長(zhǎng)江口細(xì)顆粒泥沙過(guò)程

長(zhǎng)江口細(xì)顆粒泥沙過(guò)程簡(jiǎn)介：本文對(duì)長(zhǎng)江口細(xì)顆粒泥沙過(guò)程研究進(jìn)行了總結(jié),并提出了今后重點(diǎn)研究方向：1）長(zhǎng)江口細(xì)顆粒泥沙是非均勻沙，其運(yùn)動(dòng)機(jī)理究竟如何？2）大規(guī)模水利工程究竟如何影響長(zhǎng)江口最大渾濁帶?3）在長(zhǎng)江口細(xì)顆粒泥沙過(guò)程的數(shù)學(xué)模擬中,如何考慮河口波、流相互作用(耦合)及其對(duì)近底細(xì)顆粒泥沙輸移的影響?4）整個(gè)長(zhǎng)江口水域瞬時(shí)、連續(xù)的水深、含沙量、地形變化資料的獲取技術(shù)和方法的改進(jìn)，以提高長(zhǎng)江口細(xì)顆粒泥沙過(guò)程數(shù)學(xué)模擬的精度。5）長(zhǎng)江口懸沙以拉格朗日模式輸運(yùn),而過(guò)去大多懸沙觀測(cè)調(diào)查是在歐拉模式中進(jìn)行，如何進(jìn)行歐拉和拉格朗日模式對(duì)比研究?6）風(fēng)暴潮、臺(tái)風(fēng)等對(duì)長(zhǎng)江口細(xì)顆粒泥沙運(yùn)動(dòng)的影響。關(guān)鍵字：長(zhǎng)江口最大渾濁帶細(xì)顆粒泥沙1引言長(zhǎng)江口是長(zhǎng)長(zhǎng)江注入東東海的入海?？冢孕煨炝鶝芤韵孪陆?jīng)過(guò)三次次分汊，共共形成四個(gè)個(gè)入海通道道。崇明島島將長(zhǎng)江口口分為南支支和北支；；長(zhǎng)興島和和橫沙島又又將南支分分為南港和和北港；南南港又進(jìn)一一步被九段段沙分為南南槽和北槽槽(圖1)。根據(jù)大大通水文站站多年統(tǒng)計(jì)計(jì)資料，長(zhǎng)長(zhǎng)江多年平平均流量2295000m3s-1。長(zhǎng)江江口外潮汐汐為正規(guī)半半日潮，口口內(nèi)為非正正規(guī)半日淺淺海潮。長(zhǎng)長(zhǎng)江口為中中潮河口，根根據(jù)中浚站站多年統(tǒng)計(jì)計(jì)資料，多多年平均潮潮差為2..66m。長(zhǎng)長(zhǎng)江口波浪浪主要為風(fēng)風(fēng)浪以及風(fēng)風(fēng)浪和涌浪浪的混合浪浪。長(zhǎng)江口口水域的沿沿岸流主要要為蘇北沿沿岸流。長(zhǎng)長(zhǎng)江口實(shí)測(cè)測(cè)最大年輸輸沙量為6.78億t，最小年年輸沙量3.41億t，年平均均輸沙量大大約有4.66億t[1]。每每年由上游游攜帶來(lái)的的泥沙中有有50%左右在長(zhǎng)長(zhǎng)江口水下下三角洲地地區(qū)沉積下下來(lái)，成為為形成長(zhǎng)江江口攔門(mén)沙沙的主要成成份。圖1長(zhǎng)江口略圖

SketchmapofChangjiangRiverEstuary長(zhǎng)江口細(xì)顆粒泥沙過(guò)程的研究主要起因于:1)海洋科學(xué)陸海相互作用中長(zhǎng)江河口動(dòng)力學(xué)的基礎(chǔ)理論研究；2)長(zhǎng)江口深水航道的維持(整治、疏浚);3)長(zhǎng)江河口水環(huán)境、污染物的處理的日益惡化。長(zhǎng)江口細(xì)顆粒泥沙過(guò)程主要研究徑流、潮流、波浪、科氏力及沿岸流與細(xì)顆粒泥沙、淤泥質(zhì)底床相互作用。長(zhǎng)江口細(xì)顆粒泥沙過(guò)程研究可以揭示長(zhǎng)江口淤泥底床侵蝕、堆積過(guò)程的機(jī)制[2]和長(zhǎng)江河口演變規(guī)律[3]，深入理解長(zhǎng)江口細(xì)顆粒泥沙過(guò)程,是海岸帶陸海相互作用（LOICZ）的重要基礎(chǔ)研究?jī)?nèi)容,具有重要的科學(xué)理論意義。而且對(duì)港口航道回淤有重要影響的浮泥形成運(yùn)動(dòng)機(jī)制、時(shí)空分布規(guī)律得到進(jìn)一步認(rèn)識(shí)，并從而得到工程措施所需的科學(xué)依據(jù)，特別對(duì)上海市的長(zhǎng)江口深水航道建設(shè)有重要現(xiàn)實(shí)意義。長(zhǎng)江口細(xì)顆粒泥沙過(guò)程研究成果大量來(lái)自海洋學(xué)家（河口海岸學(xué)、物理海洋學(xué)）、土木水利工程師(海岸工程師)、流體力學(xué)家（環(huán)境流體力學(xué)）的文獻(xiàn)、著作。本文的目的:1)是力圖把這些文獻(xiàn)（以正式發(fā)表的文獻(xiàn)為準(zhǔn)，不包括研究報(bào)告）匯集起來(lái)，對(duì)長(zhǎng)江口細(xì)顆粒泥沙過(guò)程的研究進(jìn)行總結(jié);2)究竟我們對(duì)長(zhǎng)江口細(xì)顆粒泥沙過(guò)程了解多少？3)究竟長(zhǎng)江口細(xì)顆粒泥沙過(guò)程還有哪些問(wèn)題值得研究？2長(zhǎng)江口細(xì)顆粒泥沙特征河口水體中含有大量細(xì)顆粒泥沙，即粒徑小于0.004mm的粘土和一定比例的粉沙(粒徑在0.0044～0.062mm之間)。細(xì)顆粒懸沙一般并不是以單顆粒的形式存在,往往同附近其它大量的懸沙顆粒結(jié)合在一起，并形成一定的結(jié)構(gòu)，這種相鄰顆粒在一定條件下結(jié)合成集合體的作用被稱(chēng)為“絮凝作用”,通過(guò)絮凝作用結(jié)合而成的這種結(jié)構(gòu)體稱(chēng)為“絮凝體”。長(zhǎng)江口懸沙或底沙，粒徑均以<0.032mm的顆粒為主，在懸沙中占90%以上，底沙中占75%[4]。長(zhǎng)江口河床質(zhì)主要由粉沙和粘土所組成，是一種粘性細(xì)顆粒非均勻沙，<0.050mm的顆粒占88%，其中<0.005mm的粘土約占13%[2]。長(zhǎng)江口細(xì)顆粒懸沙粒徑0.032～0.016mm以下各粒級(jí)占90.5%[5]。3長(zhǎng)江口細(xì)顆粒泥沙過(guò)程不少學(xué)者對(duì)長(zhǎng)江口細(xì)顆粒泥沙輸移做了定性研究[6～9]。Millimanetal.[10～12]就長(zhǎng)江口懸沙通量進(jìn)行了半定量研究,北槽似乎是懸沙進(jìn)入海洋的主要通道[10]。長(zhǎng)江口門(mén)附近的懸沙濃度和凈輸沙量在時(shí)間上有明顯的漲落潮、大小潮和洪枯季變化。北港是長(zhǎng)江輸水輸沙的主要通道，122°30'E-123°E是懸沙向東擴(kuò)散的一條重要界線，入海泥沙主要向東偏南方向擴(kuò)散[13]。借助于環(huán)行水槽的實(shí)驗(yàn)裝置，沈承烈、阮文杰[2]對(duì)長(zhǎng)江口天然河床質(zhì)的沖淤特性和機(jī)理進(jìn)行了初步研究。在動(dòng)水淤積過(guò)程中，長(zhǎng)江口懸移質(zhì)與床沙有著粗細(xì)顆粒泥沙交換,而在沖刷過(guò)程中無(wú)[2]。長(zhǎng)江口細(xì)顆粒泥沙過(guò)程與環(huán)流有關(guān)[6，14～16]?；诂F(xiàn)場(chǎng)水文泥沙調(diào)查資料，潘定安[17]就長(zhǎng)江口南港的水文泥沙環(huán)境及污染物輸移進(jìn)行了探討。4長(zhǎng)江口懸沙平面擴(kuò)散、懸沙鋒遙感衛(wèi)星資料被應(yīng)用于長(zhǎng)江口入海懸沙擴(kuò)散問(wèn)題研究，進(jìn)而定量分析了長(zhǎng)江口不同季節(jié)的懸沙濃度、擴(kuò)散方向、擴(kuò)散范圍[8，18～20]。依據(jù)懸沙濃度分布，分四類(lèi)：①高渾濁舌狀構(gòu)成長(zhǎng)江向海沖瀉的主體；②渾水帶(122°25′～122°30′E);③羽狀體(122°30′～122°35′E)；④沖淡水帶(122°40′～122°45′E)[8，18，19]。這四個(gè)帶的變化受徑流、風(fēng)向、風(fēng)級(jí)影響，主要由長(zhǎng)江徑流、臺(tái)灣暖流、蘇北沿岸流控制，它們的輸移方向是冬季朝南、夏季朝東北東。由于衛(wèi)星照片能夠反映同一時(shí)刻廣闊區(qū)域內(nèi)的懸沙分布情況，這一研究工作取得了很大進(jìn)步。新的衛(wèi)星圖像資料(1988～1993)進(jìn)一步提供了長(zhǎng)江口表層懸浮泥沙濃度場(chǎng)空間分布和動(dòng)態(tài)變化規(guī)律[21，22]，并給出了表層懸浮泥沙濃度場(chǎng)的定量分布及其與垂線平均含沙量的關(guān)系。此外,利用現(xiàn)場(chǎng)的調(diào)查資料，谷國(guó)傳、曹沛奎[23]、邵秘華等[24]分析了長(zhǎng)江口及其毗鄰區(qū)域懸沙成份和濃度平面分布。利用長(zhǎng)江口水文泥沙現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)資料,曹沛奎、嚴(yán)肅莊[25]對(duì)長(zhǎng)江口含沙量梯度較大的懸沙鋒進(jìn)行了研究,發(fā)現(xiàn)了內(nèi)、外兩個(gè)鋒面。懸沙鋒對(duì)長(zhǎng)江口的物質(zhì)輸移和沖淤變化起積極作用。它們的變化規(guī)律仍有待深入研究。5長(zhǎng)江口最大渾濁帶自80年代，河口學(xué)家對(duì)長(zhǎng)江口最大渾濁帶細(xì)顆粒泥沙輸移過(guò)程進(jìn)行了深入的實(shí)驗(yàn)研究[26]。沈煥庭等[27]系統(tǒng)分析了長(zhǎng)江口最大渾濁帶形成的環(huán)境背景、時(shí)空變化規(guī)律、泥沙來(lái)源和絮凝作用對(duì)懸沙落淤的影響、浮泥的特性與分布以及懸沙的富集機(jī)制。時(shí)偉榮[28]、ShiandLi[29]利用長(zhǎng)江口南槽底層含沙量資料，分析計(jì)算了不同潮時(shí)的泥沙垂向紊動(dòng)擴(kuò)散系數(shù)，研究了底床泥沙再懸浮與最大渾濁帶形成的關(guān)系。時(shí)偉榮、李九發(fā)[30]運(yùn)用機(jī)制分解的方法計(jì)算了長(zhǎng)江口南北槽渾濁帶區(qū)域內(nèi)的余流和懸沙單寬輸移量，并據(jù)此探討了渾濁帶的發(fā)育過(guò)程。通過(guò)對(duì)長(zhǎng)江口不同河段的懸沙特性(大小、沉速、含沙量)和輸移規(guī)律的分析對(duì)比,李九發(fā)等[31]、LiandZhang[32]探討了這些因素對(duì)長(zhǎng)江口最大渾濁帶形成過(guò)程的重要性，認(rèn)識(shí)到最大渾濁帶潮流強(qiáng)勁，引起床沙再懸浮。沈健等[33]對(duì)長(zhǎng)江口最大渾濁帶的水沙輸運(yùn)機(jī)制進(jìn)行了定量分析。賀松林、孫介民[34]研究了長(zhǎng)江口最大渾濁帶懸沙輸移過(guò)程中的“潮泵效應(yīng)”(在漲落潮中，懸沙顆粒在水體與底床之間周期性地做上下懸揚(yáng)、沉降的現(xiàn)象),并指出南、北槽之間的大尺度平面環(huán)向懸沙輸移和南、北槽內(nèi)的次級(jí)尺度的平面環(huán)向懸沙輸移的重要性。ZhouandWu[35]、周華君[36]利用通量分析方法研究了長(zhǎng)江口最大渾濁帶的形成機(jī)制。結(jié)果表明支持最大渾濁帶的長(zhǎng)周期泥沙源是陸向雷諾(Reynolds)輸運(yùn)和較低層的陸向余流(平流)輸運(yùn)。潘定安等[37]研究了長(zhǎng)江口渾濁帶的形成機(jī)理與特點(diǎn)，指出徑流潮流相互作用形成潮汐渾濁帶，而鹽淡水交匯混合形成鹽水渾濁帶。是否這兩種機(jī)制是可以統(tǒng)一起來(lái)?在這些研究中,所采用的方法主要是現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)觀測(cè),懸沙濃度資料大多依賴(lài)于現(xiàn)場(chǎng)水樣的采集、室內(nèi)分析。利用現(xiàn)場(chǎng)水文、懸沙資料，并結(jié)合數(shù)學(xué)模型，時(shí)鐘、陳偉民(2000)[38]探討了長(zhǎng)江口北槽最大渾濁帶的泥沙過(guò)程。研究結(jié)果表明：在北槽口內(nèi)，最大渾濁帶形成的主要?jiǎng)恿^(guò)程是潮汐的不對(duì)稱(chēng)性和河口重力環(huán)流。在北槽口外，最大渾濁帶形成的主要?jiǎng)恿^(guò)程則是河口底部泥沙的周期性再懸浮。在長(zhǎng)江口北槽口內(nèi)、口外最大渾濁帶中，細(xì)顆粒泥沙的再懸浮過(guò)程也存在著一定的周期性。此外，由鹽度、懸沙濃度層化引起的“層化抑制紊流”也是長(zhǎng)江口北槽口內(nèi)、口外最大渾濁帶的成因機(jī)制之一。從以上研究可見(jiàn)，長(zhǎng)江口最大渾濁帶細(xì)顆粒泥沙運(yùn)動(dòng)主要表現(xiàn)為：1)垂向交換、2）南北槽平面輸移3）水平富集沉降。這幾種運(yùn)動(dòng)方式分別發(fā)生于何種條件下呢?作者認(rèn)為可能同時(shí)發(fā)生,從已有的文獻(xiàn)看,這一問(wèn)題有待進(jìn)一步研究。6長(zhǎng)江口浮泥特性河口學(xué)家對(duì)長(zhǎng)江口浮泥也進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)觀測(cè)研究[39，40]。通過(guò)對(duì)提純粘粒做X射線、電子顯微鏡、差熱和脫水分析，張志忠等[39]定性地鑒定出長(zhǎng)江口浮泥的粘土礦物成份，并探討了浮泥的形成條件和分層沉淀現(xiàn)象。結(jié)果發(fā)現(xiàn)：①長(zhǎng)江口南槽底質(zhì)中粘土的礦物成分主要是伊利石；②長(zhǎng)江口的浮泥可能主要是汛季上游帶來(lái)大量粘土的細(xì)顆粒物質(zhì)在長(zhǎng)江口受咸水環(huán)境作用絮凝沉降所致；③長(zhǎng)江口浮泥層是由濃度高、密度大、顆粒細(xì)的物質(zhì)組成的分層的半流體的透鏡體。長(zhǎng)江口浮泥的特性：①長(zhǎng)江口浮泥面容重1.04g/cm3，底板容重1.25g/cm3；②組成浮泥的細(xì)顆粒泥沙中值粒徑6.44～6.97;③組成浮泥泥沙的粘土礦物為伊利石-綠泥石高嶺石蒙脫石組合；④自然狀態(tài)下一般浮泥厚度為0.1～0.4m[40]。7長(zhǎng)江口細(xì)顆粒泥沙絮凝機(jī)理和絮凝體沉降速率細(xì)顆粒泥沙絮凝是潮汐河口的普遍現(xiàn)象，其機(jī)理具有多樣性，如：鹽度、高含沙量條件下顆粒碰撞、有機(jī)物或生物作用引起的絮凝，湍流強(qiáng)度變化產(chǎn)生的變化。長(zhǎng)江口細(xì)顆粒泥沙絮凝主要側(cè)重于鹽度絮凝,絮凝現(xiàn)象的產(chǎn)生必須同時(shí)具備兩個(gè)條件：①絮凝體的電化學(xué)反應(yīng)和顆粒之間的碰撞；②絮凝體所受剪切力小于其抗剪強(qiáng)度[41，42]。實(shí)驗(yàn)表明，產(chǎn)生絮凝的最小懸沙粒徑是0.030mm，當(dāng)粒徑處于0.01至0.03mm時(shí),絮凝作用是很微弱的。由于絮凝作用，顆粒大小可以在0.001mm到0.1mm范圍內(nèi)迅速變化。長(zhǎng)江口細(xì)顆粒泥沙絮凝機(jī)理的研究也得到了發(fā)展[5，41～54]。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)新鮮水樣進(jìn)行的顯微攝影，關(guān)許為等[46]測(cè)得長(zhǎng)江口不同區(qū)域絮凝體分布、形狀、結(jié)構(gòu)和尺寸，并分析了鹽度分布和潮汐現(xiàn)象對(duì)泥沙絮凝現(xiàn)象的影響。絮凝體直徑分布在0.01～0.5mm之間，大部分出現(xiàn)在0.01～0.2mm范圍內(nèi)。絮凝團(tuán)主要有條狀、團(tuán)狀和蜂窩狀三種形式。鹽淡水交匯鋒面附近、攔門(mén)沙河段臨底區(qū)域?yàn)槌霈F(xiàn)大量絮凝體的區(qū)域。低流速情況下，特別是憩流期，絮凝較為顯著；而高流速情況下，例如漲急與落急期，絮散比較明顯。根據(jù)長(zhǎng)江口細(xì)顆粒泥沙絮凝沉降試驗(yàn)和長(zhǎng)江口一年的實(shí)測(cè)陽(yáng)離子濃度資料，蔣國(guó)俊、張志忠[48]分析了陽(yáng)離子濃度對(duì)細(xì)顆粒泥沙動(dòng)力絮凝沉降的影響。結(jié)果發(fā)現(xiàn)：①長(zhǎng)江口細(xì)顆粒泥沙動(dòng)力絮凝存在最佳離子濃度；②在陽(yáng)離子濃度相同的水體中，高價(jià)離子比低價(jià)離子更能促進(jìn)細(xì)顆粒泥沙的動(dòng)力絮凝沉降；③長(zhǎng)江口陽(yáng)離子濃度的時(shí)空變化，影響細(xì)顆粒泥沙絮凝沉降強(qiáng)度和沉積部位，對(duì)攔門(mén)沙的發(fā)育及沖淤變化有重要影響。HanandLu[43]得出如下長(zhǎng)江口細(xì)顆粒泥沙絮凝沉速的綜合關(guān)系式ω/ω0=26.5(11/K·CCmf/C))-0.88(絮凝沉降降加速階段段)(1)ω/ω0=26.5(11/K·CCmf/C))0.8992(絮凝沉降降減速階段段)(2)式中ω0為中值粒徑泥沙顆粒沉降速度；K為經(jīng)驗(yàn)系數(shù)；C為懸沙濃度；Cmf為最適絮凝懸沙濃度。通過(guò)對(duì)長(zhǎng)江口細(xì)顆粒泥沙靜水絮凝沉速試驗(yàn)研究,彭潤(rùn)澤等[44]得出如下長(zhǎng)江口泥沙絮凝沉速的綜合關(guān)系式F=ωf50/ω50==(df550/d50)2=１+b0cb1sb2Hb3d50b4(3)式中F靜水絮凝系數(shù)，等于ωf50/ω50,沉距H,d50中值粒徑,ω50中值沉速,ωf50絮凝級(jí)配的中值粒徑沉速,df50表示wf50對(duì)應(yīng)的當(dāng)量粒徑，bi,i=0,1,2,3,為回歸系數(shù)。依據(jù)懸沙擴(kuò)散理論，李炎等[55]、Li等[56]提出運(yùn)用分粒級(jí)的泥沙垂線分布推算長(zhǎng)江口各粒級(jí)相對(duì)沉速、絮凝因素比和絮凝指標(biāo)的方法。研究結(jié)果表明：①長(zhǎng)江近口段懸浮泥沙處于絮凝程度低，群體沉速較低的亞穩(wěn)態(tài)；②近口段至河口段間鹽度急劇變化的區(qū)間，存在著一個(gè)絮凝程度和沉降特征的迅速變化帶；③河口段最大渾濁帶的絮凝程度高，群體沉速大，各粒級(jí)沉速接近，絮凝團(tuán)形成已近極限狀態(tài)；④口外海濱段鹽度大于20‰時(shí)絮凝程度又有所降低。利用流速儀和聲學(xué)懸浮泥沙觀測(cè)系統(tǒng)，時(shí)鐘等[57]獲得了長(zhǎng)江口北槽口外大潮水流、懸沙濃度垂線分布資料,通過(guò)Rouse公式擬合法計(jì)算得到細(xì)顆粒懸沙沉降速度為3.0～4.0mms-1,此值可能偏大,更多組的計(jì)算仍需加強(qiáng)。8長(zhǎng)江口近底邊界層細(xì)顆粒泥沙運(yùn)動(dòng)在淤泥質(zhì)河口近底邊界層，強(qiáng)勁的潮流、波流能引起淤泥底床沉積物的侵蝕或再懸浮，產(chǎn)生懸沙濃度的垂直分層現(xiàn)象，反過(guò)來(lái)又影響潮流、波流。占水體10～20%的近底高含沙層(濃度5～10kgm-3),這作為河口細(xì)顆粒泥沙輸移的主要形式,普遍存在于許多高渾濁的河口內(nèi)。深入理解河口底部邊界層高含沙層的動(dòng)力學(xué)機(jī)制具有重要的科學(xué)意義，這將加深我們對(duì)河口近底水-泥相互作用的認(rèn)識(shí)，而這種作用控制著整個(gè)河口細(xì)顆粒泥沙的輸移過(guò)程。近年來(lái)，海洋水聲學(xué)被成功應(yīng)用于長(zhǎng)江口近底邊界層細(xì)顆粒泥沙輸移的實(shí)驗(yàn)研究[58-64]。這應(yīng)為深入理解河口近底邊界層高含沙層的侵蝕、挾運(yùn)、輸移和堆積過(guò)程提供新的實(shí)驗(yàn)研究途徑[65]，對(duì)河口最大渾濁帶成因的進(jìn)一步認(rèn)識(shí)應(yīng)有重要的科學(xué)意義。利用聲學(xué)懸浮泥沙觀測(cè)系統(tǒng),在長(zhǎng)江口深水航道北槽口內(nèi)（橫沙東）、口外(牛皮礁）獲取到近底高濃度懸浮泥沙高時(shí)、空分辨率連續(xù)分布圖象及運(yùn)動(dòng)變化過(guò)程；并得到了大潮汛時(shí)段高濃度含沙水體(2～5kgm-3)、流動(dòng)浮泥層(濃度5～10kgm-3)、固定浮泥層(>10kgm-3)及粘性淤泥底床三個(gè)不連續(xù)面的判別指標(biāo),這些成果對(duì)泥沙再懸浮、近底泥沙輸移,浮泥的形成與消散、底沙與懸沙交換等問(wèn)題的深入研究開(kāi)創(chuàng)了新的實(shí)驗(yàn)途徑。具體地講，有以下幾個(gè)方面的進(jìn)展:8.1連續(xù)的、高時(shí)空分辨率的河口細(xì)顆粒懸沙濃度垂線分布在長(zhǎng)江口深水航道北槽，利用“聲學(xué)懸沙觀測(cè)系統(tǒng)”觀測(cè)到大潮典型的高時(shí)空分辨率細(xì)顆粒懸沙濃度聲學(xué)垂向分布圖和垂線分布曲線。研究結(jié)果表明:①在漲潮時(shí)呈L形，懸沙濃度的垂向變化梯度小(濃度小于1.0kgm-3)。②在漲急時(shí)呈射流形，射流頂?shù)膽疑碀舛冗_(dá)10kgm-3，懸沙濃度的垂向變化梯度大。③在接近漲憩時(shí)，懸沙濃度的垂向梯度小。④在落潮時(shí)從水面到水底懸沙濃度按指數(shù)增加，代表恒定均勻流中懸沙處于平衡條件的分布，泥沙垂向擴(kuò)散系數(shù)εs在數(shù)值上大約是泥沙顆粒沉降速度ωs的兩倍。⑤在落急時(shí)不連續(xù)的，水體中部呈射流形，懸沙濃度的垂向變化梯度大。⑥在接近落憩時(shí)，懸沙濃度的垂向梯度適中。8.2河口近底細(xì)顆粒泥沙再懸浮、再挾運(yùn)過(guò)程利用聲學(xué)懸浮泥沙觀測(cè)儀獲得的長(zhǎng)江口粘性懸沙濃度垂向分布圖表明，近底高濃度懸沙層，以一個(gè)濃度約為2kgm-3的天然分界點(diǎn)被分為上、下兩層。聲學(xué)圖象還揭示了周期為數(shù)秒的近底高頻率再懸浮現(xiàn)象，這一過(guò)程主要促進(jìn)了近底高濃度懸浮液的形成。上、下泥躍層也分別顯示了上層和下層高濃度懸浮泥沙的再挾運(yùn)。近底高頻率再懸浮可能是由湍流造成的，而再挾運(yùn)可能歸因于內(nèi)波作用。8.3河口近底高含沙層（浮泥）和高、低頻率界面波利用一個(gè)懸浮泥沙聲學(xué)觀測(cè)儀(ASSM),在大潮時(shí),對(duì)長(zhǎng)江口外泥沙濃度進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)觀測(cè)。結(jié)果發(fā)現(xiàn)底部泥沙存在分層結(jié)構(gòu):從上往下分別是低濃度懸沙層;高濃度懸沙層和浮泥層。聲學(xué)圖像顯示有四種不同頻率的界面波:①介于低濃度懸沙層和高濃度懸沙層之間的低頻界面波。②介于高濃度懸沙層和流動(dòng)浮泥層之間的低頻內(nèi)波。③介于流動(dòng)浮泥層和固定浮泥層之間的波,被謹(jǐn)慎地解釋為低頻界面波。④在固定浮泥層上產(chǎn)生的是高頻界面波。這些界面波起到次級(jí)的動(dòng)力作用，增強(qiáng)了局部粘性泥沙的再懸浮和再挾運(yùn)。在長(zhǎng)江口細(xì)顆粒泥沙輸移過(guò)程現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)研究中,由于絮凝作用，細(xì)顆粒泥沙絮凝體大小發(fā)生變化，這將會(huì)如何影響懸沙濃度的聲學(xué)估算精度呢?在長(zhǎng)江口細(xì)顆粒泥沙輸移過(guò)程現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)中,與泥沙濃度相匹配的連續(xù)的、高時(shí)空分辨率的水流流速、密度垂線分布資料仍然缺乏。國(guó)內(nèi)外河口水沙數(shù)學(xué)模型大多利用六點(diǎn)法測(cè)得的流速、泥沙濃度資料驗(yàn)證,精度低、誤差大。如何利用聲學(xué)懸沙濃度現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)資料并結(jié)合水動(dòng)力資料驗(yàn)證長(zhǎng)江口水沙數(shù)學(xué)模型以及現(xiàn)有的河口細(xì)顆粒懸沙紊流擴(kuò)散理論?如何定量研究長(zhǎng)江口近底高含沙層和上層水體之間的泥沙交換通量以及近底高含沙層和淤泥底床之間泥沙交換通量?盡管在過(guò)去20多年中長(zhǎng)江口細(xì)顆粒泥沙運(yùn)動(dòng)研究取得了很大的進(jìn)展，但仍有深入研究的必要。這是因?yàn)殚L(zhǎng)江口細(xì)顆粒泥沙運(yùn)動(dòng)本身是非常復(fù)雜的。河口懸沙以拉格朗日(Lagrangian)模式輸運(yùn),但是,大多懸沙調(diào)查是在歐拉(Eulerian)模式中進(jìn)行。這表明，懸沙濃度的變化可歸因于泥沙平流以及底床泥沙侵蝕。由于細(xì)顆粒泥沙的絮凝是依賴(lài)于懸沙濃度和湍流。所以，將懸沙濃度變化的平流成分和湍流成分分開(kāi)是十分重要的。這樣，能定量地表明這兩種參數(shù)對(duì)絮凝過(guò)程的意義。從而，可以經(jīng)驗(yàn)性地進(jìn)行歐拉和拉格朗日模式對(duì)比研究。此外，還有利于對(duì)絮凝過(guò)程的了解，對(duì)影響泥沙分布、輸移的水流結(jié)構(gòu)的認(rèn)識(shí)有利，從而加強(qiáng)對(duì)細(xì)顆粒泥沙運(yùn)動(dòng)過(guò)程的了解。9長(zhǎng)江口細(xì)顆粒泥沙運(yùn)動(dòng)的數(shù)學(xué)模擬從90年代開(kāi)始,河口學(xué)家、海岸工程師和環(huán)境流體力學(xué)家對(duì)長(zhǎng)江口細(xì)顆粒泥沙運(yùn)動(dòng)及沖淤變化進(jìn)行了數(shù)學(xué)模擬研究，這些包括垂向一維懸沙數(shù)學(xué)模型、垂向二維懸沙數(shù)學(xué)模型、平面二維懸沙數(shù)學(xué)模型等等。9.1垂向一維懸沙數(shù)學(xué)模型在實(shí)測(cè)資料分析的基礎(chǔ)上，認(rèn)為長(zhǎng)江口地區(qū)瞬時(shí)含沙量的變化主要取決于泥沙沿垂線方向的擴(kuò)散和沉降，徐建益等[66]對(duì)非恒定二維泥沙擴(kuò)散模型進(jìn)行了簡(jiǎn)化，建立了長(zhǎng)江口南支非均勻沙垂向分層的數(shù)學(xué)模型，通過(guò)求解垂向擴(kuò)散方程給出垂線上分層的含沙量和懸沙粒徑級(jí)配。利用垂向一維懸沙數(shù)學(xué)模型，時(shí)鐘、陳偉民[38]對(duì)長(zhǎng)江口北槽口內(nèi)、口外的細(xì)顆粒泥沙過(guò)程進(jìn)行了模擬。9.2垂向二維懸沙數(shù)學(xué)模型利用一維水流、垂向二維泥沙數(shù)學(xué)模型，黃永健[67]進(jìn)行了水流越槽的不平衡輸沙計(jì)算，求出沿水流各斷面垂向含沙量分布，從而推算出挖槽的回淤量。類(lèi)似地，利用一個(gè)一維水流、垂向二維泥沙數(shù)學(xué)模型，李家春等[68]、王濤、李家春[69]、周濟(jì)福等[70]研究了長(zhǎng)江口北槽攔門(mén)沙地區(qū)不同徑流、潮流組合作用下泥沙輸運(yùn)規(guī)律。李家春等[68]分析了河口泥沙輸移受波流邊界層、湍流泥沙相互作用、河口混合過(guò)程的影響，在此基礎(chǔ)上建立了河口泥沙輸運(yùn)的模型。9.3平面二維懸沙數(shù)學(xué)模型利用平面二維懸沙數(shù)學(xué)模型，趙棣華等[71]對(duì)長(zhǎng)江口南支懸沙運(yùn)動(dòng)進(jìn)行了模擬。在大范圍平面二維水流和含沙量計(jì)算的基礎(chǔ)上，將所關(guān)心的局部區(qū)域視為一個(gè)封閉的區(qū)域，通過(guò)分別計(jì)算其各條邊界上的泥沙輸移量，來(lái)預(yù)測(cè)該區(qū)域內(nèi)泥沙沖淤分布及河床變形的趨勢(shì)[72]。9.4數(shù)理統(tǒng)計(jì)模型選用長(zhǎng)江口南槽逐月水下地形圖、相應(yīng)的大通站的流量和含沙量，中浚、橫沙和高橋等站的潮位資料，應(yīng)用數(shù)理統(tǒng)計(jì)理論和方法，朱惠芳、周紀(jì)薌[73]對(duì)長(zhǎng)江口南槽航道攔門(mén)沙的沖淤變化進(jìn)行了數(shù)學(xué)模擬。長(zhǎng)江口受徑流、潮流、沿岸流影響，是非定常的往復(fù)流動(dòng)。同時(shí)，湍流對(duì)泥沙輸運(yùn)有重要影響。湍流邊界層中的猝發(fā)現(xiàn)象與泥沙起動(dòng)有關(guān)，層結(jié)現(xiàn)象又可抑制剪切產(chǎn)生的湍流脈動(dòng)。在那里，由于淡水和鹽水混合，又會(huì)導(dǎo)致絮凝、加速沉降等。因此，河口邊界層中流動(dòng)，泥沙與底床的相互作用是關(guān)鍵問(wèn)題。因長(zhǎng)江泥沙濃度較低，泥沙運(yùn)動(dòng)可視為被動(dòng)標(biāo)量，而且沖淤計(jì)算的時(shí)間尺度較長(zhǎng)，所以流場(chǎng)、濃度、沖淤計(jì)算可依次進(jìn)行。結(jié)果表明，流場(chǎng)分布與觀測(cè)資料定量一致，濃度分布雖然定性一致，但在定量上尚有一些誤差。河口泥沙研究必須建立在波流場(chǎng)、分層流、兩相流、湍流研究成果的基礎(chǔ)上[74]。今后，仍應(yīng)加強(qiáng)長(zhǎng)江口最大渾濁帶的數(shù)學(xué)模擬的研究，并在模擬中考慮水流和懸沙的耦合。此外，最大渾濁帶中懸沙會(huì)影響阻力系數(shù)和底床切應(yīng)力的分布。近年來(lái)，人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)也不斷應(yīng)用到水科學(xué)中，能否將其應(yīng)用到長(zhǎng)江口水動(dòng)力、泥沙過(guò)程研究中？蔡樹(shù)棠等[75]從兩相流體運(yùn)動(dòng)的觀點(diǎn)出發(fā)來(lái)討論潮汐河口泥沙的運(yùn)動(dòng)和淤積問(wèn)題。今后，能否考慮用兩相流運(yùn)動(dòng)理論研究長(zhǎng)江口泥沙運(yùn)動(dòng)呢？10長(zhǎng)江口入海航道疏浚、回淤和治理沈煥庭等[76]探討了長(zhǎng)江河口入海航道治理研究。顧偉浩等[77]對(duì)長(zhǎng)江口銅沙老航槽自然回淤進(jìn)行了初步分析。陳吉余[78]深入討論了長(zhǎng)江口治理。1984年2～3月以前，長(zhǎng)江口入海航道原為南槽，之后，開(kāi)挖北槽航道，當(dāng)年4月25日正式通航。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)的水文、泥沙資料和數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果，盛升國(guó)等[79]對(duì)長(zhǎng)江口北槽航道拋泥區(qū)疏浚泥沙的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行了研究。利用平面二維數(shù)學(xué)模型，盛升國(guó)等[79]對(duì)拋入不同拋泥區(qū)的疏浚土，在潮流作用下的擴(kuò)散方向和范圍做了研究。顧偉浩[80]分析了臺(tái)風(fēng)對(duì)長(zhǎng)江口北槽航槽挖槽段回淤影響。鐘修成、任蘋(píng)[81]對(duì)長(zhǎng)江口攔門(mén)沙航道(北槽)回淤進(jìn)行了分析。根據(jù)1990年2～4月的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)水文泥沙資料及有關(guān)航槽檢測(cè)圖，關(guān)許為、顧偉浩[82]就寒潮對(duì)長(zhǎng)江口北槽回淤影響進(jìn)行了分析。徑流、潮流、風(fēng)浪和風(fēng)吹流是長(zhǎng)江口航槽沖淤四大主要?jiǎng)恿σ蛩?，泥沙運(yùn)動(dòng)是這些動(dòng)力因素綜合作用的結(jié)果。他們認(rèn)為只有7級(jí)以上風(fēng)力的寒潮天，才會(huì)對(duì)長(zhǎng)江口航槽淤淺產(chǎn)生顯著影響。通過(guò)大量現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)資料，張棟梁、孫建國(guó)[83]長(zhǎng)江口北槽挖槽段泥沙淤積機(jī)理探討。張棟梁、姚金元[84]就長(zhǎng)江口北槽挖槽段泥沙淤積特性進(jìn)行了分析研究。研究表明，北槽挖槽段泥沙淤積呈三峰型，南槽、北港水沙與北槽交換的影響使得北槽攔門(mén)沙位置上移。三峰型淤積機(jī)理各不相同，如洪汛時(shí)泥沙在北槽全槽淤積，汛后期泥沙在挖槽段內(nèi)淤積，實(shí)質(zhì)是洪汛北槽下段的淤積泥沙在時(shí)間和空間上的調(diào)整。11結(jié)論本文對(duì)長(zhǎng)江口細(xì)顆粒泥沙過(guò)程研究進(jìn)行了回顧總結(jié)。在過(guò)去20年中,長(zhǎng)江口細(xì)顆粒泥沙特征、細(xì)顆粒泥沙過(guò)程、懸沙平面擴(kuò)散、懸沙鋒、最大渾濁帶、浮泥特性、細(xì)顆粒泥沙絮凝機(jī)理和絮凝體沉降速率、近底邊界層細(xì)顆粒泥沙運(yùn)動(dòng)和細(xì)顆粒泥沙運(yùn)動(dòng)的數(shù)學(xué)模擬等方面取得了一定成就,為長(zhǎng)江口入海航道疏浚、治理等提供了科學(xué)依據(jù)。海洋水聲學(xué)被成功應(yīng)用于長(zhǎng)江口近底邊界層細(xì)顆粒泥沙輸移的實(shí)驗(yàn)研究這應(yīng)為深入理解河口近底邊界層高含沙層的侵蝕、挾運(yùn)、輸移和堆積過(guò)程提供新的實(shí)驗(yàn)研究途徑，對(duì)河口最大渾濁帶成因的進(jìn)一步認(rèn)識(shí)應(yīng)有重要的科學(xué)意義。數(shù)學(xué)模擬已成為長(zhǎng)江口細(xì)顆粒泥沙過(guò)程研究及應(yīng)用的重要手段。就作者的認(rèn)識(shí)和興趣,今后應(yīng)在以下幾個(gè)方面加強(qiáng)進(jìn)一步研究：大規(guī)模水利工程勢(shì)必對(duì)長(zhǎng)江口懸沙場(chǎng)等產(chǎn)生影響，究竟對(duì)長(zhǎng)江口最大渾濁帶的影響程度如何?在長(zhǎng)江口最大渾濁帶細(xì)顆粒泥沙過(guò)程的數(shù)學(xué)模擬中,如何考慮河口波、流相互作用(耦合)及其對(duì)近底細(xì)顆粒泥沙輸移的影響?長(zhǎng)江口地形變化大，整個(gè)水域瞬時(shí)的水深、地形變化資料很難獲?。淮送?，整個(gè)水域瞬時(shí)、連續(xù)的含沙量資料缺少，這些都給長(zhǎng)江泥沙過(guò)程數(shù)學(xué)模擬精度帶來(lái)不少問(wèn)題。整個(gè)長(zhǎng)江口水域瞬時(shí)、連續(xù)的水深、含沙量、地形變化資料的獲取技術(shù)和方法的改進(jìn)，可以提高長(zhǎng)江泥沙過(guò)程數(shù)學(xué)模擬精度。長(zhǎng)江口懸沙以拉格朗日（Lagrangian）模式輸運(yùn),而過(guò)去大多懸沙觀測(cè)調(diào)查是在歐拉(Eulerian)模式中進(jìn)行，如何進(jìn)行歐拉和拉格朗日模式對(duì)比或轉(zhuǎn)換研究？極端氣候條件下，如風(fēng)暴潮、臺(tái)風(fēng)等對(duì)長(zhǎng)江口細(xì)顆粒泥沙運(yùn)動(dòng)的影響。致謝作者要特別感謝眾多文獻(xiàn)中的作者，為本文提供了新思想、給予本文作者啟發(fā)。本文作者承擔(dān)一切可能的錯(cuò)誤觀點(diǎn)的責(zé)任。華東師范大學(xué)李九發(fā)教授、《泥沙研究》評(píng)審專(zhuān)家對(duì)此文提出了很好的修改意見(jiàn)。參考文獻(xiàn)[1]林承坤。長(zhǎng)江口泥沙的數(shù)量與輸移。中國(guó)科學(xué),1988,1:104-112.[2]沈承烈，阮文杰。長(zhǎng)江口河床質(zhì)沖淤特性的試驗(yàn)研究。泥沙研究,1986,(3)62-72.[3]黃勝。長(zhǎng)江河口演變特征。泥沙研究,1986,(4)，1-12.[4]呂全榮，王效京。長(zhǎng)江口細(xì)顆粒沉積物的粘土礦物及地球化學(xué)特征。沉積學(xué)報(bào),1985,3(4):141-151.[5]張志忠。長(zhǎng)江口細(xì)顆粒泥沙基本特性。泥沙研究,1996,(1)，67-73.[6]Shen,H.T.,Zhu,H.F.andMao,Z.C.Circulationo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