長(zhǎng)江口深水航道治理一期工程北槽最大渾帶分布規(guī)律研究

長(zhǎng)江口深水航道治理一期工程北槽最大渾帶分布規(guī)律研究

1長(zhǎng)江口、北槽深水?dāng)r截門沙地形改善研究在河口地區(qū)，有鹽和淡水的交匯現(xiàn)象。鹽水以不同的重量流的形式插入水體底部，淡水通過(guò)沉積物浮在生理鹽水中。當(dāng)鹽淡水混合時(shí),河流攜帶的泥沙因遇到含電介質(zhì)的海水及顆粒間的相互碰撞而發(fā)生粒聚、沉降。泥沙下降至鹽水楔后因下層環(huán)流的作用而向楔頂方向運(yùn)動(dòng)并集聚。因此在楔頂附近泥沙濃度最大,形成最大渾濁帶。早在1893年,在法國(guó)的Gironde河口首次觀測(cè)到最大渾濁帶。此后,Bowden、Uncles&Stenphens、Odd以及Postma等人對(duì)最大渾濁帶的分布和形成機(jī)理進(jìn)行了廣泛研究。長(zhǎng)江口的鹽淡水交匯基本屬于緩混合型,有利于最大渾濁帶的發(fā)育。從上世紀(jì)60年代,國(guó)內(nèi)學(xué)者對(duì)長(zhǎng)江口鹽水楔異重流、鹽淡水交匯中的最大渾濁帶問(wèn)題、細(xì)顆粒泥沙的絮凝和沉降特性、長(zhǎng)江河口環(huán)流及懸沙輸移規(guī)律、長(zhǎng)江河口的滯流點(diǎn)分布以及水沙運(yùn)動(dòng)特性和航槽回淤規(guī)律等問(wèn)題從不同角度進(jìn)行了研究。北槽是長(zhǎng)江口入海航槽之一(圖1)。長(zhǎng)期以來(lái),北槽最大渾濁帶的存在和上下擺動(dòng),在很大程度上影響著北槽水下攔門沙地形的演變。根據(jù)實(shí)測(cè)資料,北槽攔門沙灘頂最淺水深約為6m左右,水深小于10m的淺段長(zhǎng)度約為56km,形成礙航淺段。長(zhǎng)江口北槽深水航道治理工程的總體方案是南北導(dǎo)堤和丁壩群的建設(shè)與疏浚結(jié)合(圖1),治理目標(biāo)是使北槽航道水深由工程前的7.0m左右增加到工程后的12.5m。一期工程于1998年1月開(kāi)工建設(shè),2000年7月通過(guò)交工,宣布8.5m深水航道進(jìn)入試通航期;2001年6月一期工程含完善段工程全部竣工,2002年9月通過(guò)國(guó)家驗(yàn)收。二期工程于2004年1月全面實(shí)施,將于2005年4月全面完成,竣工后通航深度將達(dá)到10.0m。國(guó)內(nèi)學(xué)者就北槽深水航道治理一期工程前后攔門沙航道演變規(guī)律、北槽懸沙絮凝特征、北槽浮泥發(fā)育規(guī)律、深水航道的回淤規(guī)律泥沙運(yùn)動(dòng)特性等問(wèn)題進(jìn)行了一系列研究。本文在上述研究的基礎(chǔ)上,主要依據(jù)實(shí)測(cè)資料,首次對(duì)北槽深水航道一期工程實(shí)施前后最大渾濁帶的分布規(guī)律及其對(duì)北槽淤積的影響進(jìn)行系統(tǒng)總結(jié)和分析,研究成果可為北槽深水航道治理二、三期工程的順利實(shí)施提供參考,同時(shí)澄清一些認(rèn)識(shí)。2地形地貌調(diào)查研究一期工程實(shí)施前后,在北槽沿程進(jìn)行了多次水文測(cè)驗(yàn)。測(cè)驗(yàn)條件如表1,測(cè)站布置如圖1、表2,測(cè)驗(yàn)項(xiàng)目主要包括定點(diǎn)流速流向、含沙量和含鹽度等。此外,在一期工程實(shí)施以來(lái)上海航道勘察設(shè)計(jì)研究院定期對(duì)北槽地形進(jìn)行測(cè)量。本文以上述實(shí)測(cè)資料為依據(jù),分析北槽沿程的水流泥沙運(yùn)動(dòng)和鹽水楔活動(dòng),對(duì)北槽一期工程實(shí)施前后最大渾濁帶的分布規(guī)律進(jìn)行綜合分析。同時(shí)結(jié)合一期工程實(shí)施以來(lái)的航槽回淤和水下地形觀測(cè)資料,深入研究了最大渾濁帶分布對(duì)北槽淤積的影響。3北槽最大渾濁帶的特點(diǎn)3.1河岸質(zhì)與深基坑質(zhì)以2002年8月北槽洪季河床質(zhì)和懸移質(zhì)為例,北槽洪季沿程河床質(zhì)以粘土和粘質(zhì)粉土為主,懸移質(zhì)主要為粘土,二者中值粒徑差值不大。河床質(zhì)一經(jīng)起動(dòng),常常呈懸浮狀態(tài)運(yùn)動(dòng),所以北槽沿程床面泥沙再懸浮比較頻繁。3.2積物沖刷切應(yīng)力根據(jù)歷次實(shí)測(cè)資料,北槽CS0下游約30km的4#和CS3測(cè)點(diǎn)附近多為近底層高流速區(qū)段。表4為北槽2002年8月大潮近底層流速特征值。由此可以看出,CS3附近的漲落急前后和近底層流速多高于上下游。根據(jù)水流底部切應(yīng)力的概念,在一個(gè)全潮周期中,當(dāng)水流底切力低于懸浮泥沙的淤積切應(yīng)力時(shí)(u*<u*.i,u*為切速),懸移質(zhì)落淤;當(dāng)水流底切力高于沉積物的沖刷切應(yīng)力時(shí)(u*>u*.c),底床沖刷。不同水深處相應(yīng)的底切速峰值u*可由卡門公式計(jì)算式中U2,0和U1,0為離底分別為Z2和Z1高度上的實(shí)測(cè)資料。采用實(shí)測(cè)分層流速推算北槽沿程各測(cè)點(diǎn)近底層切速峰值如表5所示。由表5可知,在漲落憩時(shí)刻,CS3附近的近底層切速峰值明顯低于上下游,對(duì)懸沙落淤比較有利。而CS3落急時(shí)刻的近底層切速峰值明顯高于同樣未受到工程掩護(hù)的下游各點(diǎn),可見(jiàn)該區(qū)域床面泥沙在落急前后的再懸浮運(yùn)動(dòng)較強(qiáng)。由于潮汐河口的水流為雙向流,在下泄流占優(yōu)勢(shì)與上溯流占優(yōu)勢(shì)區(qū)域之間的過(guò)渡河段總存在一個(gè)凈流程為零的地方,即滯流點(diǎn)。參考西蒙斯的研究成果,將各測(cè)點(diǎn)的落潮單寬流量過(guò)程線包絡(luò)的面積除以漲落潮單寬流量過(guò)程線包絡(luò)的面積,商大于50%則代表落潮優(yōu)勢(shì)流為主,小于50%代表漲潮優(yōu)勢(shì)流。而漲落潮單寬流量各占50%則代表漲落潮流程相等,該位置即為滯流點(diǎn)所在。根據(jù)實(shí)測(cè)資料推算北槽近底層滯流點(diǎn)位置如表6。上表說(shuō)明,北槽一個(gè)潮周期中近底層滯流點(diǎn)多在CS0下游25-40km(K-T單元)范圍內(nèi)擺蕩,目前洪枯季大潮時(shí)近底層滯流點(diǎn)的位置大致在CS0下游40km左右。與工程前數(shù)次實(shí)測(cè)值相比,工程后近底層的滯流點(diǎn)位置并無(wú)明顯變化。3.3滯沙點(diǎn)滯流點(diǎn)的分布統(tǒng)計(jì)一期工程實(shí)施前后北槽實(shí)測(cè)大小潮近底層含沙量資料,得到北槽沿程含沙量峰值區(qū)段分布頻次如下表所示。由上表可知,在一期工程實(shí)施前后,CS0下游約30km的4#和CS3測(cè)點(diǎn)附近多為北槽沿程的漲落潮近底層含沙量峰值發(fā)育區(qū)段,一、二期整治工程的實(shí)施并未使北槽近底層含沙量的沿程分布發(fā)生趨勢(shì)性變化。在河口地區(qū),下泄泥沙占優(yōu)勢(shì)區(qū)域與上溯泥沙占優(yōu)勢(shì)區(qū)域之間的過(guò)渡河段在一個(gè)潮周期內(nèi)往往存在一個(gè)凈輸沙為零的地方,即滯沙點(diǎn)。將各測(cè)點(diǎn)落潮單寬輸沙量過(guò)程線包絡(luò)的面積除以漲落潮單寬輸沙量過(guò)程線包絡(luò)的面積,商大于50%則代表落潮優(yōu)勢(shì)沙為主,小于50%代表漲潮優(yōu)勢(shì)沙。而漲落潮單寬輸沙量各占50%則代表漲落潮輸沙量相等,該位置即為滯沙點(diǎn)所在。根據(jù)推算北槽近底層滯沙點(diǎn)位置如表8。由上表可以看出,長(zhǎng)江口深水航道治理工程實(shí)施前后,北槽近底層滯沙點(diǎn)多位于CS0下游12-20km(E-J單元)和CS0下游30-50km(N-W單元)之間,滯沙點(diǎn)位置并未出現(xiàn)明顯下移趨勢(shì)。此外,滯沙點(diǎn)的位置與滯流點(diǎn)位置不完全吻合。圖2為北槽沿程滯沙點(diǎn)分布的典型斷面。在近底層滯沙點(diǎn)上游區(qū)段,水體垂線方向各層懸沙凈向下游輸移;在50%優(yōu)勢(shì)沙鋒面的下游區(qū)段,水體垂線方向各層懸沙凈向上游輸移;在50%優(yōu)勢(shì)沙鋒面附近,水體上層懸沙凈向下游輸移,下層懸沙凈向上游輸移,存在垂向泥沙環(huán)流。當(dāng)然,這種輸沙情況是不穩(wěn)定的,在研究河段有時(shí)會(huì)出現(xiàn)全河段凈輸沙向下和凈輸沙向上的情況,甚至出現(xiàn)表層凈向上輸沙而底層凈向下輸沙的反向泥沙環(huán)流。3.4近底層鹽水加強(qiáng)作用北槽鹽淡水混合類型以緩混合型為主,鹽度大多在5‰～28‰的范圍內(nèi)變化,有利于細(xì)顆粒泥沙的絮凝沉降。根據(jù)實(shí)測(cè)資料繪制北槽沿程鹽度垂線分布圖,進(jìn)而推算近底層鹽水楔位置(表9)。從實(shí)測(cè)資料看,近底層鹽水楔洪季下移,枯季上提;小潮下移,大潮上提。根據(jù)陳邦林等的研究,北槽地區(qū)13‰左右的鹽度最有利于泥沙絮凝。從所有統(tǒng)計(jì)資料來(lái)看(表9),北槽深水航道一期治理工程實(shí)施以來(lái)的漲落憩時(shí)刻13‰鹽水楔在CS0以下30-45km(大致相當(dāng)于為N-V單元)范圍內(nèi)多次出現(xiàn),約占總數(shù)的56.1%,表明該區(qū)域在漲落憩時(shí)刻的絮凝作用比較明顯,有利于最大渾濁帶的發(fā)育。3.5槽內(nèi)自然深水如圖3,一期工程實(shí)施后,北槽航槽槽邊自然水深明顯增加,攔門沙灘頂隆起的地形逐漸消失。從自然水深的分布看,北槽W3彎段上游各單元槽邊自然水深總體上自上向下呈下降趨勢(shì),大致CS0下游19-23km的H-J單元(B33-B36斷面)、CS0下游30-35km的N-Q單元(B42-B46′斷面及CS3附近)和CS0下游41km的T單元(B49-B49′斷面及CS4附近)始終為自然水深的淺區(qū)。3.6最大東南角cs0-2-特征分區(qū)根據(jù)上述研究成果可以看出,北槽河床質(zhì)一般為粉土和粘土,懸移質(zhì)主要由粘土組成,兩者交換頻繁。長(zhǎng)江口深水航道治理一期工程實(shí)施前后,滯流點(diǎn)多在CS0下游25-40km(K-T單元)范圍內(nèi)擺蕩,形成滯流區(qū)。其中CS3點(diǎn)附近在漲落憩前后的近底層切速峰值小于上下游,明顯有利于懸沙淤積。北槽近底層滯沙點(diǎn)多位于CS0下游12-20km(E-J單元)和CS0下游30-50km(N-W單元)之間。其中CS3點(diǎn)附近近底層常出現(xiàn)高濃度含沙層。北槽中下段鹽度介于5‰-15‰,深水航道一期治理工程實(shí)施以來(lái)的漲落憩時(shí)刻13‰鹽水楔在CS0以下30-45km(大致相當(dāng)于為N-V單元)范圍內(nèi)多次出現(xiàn),表明該區(qū)域的絮凝作用比較明顯。從自然水深的分布看,CS0下游19-23km的H-J單元附近和CS0下游30-35km的N-Q單元(CS3)附近始終為自然水深的淺區(qū),回淤量也居高不下。凡此種種,說(shuō)明CS0下游19-23km(H-J單元)和CS0下游30-45km(N-V單元)是北槽最大渾濁帶的主要分布區(qū)域。最大渾濁帶的整體發(fā)育機(jī)制是多因素綜合作用的結(jié)果。一期工程雖然改變了局部流場(chǎng)并引起河床調(diào)整沖刷,但諸如含沙量、輸沙量、鹽度(絮凝沉降)等因素的分布并未發(fā)生明顯變化,這些因素的綜合作用使最大渾濁帶的位置基本保持穩(wěn)定。由此可見(jiàn)一期工程并未對(duì)北槽最大渾濁帶的發(fā)育機(jī)制和分布造成明顯影響。4北槽回淤部位分布圖4和表10顯示了北槽沿程回淤量的分布。由上述圖表可知,一期工程以來(lái)北槽的主要淤積部位存在一定變化:2002年11月以前,北槽回淤量峰值區(qū)段位于W3以下,2002年11月以后,回淤量峰值區(qū)段上移至W3以上,并且2001年和2004年航槽洪季回淤量分布出現(xiàn)雙峰型。雖然存在上述變化,但是CS0下游21km的I單元至CS0下游約32km的O單元附近的區(qū)段始終為北槽回淤量較高的區(qū)域。在潮汐河口,最大淤積部位常常取決于最大渾濁帶的位置,北槽最大淤積部位的分布也符合這一規(guī)律。由于一期工程實(shí)施前后CS0下游19-23km(H-J單元)和CS0下游30-45km(N-V單元)始終是北槽最大渾濁帶的主要分布區(qū)域,這些區(qū)段航槽淤積量也較大。從2004年二期工程實(shí)施以來(lái)的回淤情況看,截至10月,二期整治工程基本完成,北槽口外的X單元以東的區(qū)段回淤量始終維持較低水平。此外,根據(jù)有關(guān)物理模型的研究成果,三期工程后最大