長(zhǎng)江口枯季水沙特性分析

長(zhǎng)江口枯季水沙特性分析

關(guān)于河口水沙特性的觀測(cè)研究長(zhǎng)江口是一座以高濁度和沉積物沉積物而聞名的獨(dú)特河口。流域來(lái)水、來(lái)沙量大,據(jù)大通站資料,1950—2000年平均年徑流量為9051×108m3,年輸沙量為4.33×108t。流域來(lái)水來(lái)沙量洪枯季變化顯著,全年徑流量枯季(11—4月)約占29%,輸沙量約占13%。長(zhǎng)江口屬于中等潮差河口,口門附近平均潮差為2.67m。長(zhǎng)江口出徐六涇后被崇明島分成北支和南支,南支在長(zhǎng)興島以下被分為北港和南港,南港又在九段沙以下被分成北槽和南槽,形成“三級(jí)分汊,四口入海”的格局(圖1)。河口水沙特性的研究是了解河口水文、泥沙過(guò)程的重要手段,也是研究河口發(fā)育和演變的基礎(chǔ),同時(shí)又是評(píng)價(jià)河口大型工程項(xiàng)目實(shí)施后對(duì)河口影響的基本內(nèi)容,因此,河口水沙特性的研究具有重要的科學(xué)意義和實(shí)踐價(jià)值。前人對(duì)長(zhǎng)江口水沙特性做了很多相關(guān)研究,如對(duì)長(zhǎng)江口大通站水沙過(guò)程特征的研究;潮流、泥沙特性對(duì)地形地貌以及河槽演變的影響;河口環(huán)流對(duì)懸沙輸移的影響;水沙輸移特性;河口細(xì)顆粒泥沙絮凝、沉降等方面。但是以上研究大多是某一特定區(qū)域或者是某一汊道的水沙分布特征,而且有些研究是基于上世紀(jì)八十年代的觀測(cè)資料或是多年資料的集成,長(zhǎng)江口大面積、同步水沙觀測(cè)資料的分析尚不多見(jiàn)。根據(jù)長(zhǎng)江口大通站實(shí)測(cè)資料,多年來(lái)長(zhǎng)江口來(lái)水來(lái)沙量呈逐年下降的趨勢(shì)。在自然和人類活動(dòng)的影響下,長(zhǎng)江口的河勢(shì)也發(fā)生了變化:北支的逐漸衰亡、南支新橋水道的形成和發(fā)展,工程對(duì)南、北港分流口以及北槽航道的治理等,影響著長(zhǎng)江口的物理過(guò)程,而水沙特性恰是河口物理過(guò)程的研究基礎(chǔ)。國(guó)外河口也有許多類似研究,例如研究比利時(shí)的Scheldt河口基于不同時(shí)間尺度的水沙分布特性及其動(dòng)力影響因子;觀測(cè)巴布亞新幾內(nèi)亞Fly河口三條入海汊道的水沙分布,得到其最大渾濁帶的水動(dòng)力成因;分析加利福尼亞灣一個(gè)潮周期懸沙剖面,得出控制懸沙凈通量的主要?jiǎng)恿^(guò)程等。2003年2月華東師范大學(xué)河口海岸學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室在長(zhǎng)江口組織了一次大規(guī)模水文、泥沙多船準(zhǔn)同步觀測(cè),以期了解近期長(zhǎng)江口水沙的特性;而且在三峽工程、南水北調(diào)東線和中線工程以及長(zhǎng)江口深水航道工程等流域及河口大型工程項(xiàng)目相繼建設(shè)的背景下,此次觀測(cè)數(shù)據(jù)也是今后評(píng)價(jià)這些工程對(duì)長(zhǎng)江口影響的基礎(chǔ)研究資料。本文基于2003年2月長(zhǎng)江口水沙觀測(cè)資料,做了長(zhǎng)江河口枯季水沙特性分析。1觀測(cè)站的位置和方法1.1平均增強(qiáng)時(shí)間長(zhǎng)江口野外水文、泥沙觀測(cè)于2003年2月14—25日進(jìn)行,其中2月14—16日為大潮,2月23—25日為小潮。每一次同步觀測(cè)26h,獲取27組數(shù)據(jù)?？紤]到長(zhǎng)江口范圍廣,各汊道水沙特性分布差異大,因此測(cè)站覆蓋了長(zhǎng)江口4條入海汊道及典型河段(圖1)。1.2橫向含沙量觀測(cè)流速觀測(cè)使用SLC9—2型直讀式電磁海流計(jì),采用六點(diǎn)法測(cè)量流速和流向。垂線平均流速和流向根據(jù)六點(diǎn)法加權(quán)計(jì)算得到。含沙量觀測(cè)使用橫式取樣器采用六點(diǎn)法取懸浮泥沙水樣,實(shí)驗(yàn)室內(nèi)經(jīng)45μm濾紙過(guò)濾、105°C恒溫箱內(nèi)烘干,再放入干燥缸里冷卻6~8min后稱重并計(jì)算單位水體的含沙量。漲、落潮過(guò)程根據(jù)流速過(guò)程線判斷,各站點(diǎn)的漲、落潮平均流速、流向和含沙量為觀測(cè)時(shí)段內(nèi)兩次漲落潮過(guò)程的逐時(shí)垂線平均流速、流向和含沙量的平均值。2對(duì)結(jié)果的分析與討論2.1流量統(tǒng)計(jì)的統(tǒng)計(jì)2003年長(zhǎng)江口大通站年徑流量與多年平均值(1950—2000年,下同)比較,偏大2.2%,2月平均流量為17637m3/s,與同期多年平均相比偏高54.8%,與2001年和2002年同期流量的平均值相比偏高23.7%。2003年長(zhǎng)江口大通站年輸沙量與多年平均值相比偏小52%,2月平均輸沙率為1.837×104t/s,與同期多年平均相比偏高58.4%,與2001年和2002年同期輸沙率的平均值相比偏高24.4%。因此就上邊界而言,觀測(cè)月的來(lái)水偏高,來(lái)沙偏小。2.2垂線平均流速?gòu)臅r(shí)間分布看(表1),大潮時(shí),各站位漲潮垂線平均流速在79~118cm/s之間變化,落潮垂線平均流速在85~138cm/s之間變化。小潮時(shí),各站位漲潮垂線平均流速在29~73cm/s之間變化,落潮垂線平均流速在37~99cm/s之間變化。所有站位大潮漲潮的垂線平均流速比小潮漲潮大30%~247%(同一站位,下同),大潮落潮的垂線平均流速比小潮落潮大5%~160%。54%的站位大潮漲潮的垂線平均流速比大潮落潮大0.09%~17%,90%的站位小潮落潮的垂線平均流速比小潮漲潮大3.2%~179%。這些特點(diǎn)說(shuō)明長(zhǎng)江口枯季垂線平均流速一般大潮>小潮,落潮>漲潮。從平面分布看(圖2),大潮時(shí),南支的垂線平均流速由徐六涇K0302向七丫口K0310逐漸減小,再由K0310向渾濁帶逐漸增大,渾濁帶水域的南槽K0304、北槽K0306和北港K0312三站點(diǎn)為垂線最大流速分布帶,由渾濁帶向口外垂線平均流速又呈逐漸減小的趨勢(shì)。所以,縱向上渾濁帶水域垂線平均流速最大,七丫口和口門水域最小。北支由青龍港K0308向頭興港K0314逐漸減小。斷面上北支的垂線平均流速大于南支,南港和北港相差很小,渾濁帶水域?yàn)楸备圩畲?北槽和南槽的相對(duì)大小則隨潮時(shí)變化,即大潮漲潮南槽大于北槽,大潮落潮則相反?？陂T水域南槽口外大于北槽口外。大潮漲潮過(guò)程,南支河道徐六涇的垂線平均流速最大,七丫口最小。渾濁帶水域北港的垂線平均流速最大,北槽最小?？陂T水域南槽口外最大。大潮落潮過(guò)程,南支河道徐六涇的垂線平均流速最大,南港最小。渾濁帶水域北港的垂線平均流速最大,南槽最小?？陂T水域南槽口外最大。根據(jù)北港、北槽和南槽通量的計(jì)算結(jié)果,大潮汊道水流凈通量為北槽>北港>南槽。小潮時(shí),南支的垂線平均流速分布和大潮類似,但北港由徐六涇向口外逐漸減小。北支汊道兩個(gè)站位垂線平均流速的相對(duì)大小隨潮時(shí)變化。斷面上北支的垂線平均流速大于南支,南港大于北港,渾濁帶水域北槽最大,北港最小。小潮漲潮過(guò)程,南支河道徐六涇的垂線平均流速最大,北港最小。渾濁帶水域北槽的垂線平均流速最大,北港最小?？陂T水域北港口外最小。小潮落潮過(guò)程,南支河道徐六涇的垂線平均流速最大,北港最小。渾濁帶水域北槽的垂線平均流速最大,北港最小,為53cm/s。口門水域北港口外最小。根據(jù)北港、北槽和南槽通量的計(jì)算結(jié)果,小潮汊道水流凈通量為北槽>北港>南槽。以上分布特點(diǎn)表明,長(zhǎng)江口枯季垂線平均流速一般北支>南支,南港>北港,大潮:北港>南槽>北槽,小潮:北槽>南槽>北港。垂線平均流速由徐六涇向口門呈“先減小后增大再減少”的變化規(guī)律,北港垂線平均流速大小潮差異大,渾濁帶水域?yàn)榇咕€最大流速分布帶。無(wú)論大小潮,汊道水流凈通量為北槽>北港>南槽。2.3長(zhǎng)江口枯季水體含沙量一般特征2003年2月長(zhǎng)江口所有站位全潮水體含沙量為0.60kg/m3,與多年平均含沙量相比偏高9.7%。在長(zhǎng)江口大通站年輸沙量逐年減小的情況下(1998年后銳減),河口區(qū)含沙量并無(wú)減小。已有研究認(rèn)為,典型河口在新泥沙輸入較小的情況下,也能保持較高的含沙量,枯季長(zhǎng)江口的水沙特性研究也支持這一觀點(diǎn)。從時(shí)間分布看(表2),大潮時(shí),各站位漲潮垂線平均含沙量在0.07~2.39kg/m3之間變化,落潮垂線平均含沙量在0.12~2.31kg/m3之間變化。小潮時(shí),各站位漲潮垂線平均含沙量在0.05~1.14kg/m3之間變化,落潮垂線平均含沙量在0.05~0.95kg/m3之間變化。80%的站位大潮漲潮的垂線平均含沙量比小潮漲潮高11%~311%(同一站位,下同),所有站位大潮落潮的垂線平均含沙量比小潮落潮高4%~750%。64%的站位大潮漲潮的垂線平均含沙量比大潮落潮高3%~61%。70%的站位小潮漲潮的垂線平均含沙量比小潮落潮高8%~125%。這些特點(diǎn)說(shuō)明長(zhǎng)江口枯季水體含沙量一般大潮>小潮,漲潮>落潮。從平面分布看(圖3),大潮時(shí),南支的垂線平均含沙量由徐六涇K0302向渾濁帶逐漸增大,再由渾濁帶向口外逐漸減小。北支由青龍港K0308向頭興港K0314逐漸升高?？v向上渾濁帶水域的垂線平均含沙量最大,徐六涇最小。斷面上北支遠(yuǎn)大于南支,南北港較接近,渾濁帶大潮漲潮平均含沙量北港最大,南槽其次,北槽最小;大潮落潮則北槽最大,北港其次,南槽最小?？陂T水域南槽口外大于北槽口外。大潮漲潮時(shí),南支河道徐六涇的垂線平均含沙量最低,北港最高。渾濁帶水域北港最大,北槽最小?？陂T水域南槽口外較大。大潮落潮時(shí),南支河道徐六涇的垂線平均含沙量最低,北港最高。渾濁帶水域北槽最大,南槽最小?？陂T水域南槽口外較大。根據(jù)北港、北槽和南槽通量的計(jì)算結(jié)果,大潮汊道懸沙凈通量為北槽>北港>南槽。小潮時(shí),南支的垂線平均含沙量由徐六涇向渾濁帶逐漸增大,再由渾濁帶向口外逐漸減小。但北港汊道比較特殊,垂線平均含沙由徐六涇向口外變化不明顯。北支由K0308向K0314逐漸減小?？v向上渾濁帶水域的垂線平均含沙量最大,徐六涇和七丫口最小。斷面上北支大于南支,南港大于北港,渾濁帶北槽最大,北港最小?？陂T水域北槽口外最大,南槽口外最小。小潮漲潮時(shí),南支河道七丫口的垂線平均含沙量最低,南港最高。渾濁帶水域北槽最高,,北港最低?？陂T水域北港口外較低。小潮落潮時(shí),南支河道徐六涇的垂線平均含沙量最低,南港最高。渾濁帶水域北槽最高,北港最低?？陂T水域北港較低。小潮時(shí)渾濁帶海域無(wú)論漲落潮,垂線平均含沙量均是北槽最大,南槽其次,北港最小。根據(jù)北港、北槽和南槽通量的計(jì)算結(jié)果,小潮汊道懸沙凈通量為北槽>北港>南槽。以上分布特點(diǎn)表明,長(zhǎng)江口枯季水體含沙量一般北支>南支,大潮北港>南港,小潮南港>北港,北槽較高,南槽介于北槽和北港之間,而北港比較特殊,在大潮時(shí)較高,而小潮時(shí)最低。水體含沙量由徐六涇向口門呈“先增大后減小”的變化,在渾濁帶存在一個(gè)含沙量高于其上下游的水域。無(wú)論大小潮,汊道懸沙凈通量為北槽>北港>南槽。結(jié)合2.2得到的認(rèn)識(shí),長(zhǎng)江口枯季垂線平均的流速和含沙量分布均為大潮>小潮,北支>南支,小潮南港>北港,南槽介于北槽和北港之間,而且北港在大潮時(shí)較高,而小潮時(shí)最低。縱向上,南支中上段以及口外站位的泥沙來(lái)源決定了其較低的水體含沙量,斷面上受潮流作用影響較強(qiáng)的汊道有較高的水體含沙量,渾濁帶水域垂線平均流速大且漲、落潮流速較接近,漲落潮流優(yōu)勢(shì)在此轉(zhuǎn)換,使泥沙在此匯集,形成高含沙量水域。2.4垂線平均流速和含沙量分布關(guān)系從0.4H流速和垂線平均流速的相關(guān)性看(圖4),兩者相關(guān)系數(shù)大都在0.95以上。從0.4H含沙量和垂線平均含沙量的相關(guān)性看(圖5),兩者相關(guān)系數(shù)大都在0.7以上。因此,長(zhǎng)江口枯季0.4H流速和含沙量能近似表示其對(duì)應(yīng)的垂線平均值。從大、小潮垂線平均流速的分布關(guān)系看(圖4),以南槽K0304、北槽K0306以及北港的兩個(gè)站位K0311和K0312為例,K0304和K0306的大潮的垂線平均流速約為小潮的1.3倍,兩者混合分布于同一數(shù)值區(qū)間,而K0311和K0312的大潮的垂線平均流速約為小潮的2.2倍,兩者分段分布于不同數(shù)值區(qū)間。大、小潮的垂線平均含沙量分布關(guān)系和垂線平均流速分布關(guān)系類似(圖5),且同一站位的大、小潮水動(dòng)力和含沙量分布關(guān)系一致。以上分析表明,長(zhǎng)江口枯季各汊道大、小潮垂線平均的流速和含沙量的變化有較大差異,南、北槽的大小潮的流速和含沙量分布較均勻,變化不大;而北港的大小潮分布不均勻,變化較大。結(jié)合2.2和2.3小節(jié)得到的結(jié)論,北港大、小潮垂線平均流速相差較大,是導(dǎo)致其大、小潮垂線平均含沙量分布不均勻的主要?jiǎng)恿σ蛩?。說(shuō)明流速和含沙量沿垂線分布的規(guī)律一致,且流速的變化主導(dǎo)含沙量的變化。2.5垂線和長(zhǎng)江口枯季河流水文地下水分布的特征含沙量沿垂線分布研究關(guān)系到泥沙沉降過(guò)程和懸沙通量等問(wèn)題,因此成為河口海岸研究的熱點(diǎn),但由于觀測(cè)技術(shù)制約,已有研究大都從描述和模型研究角度出發(fā)。根據(jù)紊動(dòng)擴(kuò)散理論,二維恒定均勻流平衡情況下的懸移質(zhì)擴(kuò)散方程表明,在懸移質(zhì)承受重力作用與紊動(dòng)擴(kuò)散作用的過(guò)程中,當(dāng)含沙量梯度大時(shí),紊動(dòng)擴(kuò)散作用隨之增強(qiáng),懸移質(zhì)上升效果也較明顯,然而這又勢(shì)必引起含沙量梯度減小?？梢?jiàn),沿垂線分布的含沙量梯度起著一定的自我調(diào)整的杠桿作用。而且現(xiàn)有研究表明,紊動(dòng)強(qiáng)度和局地流速梯度有本質(zhì)的聯(lián)系,其關(guān)系函數(shù)可以寫成。Rose公式在推導(dǎo)過(guò)程中,假定泥沙紊動(dòng)擴(kuò)散系數(shù)εsy等于相應(yīng)的動(dòng)量紊動(dòng)擴(kuò)散系數(shù)εm,而動(dòng)量紊動(dòng)擴(kuò)散系數(shù)εm由下式求得:,動(dòng)量紊動(dòng)擴(kuò)散系數(shù)mε與流速梯度直接相關(guān)。因此沿垂線的流速和含沙量梯度是研究河口地區(qū)懸移質(zhì)含沙量沿垂線分布的關(guān)鍵參數(shù)之一。本文將水體垂線上離散的流速和含沙量數(shù)值點(diǎn)擬合成直線,并用該直線的斜率表達(dá)含沙量沿垂線分布曲線的平均梯度。為方便比較,又對(duì)沿垂線分布的流速和含沙量梯度Grd取絕對(duì)值(表3和表4)。表3顯示,大潮時(shí),各站位漲潮的流速梯度在0.42~0.77之間變化,落潮的流速梯度在0.42~0.92之間變化。小潮時(shí),各站位漲潮的流速梯度在0.13~1.10之間變化,落潮的流速梯度在0.24~0.91之間變化。80%的站位大潮漲潮的流速梯度比小潮漲潮大40%~389%(同一站位,下同),所有站位大潮落潮的流速梯度比小潮落潮大1%~177%。30%的站位大潮漲潮的流速梯度比大潮落潮大5%~19%,20%的站位小潮漲潮的流速梯度比小潮落潮大5%~115%。以上特點(diǎn)表明,長(zhǎng)江口枯季沿垂線分布的流速梯度一般大潮>小潮,落潮>漲潮,且漲潮的流速梯度隨大小潮的變化幅度明顯大于落潮。因?yàn)榱魉偬荻冗M(jìn)而反映水流紊動(dòng)強(qiáng)度,所以長(zhǎng)江口枯季水流紊動(dòng)強(qiáng)度一般大潮>小潮,落潮>漲潮。表4顯示,大潮時(shí),各站位漲潮的含沙量梯度在0.10~1.83之間變化,落潮的含沙量梯度在0.09~1.80之間變化。小潮時(shí),各站位漲潮的含沙量梯度在0.01~1.99之間變化,落潮的含沙量梯度在0.02~1.10之間變化。70%的站位大潮漲潮的含沙量梯度比小潮漲潮大16%~1600%(同一站位,下同),90%站位的大潮落潮的含沙量梯度比小潮落潮大22%~900%。50%站位大潮漲潮的含沙量梯度比大潮落潮大3%~100%,60%站位小潮漲潮的流速梯度比小潮落潮大0.2%~214%。比較不同站位,徐六涇K0302的含沙量梯度為0.01~0.19比其他站位低一個(gè)量級(jí),而最大渾濁帶和北支的站位則大都>1,比其他站位高一個(gè)量級(jí)。以上特點(diǎn)表明,長(zhǎng)江口枯季沿垂線分布的含沙量梯度一般大潮>小潮,落潮和漲潮則相差較小,且其大小與垂線平均含沙量呈正相關(guān)趨勢(shì)。結(jié)合2.3得到的認(rèn)識(shí),長(zhǎng)江口各個(gè)入海汊道的含沙量分布在平面和垂線上都有量級(jí)上的差別。因?yàn)楹沉刻荻葘?shí)質(zhì)反映了水體垂向混合的強(qiáng)度,所以長(zhǎng)江口枯季大潮的水體垂向混合強(qiáng)度大于小潮,而漲、落潮的水體垂向混合強(qiáng)度則差別較小。3長(zhǎng)江口枯季水流特征基于2003年2月長(zhǎng)江口的大面水文、泥沙現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè),得到長(zhǎng)江口枯季水沙特性的以下幾點(diǎn)認(rèn)識(shí):a)長(zhǎng)江口枯季水動(dòng)力一般大潮>小潮,落潮>漲潮。平面上:水動(dòng)力由徐六涇向口門呈“先減小后增大再減少”的變化。斷面上:水動(dòng)力北支>南支,南港>北港,大潮北港>南槽>北槽,小潮北槽>北港>南槽。大潮:南支河道徐六涇的垂線平均流速最大,為102cm/s,七丫口最小,為85cm/s,渾濁帶水域北港最大,為128cm/s,南槽最小,為108cm/s,口門水域南槽最大,為108cm/s。小潮:南支河道徐六涇的垂線平均流速最大,為78cm/s,北港最小,為44cm/s,渾濁