中國(guó)河口最大渾流型特征及成因分析

中國(guó)河口最大渾流型特征及成因分析

在河口的局部范圍內(nèi)，上游和下游段的含沙量穩(wěn)定大于上游和下游段的兩倍，底部含沙量顯著增加，床面經(jīng)常有漂浮的沉積物。這些現(xiàn)象的區(qū)域被稱為“最大渾濁帶”。它是反映河口細(xì)顆粒泥沙輸移的一種典型現(xiàn)象,是河口“過(guò)濾器”作用的突出表現(xiàn)。早在1938年就有關(guān)于法國(guó)吉倫特河口(LaGironde)最大渾濁帶的報(bào)道,由于這一現(xiàn)象在河口航道維護(hù)以及河口學(xué)理論上的重要性,近數(shù)十年來(lái),也引起北歐、英國(guó)和美國(guó)研究者的廣泛重視,他們從不同學(xué)科出發(fā),對(duì)世界上許多河口的最大渾濁帶作了調(diào)查研究,就其成因、時(shí)空變化規(guī)律及其對(duì)河口淤積的影響提出了各自的見(jiàn)解,并嘗試建立數(shù)學(xué)模型進(jìn)行描述,至今已取得很多進(jìn)展。相對(duì)而言,我國(guó)對(duì)河口最大渾濁帶的專門研究開(kāi)展較遲,但進(jìn)展頗為迅速。作者等于1980年對(duì)長(zhǎng)江河口最大渾濁帶的變化規(guī)律及其成因進(jìn)行了初步探討1,揭開(kāi)了我國(guó)研究河口最大渾濁帶的序幕。嗣后,同類研究在其它河口及長(zhǎng)江河口相繼展開(kāi)。吳超羽2(1981)、賀松林(1983)對(duì)甌江河口,畢敖洪等(1984)、謝欽春等(1998)、李伯根等、(1999)對(duì)椒江河口,田向平(1986)對(duì)珠江河口伶仃洋,蘇紀(jì)蘭等(1992)、李炎等(1992)對(duì)杭州灣,孫志林(1993)對(duì)我國(guó)的強(qiáng)混合河口,沈煥庭等(1984、1992、1993、1994)、時(shí)偉榮等(1993a、1993b)、孫介民等(1993)、李九發(fā)等(1994)、姚運(yùn)達(dá)等(1994)、黃世昌等(1994)、沈健等(1995)、顧新根等(1995)、徐兆禮等(1995)、賀松林等(1996)、陳敏等(1996)、夏初興等(1996)、潘定安等(1996、1999)、時(shí)鐘等(2000)、楊作升等1、2(1987、1999)對(duì)黃河口等的最大渾濁帶進(jìn)行了研究,取得了一系列有價(jià)值的研究成果。研究表明,不同類型的河口其最大渾濁帶具有不同的特性、形成機(jī)制和時(shí)空變化規(guī)律。我國(guó)入海河口眾多,類型復(fù)雜,這為深入研究河口最大渾濁帶提供了有利條件。本文試圖在上述一系列研究的基礎(chǔ)上,對(duì)我國(guó)一些河口的最大渾濁帶作綜合分析,比較它們形成的環(huán)境背景和特點(diǎn),并進(jìn)行成因分類,以期將此項(xiàng)具有重要理論和實(shí)踐意義的研究引向深入。1臺(tái)、瓊及其他海域的河流類型河口最大渾濁帶的形成機(jī)制和類型與河口的基本特性密切相關(guān),故有必要先論述本文擬討論河口的基本特性。我國(guó)入海河口眾多,類型復(fù)雜,據(jù)初步統(tǒng)計(jì),在包括臺(tái)、瓊及其它一些大島在內(nèi)的長(zhǎng)達(dá)21000多公里的海岸線上,分布著大小不同、類型各異的河口1800多個(gè),其中河流長(zhǎng)度在100公里以上的河口有60多個(gè)。本文選擇長(zhǎng)江口、珠江口、黃河口、錢塘江口、甌江口和椒江口等6個(gè)河口作為研究對(duì)象,其中前4個(gè)是我國(guó)著名的大河口,后二個(gè)是頗具特色的中小河口,這6個(gè)河口基本上能反映我國(guó)河口的特色和類型。1.1主要采用混合b傷口屬于此種類型的河口有長(zhǎng)江口和珠江口。其共同特性是:(1)漢季510月徑流及枯季114月長(zhǎng)江口大通站(位于枯季潮區(qū)界)最大流量為92600m3/s,年徑流總量9240億m3,最大徑流變率為20。洪季(5～10月)徑流量占全年的71.7%,枯季(11～4月)占全年的28.3%。珠江口伶仃洋有珠江四大分流河口(虎門、蕉門、洪奇瀝和橫門)注入,多年平均流量為5663m3/s,年徑流總量為1792.6億m3,約占珠江出?？倧搅髁康?9%,洪季(4～9月)徑流量占全年的80%,枯季(10～3月)的徑流量?jī)H占20%。(2)潮潮和穩(wěn)定期長(zhǎng)江口是一個(gè)中潮河口,南支口門附近多年平均潮差為2.66m,最大潮差4.62m,北支潮差比南支大,三條港的多年平均潮差為3.06m,最大潮差5.01m。在上游徑流接近年平均流量,口門潮差接近年平均情況下,河口漲潮量為266300m3/s,約為平均流量的9倍。伶仃洋的平均潮差小于2m,是個(gè)弱潮河口灣,但由于口門寬闊,河槽容積大,因而進(jìn)潮量很大,從下邊界進(jìn)入伶仃洋的平均漲潮量為73500m3/s,約為平均流量的13倍。外海潮波進(jìn)入這二個(gè)河口后均發(fā)生變形。反映在流速和歷時(shí)上,漲潮歷時(shí)縮短和流速增強(qiáng),落潮歷時(shí)延長(zhǎng)和流速減弱。此種潮汐不對(duì)稱性對(duì)渾濁帶泥沙的集聚有重要作用。(3)全年以b型為主,僅有高沙潮、低潮、水潮、鹽潮一般在不同季節(jié)內(nèi)發(fā)生c型長(zhǎng)江口南支的南槽、北槽和北港下段,除枯季大潮出現(xiàn)充分混合型(C型)以及洪季洪峰遇小潮時(shí)出現(xiàn)高度分層型(A型)外,全年以B型出現(xiàn)機(jī)率最多,伶仃洋的鹽淡水混合,無(wú)論洪季或枯季,大潮或小潮,一般為B型,在枯季大潮遇徑流偏小的情況下可出現(xiàn)C型,在洪季小潮遇徑流偏大的情況下可出現(xiàn)A型。由于這兩個(gè)河口的混合型均以B型為主,故在其口門附近的攔門沙地區(qū),都存在明顯的上層凈流向海、下層凈流向陸的縱向環(huán)流,此種環(huán)流也是促使泥沙在渾濁帶集聚的重要原因。(4)年生時(shí)期廢水排放長(zhǎng)江大通站的平均含沙量為0.544kg/m3,年平均輸沙量達(dá)4.86億噸,其中洪季的輸沙量占全年的87.2%。珠江水系的含沙量比長(zhǎng)江小很多,進(jìn)入河口區(qū)各干道的平均含沙量?jī)H為0.283kg/m3,約為長(zhǎng)江的1/2,但由于徑流豐沛、平均每年進(jìn)入河口區(qū)的輸沙量也達(dá)8336萬(wàn)噸,其中約有3064萬(wàn)噸進(jìn)入伶仃洋,洪季的輸沙量占全年的91.7～95.8%。由于流域的來(lái)水來(lái)沙豐富,故渾濁帶的泥沙以流域來(lái)沙為主,在洪季尤為如此。1.2主要采用混合c型河口錢塘江口、甌江口、椒江口和黃河口屬于此種類型,其中前三個(gè)河口的共同特性是:(1)徑流總量與年際變化這三條河流均屬山溪性河流,流程短,流域面積小,落差大,故徑流量小,季節(jié)性變化特大,如甌江全長(zhǎng)376km全程落差1800m,在17958km2的流域面積中,山地占80%,是一條典型的山溪性河流,干流圩仁站多年平均流量469m3/s,加上支流楠溪江的流量68.6m3/s,平均每年入海徑流總量169.5億m3,汛期4～9月徑流量占全年的78%以上,最大洪峰流量23000m3/s,最小流量?jī)H10.6m3。椒江全長(zhǎng)190km,流域面積4290km2,多年平均流量163m3/s,年徑流量66.6×108m3,汛期4～9月徑流量占全年的76%,洪水暴漲暴落,最大洪峰流量16300m3/s,最小流量不到0.39m3/s,錢塘江全長(zhǎng)688km,流域面積55558km2,年平均流量988m3/s,年徑流總量311.8億m3,汛期3～9月徑流量占全年的70%,最大洪峰流量29000m3/s,最小流量22.4m3/s。(2)潮差深值型河口這三個(gè)河口均位于強(qiáng)潮海區(qū),故潮差比較大。甌江河口口門平均潮差4.29m,平均進(jìn)潮量3.0～3.9億m3,山潮水比值僅0.06～0.08。椒江口海門站平均潮差4.01m,最大潮差6.30m,小潮進(jìn)潮量1.4×108m3,山潮水比值為0.04～0.06。錢塘江口澉浦站平均潮差5.58m,最大潮差達(dá)8.93m,平均進(jìn)潮量約37億m3,山潮水比值0.01。此類河口的河床形態(tài)一般呈下寬上窄,是寬度、深度急劇變化的河口。潮波極不對(duì)稱,外海潮波經(jīng)喇叭狀河口灣向口內(nèi)傳播時(shí),潮能輻聚,潮差增大,單位面積潮能在一定距離內(nèi)沿程集中,然后因阻力耗能而逐漸減小,中間存在高能區(qū)。與此相應(yīng),水流切應(yīng)力和流速自灣口向上游沿程增大,于口內(nèi)最大潮能處上游側(cè)達(dá)最大,繼而遞減。落潮流自上游下泄,沿程緩慢加速,而經(jīng)口門入海擴(kuò)散時(shí),水流切應(yīng)力和流速隨之迅速減弱。同時(shí),潮波進(jìn)入口門后也急劇變形,前坡迅速增陡,后坡變緩,到沙坎河段,由于水深驟淺便破碎形成涌潮。如在錢塘江口就形成舉世聞名的涌潮,在長(zhǎng)江口北支的永隆沙至青龍港河段也時(shí)有涌潮出現(xiàn)。由上述可見(jiàn),潮汐作用是此類河口最大渾濁帶形成的主要因素。(3)垂向密度環(huán)流由于潮流十分強(qiáng)勁,而徑流相對(duì)較弱,故這幾個(gè)河口的混合指數(shù)K明顯小于1,一年中大部分時(shí)間鹽淡水處于高度混合狀態(tài),垂向鹽度梯度很小,呈C型,僅在徑流量很大時(shí)才出現(xiàn)B型。故此類河口的垂向密度環(huán)流在大部分時(shí)間難以形成,僅在洪季徑流量很大和小潮時(shí)才有所發(fā)育。此與以B型為主的長(zhǎng)江口和珠江口有明顯不同,它不能成為此類河口最大渾濁帶形成的主要原因。(4)最大東南角枯季水體泥沙特征甌江口圩仁站的平均含沙量為0.165kg/m3,年輸沙量?jī)H230萬(wàn)噸,主要集中在汛期,如1960年和1971年汛期的輸沙量分別占全年的95%和99%。椒江河口的平均含沙量為0.23kg/m3,年輸沙量123.4×104t,流域來(lái)沙輸移質(zhì)中的細(xì)砂占27.6%,粉砂占46.1%,粘土占26.3%,中徑為0.047mm,而最大渾濁帶的泥沙其細(xì)粉砂占30%,粘土占70%,中徑為0.007mm?？菁舅w懸沙濃度明顯高于洪季,懸沙粘土礦物成分與長(zhǎng)江口、浙江沿海的成分相似,顯然,其細(xì)顆粒泥沙主要來(lái)自海域。錢塘江流域來(lái)水的平均含沙量為0.16kg/m3,年輸沙量為790萬(wàn)噸,而地處最大渾濁帶的澉浦河段,大潮最大垂線平均含沙量達(dá)14.86～22.02kg/m3,尖山斷面曾測(cè)得最大含沙量達(dá)51.1kg/m3?？梢?jiàn)甌江、椒江和錢塘江基本上均屬清水河流,輸入河口區(qū)的泥沙量很少,河口最大渾濁帶的泥沙主要來(lái)自海域。黃河口是一個(gè)比較特殊的河口,它潮差很小,而徑流量相對(duì)較大,按此種情況,鹽淡水混合應(yīng)屬于B型或A型,但在渾濁帶發(fā)育的攔門沙灘頂?shù)貐^(qū)水深很淺,通常高潮時(shí)2m,低潮時(shí)1m,由于這一因素使其在大部分時(shí)間從表層到底層鹽度分布均勻,無(wú)分層現(xiàn)象,呈C型。故鹽淡水異重流也不明顯,但因輸沙量很大,受高強(qiáng)度輸沙的影響,在水體下層形成密度高而鹽度低的泥沙異重流,中層是鹽度較高但泥沙較少的入侵水體,上層是泥沙濃度和鹽度較小的泥沙異重流。表1給出了上述6個(gè)河口最大渾濁帶的環(huán)境背景及特性的比照。2在最大黑暗帶中的共同性和異質(zhì)性從以上六個(gè)河口最大渾濁帶所處的環(huán)境背景及其變化規(guī)律可以看出它們既有一些共性,又各具特色。2.1最大東南角泥沙這是最大渾濁帶賴以發(fā)育的物質(zhì)基礎(chǔ)。然而細(xì)顆粒泥沙主要得自流域還是得自海域,有兩種情況:一種是主要靠流域補(bǔ)給,如長(zhǎng)江口、珠江口、黃河口。由于流域供沙汛期明顯多于枯期,因而最大渾濁帶的含沙濃度都是汛期大,枯期小,而且河流輸沙量越大,其河口的最大渾濁帶含沙濃度越高,在合適潮情配合下,汛期最大渾濁帶核部的床面還出現(xiàn)浮泥;另一類是主要靠海域補(bǔ)給,如甌江口、椒江口、錢塘江口和長(zhǎng)江口北支。由潮流將口外的細(xì)顆粒泥沙從口外輸入河口,河流本身多屬山溪性河流,坡降大,流程短,汛期向河口輸送的物質(zhì)多為粗顆粒泥沙,細(xì)顆粒泥沙為量甚少。此類河口的最大渾濁帶以枯季發(fā)育最佳。2.2泥沙聚合性分析集聚的區(qū)段就在動(dòng)力平衡帶或鹽淡水的主混合帶。徑流挾運(yùn)泥沙向海輸移,進(jìn)入河口段會(huì)因潮水的頂托而趨弱,潮流的不對(duì)稱性和斯托克斯等效應(yīng)驅(qū)使泥沙向河口內(nèi)搬運(yùn),進(jìn)入河口后因徑流的下泄而受阻,兩者之間形成在一個(gè)勻勢(shì)相持、凈流程很短的平衡區(qū)段,在這個(gè)區(qū)段,泥沙在一個(gè)潮周期內(nèi)的凈位移很小,滯留時(shí)間長(zhǎng),滯留則沙聚。再者,鹽淡水的主混合帶鹽度縱向梯度大,指向上游的密度梯度力總是助長(zhǎng)漲潮流,削弱落潮流,從而在某一部位的向海一側(cè)下層出現(xiàn)凈上溯流,使一部分口外泥沙重返口內(nèi),也阻截了一部分流域泥沙向海輸移。一般而言,這兩種集聚因素在入海河口都起著富聚泥沙的作用,只是主次而已。錢塘江口、甌江口、椒江口、黃河口的最大渾濁帶主要與動(dòng)力平衡帶有關(guān),鹽水入侵因素為次。長(zhǎng)江口和珠江口鹽水入侵因素對(duì)最大渾濁帶的影響明顯,最大渾濁帶的形成動(dòng)力平衡帶和鹽水入侵都起著重要的作用。2.3泥沙主要靠流域補(bǔ)給的河口最大渾濁帶的核部漲潮上推,落潮下移,大潮偏上游,小潮偏下游。但季節(jié)性變化存在明顯的差異:徑流變率小、潮汐強(qiáng)度居中弱、泥沙主要靠流域補(bǔ)給的河口,其渾濁帶是洪興枯衰,如長(zhǎng)江口、珠江口;而徑流變率大、泥沙主要靠海域補(bǔ)給的山溪性強(qiáng)潮河口,其渾濁帶則是枯興洪衰,特大洪水時(shí),渾濁帶甚至被推出口外或含沙濃度大大減小,如甌江口、椒江口、錢塘江口。黃河口則是一個(gè)特例,它處于弱潮環(huán)境,徑流變率盡管也很大,但洪峰時(shí)黃河本身就是高含沙濃度水流,因此其渾濁帶也是汛期比枯期典型。2.4最大東南角帶懸沙沉降在最大渾濁帶的核部活動(dòng)區(qū)段內(nèi),床底都相應(yīng)存在地形隆凸的堆積體,或是攔門沙(如長(zhǎng)江口、珠江口、黃河口等),或是河口沙坎(如錢塘江、長(zhǎng)江口北支)或是攔門沙、沙坎均有(甌江口)。最大渾濁帶懸沙沉降對(duì)這些堆積體的形成有重要的貢獻(xiàn);反過(guò)來(lái),堆積體形成后以及沉積物的再懸浮又對(duì)最大渾濁帶產(chǎn)生影響。3鹽淡水混合私家車相染河口最大渾濁帶形成需有二個(gè)基本條件:一是有豐富的細(xì)顆粒泥沙補(bǔ)給,二是存在使泥沙在特定區(qū)段集聚的動(dòng)力機(jī)制。兩者構(gòu)成了劃分最大渾濁帶成因類型的基本依據(jù)。最大渾濁帶的泥沙有河流的、海洋的、侵蝕的、生物產(chǎn)生的和工業(yè)、城市垃圾等多種來(lái)源,但主要有陸源和海源兩大類。所謂陸源指河流從河口上游搬運(yùn)而來(lái);所謂海源系指從口外海濱或鄰近海域搬運(yùn)而來(lái),其礦物組合與流域來(lái)沙有明顯差異。對(duì)某個(gè)河口而言,說(shuō)是“陸源”并非無(wú)海域來(lái)沙,說(shuō)是“海源”也不是無(wú)流域來(lái)沙,而是指何種來(lái)源為主。促使細(xì)顆粒泥沙在最大渾濁帶集聚的機(jī)制比較復(fù)雜,有沉降和起動(dòng)滯后效應(yīng)、絮凝作用、河口環(huán)流、潮波變形、潮流沖刷作用、高濃度懸浮體的懸浮作用和鋒面的集聚等多種,但歸納起來(lái)主要可分成兩大類:一類與潮汐作用有關(guān),由此形成的最大渾濁帶謂之潮汐渾濁帶或潮致渾濁帶;另一類與鹽淡水混合有關(guān),由此形成的渾濁帶謂之鹽淡水混合渾濁帶或鹽致渾濁帶。潮汐作用主要表現(xiàn)在二個(gè)方面:一是外海潮波在向河口傳播過(guò)程中逐漸發(fā)生變形:前坡增陡,后坡變緩;漲潮歷時(shí)縮短,落潮歷時(shí)加長(zhǎng);漲潮流速增大,落潮流速減小。此種不對(duì)稱性導(dǎo)致斯托克斯輸移,使由徑流挾帶下泄的部分泥沙和漲潮流帶來(lái)的部分泥沙被截留下來(lái),集聚在徑流與潮流勢(shì)均力敵的動(dòng)力平衡帶內(nèi),從而形成最大渾濁帶。二是底沙再懸浮。在潮流、波浪等動(dòng)力因子作用下,最大渾濁帶內(nèi)的泥沙部分處于持續(xù)懸浮狀態(tài),部分處于懸浮—沉降—再懸浮的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。由于在河口特別是C型河口普遍存在與最大渾濁帶相吻合的強(qiáng)切應(yīng)力場(chǎng),故床面水流切應(yīng)力有規(guī)律地先沿程增強(qiáng)爾后遞減是造成最大渾濁帶含沙濃度高的重要因素。如錢塘江口、椒江口等,其最大含沙量可高達(dá)50kg/m3以上。鹽淡水混合作用主要表現(xiàn)在三個(gè)方面:一是鹽水楔異重流,即垂向密度環(huán)流。在滯流點(diǎn)上游,凈流從表層到底層均向海,而在滯流點(diǎn)下游,出現(xiàn)上層凈流向海,下層凈流向陸的垂向余環(huán)流。此種環(huán)流不僅阻礙流域來(lái)沙向海排泄,而且也能捕集向海側(cè)的泥沙,從而使大量泥沙在滯