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文檔簡介
長江口南槽攔門沙航槽的季節(jié)性沖淤變化及其成因
河口沙是由沉積物和陸地動(dòng)力學(xué)相互作用下的沉積物組成的浮力,通常是限制航運(yùn)量的障礙。因此,攔門沙沖淤規(guī)律及其影響因子的研究不僅具有學(xué)術(shù)上的意義,而且可為河口的治理提供依據(jù)。南槽是長江口的主要泄水通道之一(圖1)。雖然目前長江口航道整治的對(duì)象重點(diǎn)是北槽,但南槽仍是主要航道之一。而且,由于南槽目前保持著一種非人工控制的天然狀態(tài),對(duì)其研究所得出的結(jié)論可作為其它河口研究的參考。由于徑、潮流的相互頂托和混合,在南槽出現(xiàn)動(dòng)力上的滯流點(diǎn)、化學(xué)上的最易絮凝沉降區(qū)和泥沙上的最大混濁帶,使之發(fā)育一條長20余km、高約2.5m的航槽攔門沙。攔門沙灘頂水深(理論最低潮位以下)通常在6.5m左右,極端情況下小于6.0m。長江入海徑流量和輸沙量具有顯著的季節(jié)性差異。河口區(qū)動(dòng)力和泥沙運(yùn)動(dòng)受風(fēng)暴影響,在短期內(nèi)可發(fā)生巨大變化;由于大片開敞淺灘(包括潮間帶和潮下帶)的存在,風(fēng)暴期有明顯的灘槽泥沙交換現(xiàn)象。在河流來水來沙和海洋動(dòng)力兩者變化的共同作用下,長江口門河槽經(jīng)歷著頻繁而復(fù)雜的沖淤變化。雖然前人對(duì)南槽攔門沙的形成和演變做過專門論述,但就攔門沙水深在不同沖淤事件中的變化范圍以及沖淤與徑流和風(fēng)暴兩大影響因子之間定量關(guān)系而言,尚需做更深入的工作。本文試圖利用南槽地形測圖中所記錄的信息,探討河槽攔門沙床底季節(jié)性沖淤的量級(jí)、規(guī)律以及沖淤對(duì)徑流和風(fēng)暴響應(yīng)的半定量關(guān)系,從而為深入認(rèn)識(shí)河口攔門沙的演變規(guī)律和建立可靠的數(shù)學(xué)預(yù)報(bào)模型奠定基礎(chǔ)。本研究的基礎(chǔ)資料來源于上海市航道局1988年1月至1990年11月的南槽1:50000實(shí)測地形圖。這些圖的測量時(shí)間間隔為半個(gè)月至4個(gè)月不等(其中1988年12月~1989年12月為每月一次)。圖中測量數(shù)據(jù)的空間間隔為1cm左右(即現(xiàn)場間隔500m左右)。數(shù)據(jù)精確到0.1m。在測圖的攔門沙河段畫出69條橫斷面,間距1cm。不同圖上相應(yīng)斷面的位置保持重合。讀出每條斷面上的最大水深。這些數(shù)據(jù)構(gòu)成深泓線的時(shí)空結(jié)構(gòu)。雖然每條斷面上的最深點(diǎn)可能隨時(shí)間有所擺動(dòng),但每張圖上的69個(gè)數(shù)據(jù)連起來代表了嚴(yán)格意義上的深泓線。這在工程上較之固定點(diǎn)得出的縱向斷面(不一定是嚴(yán)格意義上的深泓線)更有意義。為了驗(yàn)證深泓線在河床上的代表性,分別對(duì)第5、15、25、35、45、55和65號(hào)橫斷面進(jìn)行時(shí)間對(duì)比。風(fēng)暴的分級(jí)參照《海洋調(diào)查規(guī)范》。1季節(jié)性污泥與徑流變化之間的關(guān)系1.1節(jié)性變化明顯較明確圖2是攔門沙灘頂深泓線平均水深從1988年1月至1990年5月的變化過程(測量數(shù)據(jù)未受明顯風(fēng)暴影響),總體上反映了季節(jié)性的沖淤循環(huán)。圖中顯示的1989年季節(jié)性變化明顯較1988年大,其原因可能有兩個(gè)方面:一是1988年測量資料不全(特別是2、3、4月無資料),這可能會(huì)漏掉高、低峰值。如1989年1月水深僅比1988年1月大4cm,而1989年4月水深比1月大16cm。二是上述兩年的徑流量及其季節(jié)性變化差異較大:1988年的徑流量僅為常年的89%,而1989年比常年多3.6%;1989年7、8、9三月徑流量比上一年多30.3%,枯季12月、1月、2月徑流量僅比上年多2.5%,表明后一年的季節(jié)性對(duì)比要強(qiáng)得多。1.2來水來沙滯后性表1反映無明顯風(fēng)暴影響下攔門沙灘頂深泓線的洪枯季沖淤對(duì)比:(1)具有普遍的洪淤枯沖特點(diǎn)。(2)沖淤幅度變化較大,最大可達(dá)0.7m量級(jí)。(3)對(duì)應(yīng)于大通站流量最小月(1月)和流量最大月(7月)的沖淤幅度較小,而2~4月同8~10月的沖淤對(duì)比較大,尤以2月同8月的沖淤對(duì)比最明顯,反映了河口攔門沙沖淤對(duì)上游來水來沙變化響應(yīng)的時(shí)間“滯后性”。這一“滯后性”與大通站到河口口門的600km多的距離密切相關(guān)。據(jù)估算,受漲落潮流往復(fù)運(yùn)動(dòng)的影響,大通站水體及其懸沙到達(dá)長江口約需1個(gè)月。上述(1)、(2)的結(jié)果與沈金山等根據(jù)60年代的南槽攔門沙河段測量資料分析得出的結(jié)論相似??梢?洪淤枯沖是南槽的普遍規(guī)律。圖3是攔門沙深泓線洪枯季沖淤變化的兩個(gè)典型實(shí)例。由于北港和北槽同南槽的特點(diǎn)相近,有理由推測它門也可能具有同樣的特點(diǎn)。1.3沖淤對(duì)上游徑流的影響分析發(fā)現(xiàn),攔門沙灘頂深泓線上各點(diǎn)及平均水深(1989年各月測量資料)同大通站流量之間具有較好的線性負(fù)相關(guān)關(guān)系,相關(guān)系數(shù)r(絕對(duì)值)最大可達(dá)0.95。這一關(guān)系揭示了攔門沙從枯季到洪季的淤積趨勢和從洪季到枯季的沖刷趨勢。平均而言,相關(guān)系數(shù)絕對(duì)值以攔門沙灘頂測量水深與大通站提前1~2月的流量關(guān)系為最好。這反映了如上所述的攔門沙沖淤對(duì)上游徑流變化響應(yīng)的時(shí)間滯后性,這一滯后性與河口攔門沙同上游水文測站之間的距離密切相關(guān)。攔門沙灘頂不同部位沖淤對(duì)上游徑流變化的響應(yīng)在程度上和滯后時(shí)間上存在差異??傮w而言,灘頂中段的響應(yīng)程度較好;隨著向海距離的增大,響應(yīng)的滯后時(shí)間呈增加趨勢。特別值得注意的是:沙尾段的相關(guān)系數(shù)(絕對(duì)值)隨著大通站徑流提前月數(shù)的增大而變好,反映滯后時(shí)間延長。這種空間上的差異除了與距離大通站的遠(yuǎn)近有關(guān)外,還可能與不同部位徑、潮流力量的對(duì)比有關(guān)。必須指出:鑒于大通站輸沙量對(duì)流量的總體上良好的正相關(guān)依賴關(guān)系(圖4),上述攔門沙沖淤對(duì)徑流季節(jié)性變化響應(yīng)的實(shí)質(zhì)可能是對(duì)河流供沙量和(或)含沙量變化的響應(yīng)。若不考慮這種關(guān)系,就可能得出流量增大(從而流速增大)導(dǎo)致河槽淤淺的錯(cuò)誤結(jié)論(由于本文缺乏研究時(shí)段的輸沙量資料,只能通過使用流量的資料來尋求攔門沙沖淤對(duì)河流條件變化的依賴關(guān)系)。雖然,豐(枯)水年未必豐(枯)沙年,但就各年的季節(jié)性變化而言,這種正相關(guān)關(guān)系始終存在,只是關(guān)系式和相關(guān)系數(shù)有所不同而已。上述關(guān)系還預(yù)示了以下可能性:即未來三峽大壩洪蓄枯排的季節(jié)性調(diào)蓄功能將有可能減小河口攔門沙的季節(jié)性沖淤幅度;而入海泥沙量減少10%~15%將可能使航道的年平均水深有所增大。1.4洪枯季沖淤幅度極值利用平均深泓水深與大通站流量相關(guān)系數(shù)絕對(duì)值最大的回歸關(guān)系(圖5),可粗略地估算給定徑流條件下的洪枯季沖淤幅度:如相應(yīng)于多年月平均流量狀態(tài)下的洪枯季最大沖淤幅度為0.64m,相應(yīng)于1964年(是年徑流量為常年的112%)月均流量分配的洪枯季最大沖淤幅度為0.72m(僅比沈金山等的觀測值大2cm),相應(yīng)于1989年月均流量分配的洪枯季最大沖淤幅度為0.69m(比實(shí)測值大6cm),相應(yīng)于1989年7月和1990年1月的月均流量的洪枯季最大沖淤幅度為0.68m(比滯后一月的觀測值小1cm)。假設(shè)一種極端情況,即1954年的洪季最大月均流量和1963年的枯季最小月均流量同時(shí)出現(xiàn)在某一年中,則可得出一個(gè)1.26m的沖淤幅度極大值;相反,假設(shè)1月最大月均流量(1954年)和7月最小月均流量(1963年)同時(shí)出現(xiàn)在某一年中,則得出一個(gè)0.27m的沖淤幅度極小值(注:以上極值流量資料限于1990年以前)。實(shí)際上,以上兩種極端流量分配幾乎不可能出現(xiàn)。然而,所得出的沖淤幅度極值則具有重要意義,那就是:由徑流季節(jié)性變化引起的洪枯季沖淤幅度不大可能超出0.27~1.26m的范圍。問題只是在于圖5中經(jīng)驗(yàn)公式的精度。由于以下復(fù)雜性,要建立準(zhǔn)確無誤的理論預(yù)報(bào)公式目前尚有困難:測量資料的代表性(由于測量間隔較長,可能遺漏峰值);輸沙量和含沙量同流量的復(fù)雜關(guān)系(圖4中的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系只代表多年平均狀況。實(shí)際上,豐水年不等于豐沙年,反之亦然:如1954年徑流量是常年的1.47倍,輸沙量則只占常年的98%);河口地形和分汊口分水分沙比的變化;臺(tái)風(fēng)和大通站以下沿江抽水及支流注入等的干擾;含沙量低的流量增大有可能引起沖刷而不是淤積。因此,圖5中的經(jīng)驗(yàn)公式可能較適用于常水常沙年,對(duì)于其它情況是否適用有待進(jìn)一步探索。也許,最好的途徑是分別建立豐水(豐沙)年、平水年(平沙)年和枯水(枯沙)年的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系式。但前提是必須有相應(yīng)年份的大通站各月的水沙資料和攔門沙各月的地形測量資料。假定流量和輸沙率的洪枯季對(duì)比與年徑流量和輸沙量的大小成正比,則相應(yīng)于最大年徑流量(常年的1.47倍)、最小年徑流量(常年的67%)、最大年輸沙量(常年的1.45倍)和最小年輸沙量(常年的73%)年份的洪枯季最大沖淤幅度估計(jì)值分別為0.94、0.43、0.93和0.47m(以常年0.64m計(jì))。有趣的是,這兩組數(shù)值差別很小。這說明,不管是用流量還是輸沙率同地形資料建立經(jīng)驗(yàn)關(guān)系,得出的攔門沙灘頂洪枯季沖淤幅度極值估計(jì)可能相近。根據(jù)圖5中的公式和大通站水沙的季節(jié)性變化特征可推知:攔門沙灘頂洪枯季沖淤幅度的大小主要受洪水控制,原因是洪季流量和輸沙率的年際變化絕對(duì)值遠(yuǎn)大于枯季。如最大1月流量(1954年:17800m3/s)和最小1月流量(1959年:7600m3/s)相差只有10200m3/s,而最大8月流量(1954年:84200m3/s)和最小8月流量(1959年:32600m3/s)相差達(dá)51600m3/s,后者為前者的5.1倍。更有甚者,洪季輸沙率的年際變差是枯季的12.4倍。實(shí)際測量結(jié)果證實(shí)了這一推論:即枯季水深的年際變化很小(通常小于幾個(gè)厘米),而洪季水深的年際差異較大(可達(dá)幾十厘米)。除洪季受風(fēng)暴干擾較多外,洪季水沙的年際變化是主要原因。2臺(tái)風(fēng)對(duì)季節(jié)性累積的影響2.1同一年相應(yīng)時(shí)段的地形變化1990年8月31日襲擊長江口的9015號(hào)臺(tái)風(fēng)為十年一遇的強(qiáng)臺(tái)風(fēng),風(fēng)力達(dá)10~12級(jí)。在此之前,風(fēng)力為8~10級(jí)的9012號(hào)臺(tái)風(fēng)曾于8月20日影響本區(qū)。9月11~15日的測量資料所反映的攔門沙水深十分異常,創(chuàng)研究時(shí)段三年中的灘頂深泓線平均水深最小值6.11m(比第二最小值小0.24m),有9條橫斷面的深泓水深只有5.9m。由于這一組臺(tái)風(fēng)發(fā)生前最近的一次測量是在6月27日完成,相距兩個(gè)多月,故難以直接進(jìn)行臺(tái)風(fēng)前后的沖淤對(duì)比。但同上一年相應(yīng)時(shí)段地形的對(duì)比可間接得出這組臺(tái)風(fēng)影響的估計(jì)值。其根據(jù)是:(1)1989年全年風(fēng)況正常,無強(qiáng)臺(tái)風(fēng)襲擊本區(qū);(2)相鄰兩年的徑流量及其季節(jié)性分配與常年相近(1989年和1990年的徑流量分別是多年平均流量的103.6%和98.8%),這可排除因徑流變化引起的河床沖淤上的明顯差異。即可假定:若無9015和9012號(hào)臺(tái)風(fēng)的影響,1990年9月和1989年9月的兩次地形測量結(jié)果趨于一致——倘若要考慮1990年2月(代表枯季)至9月的累計(jì)徑流量比上年同期少5%這一情況,則它在理論上只會(huì)使1990年9月的測量水深較大而不是較小(鑒于上述徑流與攔門沙灘頂之間的負(fù)相關(guān)關(guān)系);(3)1990年9月的測量是在9015號(hào)臺(tái)風(fēng)后1.5~2.0周后,在這段時(shí)間中,臺(tái)風(fēng)造成的變化可能已有所減小。因此,把圖6中反映的1990年9月與1989年9月的測量結(jié)果差異(平均和最大淤積厚度分別為0.43m和0.7m)歸因于臺(tái)風(fēng)的影響是可信的;甚至可以認(rèn)為,臺(tái)風(fēng)的實(shí)際影響可能比觀測值更大一些(基于上述第二、三點(diǎn)根據(jù))。由于9015號(hào)臺(tái)風(fēng)明顯比9012號(hào)臺(tái)風(fēng)強(qiáng)且離9月的地形測量更近,圖2所揭示的變化應(yīng)主要來自前者。據(jù)測量分析,正面襲擊長江口的9711號(hào)臺(tái)風(fēng)(被認(rèn)為是百年一遇)使南港下段淤淺0.6m左右,與上述結(jié)果有可比性。由于影響長江口的臺(tái)風(fēng)多發(fā)生在夏季,與河流洪季相遇,故臺(tái)風(fēng)造成的淤積實(shí)際上增大了攔門沙河槽的季節(jié)性變化幅度。換句話說,攔門沙河槽的季節(jié)性變化往往包含著臺(tái)風(fēng)的貢獻(xiàn)。2.2種新的洪水圖6中1990年9月同2月測量結(jié)果對(duì)比大致給出了一個(gè)正常徑流年份中洪水和十年一遇的風(fēng)暴疊加對(duì)南槽攔門沙淤積的影響。9月相對(duì)于2月平均和最大淤積厚度分別達(dá)91cm和130cm,相對(duì)于年平均水深(試以1989年12個(gè)月的攔門沙灘頂深泓線平均測量水深6.71m來代表研究時(shí)段的攔門沙灘頂深泓線平均值,根據(jù)是該年的徑流量及其分配接近多年平均狀況、只有該年各月都有測量資料、該年無強(qiáng)臺(tái)風(fēng)影響)淤高60cm。若以40cm量級(jí)代表十年一遇的強(qiáng)風(fēng)暴影響(參考上述結(jié)果),則這類風(fēng)暴和徑流特豐(沙)年洪水(見1.4節(jié))相疊加可能引起1.3m左右的洪枯季沖淤對(duì)比和1.0m左右的相對(duì)于年平均水深的淤積厚度。若徑流特豐(沙)年洪水和百年一遇的強(qiáng)風(fēng)暴碰頭,航槽淤積將可能更嚴(yán)重,但估計(jì)分別不超過1.5m和1.2m量級(jí)。3攔門沙沖淤對(duì)并存年平均年沖淤量的影響洪水和臺(tái)風(fēng)是長江口河槽攔門沙沖淤變化的兩個(gè)主導(dǎo)因子,也是導(dǎo)致航道淤積災(zāi)害的主要原因。攔門沙沖淤的沉積動(dòng)力學(xué)(sedimentdynamics)機(jī)制是細(xì)顆粒泥沙的沉降和再懸浮。徑流引起的深泓線季節(jié)性最大沖淤幅度在特枯水(沙)年、正常水(沙)年和特豐水(沙)年分別約為0.4~0.5m、0.6~0.7m和0.9~1.0m量級(jí)。攔門沙灘頂沖淤對(duì)大通站徑流的響應(yīng)有1~2月的時(shí)間滯后性,反映了大通站以下600多km距離對(duì)懸沙輸移的影響。攔門沙沖淤對(duì)入海水量的響應(yīng)的實(shí)質(zhì)可能是對(duì)入海泥沙量的響應(yīng)。十年一遇的臺(tái)風(fēng)可引起攔門沙灘頂0.4m量級(jí)的淤積,其泥沙主要來源于周圍淺灘在臺(tái)風(fēng)期間的沖刷。風(fēng)暴的影響不僅與風(fēng)力有關(guān),還與風(fēng)暴的連續(xù)發(fā)生相關(guān)聯(lián)。風(fēng)暴和洪峰碰頭會(huì)引起兩者淤積的疊加。若徑流特豐(沙
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