河口水沙運(yùn)動(dòng)與河流水沙運(yùn)動(dòng)的差異

河口水沙運(yùn)動(dòng)與河流水沙運(yùn)動(dòng)的差異指導(dǎo)老師：黃惠明姓名：王偉學(xué)號(hào)：131303020068河口水沙運(yùn)動(dòng)與河流水沙運(yùn)動(dòng)的差異摘要：河口的地理位置特殊，由于潮汐，鹽淡水交界等眾多原因，水沙運(yùn)動(dòng)在很大程度上與河流有重大不同。在分析國(guó)內(nèi)存在的長(zhǎng)江口、珠江口、黃河口等眾多河口進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上，從水流條件、水流運(yùn)動(dòng)機(jī)理、泥沙特征、泥沙運(yùn)動(dòng)機(jī)理方面分析對(duì)比了河口水沙與河流水沙的不同點(diǎn)。關(guān)鍵詞：河口潮汐鹽淡水水沙運(yùn)動(dòng)水流泥沙運(yùn)動(dòng)機(jī)理河流引言：河口水沙和河流水沙在運(yùn)動(dòng)規(guī)律以及影響條件的都有諸多的不同點(diǎn)，在對(duì)其進(jìn)行分析的時(shí)候，且不可一概而論。目前對(duì)河口水沙的研究甚多，但對(duì)河流水沙運(yùn)動(dòng)略有不足。河口與河流作為流域的一部分，在對(duì)整個(gè)流域的水沙進(jìn)行分析的時(shí)候，明確兩者的區(qū)別也是必不可少的。在面對(duì)不同的河口時(shí)，其水沙運(yùn)動(dòng)還是有一些不同，在不同的地理?xiàng)l件，水動(dòng)力條件下，泥沙運(yùn)動(dòng)的情況也會(huì)有所不同。在河口海岸地區(qū)，波浪與潮流是引起泥沙輸移的主要?jiǎng)恿σ蛩兀?］。而在河流地區(qū)，河流泥沙則主要來(lái)自于降水和徑流所造成的土壤侵蝕⑵。在對(duì)不同的河口時(shí)，我們主要進(jìn)行了分析：水流條件對(duì)于海陸雙相河口，但隨著下泄徑流的急劇減少，河口水流動(dòng)力已被潮汐動(dòng)力所控制。風(fēng)和浪不像潮汐一樣每天發(fā)生，但是一旦出現(xiàn)，便能量很大，也足以使潮流強(qiáng)度增大數(shù)倍。溫隨群⑶等在對(duì)海河口、李東風(fēng)等［4］在對(duì)黃河口、于東生［5］在對(duì)長(zhǎng)江口、張華慶在對(duì)珠江口的研究中，都清楚的表明河口區(qū)主要是陸相和海相動(dòng)力共同作用區(qū)，水流條件比較復(fù)雜，其主要水流動(dòng)力也以潮汐動(dòng)力為主。。以于東生在對(duì)長(zhǎng)江口的研究為例，長(zhǎng)江口的水流泥沙運(yùn)動(dòng)復(fù)雜，其主要體現(xiàn)在⑸：長(zhǎng)江口水流受海洋動(dòng)力和河流徑流的多種制約，水流變化多端；由于科氏力及鹽水入侵等因素的影響而產(chǎn)生的環(huán)流增加了問題的復(fù)雜性；槽灘相間的復(fù)雜地形使對(duì)流非線性的作用增強(qiáng)；潮流的非線性藕合作用增大了研究的難度；頻繁發(fā)生的風(fēng)暴潮給長(zhǎng)江口研究加大了難度而對(duì)于河流而言，水流條件比較單一，受地形條件約束，水流大小也比較單大多數(shù)河道來(lái)水來(lái)沙情況主要受降水影響，而降水在一年各季之間以及年際之間的變化幅度是相當(dāng)大的。因此，各河流的來(lái)水來(lái)沙變化幅度也相當(dāng)大。另外，河床經(jīng)常處于沖淤變化中，河床邊界也隨時(shí)間變化，這也就造成了河道水流的非恒定性。河道水流一般為非恒定流，且具有三維性。嚴(yán)格的來(lái)講，河道水流具有非均勻性。水流運(yùn)動(dòng)機(jī)理根據(jù)收集到的20個(gè)河口的資料，按山潮水比值和平面外形指標(biāo),周志德（1982）將潮汐河口分為三個(gè)類型:河口灣型、過渡型和三角洲型，其中三角洲型河口又可根據(jù)水道演變的特點(diǎn)，劃分為三個(gè)亞類:少漢型、網(wǎng)狀型和擺動(dòng)型。對(duì)于河口水流，當(dāng)徑流進(jìn)入幾乎無(wú)潮的河口時(shí)，由于淡水的密度小于海水，淡水將在表層下泄入海，海水以鹽水楔的形式呈現(xiàn)在底部〃在口門處鹽水楔布滿整個(gè)水深，隨著向河口上游的推進(jìn)，鹽水楔逐漸變小變薄〃在兩種水體之間，存在一個(gè)狹窄的條狀層，該層位于界面的上方,具有陡峭的鹽度梯度〃當(dāng)密度較小的淡水以較低的流速在靜止的！密度較大的鹽水上部流動(dòng)時(shí)，其鹽淡水之間的分界面一密度界面是光滑的〃由于密度差的緣故，界面趨于靜止，兩種水體之間幾乎沒有混合〃隨著流速的增大，界面上的剪切力也隨之增大，產(chǎn)生界面波〃隨著剪切力的進(jìn)一步增加，由于受界面內(nèi)波波動(dòng)的影響，界面變得不穩(wěn)定〃這些內(nèi)波變高而波峰變陡,最終破碎，從而導(dǎo)致高密度的海水從破碎的波峰處進(jìn)入到密度較低的淡水區(qū)域。卷吸是一個(gè)單向過程，導(dǎo)致一些鹽水進(jìn)入上層，而無(wú)淡水向下混合，下層水體的鹽度幾乎是不變的，為了維持河口水體的連續(xù)性，下層海水存在一個(gè)緩慢的向上游的補(bǔ)償流動(dòng)。河口水流為非恒定紊動(dòng)流，在這里密度梯度通常起主導(dǎo)作用，紊動(dòng)過程尤其重要，它促使動(dòng)量、熱量、質(zhì)量的輸運(yùn)，影響流速剖面及溶解物和懸浮物的分布。當(dāng)出現(xiàn)較大的潮流運(yùn)動(dòng)時(shí),河口中整個(gè)水體都隨潮流往復(fù)運(yùn)動(dòng)，河床阻力將產(chǎn)生流速剪切力，進(jìn)而導(dǎo)致紊動(dòng)現(xiàn)象的發(fā)生〃紊動(dòng)比卷吸更為有效，它不但把下層鹽水混合到上層的淡水中，同樣也使上層淡水混合到下層的鹽水中〃紊動(dòng)擴(kuò)散是雙向過程，導(dǎo)致相等數(shù)量的水體在上層與下層之間相互交換〃紊動(dòng)過程沖淡下層海水，形成向上游傾斜的鹽度梯度〃相對(duì)于鹽水楔河口，由于上下兩層水體的交換，界面變得不連貫，雖然界面上仍有卷吸發(fā)生，但與紊動(dòng)相比，卷吸混合作用已經(jīng)很弱。河口中的水體流動(dòng)受四個(gè)因素控制，它們確定了水流的流速與流向，按影響程度大小，四個(gè)因素依次為：遍及整個(gè)鹽水入侵長(zhǎng)度的潮流影響；由于鹽淡水密度變化而產(chǎn)生的重力影響產(chǎn)生淡水凈向海輸移的重力科氏力和離心力的作用在前述的河口分類方法中，都基于一個(gè)隱含的假設(shè)，即垂向環(huán)流只發(fā)生在河口縱向范圍內(nèi)，在橫向上，流速或密度均保持不變〃事實(shí)上，垂向環(huán)流并不是在整個(gè)河寬內(nèi)均布，水流是以螺旋狀運(yùn)動(dòng)的,形成橫向環(huán)流。河流平面形態(tài)分類主要分為順直型、彎曲型、分汊型、游蕩型河流。在河流的水流運(yùn)動(dòng)中則主要是重力、阻力和慣性力作用。天然河道一般呈紊流狀態(tài)，水流中每一點(diǎn)的瞬時(shí)流速，不論大小和方向都是不斷變化著的，這種現(xiàn)象叫做脈動(dòng)。它有隨機(jī)性，可用統(tǒng)計(jì)理論描述。彎曲河段的水流受重力和離心力作用，出現(xiàn)凹岸水面高于凸岸的現(xiàn)象，形成橫向水面坡度，產(chǎn)生表層水流指向凹岸，底層水流指向凸岸的流速分量，它們與水流縱向運(yùn)動(dòng)合成，使彎道流呈螺旋式運(yùn)動(dòng)，稱為彎道環(huán)流。當(dāng)流域內(nèi)降落暴雨，地面徑流大量迅速地匯集到河槽中，使某些河段內(nèi)水位、流量迅速增加，形成波動(dòng)，向下游傳播，河流也會(huì)產(chǎn)生洪水波運(yùn)動(dòng)。河道水流具有較大的雷諾數(shù)，一般都是紊流，且都能進(jìn)入阻力平方區(qū)。從工程角度來(lái)看，這是把河道水流的流型歸屬于阻力平方區(qū)的重要原因之一。當(dāng)然，不能進(jìn)入阻力平方區(qū)河道水流也不是完全沒有。另外，河道水流的流態(tài)或河勢(shì)要比簡(jiǎn)單的棱柱體明渠流的流態(tài)復(fù)雜得多，除了正流以外，還有副流。正流，亦稱主流、元生流，它是河道水流中的主體部分。它的流向與河道縱比降趨向相一致。在河道水流中，與正流相對(duì)應(yīng)的，有副流或次生流。所謂副流或次生流就是從屬于正流的水流，不能單獨(dú)存在。這種副流或次生流，有的具有復(fù)歸性，或者基本上與正流脫離，在一個(gè)區(qū)域內(nèi)呈循環(huán)式的封閉流動(dòng)；或者與正流或其他副流結(jié)合在一起，呈螺旋式的非封閉的復(fù)歸性流動(dòng)。泥沙運(yùn)動(dòng)特征在通常情況下，河口的泥沙沿程在漲潮時(shí)間沖淤分布情況變化不大。在落潮時(shí)間，沿程基本上都轉(zhuǎn)為沖刷。在整個(gè)漲落潮周期內(nèi)，泥沙總的沖淤量基本上接近相互抵消［7］河口地區(qū)，徑流、潮流、風(fēng)浪共存，水流、泥沙運(yùn)動(dòng)均具有很強(qiáng)的非恒定性,非恒定輸沙也正是未來(lái)泥沙科學(xué)發(fā)展的主要生長(zhǎng)點(diǎn)之一⑻。海岸河口泥沙運(yùn)動(dòng)有如下特點(diǎn)⑼:波浪、潮流是泥沙運(yùn)動(dòng)的主要?jiǎng)恿?，泥沙運(yùn)動(dòng)具有非恒定性；泥沙運(yùn)動(dòng)具有非飽和性(不平衡輸沙)，即水體含沙量不一定等于水體挾沙力或說(shuō)水體含沙量并不是總等于挾沙力；泥沙顆粒很細(xì)，受鹽水和泥沙本身的電化學(xué)性質(zhì)及吸附作用的影響,懸移質(zhì)(懸沙)一般呈絮凝沉降；由于泥沙粒徑較細(xì),泥沙運(yùn)動(dòng)通常屬于懸移質(zhì)運(yùn)動(dòng)范疇［1］,在潮汐河口及其附近海域,底床的沖淤變化主要由懸沙造成；海岸河口水體大多屬于低含沙水體，懸移質(zhì)的存在不影響水流動(dòng)力。而對(duì)長(zhǎng)江口泥沙輸移特性進(jìn)行了研究，結(jié)果表明：泥沙再懸浮由潮流驅(qū)動(dòng)，造成懸沙含量變化滯后于流速的變化，懸沙含量的峰值滯后于流速峰值〃在流速達(dá)到最大值后，懸沙含量才達(dá)到最大值,相應(yīng)地，在流速達(dá)到最小值后懸沙含量才達(dá)到最小值。橫沙通道既是漲潮串溝又是落潮串溝，以落潮串溝為主。懸沙含量(含臨底懸沙含量)在一個(gè)漲落潮過程中可出現(xiàn)兩個(gè)峰值,第一個(gè)峰值出現(xiàn)在轉(zhuǎn)流后的2—h3內(nèi)，第二個(gè)峰值出現(xiàn)在漲!落潮流速最大或稍后一些。河流中泥沙在水流作用下產(chǎn)生的各種運(yùn)動(dòng)。泥沙按其在水流中的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，分為推移質(zhì)和懸移質(zhì)。推移質(zhì)指受拖曳力作用沿河床滾動(dòng)、滑動(dòng)或跳躍前進(jìn)的泥沙；懸移質(zhì)指受重力作用和水流紊動(dòng)作用懸浮于水中隨水流前進(jìn)的泥沙。在一定水流條件下，這兩種泥沙可以互相轉(zhuǎn)化。泥沙運(yùn)動(dòng)機(jī)理河口的泥沙來(lái)源主要分為陸相和海相來(lái)源，陸相主要是徑流的大小和上游沙源的富貧。海相來(lái)源主要是潮汐的作用，外海波浪的挾沙運(yùn)動(dòng)，所帶來(lái)的泥沙⑶。河口海岸泥沙運(yùn)動(dòng)機(jī)理為波浪掀沙、潮流輸沙［1］。在河口地區(qū)，除了潮流帶動(dòng)泥沙運(yùn)動(dòng)之外，波浪也是泥沙運(yùn)動(dòng)的另外一個(gè)主要?jiǎng)恿?。河口水流具有振蕩特征，必須考慮潮汐、波浪對(duì)泥沙運(yùn)動(dòng)的影響。振蕩流的湍流特性、猝發(fā)特征及其與泥沙起動(dòng)、近底泥沙上揚(yáng)通量等的定量關(guān)系的研究將極大地促進(jìn)河口泥沙運(yùn)動(dòng)理論的發(fā)展。泥沙輸移主要受控于徑流、潮流和鹽水異重流。與河流相比，在海岸河口地區(qū)，潮流運(yùn)動(dòng)與河流運(yùn)動(dòng)不同,懸移質(zhì)運(yùn)動(dòng)是主要的，推移質(zhì)運(yùn)動(dòng)相對(duì)較小。海岸河口泥沙運(yùn)動(dòng)十分復(fù)雜，泥沙運(yùn)動(dòng)及底床沖淤演變是由波浪、潮流、徑流、波生流、風(fēng)等多種動(dòng)力因素共同造成的（同時(shí)泥沙運(yùn)動(dòng)還受鹽度及自身粒徑等的影響）［9］。懸沙隨徑流進(jìn)入潮流界后，雖有兩向流存在，但漲、落潮含沙量的垂線分布基本上與河流相同。河口地區(qū)的泥沙輸移出現(xiàn)三種類型的環(huán)流形式:一是深槽中表層出沙、底層進(jìn)沙的垂向環(huán)流；二是漢道中北側(cè)進(jìn)沙、南側(cè)出沙的平面環(huán)流;三是橫斷面上表層與底層因橫向環(huán)流引起的橫向輸沙。對(duì)于鹽水楔型河口，下方高含鹽度水體與上方低含鹽度水體（流向海洋）之間沒有或很少存在交換。陸相徑流與海相潮流相互作用的結(jié)果是形成細(xì)沙聚集的含沙量峰值帶，并在陸相與海相粗沙推移質(zhì)匯合處形成沙洲。部分細(xì)沙繼續(xù)隨淡水流向海洋，但隨淡水與海水混合強(qiáng)度的減弱，最終將會(huì)返回并加入流向陸相的鹽水體之中，這一過程稱為河口泥沙“分選”機(jī)理。研究表明（Dyer，1979）:能夠在含沙量峰值帶沉積的泥沙粒徑范圍十分有限，河口淤泥與咸水灘位置與含沙量峰值帶位置密切相關(guān)。部分混合型河口由于不出現(xiàn)含沙量峰值帶，陸相徑流與海相潮流的相互作用使得這類河口的大部分河段表現(xiàn)出朝向陸相的床面粗沙推移運(yùn)動(dòng)以及朝向海相的水面細(xì)沙懸浮運(yùn)動(dòng)特征。盡管強(qiáng)潮、強(qiáng)流有利于部分混合型河口細(xì)沙與粗沙的交換，但其主要泥沙運(yùn)動(dòng)特征仍表現(xiàn)為淤積為主［1。］。對(duì)于河流而言，其泥沙也主要來(lái)自于降水和徑流所造成的土壤侵蝕⑵。要而一些人為因素以及自然條件，也會(huì)對(duì)河流泥沙造成重大影響。河流水沙關(guān)系是反映河流徑流量和泥沙含量匹配關(guān)系的指標(biāo)，不同類型水沙關(guān)系的河流，有著不同的泥沙沉積特征。研究河流水沙關(guān)系，對(duì)揭示河流泥沙時(shí)空變化規(guī)律和來(lái)源,分析河流泥沙沉積特征和河道整治措施均有重要作用。影響河流徑流量的因素也很多，如前期降水量、降水特征、地下水補(bǔ)給條件、水系特征、蒸發(fā)量、流域下墊面因素等uh。在河流中泥沙都是在非恒定流中輸送的，在一般情況下，無(wú)論是推移質(zhì)還是懸移質(zhì)，一般都處于不平衡輸沙狀態(tài)，這種狀態(tài)又稱為非飽和輸沙狀態(tài)。當(dāng)水流處于不平衡輸沙狀態(tài)時(shí)，它總是通過在流動(dòng)空間上的自動(dòng)調(diào)整作用，使含沙量沿程變化，力圖與水流挾沙力相適應(yīng)，達(dá)到飽和（平衡）輸沙狀態(tài)。當(dāng)水流中的泥沙含量超過水流的挾沙力時(shí)，水流處于超飽和狀態(tài)，河床沿程發(fā)生淤積。反之，當(dāng)小于飽和含沙量時(shí)，水流處于次飽和狀態(tài)，河床沿程沖刷。通過這種淤積或沖刷，使水流中的泥沙含量趨于飽和，河床恢復(fù)不沖不淤平衡狀態(tài)。嚴(yán)格的說(shuō)，飽和輸沙狀態(tài)在非恒定流條件下是不可能達(dá)到的，但沖積河流調(diào)整具有平衡傾向性，朝著相對(duì)平衡狀態(tài)方向演變，當(dāng)河流處于相對(duì)平衡狀態(tài)時(shí)，就平均情況而言，可以認(rèn)為達(dá)到了飽和輸沙狀態(tài)。參考文獻(xiàn)：.陸永軍，左利欽等.波浪與潮流共同作用下二維泥沙數(shù)學(xué)模型[J].泥沙研究，2005（12）..程?hào)|升，王兆印等.東江上游河流水沙分析[J].泥沙研究，2008（12）..溫隨群，邢煥政.海河口水沙特征及運(yùn)動(dòng)規(guī)律分析[J].海河水利，2004..李東風(fēng)，張紅武等.黃河河口水沙運(yùn)動(dòng)的二維數(shù)學(xué)模型[J].水利學(xué)報(bào)，2004（6）..于東生.基于ADCP的長(zhǎng)江口水沙運(yùn)動(dòng)分析及三維水流數(shù)學(xué)模型[J].2004（12）.