北槽大型航道整治工程水沙縱向輸移機制研究

北槽大型航道整治工程水沙縱向輸移機制研究

1航道水沙動力特性及工程特性長江河口北槽的大規(guī)模航道改造工程直接改變了北槽的邊界，不可避免地影響了北槽的水沙過程。這種高強度人類活動影響下河口攔門沙水沙動力特征的變化正是陸海相互作用研究的重要內(nèi)容,也是河口對人類活動響應(yīng)的研究熱點之一,具有重要的科學(xué)意義。同時,水沙過程的研究可為今后長江河口深水航道維護及攔門沙灘槽的合理整治規(guī)劃提供參考,具有一定的現(xiàn)實意義。長江口北槽深水航道一、二、三期工程分別于2001、2005、2011年竣工,航道水深分別浚深至8.5m、10m和12.5m,其主要工程包括:南導(dǎo)堤,長48.08km,北導(dǎo)堤,長49.20km,堤頂高程為中水位(吳淞基面2m);丁壩19座,總長30.1km;分流口潛堤工程;航槽疏浚工程等(見圖1)。作為國內(nèi)規(guī)模最大的航道整治工程之一,北槽水沙過程對工程的響應(yīng)是國內(nèi)近期河口海岸研究的熱點。北槽水動力數(shù)值模擬表明:導(dǎo)堤和丁壩的束水作用使北槽主槽的水流流向更為集中,北槽下段主槽的水流流速大幅增加,并在丁壩的壩田區(qū)產(chǎn)生地形控制的渦流;導(dǎo)堤和丁壩的阻水作用使北槽阻力增加,導(dǎo)致南北港分流口南港的分流比減少,同時南北槽分流口北槽的分流比也減小,北槽上段主槽水流流速有所減小;北槽航槽整治浚深使鹽水入侵加劇。大量學(xué)者基于實測水沙資料對一期工程前后北槽的懸沙絮凝特征、浮泥發(fā)育規(guī)律和消長過程、深水航道的回淤規(guī)律、泥沙運動特性、最大渾濁帶分布規(guī)律、魚咀及丁壩對南北槽分流分沙的影響等一系列問題進行了研究。二期、三期工程完成后,對北槽水沙動力特性的綜合研究尚不多。劉猛等對南導(dǎo)堤越堤水沙運動的觀測研究表明:S4-S5段存在越過南導(dǎo)堤指向北槽的凈輸沙運動,大量懸沙在漲潮時從九段沙輸送到北槽中段。劉高峰等基于工程前后的實測數(shù)據(jù)分析表明:二期工程后,枯季北槽底層余流在彎曲段匯集,重力環(huán)流對泥沙捕集具有重要貢獻。本文將基于實測數(shù)據(jù)系統(tǒng)分析深水航道工程前后北槽主槽的潮流特征、泥沙運動特征和水沙縱向輸移機制的變化。2數(shù)據(jù)和方法2.1分流比和觀測數(shù)據(jù)本文收集了1964-2010年的南北槽分流口同步落潮量和分流比數(shù)據(jù),1964-1998年間落潮分流比的施測位置在目前的下斷面(圖1),工程開始后由于南北槽分汊口分流界線被固定、分流口上提,1998-2010年間分流比的施測位置在上、下兩個斷面(圖1),數(shù)據(jù)來源于交通運輸部長江口航道管理局。工程實施以來的分流比數(shù)據(jù)至少包括每年每個季節(jié)一次的落潮量和分流比,把每年4次(每個季節(jié)一次)的斷面潮量平均,即得到工程實施以來每年的代表潮量。同時,本文還收集了工程實施初期(代表工程前)和三期工程期間(代表結(jié)構(gòu)工程竣工后)的洪季和枯季大潮汛的縱向多站同步水沙觀測數(shù)據(jù)各一次,觀測站和觀測時間見圖2和表1,觀測數(shù)據(jù)包括流速、流向、含沙量和鹽度,數(shù)據(jù)來源于上海河口海岸科學(xué)研究中心。工程前后洪季觀測時段對應(yīng)的月平均流量差異為7%,而枯季觀測時段對應(yīng)的月平均流量差異為5%,上游來水條件相似,且同為大潮汛期間的觀測,故認為有可比性。2.2機制分解法分析導(dǎo)致水沙輸移機制的變化本文的研究方法主要是基于實測數(shù)據(jù)的統(tǒng)計學(xué)方法,通過統(tǒng)計漲、落潮期間的單寬潮量和單寬輸沙量及表征漲落潮動力相對強弱的優(yōu)勢潮量和優(yōu)勢沙,分析北槽水動力和漲落潮輸沙的變化,并運用機制分解法把水沙的輸移總量按照輸移機制進行分解,得到不同的輸移項,分析工程前后水沙輸移機制的變化。2.2.1漲、落潮量對漲潮流期和落潮流期的潮量分別進行統(tǒng)計,得到單寬漲潮量(Qf)和單寬落潮量(Qe),可表明潮周期內(nèi)通過某一垂線的漲、落潮量。其中,m為漲潮流歷時或者落潮流歷時,n為分層數(shù),u為流速(m/s),h為水深(m),t為時間(s),θ為實測流向與潮流長軸方向的夾角,j為某時段,i為某層次。漲落潮量的對比可描述漲落潮強弱,稱為優(yōu)勢潮量,即以單寬落潮量(Qe)除以單寬漲潮量(Qf)和單寬落潮量之和:如果RQ大于50%,則為落潮優(yōu)勢流,小于50%則為漲潮優(yōu)勢流。2.2.2潮流來沙的凈輸沙e在河口攔門沙地區(qū),泥沙在漲、落潮流的作用下往復(fù)搬運,對漲潮流期和落潮流期的輸沙量分別進行統(tǒng)計,得到單寬漲潮輸沙量(Gf)和單寬落潮輸沙量(Ge),可反映潮流對泥沙輸移的作用。其中,m為漲潮流歷時或者落潮流歷時,n為分層數(shù),c為含沙量(kg/m3),u為流速(m/s),h為水深(m),t為時間(s),θ為實測流向與潮流長軸方向的夾角,j為某時段,i為某層次。Ge和Gf兩者之差為一個潮周期內(nèi)的凈輸沙,凈輸沙可指示一個潮周期內(nèi)泥沙輸運的方向和強度。把落潮輸沙量除以漲、落潮輸沙量之和得到優(yōu)勢沙的百分比:如果Rs大于50%,則為落潮優(yōu)勢沙,小于50%則為漲潮優(yōu)勢沙。2.2.3潮周期內(nèi)余流輸移量的描述水深可分解為潮平均項和潮變化項,即:瞬時流速可分解為垂向平均量和垂向偏差項,即:瞬時流速成分和u′(x,t)又可分解為潮平均項和潮變化項,即:所以瞬時流速可分解為:瞬時含沙量可用瞬時流速的分解方法分解為:式(5)~(10)中,上劃線“—”表示垂向平均,上標(’)表示垂向偏差,下標“0”表示潮周期平均,下標“t”表示潮變化。潮平均單寬水體輸移量則余流的表達式為:其中,〈·〉表示潮周期內(nèi)平均。UE為歐拉余流,US為斯托克斯余流,UL為拉格朗日余流。瞬時單寬懸沙輸移量潮平均單寬懸沙輸移量其中,上下標的意義同式(5)~(10)。T1-T5為潮汐與垂向平均流速和含沙量相關(guān)項,其各自的輸沙機制如下:T1為歐拉余流輸沙項;T2為潮汐與潮流相關(guān)項,即斯托克斯漂移輸沙項;T3為潮汐與潮變化含沙量的相關(guān)項;T4為潮流與潮變化含沙量相關(guān)項,通常被稱為潮泵輸沙項;T5為潮汐、潮流和潮變化含沙量三者相關(guān)項。T6-T10為潮流和含沙量的垂向切變引起的輸沙,其各自的輸沙機制如下:T6為垂向環(huán)流輸沙項;T7為潮流和潮平均含沙量的垂向切變與潮汐相關(guān)項;T8為余流和潮變化含沙量的垂向切變與潮汐相關(guān)項;T9為潮流和潮變化含沙量兩者的垂向切變相關(guān)項;T10為潮流和潮變化含沙量兩者的垂向切變與潮汐相關(guān)項。3流量特征的變化3.1輸入段的分離比和潮量變化3.1.1工程實施后南港分流北槽水量北槽落潮分流比在1999年以前總體呈持續(xù)增大的趨勢(圖3a),但深水航道工程實施以來落潮分流比發(fā)生逆變,呈不斷減小的趨勢,表明工程實施以來南港分流北槽水量不斷減小(圖3b)。一期工程實施期間(1999.08-2001.07)落潮分流比下降速度最快,上斷面從61.4%減小到的46.5%;二期工程及其后下降速度減緩,到三期工程開工時(2006.09)為41.1%;三期工程期間相對較穩(wěn)定,目前分流比保持在40%左右(圖3)。3.1.2工程前北槽內(nèi)水流場分布北槽分流斷面的落潮量變化與落潮分流比變化一致,呈不斷減小的趨勢,減小幅度達35%以上;而漲潮量變化幅度較小,上斷面漲潮量有小幅的波動下降,下斷面漲潮量有小幅的波動上升(圖4(a))。工程前,從橫沙水道匯入北槽的水流基本與通過江亞北槽向南槽分流的水量相平衡,上、下斷面的落潮量差異不明顯;工程后,江亞北槽封堵,北槽向南槽的分水受阻,上、下斷面的落潮量差異增大,下斷面的落潮量明顯大于上斷面,增加的落潮量一部分來自橫沙水道,一部分來自越堤流。北槽入口段的優(yōu)勢潮量一直保持在50%以上,為落潮優(yōu)勢性質(zhì)。工程前,優(yōu)勢潮量在65%以上;工程后,由于落潮量不斷減小而漲潮量變化不明顯,優(yōu)勢潮量的百分比下降10%左右(圖4b),落潮優(yōu)勢程度下降。3.2主流的特征變化3.2.1工程前后北槽三種類型落潮特征工程前,北槽入口段和上段的潮流以往復(fù)流為主,中段和下段隨著河道逐漸放寬潮流流向略有分散(圖5a);工程后,由于受到導(dǎo)堤和丁壩的束水作用,主槽潮流皆以往復(fù)流為主,且潮流流向更集中,潮流的橫向動力減弱,主流線基本與導(dǎo)堤走向一致(圖5b)。工程前,北槽主槽的落潮歷時和流速大于漲潮,呈落潮優(yōu)勢(表2)。工程后,落潮優(yōu)勢特征仍保持不變,但潮流特征值較工程前發(fā)生明顯變化(表3)。洪季,CS2站以上的入口段和上段漲潮歷時和流速增大,中段的CSW站附近漲潮歷時和流速也增大,而下段落潮歷時和流速增大;枯季,入口段和上段的漲潮歷時和流速增大,中段的CSW站附近漲潮歷時增大,下段CS7站附近落潮歷時和流速增大?？傮w上,工程后北槽入口段和中段CSW站附近的漲潮動力明顯增強,而北槽下段落潮動力明顯增強。洪季以下段落潮動力增強最為顯著,而枯季則以入口段和上段漲潮動力增強最為顯著。3.2.2單寬潮量、優(yōu)勢潮量工程前,洪季的優(yōu)勢潮量百分比為57%~79%,枯季的優(yōu)勢潮量百分比為53%~62%,優(yōu)勢潮量在洪季和枯季總體上均由口內(nèi)向口外逐漸減小(表2和圖6)。工程后,洪季優(yōu)勢潮量百分比為59%~73%,其中CSW站的優(yōu)勢潮量最小,其它站點的優(yōu)勢潮量均大于65%,沿程呈現(xiàn)波動變化;枯季的優(yōu)勢潮量百分比為50%~66%,CSW站的優(yōu)勢潮量最小,CS7站的優(yōu)勢潮量最大,沿程呈現(xiàn)波動變化(表3和圖6)。工程前后北槽主槽均保持落潮優(yōu)勢性質(zhì),但各站點的單寬潮量和優(yōu)勢潮量均有顯著變化。入口段的漲潮量增大,落潮量減小,優(yōu)勢潮量減小;中段CSW站附近的漲潮量增大,優(yōu)勢潮量減小;下段的漲潮量減小,落潮量增大,優(yōu)勢潮量增大。北槽上段的潮量變化在洪季和枯季呈現(xiàn)不同特征:洪季,落潮量顯著增大,優(yōu)勢潮量增大;枯季,漲潮量和落潮量均增大,但漲潮量的增幅大于落潮量,優(yōu)勢潮量減小。4砂漿機特征的變化4.1工程后北槽主槽含沙量分布工程前洪季,北槽主槽漲潮含沙量為0.2~0.8kg/m3,落潮含沙量為0.4~0.9kg/m3,CS1、CS2和CS3站的落潮含沙量明顯大于漲潮(表4)。工程前枯季,漲潮含沙量為1.2~1.6kg/m3,落潮含沙量為1.0~1.8kg/m3,CS1和CS2站的漲潮含沙量大于落潮,而CS3和CS4站的落潮含沙量大于漲潮(表4)。含沙量的沿程分布特征為:CS3站的含沙量最大,向口內(nèi)和口外均減小。工程后洪季,北槽主槽漲潮含沙量為0.4~1.7kg/m3,落潮含沙量為0.3~1.6kg/m3;入口段和中段的漲潮含沙量大于落潮,而上段和下段的落潮含沙量明顯大于漲潮;中段和下段的含沙量明顯大于入口段和上段,漲潮最大含沙量出現(xiàn)在中段CSW站,落潮最大含沙量出現(xiàn)在下段CS7站(表5)。工程后枯季,漲潮含沙量為0.4~1.5kg/m3,落潮含沙量為0.6~1.6kg/m3;入口段和上段漲潮含沙量大于落潮,而中段和下段的落潮含沙量大于漲潮;含沙量在上段CS2-CS6和下段CS3-CS7較大,最大值出現(xiàn)在CS3站(表5)。工程前后含沙量的顯著變化為:洪季,漲潮含沙量增加一倍以上,落潮含沙量增加50%左右;枯季,漲落潮含沙量均有小幅下降,其中下段出口處CS4站含沙量不到工程前的50%。4.2洪枯季不同河段凈輸沙縱向分布特征工程前,洪季落潮單寬輸沙量為134~234t,漲潮單寬輸沙量為22~154t,落潮輸沙大于漲潮,整個河槽凈輸沙指向海,為落潮優(yōu)勢沙;凈輸沙量自CS2站至出海口不斷減小,表明在中下段攔門沙水域泥沙發(fā)生落淤,使河床發(fā)生淤積?？菁?落潮單寬輸沙量為244~388t,漲潮單寬輸沙量為208~313t,落潮輸沙大于漲潮;凈輸沙量由CS2站至出?？诓粩嘣龃?表明在中下段攔門沙水域泥沙發(fā)生再懸浮,使河床發(fā)生沖刷。因此,北槽中下段攔門沙出現(xiàn)“洪淤枯沖”現(xiàn)象。工程后,多數(shù)河段凈輸沙仍以落潮方向為主,為落潮優(yōu)勢輸沙,但在河槽走向、河道兩側(cè)丁壩長短和人工疏浚等因素的影響下,洪枯季不同河段凈輸沙量出現(xiàn)較大差異。洪季,河槽入口段和上段(CS0-CS2)的凈輸沙指向海,且由上游往下游增大,河床發(fā)生沖刷;中上段(CS2-CSW)凈輸沙量由上游往下游減小,且凈輸沙由指向海轉(zhuǎn)化為指向陸,懸沙在此河段輻聚,河床發(fā)生淤積;中下段和下段(CSW-CS7)凈輸沙指向海,且由上游往下游大幅增加,河床發(fā)生沖刷?？菁?河槽入口段(CS0-CS1)凈輸沙量由上游往下游減小,且凈輸沙由指向海轉(zhuǎn)化為指向陸,懸沙在此河段輻聚,河床發(fā)生淤積;河槽上段(CS1-CS6)為泥沙輻散區(qū),向陸的凈輸沙量逐漸減小,并在下端轉(zhuǎn)為向海輸沙,泥沙再懸浮作用明顯,河床沖刷;河槽中下段到下段中部(CSW-CS7),凈輸沙指向海,且由上游往下游大幅增加,河床沖刷;河槽下段出口處(CS7-CS4),凈輸沙指向海,且由上游往下游大幅減小,河床淤積。因此,航道整治工程改變了北槽的輸沙過程,并使洪季大潮期一個潮周期內(nèi)河床沖淤的縱向分布發(fā)生顯著變化,表現(xiàn)為:工程前,在CS2以下普遍淤積;工程后,在CS2-CSW段集中淤積,在CS2以上和CSW以下普遍沖刷?？菁敬蟪逼诘暮哟矝_淤縱向分布在工程前后的變化不明顯,整個河段以沖刷為主,工程后在河槽兩端有明顯的淤積。5砂、沙縱向輸送機制的變化5.1工程前后拉格朗日輸水量和凈洪水內(nèi)的分配關(guān)系在潮汐河口中,潮周期內(nèi)的水體凈輸移除歐拉余流輸水外,由于潮汐和潮流的相互作用而產(chǎn)生斯托克斯輸水。斯托克斯輸水量由相同周期的分潮潮汐和潮流振幅的大小及兩者的相位差決定,而方向由兩者的相位差決定。一般由于漲潮流期水位總體上高于落潮流期,一個潮周期內(nèi)產(chǎn)生向陸的凈輸水,其中前進波的斯托克斯輸水量最大,駐波的斯托克斯輸水量為零。歐拉輸水量和斯托克斯輸水量之和為拉格朗日輸水量(凈輸水量),其對應(yīng)的余流分別為:歐拉余流UE、斯托克斯余流US和拉格朗日余流UL。在北槽主槽,UE指向海,US指向陸,且UE總是大于US,故UL指向海。因此,斯托克斯的向陸輸水作用部分削弱了歐拉向海輸水,單寬凈輸水指向海(見圖7)。從工程前后余流的變化來看,US變化不明顯,但UE的縱向分布發(fā)生明顯變化,從而使UL的縱向分布也發(fā)生變化。UE縱向分布在工程前后的顯著變化為:工程前,UE由陸向海逐漸減小;工程后,UE總體上呈現(xiàn)由陸向海增大的趨勢,但在CSW附近出現(xiàn)跳躍減小,在下段出口處也有所減小,洪季的變化幅度小,枯季的變化幅度大(圖7)。UE縱向分布在工程前后變化的原因為:導(dǎo)堤和丁壩的建設(shè)阻礙了北槽與鄰近灘槽的水沙交換,并使水流向主槽集中。5.2c2-cs3-cs7段根據(jù)輸沙的驅(qū)動力,可把輸沙項分為兩類:平流輸沙項(T1、T2、T6和T7)和潮流輸沙項(T3、T4、T5、T8、T9和T10)。平流輸沙項中,歐拉余流輸沙(T1)、斯托克斯輸沙(T2)和垂向環(huán)流輸沙(T6)在懸沙縱向輸移中均起著重要作用,其中歐拉余流輸沙占主導(dǎo)地位(見表6和表7)。潮流輸沙項中,懸沙與潮流場變化相關(guān)項(T4+T5)為主導(dǎo)項,其次為垂向潮振蕩切變作用(T9),其他潮流輸沙項(T3、T8和T10)可以忽略(表6和表7)。平流輸沙總體上指向海,而潮流輸沙則隨著季節(jié)而變化。工程前洪季:平流輸沙和潮流輸沙均指向海,且兩者輸沙率在CS2站最大,向兩端減小,使凈輸沙率也呈現(xiàn)由CS2站向兩端減小的分布,故懸沙在CS2-CS4段落淤由平流和潮流的向下游輸沙作用同時減弱所致(圖8a)。工程前枯季:平流輸沙指向海;潮流輸沙呈現(xiàn)由中段輻散的模式,入口段的CS1站和上段的CS2站指向陸,而中段的CS3和下段的CS4站指向海;故CS2-CS4段河床泥沙的再懸浮主要由潮流的輻散輸沙控制(見圖8b)。工程后洪季:平流輸沙指向海,除在CSW附近出現(xiàn)跳躍減小之外,其沿程變化基本上為由陸向海增大;潮流作用下,全槽以向上游輸沙為主,CS2以下至CS7以上河段,向上游的輸沙作用強,且在CSW處達到最大;故懸沙在CS2-CSW段集中落淤為平流向下游輸沙作用減弱和潮流輻聚輸沙雙重作用的結(jié)果(見圖8c)。工程后枯季:平流輸沙總體上指向海,在CSW附近出現(xiàn)小幅的向上游輸沙;潮流輸沙呈現(xiàn)從中段輻散的模式,CSW以上指向陸,而CSW以下指向海;CS1-CS7段河床泥沙的再懸浮主要由潮流的輻散輸沙控制,兩端懸沙落淤是平流和潮流輸沙共同作用的結(jié)果(見圖8d)。對比工程前后平流和潮流的輸沙作用發(fā)現(xiàn):平流輸沙率的縱向分布由向海減小轉(zhuǎn)變?yōu)橄蚝Ｔ黾?且工程后在CSW附近出現(xiàn)跳躍下降;洪季的潮流輸沙發(fā)生顯著變化,由向下游輸沙轉(zhuǎn)化為向上游輸沙為主,枯季的潮流輸沙變化不明顯,仍為由中段向兩端輻散的輸沙模式。洪季,平流輸沙和潮流輸沙在工程前后的變化使一個潮周期內(nèi)的河床沖淤由CS2以下河段普遍落淤轉(zhuǎn)化為CS2-CSW段集中落淤?？菁?在入口段和上段,工程后平流作用向下游輸沙減小,潮流的向上游輸沙占優(yōu)勢,使得懸沙在入口段落淤。平流輸沙的主要成份中,歐拉余流輸沙指向海,而斯托克斯輸沙和垂向環(huán)流輸沙均指向陸。歐拉余流輸沙遠大于斯托克斯輸沙和垂向環(huán)流輸沙,斯托克斯輸沙大于垂向環(huán)流輸沙,且斯托克斯輸沙在枯季較強(圖9)。斯托克斯輸沙作用在工程前后變化不明顯,但洪季的垂向環(huán)流輸沙作用在工程后明顯增強。從各輸沙項的縱向分布來看:歐拉余流輸沙的縱向結(jié)構(gòu)在工程前后有顯著變化,其變化規(guī)律基本上與總的平流輸沙的縱向結(jié)構(gòu)變化一致;斯托克斯輸沙和垂向環(huán)流輸沙在工程前呈現(xiàn)中間大、兩端小的特征,工程后輸沙的縱向波動明顯,最大值出現(xiàn)在中段,但對總的平流輸沙的縱向分布影響不大(圖9)。因此,工程前后平流輸沙縱向分布的變化主要由歐拉余流輸沙的縱向分布變化所致,即工程引起的歐拉余流縱向結(jié)構(gòu)的變化是平流輸沙縱向變化的主要原因。潮流輸沙的主要成份中,以潮流與潮變化含沙量相互作用產(chǎn)生的輸沙(潮泵輸沙項T4)占絕對優(yōu)勢,兩者與潮汐的相關(guān)項(T5)和兩者的垂向切變相關(guān)項(T9)處于次要地位,T4遠大于T5和T9(見表6和表7)。輸沙項T4的縱向分布特征與總的潮流輸沙一致:在洪季,工程前為向下游輸沙,工程后以向上游輸沙為主;在枯季,工程前后均為由中段向兩端輻散的輸沙模式。輸沙項T5和T9基本指向陸,T5在工程前后變化不明顯,而T9在工程后洪季北槽中段和下段的輸沙明顯加強