水利工程论文-黄茅海河口湾泥沙输移研究.doc

水利工程论文-黄茅海河口湾泥沙输移研究摘要：以珠江黄茅海河口为例，使用1988年4月、1992年洪、枯季表层沉积物颗粒分析成果，根据泥沙粒径统计特征值，运用McLaren模型分析河口泥沙输移趋势，并结合水动力及水下地形进行综合分析，确定泥沙来源、搬运方向，探讨泥沙输移机制。为进一步研究河口泥沙运动规律及泥沙通量提供背景，同时为研究河口湾出海航道、港口泥沙淤积及河口污染物输移扩散提供一条新途径。关键词：黄茅海河口泥沙输移趋势McLaren模型1前言泥沙粒径的空间分布是由各种动力、沉积过程综合作用产生的，它反映了这些过程的长周期和累积效应。通过对泥沙粒径空间分布的结构特征(如空间相关性、方向性等)进行研究，有助于对产生该结构的各种原因进行深入探讨，从而提高对泥沙运动的各种过程的认识。泥沙输移受颗粒的粒径、形状和密度等多种特性的影响，其中粒径的影响最重要(RobertLarson等，1997)。因此许多研究者试图通过分析泥沙粒径统计特征的空间变化即粒径趋势来确定净泥沙输运方向。如McLaren(1981，1985)提出依据输运中的泥沙粒径三个主要特征值(均值、分选系数和偏度)的空间变化来判断泥沙输运净方向(称为McLaren模型)。该模型已广泛应用于工程项目(McLaren和Powys,1989)、污染物质的输移(McLaren和Little，1987)和沉积物搬运方式及稳定性研究(McLaren和Collins，1989)。McLaren模型是在设定方向上来判断泥沙输移方向的概率大小，对于单一泥沙来源的输移趋势的判断的确是成功的，但对于有多种泥沙来源尤其是对多汊河口区的输移趋势的判断存在人为的随意性，在某些环境中不能成功地确定搬运泥沙输移路径(如Masselink,1992)。其原因主要是：泥沙搬运路径的确定存在随意性；使用不恰当的趋势分析方法。为此Gao和Collins(1991，1992，1994)基于粒径趋势沿沉积物搬运方向比其相反方向发生的频率高的假设，建立了在半定量滤波技术基础上的粒径趋势分析方法。从表层沉积物样品网格确定粒径趋势，然后通过滤波得到代表沉积物搬运路径的“余方式”(Residualpatterns)。因此该方法的可行性依赖于恰当地选择粒径趋势和分析方法。上述两种方法均不考虑水下地形对泥沙输移路径的影响，而底床的形态方向、水动力特征等对泥沙的输移都产生直接的影响。实际上这两种方法都是通过粒径趋势的线状(Linebyline)检验来确定相关的搬运方式(McLarenandBowles,1991)。本文以珠江黄茅海河口为例，运用McLaren模型分析河口泥沙输移趋势，并结合水下地形及水动力进行综合分析，确定河口泥沙来源、搬运方向，探讨泥沙输移机制。为进一步研究河口泥沙运动规律及泥沙通量提供背景，同时为研究河口海湾出海航道及港口的泥沙来源和输运及河口污染物输移扩散提供一条新途径。2黄茅海河口湾概况黄茅海位于珠江口西部，是一个喇叭形溺谷河口湾(图1)。在北部湾顶，通过崖门和虎跳门水道与珠江水系和潭江水系沟通，汇集了潭江的全部径流和西江的部分径流。在南部湾口有两列东东北西西南向岛链，内侧岛链为南水、三角山、大芒和大襟诸岛；外侧岛链是高栏、荷包和畜诸岛。岛间峡口形成黄茅海河口湾三大出口：大襟以西水道称为西口，大襟至荷包之间为中口，荷包至高栏为东口。2.1水下地形根据动力地貌学观点，可将黄茅海水下地形划分为几个单元：(1)落潮冲刷槽，又称主槽。位于三虎以北的海湾北半部，长20km，宽300900m，深512.4m。(2)涨潮冲刷槽，包括东槽和西槽，分布在荷包岛的东侧和西侧。(3)拦门浅滩。位于海湾中部宽展部位，顶部水深2.43.0m，滩顶位置偏北，形成内坡陡，外坡缓的形态。(4)潮坪。水深小于2.0m的潮坪主要有三片：主槽以东的称东滩，以西的称西滩，第三片为南水岛以北的大海环浅滩。图1黄茅海河口地形及沉积物采样点分布（等深线以米为单位，小襟岛位于大襟岛的西南）Location,morphologicalstructuresandbathymetricfeaturesofHuangmaohaiEstuaryshowingsamplingsitesforbottomsedimentandlocationsofcurrentmeters.Contoursareinmeter.XiaoIslandsituiatedHebaoIslandbeyond(5)环岛浅滩。分布在口门岛屿的周围，水深小于5.0m，最浅处不足2.0m。(6)波成沙脊。零星分布在拦门沙顶部和西滩南缘，是波浪造成的较小的地貌单元。2.2水动力环境据李绍宁等(1984)计算，黄茅海及其上游河段进潮量约每年4608亿m3，而年径流量仅是进潮量的7%，因此黄茅海为弱径流、强潮流并以潮流作用为主的河口湾。依据罗斯贝数*110、艾克曼数*103104，WuandWu(1994)系统地提出了控制河口泥沙输移和沉积过程的小尺度动力结构(SSDS)体系。在黄茅海河口湾纵向上分别有以下几个小尺度动力结构：(1)双向射流系统在黄茅海作为一个主要的动力结构它分布于喇叭形河口湾顶基岩峡口。(2)垂直密度环流随径流洪、枯季，潮汐的大、小潮等强度的时空变化，在黄茅海河口中部上下迁移，但它的分布范围明显受控于上、下射流系统控制范围的强度。垂直密度环流是洪季泥沙大量淤积的主要动力结构。(3)潮汐射流系统发育河口口门附近大芒和三角山岛之间峡口，它是东槽主要的动力结构。(4)水平余环流分布于河口湾下段口门附近，在河口右侧(面向陆)呈逆时针环流。它可能是河口开尔文波、涡度变化、地形作用及广东西沿岸流综合作用形成的。水平余环流对河口下段水体和泥沙输移产生一定影响。2.3泥沙运动应强等(1997)根据底沙样品的中子活化分析示踪泥沙的原始数据，采用模糊数学聚类分析方法得出了泥沙输移的主要路线。同时通过选取沙源泥沙样本，采用均方差最小的方法，计算各沙源对海域内各样本点的贡献，确认各沙源的淤积范围。洪季时海域内主要以上游径流挟沙和高栏岛附近区域内的泥沙为主，其它沙源则相对较弱，而径流来沙主要淤积在崖门与三虎之间的区域。泥沙的输移路线主要有三条，泥沙主要来源于高栏岛附近浅滩，沿东槽向黄茅海腹地的拦门浅滩输送。枯季海域内以上游径流和大襟岛附近区域的泥沙为主，其它沙源输移量则较少。径流挟沙与大襟岛西侧沙源对拦门浅滩及西滩的泥沙淤积起主要作用，而中口沙源主要淤积在西槽内。泥沙的主要输移路线有两条：西槽是主要输沙路线，大襟岛西侧的西口也有一定的泥沙输移。3资料及模型简介3.1资料本文使用的资料主要是1988年4月1625日采集的表层沉积物样品，室内颗粒分析共107个，另外还收集到1992年洪季(7、8月)和枯季(11月)共计113个颗粒分析成果。颗粒分析以1为间距从-2到10按重量百分比进行，计算出粒径特征值如：均值(MD)、分选系数(QD)和偏态(SK)。表层沉积物采样点在河口三槽、三滩和湾内潮沟、岛间深槽等水下地形单元均有分布(图1)。3.2McLaren模型简介关于McLaren模型的详细内容可参阅有关文献(McLaren,P.1981,1985,1991)。3.2.1McLaren模型几个假设1)仅考虑唯一的泥沙来源和单向泥沙输运，如弧形海湾中的侵蚀崖未固结泥沙在稳定波浪作用下运动，狭长单一河流上游径流来沙或下游海域来沙。2)细颗粒较粗颗粒更容易启动和搬运或有更大的概率。3)任何粒径泥沙的起动和搬运具有独立性，即不受其它粒径泥沙的影响。4)搬运任何粒径泥沙的概率随流速的增加而增加。3.2.2模型的计算方法设有n个样品序列，存在N=n(n-1)/2个方向对，代表某一方向输运趋势或同等数目反方向的输运趋势。两个样品若分别从它们的均值(MD)、分选系数(QD)和偏态(SK)三个统计特征值进行比较，则共存在八种可能的事件：更细(F)、分选更好(B)和更加负偏(-)；更粗(C)、分选更差(P)和更加正偏(+)；C、B、-；F、P、-；C、P、-；F、B、+；C、B、+；F、P、+。其中仅两种事件表示输移趋势，即F、B、-(事件B)和C、B+(事件C)。事件B和C均代表沿搬运方向序列沉积物的转换函数由高能到低能减小，但事件B代表低能搬运转换过程，事件C代表高能搬运转换过程。由此任一随机事件发生的概率为p=1/8=0.125。为了确定特定事件发生的概率是否超过0.125，提出下面两个假设条件：H0：p0.125，不存在选择的输移方向；H1：p0.125，存在选择的输移方向。使用单尾(边)Z得分检验(Spiegel,1961),如果(0.05置信水平)或2.326(0.01置信水平)则H1可接收。其中x:两相反方向中某一方向特定事件(B或C)发生的样品对数目；N：可能的某方向样品对总数，N=n(n-1)/2；n:序列沉积物样品数；p=0.125,q=1-p=0.875.一般，当N30时，Z统计才认为有效。因此恰当估计一个输移趋势，至少需要8个或9个样品。4计算结果讨论根据黄茅海水下地形单元分布，分别从北部主槽、东槽、西槽、大襟岛西口、西滩潮沟、大海环浅滩等六个区域选点计算泥沙输移趋势。计算结果见表1，从表中可见：1.北部主槽南向泥沙输移趋势显著，同时还显示，搬运过程表现为一个高能转换函数，能量沿搬运方向递减(事件C)。主槽受湾顶射流和侧向掺混动力结构控制，射流中心线速度和动能随离湾顶射流口距离增加而减小。从实测最大流速矢量图(图2)看出：本区为整个河口湾动力最强劲的区域，涨落潮流向与主槽走向基本一致；无论大潮或小潮，落潮流速明显大于涨潮流速；垂向上各层流向基本一致，流束相对集中；单宽输水计算结果(杨干然，1988)表表1黄茅海河口六个区域泥沙输移趋势计算结果CalculatedtrendsofsedimenttransportinsixregionsoftheHuangmaohaiestuaryNorthTrendSouthTrendNo.1*CaseBN=78x=13Z=1.11N=78x=10Z=0.09CaseCN=78x=7Z=-0.94N=78x=20Z=3.51No.2CaseBN=45x=12Z=2.87N=45x=9Z=1.52CaseCN=45x=10Z=1.97N=45x=3Z=-1.18No.3CaseBN=36x=3Z=-0.76N=36x=8Z=1.76CaseCN=36x=9Z=2.27N=36x=1Z=-1.76No.4CaseBN=36x=13Z=1.76N=36x=7Z=1.26CaseCN=36x=7Z=0.76N=36x=0Z=-2.27No.5CaseBN=45x=1Z=-2.08N=45x=9Z=6.03CaseCN=45x=7Z=0.62N=45x=1Z=-2.08No.6CaseBN=36x=8Z=1.76N=36x=6Z=0.76CaseCN=36x=6Z=1.76N=36x=3Z=-0.76*No.1北槽No.2东槽No.3西槽明，不论大潮或小潮，主槽中的测点均表现为向海输水为主，可见主槽有较强的下泄流存在，受下泄流控制泥沙自北向南输运。因此泥沙输移趋势预测与通过水沙实测资料得到的一致。2.东槽西北向泥沙