长江口北槽最大浑浊带泥沙过程

1、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

2、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(la gironde)首先发现并定义河口浑浊带(法文bouchon vaseux)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2)：(1)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

3、的絮凝作用的相互作用)3；(3)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)4；(4)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)5；(5)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)6；(6)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813。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

4、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29500m3s-1

5、。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。 (a:9310站位：b：9405、9410站位；详细经纬度见文中) 图1 长江口及观测站位分布图 changjiang estuary and monitoring stations 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

6、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(00hr06hr，93.10.31)和

7、涨憩、落急附近(11hr20hr，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) time series of current velocity, salinity and suspended sediment concentration 4.3 离散、差分方程 采用与徐建益等35相同的差分格式，对变换后得到的悬沙扩散方程式(7)中时间变化项采用前差分格式

8、，沉降项采用后差分格式，扩散项采用中心差分 (10) 经整理后得差分方程的计算公式为： (11) 本模型差分格式为显式，稳定性条件为 szt/(hz*)21/2 (12) 4.4 模拟结果和模型验证 本文采用长江口北槽9310站位(横沙岛以东100m)测得的大潮和9405站位、9410站位测得的大潮和小潮水流及悬沙浓度资料，对所建悬沙浓度分布垂向一维数学模型进行验证。根据实测资料，模型中悬沙中值粒径d50取为0.016mm。由实测水深资料可知，在模拟时段内，9310站位和9410站位最大水深都小于16.00m，一般情况下悬沙垂向扩散系数为10-2m2s-1左右，模型中取空间步长为z*=0.1，

9、则由式(12)可知稳定性条件要求时间步长t128s，本文实际计算时取为t=6s。 在模型中，各时间步内的水深及底部悬沙浓度都根据各正点时刻同步测得的数据进行lagrange三点差值求得。由于本模型中水流速度垂线分布资料比较粗糙，为避开流速项，从而减少实测资料可能带来的误差，悬沙垂向扩散系数按照下式计算 sz=(z/ h) (13) 此式是直接从实验资料中分析获得了悬沙垂向扩散系数的计算公式43。式中经验系数、可能会随泥样的采取地域而有所不同，在文献中分别取为=0.6和=0.06。本模型中分别取为=0.06和=0.602。 由于长江口悬沙为细颗粒，应考虑细颗粒泥沙絮凝作用影响，本文模型中采用下列

10、计算絮凝体沉降速率的公式 (14) 上式是由曹祖德、王运洪43通过水槽实验获得的细颗粒泥沙絮凝体沉降经验公式。式中c1、c2、m1、m2均为实验得到的系数，取值各为c1=0.06，c2=4.6，m1=0.75，m2=0.6；s为一与盐度有关的系数，当盐度为30%时，s=3.8；50为粒径为中值粒径d50的单颗粒泥沙沉降，可用stokes公式求得 50=(1/18)gd502(s-)/ (15) 其中s为泥沙容重(kgm-3)，为水流运动粘性系数，取为=1.00710-6ms2。 5 讨论和结论 5.1 讨论 在长江口北槽口内，强劲的涨潮流周期短，而弱的落潮流周期长(图2，9310站位)，这是由

11、于潮波与河口地形的相互作用导致潮汐不对称。北槽口内潮波不对称和强劲潮流速是最大浑浊带形成的重要动力机制。而在北槽口外，潮汐不对称性不明显(图36，9405、9410站位)，并不控制河口细颗粒泥沙的纵向输运。 北槽口内、口外河口径流与海水的混合产生了纵向和垂向的密度(盐度、含沙量)梯度(图26)。另外，流速、盐度和含沙量复杂的三维结构清晰地描绘出了水平流速和盐度的垂向剖面，并且揭示了低层的盐水楔(图26)。长江口北槽处在河海交汇的动力平衡带和盐淡水主混合带，发育典型的最大浑浊带21。从水力学观点，盐水锋面附近纵向密度梯度均比上下游大。涨潮期间密度比降与水面比降一致，加大底部流速；落潮期间密度比降

12、与水面比降相反，减小底部流速44。受盐水楔的影响，在北槽口内纵向上出现河口重力环流，形成最大浑浊带区。相似的成因文献中也有报道1920。 盐度锋面(盐水楔)附近对泥沙运动另一影响是通过絮凝作用16，19，44。最大浑浊带的发育与盐度分布有密切关系，盐水楔活动频繁的地段是最大浑浊带最发育的地区16，45。然而，盐度分布究竟如何影响最大浑浊带及泥沙运动?本文通过实测资料认为，盐度分布通过其层化抑制紊流，从而增大底部悬沙的捕集，为长江口北槽口内、口外最大浑浊带的形成创造了条件，这正如geyer14提出的理论。此外，由于悬沙浓度的层化也能抑制紊流，促进近底高含沙层的形成。 在潮汐变化的过程中，对悬沙影

13、响较大的主要因素还有河底的再悬浮过程。其中，河口底部的再悬浮为最大浑浊带的形成提供了必要的悬沙源。在一个涨落潮周期中，往往出现数次峰值含沙量(图26)，这与过去研究成果相同16。这些再悬浮过程(峰值含沙量)主要与高流速区及盐度有关(图26)，尤其在北槽口外。这些过程是否对应于“潮泵效应”21? 由于季节的不同，悬沙运动过程也会有不同。其中，季节变化对北槽口内的影响较大。 由于9310站位处于北槽口内，所以受到的径流影响较大，潮流作用则较小。11hr、12hr、13hr、14hr和18hr处的模拟情况相对较差(图7)。这可能由于(1)在这些时刻，流速较大，河底悬沙量也较大，而在模型中所采用的流速

14、项是简单的将水深方向六个实测点的流速值进行平均，并不能反应实际的情况；(2)模型中是将底部含沙量初始化后(起始时刻时，底部含沙量为零)进行模拟的，而实际情况下底部悬沙量不可能为零；(3)模型中所采用的方法是在一维方向上进行，即悬沙只有在垂向上有交换，忽略了水平方向上的对流。从总的情况来看，绝大多数的数据点吻合情况还是能令人满意的(图7)。在长江口口外(9405站位)大潮(图8)、小潮(图9)时刻悬沙浓度垂线分布验证较好。在长江口口外(9410站位)大潮(图10)、小潮(图11)时刻悬沙浓度垂线分布验证中，12hr、17hr、18hr、19hr、20hr、06hr时刻的模拟结果不佳。其原因与93

15、10站位大致相同。小潮模拟结果普遍较好(图11)。 图7 9310站位悬沙浓度垂线分布验证(1993.10.30-31.大潮) comparison between modeled and measured suspended sediment concentrations 2.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规律性、周期性。随着流速和盐度增加，底层含沙量也随之增加。在一个潮周期中，出现2个含沙量峰值。在流速大的区域，由于再悬浮的过程河底的悬沙量逐渐增大，加上由于上层泥沙的沉积和淤积，形成底层的高含沙量分布；在河口上层的泥沙由于沉降而减少，从而形成了随着

16、水深的增加悬沙量也随之增加的悬沙分布过程。 3.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。尤其是在口内，盐度分层现象明显，突出了长江口为高度的分层型河口，同时根据低层含沙量的分布规律也可确定在分层型河口中，河底对泥沙的捕集能力较强，从而导致了在底部形成高的含沙量。 4.长江口北槽口内和口外水动力悬沙过程的差异性也在数学模拟的结果中得到了证实。在北槽口口内悬沙的分布除了受到潮汐的作用，还受径流的影响，水平对流使泥沙的悬浮和沉降部分进行水平交换；而在口外，主要受潮汐作用，泥沙的交换在垂向进行。 参考文献 1 glangeaud, l., tran

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