长江口北槽洪季断面流速分布与泥沙输运特性.docx

1、人民长江YangtzeRiver文章编号：1001-4179(2016)03-0013-04长江口北槽洪季断面流速分布与泥沙输运特性帽大艳*浦舟，呈思L,卷国安（1.华东师范大学河口海岸学国家复点实验室，上海200062；2.黔南民族师范学院旅游与贵潭环境学院，贵州都匀558000；3.上海市浦东新区防汛指挥中心，上海201299；4.国家海洋局第二海洋研究所，浙江杭州310012）摘要：为了解长江口北槽涉水工程对该区域水沙条件的影响，利用2009年8月北槽4个同步走艇斯面的水文泥沙责料,根据通量守恒原理，采用横向均匀、垒向时变的网格，经过时间插值、空间插值和投影的方法，将数据统一到计划断面，

2、对北槽坡槽的水液站构分布特征及泥沙输运特性进行了分析。结果京明：北槽南、北边坡和深槽的深落潮流速具有不同步的特征，南、北边坡先涨先落、深槽后涨后落，平流项物运和潮泵效应是北槽泥沙输退机制的主要影响项；北槽巷沙在深槽和南边坡向海蝴运，而在北边坡则是向岸输运，这种局部差异可收稿日期：2015-09-05基金项目：国家自然科学基金项目（41376098）作者简介：谢火艳，男，硕士研究生，主妾从事河床演变和河口泥沙方面的研究°E-maihxiehuoyan168通讯作者：张国突，男，副教授，博士，硕士生导师，主要从亨河床演变和河口泥沙方面的研究。E-mail：gazhangskec.eenu

3、.edit,cn能是北槽拐穹段北边坡淤积严重的重要原因之一。关键词：水流特征；泥沙输运；淤女；长江口北槽中图法分类号:TV14文献标志码：A1研究背景长江口北槽一系列涉水工程的建设影响了该区域的水沙条件,水沙环境较工程建设前发生了显著变化。许多学者对工程前后北槽水沙特性、泥沙特征、河槽变化等进行了大量研究C，-，Jo前人的研究成果为研究北槽的水文泥沙奠定了基础，但是北槽同步走航实测资料报道较少，有关北槽坡、槽的水流结构差异和输运特征的研究有待加强。因此，本文通过2009年北槽走航断面水沙实测数据，探讨长江口北槽深水航道坡、槽的水流结构特征和泥沙输运特性，为深水航道治理工程提供参考。2资料来源与

4、处理方法2.1走航断面数据处理2009年8月在长江口北槽进行了ADCP走航和DOI：10.16232/ki.1001-4179.2016.03.004OBS浊度观测，观测分为小潮观测（8月13,14,15B）和大潮（8月20,21日）观测。走航过程均在白天进行,分别于断面北、中、南3个位置采集水样，同步用OBS进行浊度观测，观测时间均为13ho8月13日2条船在断面Sec2和Sec3进行同步走航观测，8月14日在Seel和Sec4断面进行同步走航观测，15日在断面Sec5进行观测。大潮期间，8月20日3条船在Secl,Sec2,Sec3进行同步走航观测，8月21日在Sec4断面进行观测。在走航

5、过程中，由于风速和来往船舶的影响，实际走航线路和计划断面有一定差异，因此将走航数据的坐标垂直投影到图1的计划断面。为解决部分盲区数据缺失的问题，采用空间和时间交错插值的方法。含沙量数据用采集的水样进行室内分析，用六点法提取含沙髭数据，并和水流数据一样统一到计划断面。每个断面的北、中、南分别代表北边坡、深槽、南边坡。设置南北边坡采样点时，为便于数据的可比性，选用南北边坡的中部，即5m等深线附近测点采样，用南北采样点的数据比较，基本可以代表南北边坡的水沙特征。文中出现的北槽上段指断面Seel,中段指代表断面Sec2、Sec3,下段指代表断面Sec4、Sec5。图1北槽走航计划断面和采样点分布2.2

6、通机制分解法物质输移分解机制分析方法是研究水沙输运特征较为成熟的方法,众多学者用此方法对长江河口水沙输运特征进行了研究。结果表明，在长江口水沙输运的主要是平均流输沙、潮泵效应及垂向净环流输沙。考虑到河道纵向流速远较横向流速大，因此在单宽水沙通量分析时只考虑纵向输水水沙，并没有考虑横向上的情况。参照以往的研究方法，采用相对水深对瞬时物质输移量进行分解，设X为纵向坐标，为时间,Z为相对水深(0WzW1)。如果忽略流速脉动项，则瞬时流速N可分解成垂向平均量和它的偏差项之和u(x,z,t)=U+u*(1)其中应和U1又可分解成潮平均项和潮变化项：.U=u0+ut=Uo'+u,'(2)瞬

7、时流速就可以分解成u(x,z,£)=u；+u；+u0*+u/(3)同样，悬沙浓度可以分解成c(w,z,£)=希+瓦+%'+(4)水深也可以分解为h(x,t)=h0+h,(5)根据流速、悬沙浓度和水深的分解方法，潮周期纵向单宽悬沙输移最为1ucdz°=hucdzdt=Aou；c；+瓦瓦弓+九弓+<h,u,ct)+加W+nnT4nEc。'+"&'+(h,u/c/>(6)nnn式中0为潮周期；71为平均流引起的悬沙输移;72为潮汐和潮流的相关项(斯托克斯漂移输移量)；71+72为平流输移(拉格朗日输移)；73为潮汐水

8、深和悬沙含域的潮变化相关项；74为潮流场合悬沙浓度潮震荡相关项；T5为含沙量和垂向流速变化的相关项；73+T4+方组成了“潮泵效应”输移项,是单宽平均潮流对单宽平均悬沙浓度潮震荡分量的输运；元和77为时均量与潮振动切变所引起的剪切扩散；用为垂向上潮震荡切变作用的相关项。3结果与分析3.1断面典型时刻流速平面分布特征2009年大通站年平均含沙量比多年平均值偏小69%,比2008年平均含沙量偏小10%,2008年8月大通站平均含沙量为0.26kg/m5o2009年来水来沙相对于多年平均值呈减小的趋势O通过选取大潮时刻各断面典型时刻流速流向的数据,绘制了2009年8月洪季走航断面在北椅典型时刻的流速

9、流向矢最图，图2为6个典型时刻ADCP断面的垂线平均流速流向分布图。通过图2可以看出，在北槽南、北边坡和深槽的涨落潮时刻，流速具有不同步的特征，具体表现为：北槽南、北边坡较深槽涨落潮时间均要早，即南、北边坡先涨先落、深槽部分后涨后落。大潮初涨和大潮初落时候,一般南、北边坡的流速较深槽大，而在大潮涨落急时刻则深槽流速要大于南、北边坡的流速。北槽涨落急主流线在北槽上下断面存在明显分异特征。由于地转偏向力和惯性力的影响，涨急主流线过北槽拐弯段后发生变化，在北槽Sec4和Sec3断面(北槽中下断面)，涨急主流线居中，而其落急主流线偏北；而在北槽Seel和Sec2断面，涨急主流线偏北，落急主流线居中。这

10、种涨落急主流线分异现象的存在为北槽泥沙的落淤以及坡槽泥沙交换创造了有利的动力环境。在转流时刻，水流较紊乱，南、北边坡和深槽往往呈现不同的流向状态。如图2(c)所示，边坡开始落潮而深槽还在涨潮；图2(f)表明，边坡开始涨潮而深槽还在落潮。这种紊乱的水流也会造成边坡和深槽泥沙的交换，可能是北槽深水航道淤积的一个重要动力原因。3.2长江口北槽坡、槽水沙输运机制计算了2009年洪季北槽大小潮时期，南、北边坡和深槽的各动力机制主要分解输沙项的值，具体数据见表1。根据71T5的计算值，统计了平流输移量和潮泵效应量，分析北槽深槽和边坡的输沙机制特性。图2大潮时北槽走欢断面典型时刻断面流速流向分布（2009年

11、8月）表1平流输移和潮泵效应统计kg/msnnTirsn+n73*n»75:nDT475换Sec!甫0.62030.0391-0.499J-0.04070.3355-0.500S-0.165S中7.0670-1.0M00.0884-0.3733-0.07576.0230-0.36065.6625-0.51900.0392-0.0M6-0.1314-0.0039-0.4797-0.1顺-0.6197XS«2AO.SSII-0.05190.008!0.1351-0.00310.49910.14000.6W2中.8.濒-1.4906-O.OMt1.5225-0.04597.437

12、40.4319i-0.1276-0.32%-0.0068-0.4129-0.0222-0.4J52-0.4419-0.W7)S*d甫2.9161-0.15JI-0.0M30.J744-0.12552.76220.11%2.9511中ILS92?-HIM-0.13961.1136-0.30059.77340.6B510.4469t-0.1210-0.41410.0027-O.J751-0.0268-0.5351-0.8992-1.4343Sec4甫0.6733-0.105000069-0.2590-0.03180.5682-0.2W0.2S4J中8.5761-1.1752-0.31021.244

13、1-0.O7J07.40090.S6I51.105t0.5471-0.1345-0.0055-0.1349-0.01640.4126-0.1567-0.2599Sec!雨0.6787-0.0556-0.01970.1946-0.0W70.62310.1TO0.7933申1.5126-0.1BB0.00290.01IS-0.0027133140.03191.36331-0.221!0.020J0.0015-0.06910.0043-0.2002-0.063)-0.2635小Stt2南0.2388-0.0109>0.00100.1073-0.00230.22790.10400.3319中5.

14、0228-0.4340.0688-0.6354-0.09604.5394-0.66263.I76J.-0.1123-0.0S91-0.0056-0.67290.0486-0.2013-0.7272-0.92S5A0.4318-0.MM-O.0M60.M9J-0.0062O.3M90.0J850.4233中4.砌-0.51080.0189-0.4J67-0.05723.9732-0.47503.4982t-0.26M-0.0736-0.0032-O.M32-0.0166-0.3)71-0.3630-0.7000w甫0.12U-0.0204O.OOC8-0.0244-0.00290.1M3-0.0

15、2650.0779中I.W13-0.1215-0.02390.JOT?-0.0051I.869S0.280811505t0.2499-0.0521>0.0016-0.C25O0.00340.1971-0.02J20.1746从表1可以看出，各个断面在洪季大小潮时，南边坡和深槽T1+72均为正值，且深槽T1+72值较大，表明泥沙向海输运，深槽为主要的输运部位；而北边坡大部分为负值（Sec4断面除外），表明泥沙向岸输运。Sec4断面北边坡门+72为正值，主要跟北槽出海口段航槽的走向相关。此外，北边坡平流输运项n+72的值较小，而深槽和南边坡的平流输运项1+72值较大，所以，总体上平流项在北槽

16、使泥沙向海输运，但是在北边坡、深槽和南边坡有一定差异性。深槽和南边坡大潮时候的平流输运值要大于小潮，而在北边坡则是大潮平流输运项的绝对值小于小潮；每个断面平流输运项的最大值往往出现在深槽部位，而最大的Fl+72值则出现在大潮时的Sec3断面深槽。潮泵效应由73+74+T5表示，在洪季大小潮时候,北槽断面深槽，南、北边坡潮泵效应负值偏多，表明潮泵效应输运向陆居多，但是各个断面也均有正值出现；每个点的潮泵效应，即73+74+75的绝对值在大潮大于小潮，且最大值出现在Sec3断面的北边坡。基本上潮泵效应偏向于向岸输运泥沙，但是在北边坡、深槽和南边坡有一定差异性。北槽大小潮时候，每个站点的平流项输运项

17、（门+T2值）往往大于潮泵效应的输运项（73+74+75值），与前人的研究结果一致，表明北槽水沙输运机制以平流输运为主，潮泵效应输运也是更要的输运机制之一。平流项输运和潮泵效应是泥沙输运机制的主要影响项，在北槽大小潮期间，平流输运项和潮泵效应之和（上、中断面,Secl,Sec2,Sec3）在南边坡和深槽均为正值，而北边坡基本上为负值（除Sec4断面外），这表明北槽悬沙在深槽和南边坡向海输运，而在北边坡则出现向岸输运，这口J能是北槽拐弯段北边坡淤积严重的承要原因之一。4结论通过对2009年在长江口北槽走航断面水文观测的实测资料进行分析，得到以下两点认识。(1) 北槽南、北边坡和深槽的涨落潮流速具

18、有不同步的特征，南、北边坡先涨先落、深槽后涨后落；北槽涨落急主流线在北槽上下断面存在明显分异特征。(2) 北槽大小潮时候，每个站点的平流输运项的值往往大于潮泵效应的输运项值，这与前人的研究结果一致，表明北槽的水沙输运机制以平流输运为主，潮泵效应输运也是重要的输运机制之一，基本上潮泵效应偏向于向岸输运泥沙，但是在北边坡和深槽和南边坡有一定差异性。北槽悬沙在深槽和南边坡向海输运，而在北边坡则出现向岸输运，这种局部差异可能是北槽拐弯段北边坡淤积严重的重要原因之一。畚考文献：1 时钟，陈伟氏.长江。北槽最大海波带泥夕过理J.混沙妍亢，2000,(1)：28-37.2 金虞志英，何清，号.源槽泥沙史校时

19、长江。北椅深水貌道回淤影响的分析J.水途工程,2013,(】)：101-108.3 张国安，虞志英.何清，等.长江口深水牧道治理一期工程商后泥沙靖劫41柱初歹分析J.漏沙研充，2003,(6)：31-38.4葬陈蜻，李九发，吴华林，等.装江河口北槽水沙过程对航it整治工程的响应J.海洋学报，2013.35(4)：129-141.5 张俊务，笑华林.起也招，等.潮汐河口It浅穿道的水流动力传柱分析J.水逐工程,2013,(11):119-123.6 丁平兴，胡克林.风景对美江河口北糟冲於彩响的数值模楸J.泥沙研究，2003,(6)；18-24.7 李九发，时伟荣，沈焕鹿，等.长江口洋波孕的泥沙特

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21、GA0Min1,WANGRusheng4,ZHANGGuo'an(1.StateKeyLaboratoryofEstuarineandCoastalResearchtEastChinaNormalUniversity9Shanghai200062,China；2.CollegeofTourismandResourcesandEnvironmenttQiannanNormalCollegeforNationalities9Duyun558000,China；3.ShanghaiPudongNewAreaFloodControlCentre9Shanghai201299,China；4.S

22、econdInstituteofOceanographytStateOceanicAd-ministrationtHangzhou310012,China)Abstract:TobetterunderstandtheinfluenceofprojectconstructedintheNorthpassageofYangtzeRiverEstuaryonflowandsedimentconditioninthearea,onthebasisofthehydrologicalandsedimentdatacollectedinAugust,2009at4cross-sectionsintheNorthpassageoftheYangtzeRiverEstuary,andbythefluxconservationprincipleandprojectionmethods,thedataisunifiedtotheplannedcross-s