長江口枯季水沙特性分析

長江口枯季水沙特性分析

關于河口水沙特性的觀測研究長江口是一座以高濁度和沉積物沉積物而聞名的獨特河口。流域來水、來沙量大,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。流域來水來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%。長江口屬于中等潮差河口,口門附近平均潮差為2.67m。長江口出徐六涇后被崇明島分成北支和南支,南支在長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“三級分汊,四口入?！钡母窬?圖1)。河口水沙特性的研究是了解河口水文、泥沙過程的重要手段,也是研究河口發(fā)育和演變的基礎,同時又是評價河口大型工程項目實施后對河口影響的基本內(nèi)容,因此,河口水沙特性的研究具有重要的科學意義和實踐價值。前人對長江口水沙特性做了很多相關研究,如對長江口大通站水沙過程特征的研究;潮流、泥沙特性對地形地貌以及河槽演變的影響;河口環(huán)流對懸沙輸移的影響;水沙輸移特性;河口細顆粒泥沙絮凝、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八十年代的觀測資料或是多年資料的集成,長江口大面積、同步水沙觀測資料的分析尚不多見。根據(jù)長江口大通站實測資料,多年來長江口來水來沙量呈逐年下降的趨勢。在自然和人類活動的影響下,長江口的河勢也發(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,工程對南、北港分流口以及北槽航道的治理等,影響著長江口的物理過程,而水沙特性恰是河口物理過程的研究基礎。國外河口也有許多類似研究,例如研究比利時的Scheldt河口基于不同時間尺度的水沙分布特性及其動力影響因子;觀測巴布亞新幾內(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力成因;分析加利福尼亞灣一個潮周期懸沙剖面,得出控制懸沙凈通量的主要動力過程等。2003年2月華東師范大學河口海岸學國家重點實驗室在長江口組織了一次大規(guī)模水文、泥沙多船準同步觀測,以期了解近期長江口水沙的特性;而且在三峽工程、南水北調(diào)東線和中線工程以及長江口深水航道工程等流域及河口大型工程項目相繼建設的背景下,此次觀測數(shù)據(jù)也是今后評價這些工程對長江口影響的基礎研究資料。本文基于2003年2月長江口水沙觀測資料,做了長江河口枯季水沙特性分析。1觀測站的位置和方法1.1平均增強時間長江口野外水文、泥沙觀測于2003年2月14—25日進行,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26h,獲取27組數(shù)據(jù)?？紤]到長江口范圍廣,各汊道水沙特性分布差異大,因此測站覆蓋了長江口4條入海汊道及典型河段(圖1)。1.2橫向含沙量觀測流速觀測使用SLC9—2型直讀式電磁海流計,采用六點法測量流速和流向。垂線平均流速和流向根據(jù)六點法加權計算得到。含沙量觀測使用橫式取樣器采用六點法取懸浮泥沙水樣,實驗室內(nèi)經(jīng)45μm濾紙過濾、105°C恒溫箱內(nèi)烘干,再放入干燥缸里冷卻6~8min后稱重并計算單位水體的含沙量。漲、落潮過程根據(jù)流速過程線判斷,各站點的漲、落潮平均流速、流向和含沙量為觀測時段內(nèi)兩次漲落潮過程的逐時垂線平均流速、流向和含沙量的平均值。2對結果的分析與討論2.1流量統(tǒng)計的統(tǒng)計2003年長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,觀測月的來水偏高,來沙偏小。2.2垂線平均流速從時間分布看(表1),大潮時,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,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%。這些特點說明長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,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。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,渾濁帶水域為北港最大,北槽和南槽的相對大小則隨潮時變化,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算結果,大潮汊道水流凈通量為北槽>北港>南槽。小潮時,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。北支汊道兩個站位垂線平均流速的相對大小隨潮時變化。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算結果,小潮汊道水流凈通量為北槽>北港>南槽。以上分布特點表明,長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,渾濁帶水域為垂線最大流速分布帶。無論大小潮,汊道水流凈通量為北槽>北港>南槽。2.3長江口枯季水體含沙量一般特征2003年2月長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)含沙量并無減小。已有研究認為,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,枯季長江口的水沙特性研究也支持這一觀點。從時間分布看(表2),大潮時,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,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%。這些特點說明長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,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,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。口門水域南槽口外較大。大潮落潮時,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。口門水域南槽口外較大。根據(jù)北港、北槽和南槽通量的計算結果,大潮汊道懸沙凈通量為北槽>北港>南槽。小潮時,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。口門水域北槽口外最大,南槽口外最小。小潮漲潮時,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,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。小潮時渾濁帶海域無論漲落潮,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算結果,小潮汊道懸沙凈通量為北槽>北港>南槽。以上分布特點表明,長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,在大潮時較高,而小潮時最低。水體含沙量由徐六涇向口門呈“先增大后減小”的變化,在渾濁帶存在一個含沙量高于其上下游的水域。無論大小潮,汊道懸沙凈通量為北槽>北港>南槽。結合2.2得到的認識,長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,而且北港在大潮時較高,而小潮時最低。縱向上,南支中上段以及口外站位的泥沙來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)勢在此轉換,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系從0.4H流速和垂線平均流速的相關性看(圖4),兩者相關系數(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性看(圖5),兩者相關系數(shù)大都在0.7以上。因此,長江口枯季0.4H流速和含沙量能近似表示其對應的垂線平均值。從大、小潮垂線平均流速的分布關系看(圖4),以南槽K0304、北槽K0306以及北港的兩個站位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系和垂線平均流速分布關系類似(圖5),且同一站位的大、小潮水動力和含沙量分布關系一致。以上分析表明,長江口枯季各汊道大、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。結合2.2和2.3小節(jié)得到的結論,北港大、小潮垂線平均流速相差較大,是導致其大、小潮垂線平均含沙量分布不均勻的主要動力因素。說明流速和含沙量沿垂線分布的規(guī)律一致,且流速的變化主導含沙量的變化。2.5垂線和長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系到泥沙沉降過程和懸沙通量等問題,因此成為河口海岸研究的熱點,但由于觀測技術制約,已有研究大都從描述和模型研究角度出發(fā)。根據(jù)紊動擴散理論,二維恒定均勻流平衡情況下的懸移質擴散方程表明,在懸移質承受重力作用與紊動擴散作用的過程中,當含沙量梯度大時,紊動擴散作用隨之增強,懸移質上升效果也較明顯,然而這又勢必引起含沙量梯度減小。可見,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,紊動強度和局地流速梯度有本質的聯(lián)系,其關系函數(shù)可以寫成。Rose公式在推導過程中,假定泥沙紊動擴散系數(shù)εsy等于相應的動量紊動擴散系數(shù)εm,而動量紊動擴散系數(shù)εm由下式求得:,動量紊動擴散系數(shù)mε與流速梯度直接相關。因此沿垂線的流速和含沙量梯度是研究河口地區(qū)懸移質含沙量沿垂線分布的關鍵參數(shù)之一。本文將水體垂線上離散的流速和含沙量數(shù)值點擬合成直線,并用該直線的斜率表達含沙量沿垂線分布曲線的平均梯度。為方便比較,又對沿垂線分布的流速和含沙量梯度Grd取絕對值(表3和表4)。表3顯示,大潮時,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,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%。以上特點表明,長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。因為流速梯度進而反映水流紊動強度,所以長江口枯季水流紊動強度一般大潮>小潮,落潮>漲潮。表4顯示,大潮時,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,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比其他站位低一個量級,而最大渾濁帶和北支的站位則大都>1,比其他站位高一個量級。以上特點表明,長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趨勢。結合2.3得到的認識,長江口各個入海汊道的含沙量分布在平面和垂線上都有量級上的差別。因為含沙量梯度實質反映了水體垂向混合的強度,所以長江口枯季大潮的水體垂向混合強度大于小潮,而漲、落潮的水體垂向混合強度則差別較小。3長江口枯季水流特征基于2003年2月長江口的大面水文、泥沙現(xiàn)場觀測,得到長江口枯季水沙特性的以下幾點認識:a)長江口枯季水動力一般大潮>小潮,落潮>漲潮。平面上:水動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