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水利工程论文长江口北槽最大浑浊带泥沙过程摘要利用长江口北槽口内和口外大潮和小潮的流速、盐度和含沙量资料,对北槽最大浑浊带水动力、泥沙过程及成因机制进行了分析和研究。此外,还利用一维悬沙数学模型对北槽的悬沙过程进行了模拟。研究结果表明在北槽口内,最大浑浊带形成的主要动力过程是潮汐的不对称性和河口重力环流。在北槽口外,最大浑浊带形成的主要动力过程则是河口底部泥沙的周期性再悬浮。在长江口北槽口内、口外最大浑浊带中,细颗粒泥沙的再悬浮过程也存在着一定的周期性。此外,由盐度、悬沙浓度层化引起的层化抑制紊流也是长江口北槽口内、口外最大浑浊带的成因机制之一。长江口北槽口内和口外水动力悬沙过程的差异性在一维数学模拟的结果中也得到了证实。关键词长江口最大浑浊带潮汐不对称性重力环流再悬浮层化1引言河口最大浑浊带是河口细颗粒泥沙运动的主要沉积特性。它发生在河口口内盐度入侵较大的区域附近,含沙量明显高于上游和下游地区,而且在不同的水文条件下持续出现。自法国学者Glangeaud1在吉论特河口LaGironde首先发现并定义河口浑浊带法文BouchonVaseux后,世界各国学者都对这一现象作了大量的深入的研究。影响浑浊带形成和发育的过程包括详见综述,时伟荣等21沉降和起动滞后效应主要存在于潮汐不对称且潮差沿程变化的河口2絮凝作用由于紊动碰撞和盐度引起的絮凝作用的相互作用33高浓度悬浮体的悬浮作用浮泥层在风浪和潮流作用下的大规模悬浮44河口环流模式混合型河口内存在的底层向陆、表层向海的余环流模式55潮波变形引起的输沙作用单纯的潮汐作用影响,斯托克斯输移66冲刷浑浊带河口潮差的沿程变化受到断面束窄和低边界摩擦因素的作用7。国外,河口最大浑浊带的研究主要依赖于现场实验8~13。值得一提的是,Geyer14用一个简单的数学模型说明了由于层化产生的紊流抑制大大加强了在河口最大浑浊带悬沙的捕集。他认为,在中等和高度分层的河口中,紊流扩散在盐水入侵的上游区域和盐水入侵的层化区域之间明显减小,在上游区域中紊流不受盐度层化的影响,而在盐水入侵的层化区域紊流受到盐度层化的影响减小。紊流扩散的减小导致了水流挟沙量的减小,从而使泥沙被捕集在盐水入侵的陆缘。这种捕集过程发生在与河口辐聚同一地方,但前者在捕集细颗粒方面比后者更有效许多倍。这为河口最大浑浊带成因提出了新机制。长江口是长江注入东海的入海口,自徐六泾以下经过三次分汊,共形成四个入海通道。崇明岛将长江口分为南支和北支长兴岛和横沙岛又将南支分为南港和北港南港又进一步被九段沙分为南槽和北槽图1。长江口水动力情况复杂,径流、潮汐、科氏力、波浪及沿岸流作用都较强烈,口外还受上升流影响15。根据大通水文站多年统计资料,长江多年平均流量29500m3s1。长江口为中等潮差的河口,根据中浚站多年统计资料,多年平均潮差为2.66m。长江口实测最大年输沙量为6.78亿t,最小年输沙量3.41亿t,年平均输沙量大约有4.86亿t。每年由上游携带来的泥沙中有50左右在长江口水下三角洲地区沉积下来,成为形成长江口拦门沙的主要成份。A9310站位B9405、9410站位详细经纬度见文中图1长江口及观测站位分布图ChangjiangEstuaryandmonitoringstations自90年代,河口学家对长江口细颗粒泥沙输移过程进行了更加深入的实验研究。沈焕庭等16系统地分析了长江口最大浑浊带形成的环境背景、时空变化规律、泥沙来源和絮凝作用对悬沙落淤的影响、浮泥的特性与分布以及悬沙的富集机制。时伟荣17和ShiLi18利用长江口南槽底层含沙量资料,分析计算了不同潮时的泥沙垂向紊动扩散系数,研究了底床泥沙再悬浮与最大浑浊带形成的关系。对长江口不同河段的悬沙特性大小、沉速、含沙量和输移规律的分析对比,李九发等19探讨了这些因素对长江口最大浑浊带形成过程的重要性,认识到最大浑浊带潮流强劲,引起床沙再悬浮,因而输沙能力强。沈健等20对长江口最大浑浊带的水沙输运机制进行了定量分析。贺松林、孙介民21研究了长江口最大浑浊带悬沙输移过程中的潮泵效应在涨落潮中,悬沙颗粒在水体与底床之间周期性地做上下悬扬、沉降的现象,并指出南、北槽之间的大尺度平面环向悬沙输移和南、北槽内的次级尺度的平面环向悬沙输移的重要性。ZhouWu22利用通量分析方法研究了长江口最大浑浊带的形成机制。结果表明支持最大浑浊带的长周期泥沙源是陆向雷诺Reynolds输运和较低层的陆向余流平流输运。河口学家对长江口浮泥也进行了现场实验观测研究23。利用长江口水文泥沙现场观测资料,曹沛奎、严肃庄24对长江口含沙量梯度较大的悬沙锋进行了研究,发现了内、外两个锋面。悬沙锋对长江口的物质输移和冲淤变化起积极作用。此外,长江口细颗粒泥沙絮凝机理的室内实验研究也得到了发展25,26。最近,时钟27、时钟、周洪强28、时钟、凌鸿烈29和时钟等29~31对长江口近底边界层细颗粒泥沙输移进行了现场声学实验观测初步研究,表明声学悬浮泥沙观测系统的可适用性。这应为深入理解河口近底边界层高含沙层的侵蚀、挟运、输移和堆积过程提供新的实验研究途径,对河口最大浑浊带成因的进一步认识应有重要的科学意义。其它相关的河口最大浑浊带研究,如珠江口32、椒江口33,34。从90年代开始,河口学家、海岸工程师和流体力学家对长江口细颗粒泥沙运动及冲淤变化进行了数学模拟研究。例如,垂向一维模型35、垂向二维模型36~39、平面二维模型40和数理统计模型41。尽管长江口最大浑浊带细颗粒泥沙运动研究取得了很大的进展,但仍有深入研究的必要,这是因为长江口水动力、细颗粒泥沙运动本身是非常复杂的。尚存在如下问题长江口北槽最大浑浊带成因机制究竟是什么Geyer14提出的层化抑制紊流理论是否适用于长江口北槽河口最大浑浊带泥沙捕集机制北槽口内、口外最大浑浊带中的水动力、悬沙过程如何有什么区别此外,在长江口深水航道整治工程中,对细颗粒泥沙运动及短周期冲淤变化的研究至关重要,并需要对细颗粒悬沙运动定量化。本文的目的1在对长江口北槽最大浑浊带水动力、泥沙过程观测的基础上,利用垂向一维悬沙运动数学模型对长江口北槽口内和口外悬沙浓度垂线分布进行了模拟2对长江口北槽的最大浑浊带的形成进行了分析和探讨。2观测站位及方法在长江口口内9310站位横沙岛以东,1993.10.3031观测得到大潮的水流、盐度、含沙量资料,而在北槽口外9405站位东经122°27′04″,北纬31°05′15″,1994.5.286.3和9410站位东经122°27′30″,北纬31°05′36″,1994.10.716分别观测得到大潮和小潮的水流、盐度、含沙量资料。这些数据是由水的点采样法,即所谓的六点法测得。在各正点时刻,分别在相对水深z/H1.0、0.8、0.6、0.4、0.2及0.0处利用采样器采集含沙水样。然后,在室内通过63μm滤纸,分离出粗颗粒悬沙,通过过滤的水样留下来的物质用蒸馏水漂洗,并在40℃恒温箱内烘干,过滤器烘干到60℃后再称重。悬沙浓度是由最后沉淀物的总质量除以被滤去的水体积而计算出的。所得数据资料经过Lagrange三点差值求得在时间轴和相对水深z/H轴上的系列数据,再由等高线绘制出流速、盐度以及含沙量随时间、水深方向变化的关系图。3水流、盐度、含沙量的时空变化过程观测结果3.1北槽口内水流、盐度、含沙量的时空变化过程9310站位地处北槽口内,在02hr和18hr的涨急时刻出现了较大的流速图2。由于9310站位处于长江口口内,其受到的径流对流影响较大,这使得原本就较为复杂的水流分布问题变得更加复杂。在涨落潮周期内,也存在着明显的历时不对称性。其中,涨潮历时比落潮历时短很多,原因是9310站位由于河口处于枯水期10月份,因而在涨潮阶段的径流大量地涌入长江口,增加了大潮的历时而落潮阶段,为了在长江口保留一定的水位以致减缓了落潮的历时。此外,落潮流速明显大于涨潮流速图2。盐水楔出现在落急时段,尤其在第二个落急时段盐水楔更加明显图2。而在其它时刻,由于9310站位处于口内,淡水占主主要部分,所以含盐度较低。在每一个涨落潮周期内,至少存在2次再悬浮过程对应于2个高含沙区,并分别发生在落急附近00hr~06hr,93.10.31和涨憩、落急附近11hr~20hr,93.10.31图2。在再悬浮过程中,由于底部含沙量较大,加之部分由径流和上层水体中淤积下的泥沙,使得水体含沙量出现了峰值,且对应于流速相对较大的区域。从整个水深、时间变化过程图2可知,悬沙浓度出现层化现象。图2流速、盐度、含沙量沿水深、时间变化过程9310站位,大潮Timeseriesofcurrentvelocity,salinityandsuspendedsedimentconcentration图3流速、盐度、含沙量沿水深、时间变化过程9405站位,大潮Timeseriesofcurrentvelocity,salinityandsuspendedsedimentconcentration3.2北槽口外水流、盐度和含沙量的时空变化过程9405站位和9410站位同处于长江口北槽口外,且实际的地理位置也十分接近。所不同的是,9405站位的观测时间为5月洪季而9410站位的观测时间为10月枯季。3.2.19405站位洪季1大潮在整个潮周期中,流速变化较大,尤其在涨急、落急达到极大值图3。局部的水面地区流速为零,其原因可能是由于9405站位处的水流不仅受到潮流作用,而且受到径流的影响,两者相互作用从而导致了在水流表面流速为零图3。在盐度分布上,也存在一定的周期变化,且盐度沿水深增加逐渐递增。此外,在一个涨落潮周期中,出现了一个盐水楔,且主要存在于涨憩附近10hr~15hr,94.5.2822hr~06hr,94.5.29,第二个周期中22hr~06hr,94.5.29尤为明显。由于在涨憩时刻,流速相对较大,在盐水密度流的作用下使海水由底层向河口方向上扩散,而淡水主要分布于表层,从而导致底部盐水楔的形成。此外,从盐度分布上可知,盐度明显层化图3。从底层含沙量过程线可以看出,一个潮周期内有2个再悬浮过程。它们主要发生在涨急附近08hr~11hr,94.5.2820hr~02hr,94.5.29、落急附近12hr~18hr,04hr~09hr,94.5.29,再悬浮时间较长,水体含沙量较高图3。涨潮期间底层含沙量峰值出现时间与涨潮流速最大值出现时间较一致。落潮期间底层含沙量峰值往往出现在落急附近,这主要是涨憩前后泥沙普遍落淤,水体含沙量相应减少,随落潮流到这些测点的泥沙量亦少,因此,落潮含沙量峰值主要取决于再悬浮。2小潮由于潮差最小,所以小潮水面平均流速变化明显减小,但也存在历时上的不对称性,涨潮历时比落潮历时短图4。盐度呈明显层化,即从水面至水底盐度逐渐增加,淡水与盐水之间充分混合。由底层含沙量过程线可以看出,在24hr,09hr时刻,出现了较大的含沙量,其它区域内含沙量普遍较小。这是由于低的流速,产生低的底层悬沙,从而导致含沙量相对较少。尽管如此,在涨急和涨憩阶段,仍然出现了含沙量峰值。悬沙浓度层化明显图4。
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