长江口枯季水沙特性分析

长江口枯季水沙特性分析

关于河口水沙特性的观测研究长江口是一座以高浊度和沉积物沉积物而闻名的独特河口。流域来水、来沙量大,据大通站资料,1950—2000年平均年径流量为9051×108m3,年输沙量为4.33×108t。流域来水来沙量洪枯季变化显著,全年径流量枯季(11—4月)约占29%,输沙量约占13%。长江口属于中等潮差河口,口门附近平均潮差为2.67m。长江口出徐六泾后被崇明岛分成北支和南支,南支在长兴岛以下被分为北港和南港,南港又在九段沙以下被分成北槽和南槽,形成“三级分汊,四口入海”的格局(图1)。河口水沙特性的研究是了解河口水文、泥沙过程的重要手段,也是研究河口发育和演变的基础,同时又是评价河口大型工程项目实施后对河口影响的基本内容,因此,河口水沙特性的研究具有重要的科学意义和实践价值。前人对长江口水沙特性做了很多相关研究,如对长江口大通站水沙过程特征的研究;潮流、泥沙特性对地形地貌以及河槽演变的影响;河口环流对悬沙输移的影响;水沙输移特性;河口细颗粒泥沙絮凝、沉降等方面。但是以上研究大多是某一特定区域或者是某一汊道的水沙分布特征,而且有些研究是基于上世纪八十年代的观测资料或是多年资料的集成,长江口大面积、同步水沙观测资料的分析尚不多见。根据长江口大通站实测资料,多年来长江口来水来沙量呈逐年下降的趋势。在自然和人类活动的影响下,长江口的河势也发生了变化:北支的逐渐衰亡、南支新桥水道的形成和发展,工程对南、北港分流口以及北槽航道的治理等,影响着长江口的物理过程,而水沙特性恰是河口物理过程的研究基础。国外河口也有许多类似研究,例如研究比利时的Scheldt河口基于不同时间尺度的水沙分布特性及其动力影响因子;观测巴布亚新几内亚Fly河口三条入海汊道的水沙分布,得到其最大浑浊带的水动力成因;分析加利福尼亚湾一个潮周期悬沙剖面,得出控制悬沙净通量的主要动力过程等。2003年2月华东师范大学河口海岸学国家重点实验室在长江口组织了一次大规模水文、泥沙多船准同步观测,以期了解近期长江口水沙的特性;而且在三峡工程、南水北调东线和中线工程以及长江口深水航道工程等流域及河口大型工程项目相继建设的背景下,此次观测数据也是今后评价这些工程对长江口影响的基础研究资料。本文基于2003年2月长江口水沙观测资料,做了长江河口枯季水沙特性分析。1观测站的位置和方法1.1平均增强时间长江口野外水文、泥沙观测于2003年2月14—25日进行,其中2月14—16日为大潮,2月23—25日为小潮。每一次同步观测26h,获取27组数据。考虑到长江口范围广,各汊道水沙特性分布差异大,因此测站覆盖了长江口4条入海汊道及典型河段(图1)。1.2横向含沙量观测流速观测使用SLC9—2型直读式电磁海流计,采用六点法测量流速和流向。垂线平均流速和流向根据六点法加权计算得到。含沙量观测使用横式取样器采用六点法取悬浮泥沙水样,实验室内经45µm滤纸过滤、105°C恒温箱内烘干,再放入干燥缸里冷却6~8min后称重并计算单位水体的含沙量。涨、落潮过程根据流速过程线判断,各站点的涨、落潮平均流速、流向和含沙量为观测时段内两次涨落潮过程的逐时垂线平均流速、流向和含沙量的平均值。2对结果的分析与讨论2.1流量统计的统计2003年长江口大通站年径流量与多年平均值(1950—2000年,下同)比较,偏大2.2%,2月平均流量为17637m3/s,与同期多年平均相比偏高54.8%,与2001年和2002年同期流量的平均值相比偏高23.7%。2003年长江口大通站年输沙量与多年平均值相比偏小52%,2月平均输沙率为1.837×104t/s,与同期多年平均相比偏高58.4%,与2001年和2002年同期输沙率的平均值相比偏高24.4%。因此就上边界而言,观测月的来水偏高,来沙偏小。2.2垂线平均流速从时间分布看(表1),大潮时,各站位涨潮垂线平均流速在79~118cm/s之间变化,落潮垂线平均流速在85~138cm/s之间变化。小潮时,各站位涨潮垂线平均流速在29~73cm/s之间变化,落潮垂线平均流速在37~99cm/s之间变化。所有站位大潮涨潮的垂线平均流速比小潮涨潮大30%~247%(同一站位,下同),大潮落潮的垂线平均流速比小潮落潮大5%~160%。54%的站位大潮涨潮的垂线平均流速比大潮落潮大0.09%~17%,90%的站位小潮落潮的垂线平均流速比小潮涨潮大3.2%~179%。这些特点说明长江口枯季垂线平均流速一般大潮>小潮,落潮>涨潮。从平面分布看(图2),大潮时,南支的垂线平均流速由徐六泾K0302向七丫口K0310逐渐减小,再由K0310向浑浊带逐渐增大,浑浊带水域的南槽K0304、北槽K0306和北港K0312三站点为垂线最大流速分布带,由浑浊带向口外垂线平均流速又呈逐渐减小的趋势。所以,纵向上浑浊带水域垂线平均流速最大,七丫口和口门水域最小。北支由青龙港K0308向头兴港K0314逐渐减小。断面上北支的垂线平均流速大于南支,南港和北港相差很小,浑浊带水域为北港最大,北槽和南槽的相对大小则随潮时变化,即大潮涨潮南槽大于北槽,大潮落潮则相反。口门水域南槽口外大于北槽口外。大潮涨潮过程,南支河道徐六泾的垂线平均流速最大,七丫口最小。浑浊带水域北港的垂线平均流速最大,北槽最小。口门水域南槽口外最大。大潮落潮过程,南支河道徐六泾的垂线平均流速最大,南港最小。浑浊带水域北港的垂线平均流速最大,南槽最小。口门水域南槽口外最大。根据北港、北槽和南槽通量的计算结果,大潮汊道水流净通量为北槽>北港>南槽。小潮时,南支的垂线平均流速分布和大潮类似,但北港由徐六泾向口外逐渐减小。北支汊道两个站位垂线平均流速的相对大小随潮时变化。断面上北支的垂线平均流速大于南支,南港大于北港,浑浊带水域北槽最大,北港最小。小潮涨潮过程,南支河道徐六泾的垂线平均流速最大,北港最小。浑浊带水域北槽的垂线平均流速最大,北港最小。口门水域北港口外最小。小潮落潮过程,南支河道徐六泾的垂线平均流速最大,北港最小。浑浊带水域北槽的垂线平均流速最大,北港最小,为53cm/s。口门水域北港口外最小。根据北港、北槽和南槽通量的计算结果,小潮汊道水流净通量为北槽>北港>南槽。以上分布特点表明,长江口枯季垂线平均流速一般北支>南支,南港>北港,大潮:北港>南槽>北槽,小潮:北槽>南槽>北港。垂线平均流速由徐六泾向口门呈“先减小后增大再减少”的变化规律,北港垂线平均流速大小潮差异大,浑浊带水域为垂线最大流速分布带。无论大小潮,汊道水流净通量为北槽>北港>南槽。2.3长江口枯季水体含沙量一般特征2003年2月长江口所有站位全潮水体含沙量为0.60kg/m3,与多年平均含沙量相比偏高9.7%。在长江口大通站年输沙量逐年减小的情况下(1998年后锐减),河口区含沙量并无减小。已有研究认为,典型河口在新泥沙输入较小的情况下,也能保持较高的含沙量,枯季长江口的水沙特性研究也支持这一观点。从时间分布看(表2),大潮时,各站位涨潮垂线平均含沙量在0.07~2.39kg/m3之间变化,落潮垂线平均含沙量在0.12~2.31kg/m3之间变化。小潮时,各站位涨潮垂线平均含沙量在0.05~1.14kg/m3之间变化,落潮垂线平均含沙量在0.05~0.95kg/m3之间变化。80%的站位大潮涨潮的垂线平均含沙量比小潮涨潮高11%~311%(同一站位,下同),所有站位大潮落潮的垂线平均含沙量比小潮落潮高4%~750%。64%的站位大潮涨潮的垂线平均含沙量比大潮落潮高3%~61%。70%的站位小潮涨潮的垂线平均含沙量比小潮落潮高8%~125%。这些特点说明长江口枯季水体含沙量一般大潮>小潮,涨潮>落潮。从平面分布看(图3),大潮时,南支的垂线平均含沙量由徐六泾K0302向浑浊带逐渐增大,再由浑浊带向口外逐渐减小。北支由青龙港K0308向头兴港K0314逐渐升高。纵向上浑浊带水域的垂线平均含沙量最大,徐六泾最小。断面上北支远大于南支,南北港较接近,浑浊带大潮涨潮平均含沙量北港最大,南槽其次,北槽最小;大潮落潮则北槽最大,北港其次,南槽最小。口门水域南槽口外大于北槽口外。大潮涨潮时,南支河道徐六泾的垂线平均含沙量最低,北港最高。浑浊带水域北港最大,北槽最小。口门水域南槽口外较大。大潮落潮时,南支河道徐六泾的垂线平均含沙量最低,北港最高。浑浊带水域北槽最大,南槽最小。口门水域南槽口外较大。根据北港、北槽和南槽通量的计算结果,大潮汊道悬沙净通量为北槽>北港>南槽。小潮时,南支的垂线平均含沙量由徐六泾向浑浊带逐渐增大,再由浑浊带向口外逐渐减小。但北港汊道比较特殊,垂线平均含沙由徐六泾向口外变化不明显。北支由K0308向K0314逐渐减小。纵向上浑浊带水域的垂线平均含沙量最大,徐六泾和七丫口最小。断面上北支大于南支,南港大于北港,浑浊带北槽最大,北港最小。口门水域北槽口外最大,南槽口外最小。小潮涨潮时,南支河道七丫口的垂线平均含沙量最低,南港最高。浑浊带水域北槽最高,,北港最低。口门水域北港口外较低。小潮落潮时,南支河道徐六泾的垂线平均含沙量最低,南港最高。浑浊带水域北槽最高,北港最低。口门水域北港较低。小潮时浑浊带海域无论涨落潮,垂线平均含沙量均是北槽最大,南槽其次,北港最小。根据北港、北槽和南槽通量的计算结果,小潮汊道悬沙净通量为北槽>北港>南槽。以上分布特点表明,长江口枯季水体含沙量一般北支>南支,大潮北港>南港,小潮南港>北港,北槽较高,南槽介于北槽和北港之间,而北港比较特殊,在大潮时较高,而小潮时最低。水体含沙量由徐六泾向口门呈“先增大后减小”的变化,在浑浊带存在一个含沙量高于其上下游的水域。无论大小潮,汊道悬沙净通量为北槽>北港>南槽。结合2.2得到的认识,长江口枯季垂线平均的流速和含沙量分布均为大潮>小潮,北支>南支,小潮南港>北港,南槽介于北槽和北港之间,而且北港在大潮时较高,而小潮时最低。纵向上,南支中上段以及口外站位的泥沙来源决定了其较低的水体含沙量,断面上受潮流作用影响较强的汊道有较高的水体含沙量,浑浊带水域垂线平均流速大且涨、落潮流速较接近,涨落潮流优势在此转换,使泥沙在此汇集,形成高含沙量水域。2.4垂线平均流速和含沙量分布关系从0.4H流速和垂线平均流速的相关性看(图4),两者相关系数大都在0.95以上。从0.4H含沙量和垂线平均含沙量的相关性看(图5),两者相关系数大都在0.7以上。因此,长江口枯季0.4H流速和含沙量能近似表示其对应的垂线平均值。从大、小潮垂线平均流速的分布关系看(图4),以南槽K0304、北槽K0306以及北港的两个站位K0311和K0312为例,K0304和K0306的大潮的垂线平均流速约为小潮的1.3倍,两者混合分布于同一数值区间,而K0311和K0312的大潮的垂线平均流速约为小潮的2.2倍,两者分段分布于不同数值区间。大、小潮的垂线平均含沙量分布关系和垂线平均流速分布关系类似(图5),且同一站位的大、小潮水动力和含沙量分布关系一致。以上分析表明,长江口枯季各汊道大、小潮垂线平均的流速和含沙量的变化有较大差异,南、北槽的大小潮的流速和含沙量分布较均匀,变化不大;而北港的大小潮分布不均匀,变化较大。结合2.2和2.3小节得到的结论,北港大、小潮垂线平均流速相差较大,是导致其大、小潮垂线平均含沙量分布不均匀的主要动力因素。说明流速和含沙量沿垂线分布的规律一致,且流速的变化主导含沙量的变化。2.5垂线和长江口枯季河流水文地下水分布的特征含沙量沿垂线分布研究关系到泥沙沉降过程和悬沙通量等问题,因此成为河口海岸研究的热点,但由于观测技术制约,已有研究大都从描述和模型研究角度出发。根据紊动扩散理论,二维恒定均匀流平衡情况下的悬移质扩散方程表明,在悬移质承受重力作用与紊动扩散作用的过程中,当含沙量梯度大时,紊动扩散作用随之增强,悬移质上升效果也较明显,然而这又势必引起含沙量梯度减小。可见,沿垂线分布的含沙量梯度起着一定的自我调整的杠杆作用。而且现有研究表明,紊动强度和局地流速梯度有本质的联系,其关系函数可以写成。Rose公式在推导过程中,假定泥沙紊动扩散系数εsy等于相应的动量紊动扩散系数εm,而动量紊动扩散系数εm由下式求得:,动量紊动扩散系数mε与流速梯度直接相关。因此沿垂线的流速和含沙量梯度是研究河口地区悬移质含沙量沿垂线分布的关键参数之一。本文将水体垂线上离散的流速和含沙量数值点拟合成直线,并用该直线的斜率表达含沙量沿垂线分布曲线的平均梯度。为方便比较,又对沿垂线分布的流速和含沙量梯度Grd取绝对值(表3和表4)。表3显示,大潮时,各站位涨潮的流速梯度在0.42~0.77之间变化,落潮的流速梯度在0.42~0.92之间变化。小潮时,各站位涨潮的流速梯度在0.13~1.10之间变化,落潮的流速梯度在0.24~0.91之间变化。80%的站位大潮涨潮的流速梯度比小潮涨潮大40%~389%(同一站位,下同),所有站位大潮落潮的流速梯度比小潮落潮大1%~177%。30%的站位大潮涨潮的流速梯度比大潮落潮大5%~19%,20%的站位小潮涨潮的流速梯度比小潮落潮大5%~115%。以上特点表明,长江口枯季沿垂线分布的流速梯度一般大潮>小潮,落潮>涨潮,且涨潮的流速梯度随大小潮的变化幅度明显大于落潮。因为流速梯度进而反映水流紊动强度,所以长江口枯季水流紊动强度一般大潮>小潮,落潮>涨潮。表4显示,大潮时,各站位涨潮的含沙量梯度在0.10~1.83之间变化,落潮的含沙量梯度在0.09~1.80之间变化。小潮时,各站位涨潮的含沙量梯度在0.01~1.99之间变化,落潮的含沙量梯度在0.02~1.10之间变化。70%的站位大潮涨潮的含沙量梯度比小潮涨潮大16%~1600%(同一站位,下同),90%站位的大潮落潮的含沙量梯度比小潮落潮大22%~900%。50%站位大潮涨潮的含沙量梯度比大潮落潮大3%~100%,60%站位小潮涨潮的流速梯度比小潮落潮大0.2%~214%。比较不同站位,徐六泾K0302的含沙量梯度为0.01~0.19比其他站位低一个量级,而最大浑浊带和北支的站位则大都>1,比其他站位高一个量级。以上特点表明,长江口枯季沿垂线分布的含沙量梯度一般大潮>小潮,落潮和涨潮则相差较小,且其大小与垂线平均含沙量呈正相关趋势。结合2.3得到的认识,长江口各个入海汊道的含沙量分布在平面和垂线上都有量级上的差别。因为含沙量梯度实质反映了水体垂向混合的强度,所以长江口枯季大潮的水体垂向混合强度大于小潮,而涨、落潮的水体垂向混合强度则差别较小。3长江口枯季水流特征基于2003年2月长江口的大面水文、泥沙现场观测,得到长江口枯季水沙特性的以下几点认识:a)长江口枯季水动力一般大潮>小潮,落潮>涨潮。平面上:水动力由徐六泾向口门呈“先减小后增大再减少”的变化。断面上:水动力北支>南支,南港>北港,大潮北港>南槽>北槽,小潮北槽>北港>南槽。大潮:南支河道徐六泾的垂线平均流速最大,为102cm/s,七丫口最小,为85cm/s,浑浊带水域北港最大,为128cm/s,南槽最小,为108cm/s,口门水域南槽最大,为108cm/s。小潮:南支河道徐六泾的垂线平均流速最大,为78cm/s,北港最小,为44cm/s,浑浊