徑流和潮流對(duì)潮汐河口水流挾沙力的影響

徑流和潮流對(duì)潮汐河口水流挾沙力的影響

1he流域和潮流界等時(shí)變河流的截沙特性長(zhǎng)江河口是相對(duì)于地表徑流和波浪水流的平均河口。水流和懸沙流量之間的關(guān)系比流量河流和海上河流復(fù)雜。近年來(lái),國(guó)內(nèi)學(xué)者對(duì)徑流河段和河口潮流區(qū)域水流挾沙力公式進(jìn)行了大量研究。這些研究主要是基于S=k(U3/ghw)m和S=k(U2/gh)m形式的豐富或發(fā)展,其中流域、潮區(qū)界和潮流界之間河段水流挾沙力公式主要應(yīng)用前者,近岸海域或是河口口門水流挾沙力主要采用后者。而對(duì)于潮流界和滯流點(diǎn)之間感潮河段的水流挾沙力,一般是將上述的兩個(gè)公式重新率定系數(shù)直接挪用,或是采用兩者線性聯(lián)合擬合的水流挾沙力公式。在不同河流的潮流區(qū)域則通過(guò)引入潮差、背景含沙量、前期含沙量和床沙中值粒徑等參數(shù)較好地模擬水流挾沙力特征。此外,也有通過(guò)引入理想情況下簡(jiǎn)諧波動(dòng)的流速和水深比值為參數(shù),建立河口時(shí)變水流挾沙力公式,其適用于徑流影響較弱的河口或海岸區(qū)域。上述研究對(duì)認(rèn)識(shí)潮汐河口水流挾沙力有重要意義,但建立的近口段(潮流界以下)水流挾沙力公式需區(qū)分洪季和枯季,或需因不同潮型而重新率定參數(shù),因而在實(shí)際應(yīng)用中會(huì)受到限制,未能完全反應(yīng)河口徑流和潮流共同作用下的水流挾沙能力,甚至?xí)?dǎo)致水沙數(shù)學(xué)模型計(jì)算的河床演變及趨勢(shì)預(yù)測(cè)結(jié)果出現(xiàn)偏差。因此,有必要對(duì)長(zhǎng)江口近口段水流挾沙力進(jìn)行深入研究,建立兼有徑流和潮流水動(dòng)力變化過(guò)程的水流挾沙力公式,更好地反應(yīng)徑流和潮流水動(dòng)力共同影響河段的水流挾沙能力特征。本文在研究長(zhǎng)江河口近口段水流與懸沙濃度變化的基礎(chǔ)上,建立了同時(shí)含有徑流和潮流水動(dòng)力變化因素的水流挾沙力公式,通過(guò)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)公式合理性進(jìn)行率定和檢驗(yàn),并討論了徑流和潮流水動(dòng)力對(duì)漲潮和落潮時(shí)水流挾沙能力的影響。2長(zhǎng)江口水流的懸砂和輸送沙力公式2.1懸沙濃度和深水長(zhǎng)江河口多年洪季潮區(qū)界位于九龍港附近,本文選取近口段狼山沙―石化下河段,水流、懸沙濃度及水深數(shù)據(jù)為2004年洪季和2005年枯季實(shí)測(cè)數(shù)值,兩次測(cè)量的斷面和測(cè)點(diǎn)布置相同,如圖1所示。流速和懸沙濃度的測(cè)量采用六點(diǎn)法,流速、懸沙濃度及水深均為半潮平均值,潮位、潮差采用徐六涇水文站數(shù)據(jù),流量采用大通站3天流量的平均值。2.2斷面懸沙分布以徐六涇斷面測(cè)點(diǎn)為參照,分析水流流速與懸沙濃度之間關(guān)系,如圖2和圖3所示。從圖中可知,漲潮時(shí),相同流速下的懸沙濃度洪季大于枯季,落潮時(shí)相同流速下的懸沙濃度也相同,仍為洪季大于枯季。其它斷面也遵循同樣規(guī)律,但通州沙―石化下斷面洪季和枯季漲潮和落潮時(shí)相同流速下懸沙濃度的差值越向下游越小。長(zhǎng)江流域入海水量和沙量均表現(xiàn)為洪季大于枯季,且懸沙濃度也為洪季高于枯季。長(zhǎng)江口徐六涇―南北槽段的懸沙濃度表現(xiàn)為洪季大于枯季,落潮大于漲潮;長(zhǎng)江口外水域懸沙濃度則為枯季大于洪季,大潮大于小潮。這是由于長(zhǎng)江口近口段和河口段的潮汐變化規(guī)律明顯不同,河口段年內(nèi)潮差變化表現(xiàn)為洪季大于枯季,近口段表現(xiàn)為枯季大于洪季。因此,長(zhǎng)江口近口段―口外海濱段懸沙濃度有季節(jié)的差異,主要是由于洪季和枯季徑流和潮流水動(dòng)力不同所致。2.3漲潮水動(dòng)力影響因素的擬合分析由上文可知,長(zhǎng)江口近口段洪季和枯季漲潮與落潮時(shí)相同流速下的懸沙濃度并不相同,引起這一差異主要為徑流和潮流水動(dòng)力作用的不同。在以往研究中,習(xí)慣以潮差與徑流量比值來(lái)表征河口水動(dòng)力參數(shù),但影響河口漲潮動(dòng)力因素還有漲潮前期的落潮低水位,落潮低水位越高,前期下泄落潮水動(dòng)力越強(qiáng),對(duì)后期漲潮動(dòng)力抑制作用也越大。本文歸納影響河口漲潮動(dòng)力的因素為落潮低水位(平均低潮位與理論基面的差值Hd,單位:m)、平均潮差(Hc,單位:m)和下泄徑流流量(Q,單位:104m3/s)3個(gè)主要因素。為研究各因素對(duì)漲潮水動(dòng)力的影響,以徐六涇斷面1998年實(shí)測(cè)漲潮流量數(shù)據(jù)為基礎(chǔ),建立漲潮流量與3個(gè)因素的關(guān)系曲線,計(jì)算值流量和實(shí)測(cè)流量的比較如圖4所示。徐六涇斷面漲潮流量Qz擬合曲線為:從式(1)中參數(shù)的系數(shù)變化分析可知:3個(gè)參數(shù)能較好地反應(yīng)漲潮流量變化,前期落潮平均低水位和下泄徑流流量越大,漲潮流量越小,平均潮差越大,漲潮水量也越大,這符合潮汐河口水動(dòng)力作用特征和基本規(guī)律。以往表征潮流和徑流水動(dòng)力作用的系數(shù)一般以潮差和徑流比值來(lái)衡量,或是在海域以潮差和水位來(lái)表征潮流動(dòng)力,在長(zhǎng)江口近口段難于應(yīng)用。因此需重新定義表征徑流和潮流水動(dòng)力變化參數(shù),以徐六涇站漲潮流量和大通站下泄流量的比值定義為潮徑比L,即有該參數(shù)能有效的反應(yīng)徑流和潮流水動(dòng)力相互作用的過(guò)程,且各參數(shù)的物理意義明確。3設(shè)計(jì)閉合段內(nèi)的水流輸送公式3.1浮沙過(guò)程中潮水沙場(chǎng)的計(jì)算經(jīng)典挾沙力如式(3)和式(4)所示:式中:k和m為參數(shù);U為半潮平均流速,單位為m/s;g為重力加速度,單位為m2/s;H為水深,單位為m;ω為沉降速度,單位為m/s。本文以上述兩公式為基礎(chǔ),研究建立包含徑流、潮流水動(dòng)力相互作用條件下的漲潮、落潮水流挾沙力公式。式(3)中,由于近口段懸沙中值粒徑變化不大,即認(rèn)為ω近于定值,可忽略該參數(shù)變化的影響。并可將挾沙力S*歸結(jié)為U和H的不同組合形式。由于重力加速度g為9.81m2/s,也暫不考慮該常數(shù)變化。由此,式(3)與式(4)引入潮徑比參數(shù)L后可變?yōu)?3.2潮徑比參數(shù)的影響以徐六涇斷面漲潮和落潮時(shí)期的半潮平均流速-懸沙濃度-水深數(shù)據(jù)對(duì)組合1和組合2參數(shù)進(jìn)行率定,如圖5所示。挾沙力公式的系數(shù)如表1所示。由圖、表對(duì)比可看出,當(dāng)引入潮徑比系數(shù)后,漲潮和落潮時(shí)期水流挾沙力公式的精度均有所提高,這表明在已有挾沙力公式基礎(chǔ)上引入潮徑比參數(shù)能更好地反應(yīng)水流挾沙能力。綜上所述,在以往的水流挾沙力公式基礎(chǔ)上引入潮徑比參數(shù)后,組合1和組合2兩種組合的挾沙力公式精度均有所提高,且公式涵蓋了不同季節(jié)和潮型的變化,能充分反應(yīng)水流挾沙能力在年內(nèi)的變化過(guò)程,并有效提高了河口水沙數(shù)學(xué)模型中懸沙濃度、河床演變趨勢(shì)預(yù)測(cè)的可靠性。采用三峽水庫(kù)蓄水后實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行的率定,能充分體現(xiàn)出新時(shí)期入海水量和沙量在變化減少過(guò)程情況下的河口水流挾沙能力情況。4不穩(wěn)定區(qū)域內(nèi)水流沙力公式的擬合為了便于分析長(zhǎng)江口近口段潮流界以下的水流挾沙能力和不同徑流和潮流水動(dòng)力的關(guān)系,對(duì)洪季和枯季潮流界以下無(wú)分汊河段水流挾沙力公式進(jìn)行了擬合。主要分析徐六涇斷面下游的石化下斷面、上游的狼山沙斷面及通州沙斷面。4.1種組合水流沙對(duì)石化斷面的影響石化下斷面處于徐六涇斷面以下,南支河段中段,由于北支分流分沙及倒灌的影響范圍有限,暫不考慮北支分流倒灌水沙對(duì)石化下斷面的影響。2種組合水流挾沙力公式擬合如圖6和表2所示。由圖、表可看出,引入潮徑比參數(shù)之后挾沙力公式精度均有所提高,能更好地反應(yīng)石化下斷面的水流挾沙能力情況。4.2涌水流沿沙特性分析狼山沙斷面位于徐六涇斷面上游。利用引入潮徑比參數(shù)的2種組合公式對(duì)漲潮和落潮時(shí)的水流挾沙力進(jìn)行了擬合,如圖7和表3所示。從圖、表中可看出,引入潮徑比參數(shù)之后漲潮和落潮的水流挾沙力公式精度均有所提高,能更好地反應(yīng)狼山沙斷面水流挾沙能力和過(guò)程。4.3潮徑比參數(shù)的影響通州沙斷面位于狼山沙斷面上游。利用引入潮徑比系數(shù)的2種組合公式對(duì)漲潮和落潮時(shí)的水流挾沙力進(jìn)行了擬合,如圖8和表4所示。從圖、表中可看出,引入潮徑比參數(shù)之后漲潮和落潮水流挾沙力精度有所提高,能更好地反應(yīng)通州沙斷面水流挾沙能力和過(guò)程。綜上所述,石化下斷面、狼山沙斷面及通州沙斷面的水流挾沙力在引入潮徑比參數(shù)后,水流挾沙力公式的精度均有所提高,與實(shí)測(cè)值的吻合程度明顯大于式(3)和式(4)傳統(tǒng)的水流挾沙力公式。此外,本文引入的潮徑比參數(shù)能充分體現(xiàn)徑流和潮流水動(dòng)力年內(nèi)不同季節(jié)和潮型的變化,更好地反應(yīng)了潮汐河口年內(nèi)水流挾沙的過(guò)程。因此,引入的潮徑比參數(shù)是合理的,可供其他受徑流影響的潮汐河口應(yīng)用和參考。5水流中的砂力變化與潮汐軸的力關(guān)系5.1徐六經(jīng)濟(jì)斷面的懸沙濃度以徐六涇斷面的水文數(shù)據(jù)計(jì)算該斷面的水流挾沙力的月均變化過(guò)程,如圖9所示。從圖中可以看出,洪季的水流挾沙力大于枯季,且漲潮水流挾沙力小于落潮。由文獻(xiàn)可知,徐六涇斷面的懸沙濃度年平均值為0.1289kg/m3,最大月均值為0.296kg/m3,最小月均值為0.061kg/m3。由文獻(xiàn)可知,徐六涇斷面1998年―2000年表層懸沙濃度均值為0.112kg/m3。本文通過(guò)徐六涇斷面的水流挾沙力公式計(jì)算得到的年均懸沙濃度約為0.092kg/m3,其中漲潮時(shí)平均為0.078kg/m3,落潮時(shí)為0.106kg/m3。由此可看出,本文計(jì)算出的水流挾沙力懸沙濃度與文獻(xiàn)相近,這進(jìn)一步證明了本文結(jié)果的合理性。5.2潮徑比及徑流參數(shù)為了研究徑流和潮流水動(dòng)力變化與水流挾沙力的關(guān)系,將上文的水流挾沙力經(jīng)驗(yàn)公式整理如下格式,分為潮徑比Lc和徑流流量系數(shù)Qc-d。在潮汐河口,無(wú)論潮汐如何變化,下泄的徑流量不會(huì)改變,但徑流的改變則勢(shì)必會(huì)引起潮汐動(dòng)力相應(yīng)的變化。根據(jù)式(7)和式(8),整理表1至表4中的參數(shù),如圖11和圖12所示。從圖中可以看到,狼山沙斷面和通州沙斷面的潮徑比系數(shù)的冪次為正值,徑流系數(shù)為負(fù)值,即當(dāng)徑流不變時(shí),潮流動(dòng)力增強(qiáng),漲潮和落潮的挾沙能力增強(qiáng)。根據(jù)文獻(xiàn)可知,當(dāng)徑流增加時(shí),狼山沙斷面和通州沙斷面潮差減小,潮流減弱,即漲潮懸沙濃度減小。徐六涇斷面和石化下斷面的潮徑比參數(shù)和徑流參數(shù)冪次均為正值,即流量一定時(shí),潮流越強(qiáng),漲落潮水流挾沙能力越強(qiáng),懸沙濃度越大;當(dāng)流量增加時(shí),該河段潮差也增加,這使得漲落潮水流攜帶泥沙的多少取決于徑流和潮流的變化幅度。綜上所述,徑流不變時(shí),潮流增加,近口段漲潮和落潮水流挾沙能力增強(qiáng),即漲潮攜帶的懸沙對(duì)近口段的泥沙起到一定的調(diào)節(jié)和補(bǔ)償作用;徑流增加時(shí),徐六涇以上河段潮差減小,漲潮水流挾沙能力減弱,而徐六涇及以下河段潮差表現(xiàn)為增加。由此表明漲潮和落潮水流挾沙能力取決于徑流和潮流的對(duì)比。6高潮水流沙化本文在傳統(tǒng)水流挾沙力公式中引入了體現(xiàn)潮流和徑流水動(dòng)力作用過(guò)程的潮徑比系數(shù),更好地體現(xiàn)了水流挾沙過(guò)程,克服了不同季節(jié)與潮型分別率定傳統(tǒng)挾沙力公式的缺點(diǎn),并得出以下主要結(jié)論:(1)近口段水流和懸沙濃度基本規(guī)律為:相同流速時(shí),洪季的漲潮懸沙濃