2003年2月7月長江河口懸沙濃度時(shí)空變化特征

2003年2月7月長江河口懸沙濃度時(shí)空變化特征

1河流懸沙分布特性水動(dòng)力是影響河口形狀和促進(jìn)河口發(fā)展的主要?jiǎng)恿σ蛩?。泥沙運(yùn)動(dòng)是動(dòng)力作用與地形發(fā)展之間的聯(lián)系。所以入海泥沙在河口陸海動(dòng)力相互作用下的各種過程引起的懸沙濃度分布與變化是河口海岸工程、沉積地貌演變以及環(huán)境研究需要考慮的首要問題。許多研究者如沈煥庭等、谷國傳對(duì)長江口,梁文、黎廣釗對(duì)廉州灣的懸沙分布特征和輸移規(guī)律做過研究;A.Ruiz等對(duì)西班牙Urdaibai河口,G.R.Tattersall等對(duì)英國的Tamar河口,Herman等對(duì)荷蘭Emsy河口的懸沙濃度在時(shí)間上的分布特征以及輸移規(guī)律進(jìn)行了研究,并建立相關(guān)模型。但是,大部分研究者只是針對(duì)某個(gè)河段或界面討論的較多,對(duì)整個(gè)河口懸沙的整體性、系統(tǒng)性變化特征研究的較少。長江是我國最大的河流,長江的入海口徑流與海洋動(dòng)力作用均十分強(qiáng)勁。長江豐水多沙,年均入海徑流和泥沙分別為9.05×1011m3和4.33×108t(大通站,1951-2000)。隨著長江三峽工程2003年6月正式蓄水、南水北調(diào)工程的動(dòng)工,流域徑流量及其季節(jié)分配勢必會(huì)發(fā)生變化,長江口的大規(guī)模的促淤圍墾工程和已經(jīng)實(shí)施的北槽深水航道治理工程及正在籌劃的河口整體開發(fā)治理工程也會(huì)改變邊界條件,從而改變各汊道的分流比,繼而影響到懸沙濃度的變化。因此,有必要在河口的主要區(qū)間自潮區(qū)界以下,進(jìn)行在空間上上下游貫連、左右汊呼應(yīng),時(shí)間上涵蓋洪枯季和大小潮乃至不同水文年的綜合觀測和比較研究,有利于總體把握懸沙濃度的時(shí)空變化格局,深化認(rèn)識(shí)河口陸海相互作用的特點(diǎn),為長江河口開發(fā)與治理提供科學(xué)的依據(jù)。2黃粱夢(mèng)沙在長江河口區(qū)的觀測2003年2月和7月枯、洪季,華東師范大學(xué)河口海岸國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室在長江口開展了西自江陰附近(經(jīng)度120°21.48′E)東至口外海濱-20m(經(jīng)度122°40′E),分大潮和小潮兩個(gè)潮次的大規(guī)模綜合水文觀測,觀測站點(diǎn)(圖1)遍及長江河口區(qū)各個(gè)重要的關(guān)鍵界面點(diǎn)。洪、枯季都是進(jìn)行先大潮后小潮定點(diǎn)26h連續(xù)觀測。本文所公布的懸沙濃度數(shù)據(jù)是由傳統(tǒng)的六點(diǎn)法所采取的水樣,即在各正點(diǎn)時(shí)刻,分別在相對(duì)水深(Z/H)1.0、0.8、0.6、0.4、0.2及0.0處利用采樣器采集含沙水樣。在室內(nèi)通過63μm濾紙,對(duì)水樣進(jìn)行過濾,然后放入105℃恒溫箱內(nèi)烘干,繼而再放入干燥缸里冷卻6～8分鐘再稱重。將泥沙和濾紙的總重量減去濾紙重量再除以水樣體積得到單位水體中懸沙重量值。本文以兩次所觀測資料為基礎(chǔ),采用數(shù)理統(tǒng)計(jì)、水文學(xué)等方法以江陰-南通-徐六涇-南支(北支)-南港(北港)-南槽(北槽)同步布點(diǎn)的分布格局對(duì)長江河口懸沙濃度的變化特征進(jìn)行分析研究。3砂濃度的時(shí)空變化水體中懸沙濃度的變化是泥沙運(yùn)動(dòng)的重要表現(xiàn)形式,懸沙濃度在時(shí)空上的變化反映了不同的動(dòng)力作用和水深條件下的結(jié)果。3.1懸沙分布的分布縱向分布圖2為長江口水文測站洪、枯季垂線平均含沙量柱形圖,結(jié)果表明,徐六涇節(jié)點(diǎn)至江陰河段主要受徑流影響,因此懸沙濃度比較穩(wěn)定,洪季一般在0.350kg/m3左右,枯季在0.050kg/m3上下變化。而在徐六涇以下的多級(jí)分汊區(qū)段,由于各汊道的分流比不同,懸沙濃度的分布也存在著差異,在縱向上基本是呈低-高-低分布,高懸沙濃度多數(shù)出現(xiàn)在攔門沙最大混濁帶區(qū)域0306站和0304站(圖2)。從圖2(a)可以看出位于南支上中段的0310站懸沙濃度要比其相鄰的上下測站高,這一特例主要與當(dāng)時(shí)布置的測點(diǎn)正好受到北支以似“水團(tuán)”狀運(yùn)動(dòng)形式倒灌進(jìn)入南支的高鹽水高含沙量有關(guān)。但要注意的是在洪季大潮口外海域0316站懸沙濃度要明顯高于0306和0304站的懸沙濃度,平均懸沙濃度為1.80kg/m3,是因?yàn)楹榧舅枯^大時(shí)最大混濁帶核心區(qū)可以推移到河口攔門沙前緣水域而形成的。橫向分布在橫向上,洪季南槽的平均懸沙濃度為1.13kg/m3高于北槽的0.47kg/m3,相差2.5倍(表2)。這表明洪季南、北槽分汊口的分流比有較大的變化,淡水徑流分入南槽的比例有明顯的增加,這與北槽航道工程加大了北槽的河床阻力有關(guān),洪汛條件下航道工程上游側(cè)的南北槽分汊段會(huì)出現(xiàn)水面壅高,水體循南槽外泄。而枯季低于北槽是由于枯季北槽疏深進(jìn)潮量加大,潮流增強(qiáng),再懸浮泥沙增大,以及與北槽疏浚航槽工程諸多因素的影響有關(guān)。垂向分布在漲落潮潮流不斷變化過程中,部分泥沙顆粒不斷地經(jīng)歷著懸浮、落淤、再懸浮的運(yùn)動(dòng),通常長江口的懸沙濃度在垂向上是由表層向底層逐漸增加的,但是由于河口水動(dòng)力條件復(fù)雜多變,使得懸沙濃度在垂向上很少符合Rouse公式的指數(shù)形式,而大致可歸納為準(zhǔn)直線型、斜線型、拋物線型和混合型1(圖3)。準(zhǔn)直線型的特點(diǎn)由表層至底層變化很小,在整個(gè)水深范圍內(nèi)的懸沙濃度趨于均勻,主要多出現(xiàn)在長江口上游懸沙濃度較低的區(qū)域,如0301站、0309站、0302站和口外水深較深的0316站;斜線型的分布在垂向上變化率均一,由表層至底層逐漸增加,較為普遍;從圖3可以看出,拋物線型分布出現(xiàn)在南支的0310站洪季大潮時(shí),其特點(diǎn)是垂向變化梯度較大,底層懸沙濃度達(dá)4.3kg/m3,這主要是由于大潮動(dòng)力作用強(qiáng),北支水沙倒灌掀動(dòng)底沙引起的;懸沙濃度的垂向分布還可以表現(xiàn)為一種無規(guī)則的混合型曲線形態(tài),如圖3(b)中的H0304點(diǎn),在垂向上明顯出現(xiàn)層化現(xiàn)象,接近底部時(shí)懸沙濃度迅速升高,這主要是它所處在鹽淡水交匯處,受絮凝和鹽淡水異重流作用,垂向變化梯度較大。從圖2還可以看出北槽的0306站枯季時(shí)垂向變化較顯著,洪季時(shí)則較小,這主要是因?yàn)榭菁颈辈凼枭钸M(jìn)潮量加大,潮流增強(qiáng),底部再懸浮泥沙增大的緣故。3.2枯季時(shí)、漲落潮變化及水流特征洪枯季變化懸沙濃度受徑流影響具有明顯的季節(jié)變化,一般洪季懸沙濃度要高于枯季(圖2,表2)。本次測量結(jié)果,南槽0304站洪季垂線平均懸沙濃度為1.13kg/m3,枯季為0.77kg/m3,而位于北槽的0306站則呈現(xiàn)出枯高洪低的現(xiàn)象(表2),這可能與南、北槽分汊口的分流比變化和北槽疏浚擾動(dòng)河床有關(guān)?？谕馑驊疑碀舛葎t明顯呈現(xiàn)枯高洪低,這與洪季流域來沙主要在攔門沙及鄰近水域沉積,而枯季攔門沙河床被再懸浮的泥沙向口外擴(kuò)散有關(guān)。在垂向分層上,表層往往是枯季懸沙濃度較洪季大,底層則相反。這主要是因?yàn)楹榧旧嫌蝸砩扯?水溫高,鹽淡水在口門附近交匯,絮凝作用活躍,促使懸沙加速沉降,從而使上層懸沙濃度減少;枯季上游來水來沙少,潮流作用增強(qiáng),再懸浮增大,使細(xì)顆粒泥沙混和到上層,增大了上層的水體懸沙濃度。大小潮變化在南通以上河段由于受潮流作用影響小,大、小潮懸沙濃度基本相同。在長江河口口內(nèi)大、小潮間流速變化最大,大潮流速遠(yuǎn)大于小潮流速,而導(dǎo)致大潮懸沙濃度大于小潮懸沙濃度(圖2,表2),洪季時(shí)大潮懸沙濃度是小潮懸沙濃度的1.5～8.5倍,極不均勻,最大倍數(shù)值出現(xiàn)在口外的0316站,最小倍數(shù)值出現(xiàn)在處于最大混濁帶的0304站;枯季時(shí)大潮懸沙濃度是小潮的1.5～2.0倍,變化不是很大。漲落潮變化在一個(gè)潮周期中,懸沙濃度的變化與流速大小密切相關(guān)(表1,表2),由于漲落潮的交替和流速的更迭使懸沙濃度出現(xiàn)明顯的潮周期變化?？趦?nèi)一般是落潮懸沙濃度大于漲潮懸沙濃度,如0309、0302、0304、0306等站;口外則是漲潮流性質(zhì),如0316站。長江口最大懸沙濃度一般發(fā)生在漲落急前后,最小的出現(xiàn)在漲落憩附近,懸沙濃度的峰值一般滯后于流速峰值,即在流速達(dá)到最大值后,懸沙濃度才達(dá)到最大值,滯后時(shí)間由于各汊道的形態(tài)不同或季節(jié)不同而存在著一定的差別,一般在1～3h左右不等。2003年流域來水偏豐,在洪季大小潮時(shí)由于受長江巨大徑流的影響,在南通以上基本無漲潮流,也無漲潮含沙量。有一點(diǎn)需要指出的是0310站和0303站水流呈落潮流性質(zhì),而懸沙濃度出現(xiàn)漲潮懸沙濃度大于落潮的現(xiàn)象,0310站原因是受北支漲潮流影響,水沙倒灌進(jìn)入南支而使懸沙濃度增大;在0303站原因是在南槽中下層存在一個(gè)很強(qiáng)的上溯流,可以進(jìn)入上游南港,使南港的0303站底層懸沙濃度增大。南、北槽中,北槽完全是落潮槽性質(zhì),而南槽呈現(xiàn)出洪季落潮懸沙濃度大于漲潮,枯季漲潮大于落潮性質(zhì)(表1,表2)。3.3洪季不同潮期輸沙量分布為了估算各測站漲落潮輸沙量的優(yōu)勢程度,我們選取各測站懸沙濃度的垂線平均值來進(jìn)行計(jì)算漲、落潮期間通過單位面積的輸沙量以及優(yōu)勢沙,結(jié)果表明,長江河口附近的沙量進(jìn)出存在著復(fù)雜的時(shí)空變化(表3)。洪季與枯季不同。洪季受徑流作用影響,均是落潮輸沙量大于漲潮輸沙量,呈現(xiàn)出落潮優(yōu)勢沙,凈向海輸沙量較大,如0303站洪季小潮時(shí)落潮優(yōu)勢沙達(dá)94%,其中南槽的0304站凈輸沙量總量最大,洪季大潮為439t,小潮時(shí)為314t;枯季大潮時(shí)0303站和枯季大小潮時(shí)0304站均呈現(xiàn)出漲潮優(yōu)勢沙,其中0303站是由于枯季時(shí)該站布在長興島漲潮溝附近的緣故?？傊?洪季輸沙量要大于枯季。大潮與小潮不同。漲、落潮輸沙量均是大潮比小潮大,一般是2～4倍左右,0303站尤為突出,大潮漲潮輸沙量是小潮的18倍。在縱向上輸沙量基本是逐漸增大的(表3),在攔門沙最大混濁帶達(dá)到最大,其中洪季南北槽都是凈向海輸沙,枯季時(shí)南槽優(yōu)勢沙在40%左右,凈輸沙向陸。橫向上洪季南槽輸沙量比北槽大,枯季比北槽小。這說明洪季時(shí)分入南槽的徑流量有明顯的增加,基本形成分流比洪季南槽大,枯季北槽大的格局;還可能與枯季北槽疏浚船只擾動(dòng)而掀動(dòng)底沙有關(guān)。而且在南槽口存在一個(gè)中下層凈進(jìn)沙而上層凈出沙的縱向泥沙環(huán)流,這是由于鹽、淡水鹽度梯度的影響使垂向流速變形,淡水徑流從上層排出,下層在鹽度梯度的作用下,漲潮流速大于落潮流速而產(chǎn)生凈向陸的上溯流造成的。4潮周期內(nèi)再懸浮現(xiàn)象長江口水流在潮汐作用下其流速存在由小到大再減小的周期性變化。當(dāng)流速增大到足以使床面泥沙起動(dòng)的起動(dòng)流速時(shí),淤積在床面的泥沙就有可能再次懸浮起來。長江口攔門沙地區(qū)集聚了眾多泥沙,這些泥沙在水流作用下做懸浮沉降再懸浮再沉降的周期性運(yùn)動(dòng),此區(qū)域是鹽淡水交匯地帶,泥沙再懸浮比淡水河段要復(fù)雜的多。由于南北槽汊道河道形態(tài)和動(dòng)力作用不同,它們之間也存在著明顯的差異。南槽處于河口攔門沙最大混濁帶且又是鹽淡水交匯區(qū),是目前仍未受到人工干擾的自然狀態(tài)的河槽,攔門沙灘頂僅有5.3m水深,因此泥沙再懸浮比其他河段更加明顯。從圖4上,可以清楚地看出在洪季大潮的一個(gè)潮周期內(nèi),存在3次明顯的再懸浮過程,并且分別在落急、漲急和落急后1～2h左右達(dá)到最大值,最大值達(dá)7.22kg/m3,垂線平均懸沙濃度分別為2.93kg/m3、1.84kg/m3和2.60kg/m3,潮周期的平均懸沙濃度1.67kg/m3。此時(shí)是洪季大潮,鹽度相對(duì)較低,垂線平均鹽度3.13,垂線平均漲、落潮流流速分別為0.94m/s、1.33m/s,底層漲、落潮流流速0.66m/s、0.88m/s,再懸浮現(xiàn)象主要是由較強(qiáng)漲落潮流沖刷床面所引起的,這一點(diǎn)與沈煥庭等研究較為一致。與洪季相比,枯季大潮時(shí)該點(diǎn)鹽度較高,表層平均鹽度17.09,底層平均鹽度20.06,表、底層鹽度比值為85%,呈高度混合狀態(tài),一個(gè)潮周期中再懸浮過程只有1次,發(fā)生在落急后1h(圖5),與淡水河段相似。與南槽相比,北槽所處地帶與南槽相似,從圖7底層懸沙濃度過程線可以看出,一個(gè)潮周期內(nèi)有2個(gè)再懸浮過程。它們主要發(fā)生在落急、漲急附近,水體含沙量也較此時(shí)的南槽小(圖4、圖6),原因上述有敘。底層懸沙濃度峰值出現(xiàn)時(shí)間與流速最大值出現(xiàn)時(shí)間存在著一定的滯后性,滯后時(shí)間一般在1～2小時(shí)?？菁敬蟪蹦嗌吃賾腋∵^程與洪季大潮相比較強(qiáng),鹽度也較大,垂線平均鹽度13.38,表、底鹽度比值71%,鹽度混合作用較強(qiáng),在一個(gè)潮周期內(nèi)沒有出現(xiàn)明顯的泥沙再懸浮(圖7)。攔門沙最大混濁帶的獨(dú)特的動(dòng)力特征使南、北槽泥沙再懸浮特性更加復(fù)雜,與其相比位于南、北槽上游的南港,再懸浮過程只有一次,發(fā)生在漲急后1h;其他時(shí)刻泥沙再懸浮過程不太明顯,且懸沙濃度較低。整個(gè)潮周期中,有一段時(shí)間高懸沙濃度多集中0.6或0.8層,再次說明床面泥沙再懸浮運(yùn)動(dòng)不顯著。從實(shí)測資料分析愈向上游,再懸浮現(xiàn)象愈不明顯,這主要與愈向上游床面泥沙顆粒愈粗,而潮流強(qiáng)度向上游逐漸減弱有關(guān)。5懸沙分布的季節(jié)變化動(dòng)態(tài)(1)徐六涇節(jié)點(diǎn)至江陰河段主要受徑流影響,因此懸沙濃度比較穩(wěn)定,洪季含沙量一般在0.350kg/m3,枯季在0.050kg/m3。而在徐六涇以下的多級(jí)分汊區(qū)段,由于各汊道的分流比不同,懸沙濃度的分布也存在著差異。(2)徑流大小、汊道分流比、潮汐強(qiáng)弱、以及河道形態(tài)對(duì)懸沙濃度變化影響很大。洪季南槽的懸沙濃度高于北槽,而枯季低于北槽。此外鹽度的變化對(duì)河口攔門沙區(qū)域懸沙濃度的變化影響較大,受絮凝作用影響懸沙濃度的洪枯季、潮周期變化明顯要大,其中以處于北槽最大混濁帶的0306站最為突出。(3)在垂向分布上長江河口區(qū)主要有直線型、斜線型、拋物線型和混合型四類線型。通常是由表層向底層逐漸增加,但洪季與枯季、大潮與小潮、漲潮與落潮的垂向梯度又有著不同差異,一般洪季比枯季大,大潮比小潮大,落潮比漲潮大。(4)懸沙濃度受徑流影響具有明顯的季節(jié)變化,洪季徑流量大,受其影響洪季懸沙濃度也明顯高于枯季,其中變化幅度以0306站最大。在一個(gè)潮周期中,懸沙濃度的變化與流速大小密切相關(guān),并懸