屬于躍移質或推移質。若泥沙沉速較小，則進入懸浮狀態(tài)，在懸移質和床

50、面泥沙或推移質之間存在著不斷的交換(Offen, 1975)24。Heathershaw and Thorne(1985)25、Thorne等(1989)26和Lapointe(1992)27曾通過安置在河流和海洋環(huán)境中近底床含礫砂的流速儀觀測到了“象猝發(fā)那樣的信號”。而作者在世界上第一次利用聲學懸浮泥沙濃度測定系統(tǒng)和流速儀獲得了河口區(qū)連續(xù)時間序列的可視“紊流猝發(fā)”(圖7)，表明長江口區(qū)水深較小，大尺度底形沙波與高流速和含沙量條件下，大、小尺度紊流的猝發(fā)特征(時間間隔和歷時 、頻率和強度)及其對粗粉砂和極細砂的泥沙特性(起揚速度和臨界運動)直接相關，可能與細砂級大尺度底形沙波與大尺度紊流的關系

51、28相反。致謝：本文曾得到陳吉余院士、王寶燦教授的指導和幫助，還得到李九發(fā)教授、何青講師的幫助，在此一并致謝。參考文獻1 Kostaschuk, R. A., et al., 1996, Flow and sediment transport over large subaqueous dunes: Fraser River, Canada, Sedimentology, 43, 849-863.2 Van Den Berg, J. H., 1987. Sedimentology, 34, 681-698.3 Berne, S., et al., 1993. J. Sedi. Petrol.,

52、 63(5),780-793. 本篇論文是由3COME文檔頻道的網友為您在網絡上收集整理餅投稿至本站的，論文版權屬原作者，請不要用于商業(yè)用途或者抄襲，僅供參考學習之用，否者后果自負，如果此文侵犯您的合法權益，請聯系我們。4 陳吉余主編。上海海島資源調查。上海文獻出版社，P60.1987.5 楊世倫。長江口沉積物粒度參數的統(tǒng)計規(guī)律及其沉積動力學解釋。泥沙研究，1994，(3).6 Subcommittee on the Sediment Terminology, Amer. Geophys. Union, “Report on the Subcommittee on Sediment Termi

53、nology, American Geophysical Union”， Trans., Ameri. Geophys. Union, Vol. 28, No. 6, 1947, pp. 936-938.7 Ashley, G. M., et al., 1990, Classification of large scale subaqueous bedforms: a new look at an old problem. J. Sedi. Petrol., Vol. 60, No.1, 160-172.8 Van den Berg, J. H., et al., 1993. Predicti

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55、ve in Yawosha Channel of the Yangtze Estuary, Proceedings of the Second International Symposium of River Sedimentation, Water Resources and Electric Power Press(Beijing),650-661.12 李九發(fā) et al. 長江口底沙運動規(guī)律。海洋與湖沼，Vol. 7, No. 4, 441-450, 1995.13 Cheng Heqin, et al., 1998. Bedforms and episodic resuspension of coarser silt and very fine sand in the Changjiang Estuary, China. Published as a Supplement to EOS, America