水利工程论文-长江口细颗粒泥沙过程.doc水利工程论文-长江口细颗粒泥沙过程.doc

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水利工程论文长江口细颗粒泥沙过程摘要本文对长江口细颗粒泥沙过程研究进行了总结,并提出了今后重点研究方向1)长江口细颗粒泥沙是非均匀沙,其运动机理究竟如何2)大规模水利工程究竟如何影响长江口最大浑浊带3)在长江口细颗粒泥沙过程的数学模拟中,如何考虑河口波、流相互作用耦合及其对近底细颗粒泥沙输移的影响4)整个长江口水域瞬时、连续的水深、含沙量、地形变化资料的获取技术和方法的改进,以提高长江口细颗粒泥沙过程数学模拟的精度。5)长江口悬沙以拉格朗日模式输运,而过去大多悬沙观测调查是在欧拉模式中进行,如何进行欧拉和拉格朗日模式对比研究6)风暴潮、台风等对长江口细颗粒泥沙运动的影响。关键词长江口最大浑浊带细颗粒泥沙1引言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。根据大通水文站多年统计资料,长江多年平均流量29500M3S1。长江口外潮汐为正规半日潮,口内为非正规半日浅海潮。长江口为中潮河口,根据中浚站多年统计资料,多年平均潮差为266M。长江口波浪主要为风浪以及风浪和涌浪的混合浪。长江口水域的沿岸流主要为苏北沿岸流。长江口实测最大年输沙量为678亿T,最小图1长江口略图SKETCHMAPOFCHANGJIANGRIVERESTUARY年输沙量341亿T,年平均输沙量大约有466亿T1。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。长江口细颗粒泥沙过程的研究主要起因于1海洋科学陆海相互作用中长江河口动力学的基础理论研究;2长江口深水航道的维持整治、疏浚;3长江河口水环境、污染物的处理的日益恶化。长江口细颗粒泥沙过程主要研究径流、潮流、波浪、科氏力及沿岸流与细颗粒泥沙、淤泥质底床相互作用。长江口细颗粒泥沙过程研究可以揭示长江口淤泥底床侵蚀、堆积过程的机制2和长江河口演变规律3,深入理解长江口细颗粒泥沙过程,是海岸带陆海相互作用(LOICZ)的重要基础研究内容,具有重要的科学理论意义。而且对港口航道回淤有重要影响的浮泥形成运动机制、时空分布规律得到进一步认识,并从而得到工程措施所需的科学依据,特别对上海市的长江口深水航道建设有重要现实意义。长江口细颗粒泥沙过程研究成果大量来自海洋学家(河口海岸学、物理海洋学)、土木水利工程师海岸工程师、流体力学家(环境流体力学)的文献、著作。本文的目的1是力图把这些文献(以正式发表的文献为准,不包括研究报告)汇集起来,对长江口细颗粒泥沙过程的研究进行总结;2究竟我们对长江口细颗粒泥沙过程了解多少3究竟长江口细颗粒泥沙过程还有哪些问题值得研究2长江口细颗粒泥沙特征河口水体中含有大量细颗粒泥沙,即粒径小于0004MM的粘土和一定比例的粉沙粒径在00044~0062MM之间。细颗粒悬沙一般并不是以单颗粒的形式存在,往往同附近其它大量的悬沙颗粒结合在一起,并形成一定的结构,这种相邻颗粒在一定条件下结合成集合体的作用被称为“絮凝作用”,通过絮凝作用结合而成的这种结构体称为“絮凝体”。长江口悬沙或底沙,粒径均以0032MM的颗粒为主,在悬沙中占90以上,底沙中占754。长江口河床质主要由粉沙和粘土所组成,是一种粘性细颗粒非均匀沙,0050MM的颗粒占88,其中0005MM的粘土约占132。长江口细颗粒悬沙粒径0032~0016MM以下各粒级占9055。3长江口细颗粒泥沙过程不少学者对长江口细颗粒泥沙输移做了定性研究6~9。MILLIMANETAL10~12就长江口悬沙通量进行了半定量研究,北槽似乎是悬沙进入海洋的主要通道10。长江口门附近的悬沙浓度和净输沙量在时间上有明显的涨落潮、大小潮和洪枯季变化。北港是长江输水输沙的主要通道,12230E123E是13。借助于环行水槽的实验装置,沈承烈、阮文杰2对长江口天然河床质的冲淤特性和机理进行了初步研究。在动水淤积过程中,长江口悬移质与床沙有着粗细颗粒泥沙交换,而在冲刷过程中无2。长江口细颗粒泥沙过程与环流有关6,14~16。基于现场水文泥沙调查资料,潘定安17就长江口南港的水文泥沙环境及污染物输移进行了探讨。4长江口悬沙平面扩散、悬沙锋遥感卫星资料被应用于长江口入海悬沙扩散问题研究,进而定量分析了长江口不同季节的悬沙浓度、扩散方向、扩散范围8,18~20。依据悬沙浓度分布,分四类①高浑浊舌状构成长江向海冲泻的主体;②浑水带12225′~12230′E;③羽状体12230′~12235′E;④冲淡水带12240′~12245′E8,18,19。这四个带的变化受径流、风向、风级影响,主要由长江径流、台湾暖流、苏北沿岸流控制,它们的输移方向是冬季朝南、夏季朝东北东。由于卫星照片能够反映同一时刻广阔区域内的悬沙分布情况,这一研究工作取得了很大进步。新的卫星图像资料1988~1993进一步提供了长江口表层悬浮泥沙浓度场空间分布和动态变化规律21,22,并给出了表层悬浮泥沙浓度场的定量分布及其与垂线平均含沙量的关系。此外,利用现场的调查资料,谷国传、曹沛奎23、邵秘华等24分析了长江口及其毗邻区域悬沙成份和浓度平面分布。利用长江口水文泥沙现场观测资料,曹沛奎、严肃庄25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。它们的变化规律仍有待深入研究。5长江口最大浑浊带自80年代,河口学家对长江口最大浑浊带细颗粒泥沙输移过程进行了深入的实验研究26。沈焕庭等27系统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28、SHIANDLI29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。时伟荣、李九发30运用机制分解的方法计算了长江口南北槽浑浊带区域内的余流和悬沙单宽输移量,并据此探讨了浑浊带的发育过程。通过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31、LIANDZHANG32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。沈健等33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34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。ZHOUANDWU35、周华君36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。潘定安等37研究了长江口浑浊带的形成机理与特点,指出径流潮流相互作用形成潮汐浑浊带,而盐淡水交汇混合形成盐水浑浊带。是否这两种机制是可以统一起来在这些研究中,所采用的方法主要是现场实验观测,悬沙浓度资料大多依赖于现场水样的采集、室内分析。利用现场水文、悬沙资料,并结合数学模型,时钟、陈伟民200038探讨了长江口北槽最大浑浊带的泥沙过程。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。从以上研究可见,长江口最大浑浊带细颗粒泥沙运动主要表现为1垂向交换、2)南北槽平面输移3)水平富集沉降。这几种运动方式分别发生于何种条件下呢作者认为可能同时发生,从已有的文献看,这一问题有待进一步研究。6长江口浮泥特性河口学家对长江口浮泥也进行了现场实验观测研究39,40。通过对提纯粘粒做X射线、电子显微镜、差热和脱水分析,张志忠等39定性地鉴定出长江口浮泥的粘土矿物成份,并探讨了浮泥的形成条件和分层沉淀现象。结果发现①长江口南槽底质中粘土的矿物成分主要是伊利石;②长江口的浮泥可能主要是汛季上游带来大量粘土的细颗粒物质在长江口受咸水环境作用絮凝沉降所致;③长江口浮泥层是由浓度高、密度大、颗粒细的物质组成的分层的半流体的透镜体。长江口浮泥的特性①长江口浮泥面容重104G/CM3,底板容重125G/CM3;②组成浮泥的细颗粒泥沙中值粒径644~697;③组成浮泥泥沙的粘土矿物为伊利石绿泥石高岭石蒙脱石组合;④自然状态下一般浮泥厚度为01~04M40。7长江口细颗粒泥沙絮凝机理和絮凝体沉降速率细颗粒泥沙絮凝是潮汐河口的普遍现象,其机理具有多样性,如盐度、高含沙量条件下颗粒碰撞、有机物或生物作用引起的絮凝,湍流强度变化产生的变化。长江口细颗粒泥沙絮凝主要侧重于盐度絮凝,絮凝现象的产生必须同时具备两个条件①絮凝体的电化学反应和颗粒之间的碰撞;②絮凝体所受剪切力小于其抗剪强度41,42。实验表明,产生絮凝的最小悬沙粒径是0030MM,当粒径处于001至003MM时,絮凝作用是很微弱的。由于絮凝作用,颗粒大小可以在0001MM到01MM范围内迅速变化。长江口细颗粒泥沙絮凝机理的研究也得到了发展5,41~54。通过现场新鲜水样进行的显微摄影,关许为等46测得长江口不同区域絮凝体分布、形状、结构和尺寸,并分析了盐度分布和潮汐现象对泥沙絮凝现象的影响。絮凝体直径分布在001~05MM之间,大部分出现在001~02MM范围内。絮凝团主要有条状、团状和蜂窝状三种形式。盐淡水交汇锋面附近、拦门沙河段临底区域为出现大量絮凝体的区域。低流速情况下,特别是憩流期,絮凝较为显著;而高流速情况下,例如涨急与落急期,絮散比较明显。根据长江口细颗粒泥沙絮凝沉降试验和长江口一年的实测阳离子浓度资料,蒋国俊、张志忠48分析了阳离子浓度对细颗粒泥沙动力絮凝沉降的影响。结果发现①长江口细颗粒泥沙动力絮凝存在最佳离子浓度;②在阳离子浓度相同的水体中,高价离子比低价离子更能促进细颗粒泥沙的动力絮凝沉降;③长江口阳离子浓度的时空变化,影响细颗粒泥沙絮凝沉降强度和沉积部位,对拦门沙的发育及冲淤变化有重要影响。HANANDLU43得出如下长江口细颗粒泥沙絮凝沉速的综合关系式Ω/Ω02651/KCMF/C08絮凝沉降加速阶段1Ω/Ω02651/KCMF/C0892絮凝沉降减速阶段2式中Ω0为中值粒径泥沙颗粒沉降速度;K为经验系数;C为悬沙浓度;CMF为最适絮凝悬沙浓度。通过对长江口细颗粒泥沙静水絮凝沉速试验研究,彭润泽等44得出如下长江口泥沙絮凝沉速的综合关系式FΩF50/Ω50DF50/D5021B0CB1SB2HB3D50B43式中F静水絮凝系数,等于ΩF50/Ω50,沉距H,D50中值粒径,Ω50中值沉速,ΩF50絮凝级配的中值粒径沉速,DF50表示WF50对应的当量粒径,BI,I0,1,2,3,为回归系数。依据悬沙扩散理论,李炎等55、LI等56提出运用分粒级的泥沙垂线分布推算长江口各粒级相对沉速、絮凝因素比和絮凝指标的方法。研究结果表明①长江近口段悬浮泥沙处于絮凝程度低,群体沉速较低的亚稳态;②近口段至河口段间盐度急剧变化的区间,存在着一个絮凝程度和沉降特征的迅速变化带;③河口段最大浑浊带的絮凝程度高,群体沉速大,各粒级沉速接近,絮凝团形成已近极限状态;④口外海滨段盐度大于20‰时絮凝程度又有所降低。利用流速仪和声学悬浮泥沙观测系统,时钟等57获得了长江口北槽口外大潮水流、悬沙浓度垂线分布资料,通过ROUSE公式拟合法计算得到细颗粒悬沙沉降速度为30~40MMS1,此值可能偏大,更多组的计算仍需加强。8长江口近底边界层细颗粒泥沙运动在淤泥质河口近底边界层,强劲的潮流、波流能引起淤泥底床沉积物的侵蚀或再悬浮,产生悬沙浓度的垂直分层现象,反过来又影响潮流、波流。占水体10~20的近底高含沙层浓度5~10KGM3,这作为河口细颗粒泥沙输移的主要形式,普遍存在于许多高浑浊的河口内。深入理解河口底部边界层高含沙层的动力学机制具有重要的科学意义,这将加深我们对河口近底水泥相互作用的认识,而这种作用控制着整个河口细颗粒泥沙的输移过程。近年来,海洋水声学被成功应用于长江口近底边界层细颗粒泥沙输移的实验研究5864。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65,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。利用声学悬浮泥沙观测系统,在长江口深水航道北槽口内(横沙东)、口外牛皮礁)获取到近底高浓度悬浮泥沙高时、空分辨率连续分布图象及运动变化过程;并得到了大潮汛时段高浓度含沙水体2~5KGM3、流动浮泥层浓度5~10KGM3、固定浮泥层10KGM3及粘性淤泥底床三个不连续面的判别指标,这些成果对泥沙再悬浮、近底泥沙输移,浮泥的形成与消散、底沙与悬沙交换等问题的深入研究开创了新的实验途径。具体地讲,有以下几个方面的进展81连续的、高时空分辨率的河口细颗粒悬沙浓度垂线分布在长江口深水航道北槽,利用“声学悬沙观测系统”观测到大潮典型的高时空分辨率细颗粒悬沙浓度声学垂向分布图和垂线分布曲线。研究结果表明①在涨潮时呈L形,悬沙浓度的垂向变化梯度小浓度小于10KGM3。②在涨急时呈射流形,射流顶的悬沙浓度达10KGM3,悬沙浓度的垂向变化梯度大。③在接近涨憩时,悬沙浓度的垂向梯度小。④在落潮时从水面到水底悬沙浓度按指数增加,代表恒定均匀流中悬沙处于平衡条件的分布,泥沙垂向扩散系数ΕS在数值上大约是泥沙颗粒沉降速度ΩS的两倍。⑤在落急时不连续的,水体中部呈射流形,悬沙浓度的垂向变化梯度大。⑥在接近落憩时,悬沙浓度的垂向梯度适中。
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