长江口南槽拦门沙航槽的季节性冲淤变化及其成因

长江口南槽拦门沙航槽的季节性冲淤变化及其成因

河口沙是由沉积物和陆地动力学相互作用下的沉积物组成的浮力，通常是限制航运量的障碍。因此,拦门沙冲淤规律及其影响因子的研究不仅具有学术上的意义,而且可为河口的治理提供依据。南槽是长江口的主要泄水通道之一(图1)。虽然目前长江口航道整治的对象重点是北槽,但南槽仍是主要航道之一。而且,由于南槽目前保持着一种非人工控制的天然状态,对其研究所得出的结论可作为其它河口研究的参考。由于径、潮流的相互顶托和混合,在南槽出现动力上的滞流点、化学上的最易絮凝沉降区和泥沙上的最大混浊带,使之发育一条长20余km、高约2.5m的航槽拦门沙。拦门沙滩顶水深(理论最低潮位以下)通常在6.5m左右,极端情况下小于6.0m。长江入海径流量和输沙量具有显著的季节性差异。河口区动力和泥沙运动受风暴影响,在短期内可发生巨大变化;由于大片开敞浅滩(包括潮间带和潮下带)的存在,风暴期有明显的滩槽泥沙交换现象。在河流来水来沙和海洋动力两者变化的共同作用下,长江口门河槽经历着频繁而复杂的冲淤变化。虽然前人对南槽拦门沙的形成和演变做过专门论述,但就拦门沙水深在不同冲淤事件中的变化范围以及冲淤与径流和风暴两大影响因子之间定量关系而言,尚需做更深入的工作。本文试图利用南槽地形测图中所记录的信息,探讨河槽拦门沙床底季节性冲淤的量级、规律以及冲淤对径流和风暴响应的半定量关系,从而为深入认识河口拦门沙的演变规律和建立可靠的数学预报模型奠定基础。本研究的基础资料来源于上海市航道局1988年1月至1990年11月的南槽1:50000实测地形图。这些图的测量时间间隔为半个月至4个月不等(其中1988年12月~1989年12月为每月一次)。图中测量数据的空间间隔为1cm左右(即现场间隔500m左右)。数据精确到0.1m。在测图的拦门沙河段画出69条横断面,间距1cm。不同图上相应断面的位置保持重合。读出每条断面上的最大水深。这些数据构成深泓线的时空结构。虽然每条断面上的最深点可能随时间有所摆动,但每张图上的69个数据连起来代表了严格意义上的深泓线。这在工程上较之固定点得出的纵向断面(不一定是严格意义上的深泓线)更有意义。为了验证深泓线在河床上的代表性,分别对第5、15、25、35、45、55和65号横断面进行时间对比。风暴的分级参照《海洋调查规范》。1季节性污泥与径流变化之间的关系1.1节性变化明显较明确图2是拦门沙滩顶深泓线平均水深从1988年1月至1990年5月的变化过程(测量数据未受明显风暴影响),总体上反映了季节性的冲淤循环。图中显示的1989年季节性变化明显较1988年大,其原因可能有两个方面:一是1988年测量资料不全(特别是2、3、4月无资料),这可能会漏掉高、低峰值。如1989年1月水深仅比1988年1月大4cm,而1989年4月水深比1月大16cm。二是上述两年的径流量及其季节性变化差异较大:1988年的径流量仅为常年的89%,而1989年比常年多3.6%;1989年7、8、9三月径流量比上一年多30.3%,枯季12月、1月、2月径流量仅比上年多2.5%,表明后一年的季节性对比要强得多。1.2来水来沙滞后性表1反映无明显风暴影响下拦门沙滩顶深泓线的洪枯季冲淤对比:(1)具有普遍的洪淤枯冲特点。(2)冲淤幅度变化较大,最大可达0.7m量级。(3)对应于大通站流量最小月(1月)和流量最大月(7月)的冲淤幅度较小,而2~4月同8~10月的冲淤对比较大,尤以2月同8月的冲淤对比最明显,反映了河口拦门沙冲淤对上游来水来沙变化响应的时间“滞后性”。这一“滞后性”与大通站到河口口门的600km多的距离密切相关。据估算,受涨落潮流往复运动的影响,大通站水体及其悬沙到达长江口约需1个月。上述(1)、(2)的结果与沈金山等根据60年代的南槽拦门沙河段测量资料分析得出的结论相似。可见,洪淤枯冲是南槽的普遍规律。图3是拦门沙深泓线洪枯季冲淤变化的两个典型实例。由于北港和北槽同南槽的特点相近,有理由推测它门也可能具有同样的特点。1.3冲淤对上游径流的影响分析发现,拦门沙滩顶深泓线上各点及平均水深(1989年各月测量资料)同大通站流量之间具有较好的线性负相关关系,相关系数r(绝对值)最大可达0.95。这一关系揭示了拦门沙从枯季到洪季的淤积趋势和从洪季到枯季的冲刷趋势。平均而言,相关系数绝对值以拦门沙滩顶测量水深与大通站提前1~2月的流量关系为最好。这反映了如上所述的拦门沙冲淤对上游径流变化响应的时间滞后性,这一滞后性与河口拦门沙同上游水文测站之间的距离密切相关。拦门沙滩顶不同部位冲淤对上游径流变化的响应在程度上和滞后时间上存在差异。总体而言,滩顶中段的响应程度较好;随着向海距离的增大,响应的滞后时间呈增加趋势。特别值得注意的是:沙尾段的相关系数(绝对值)随着大通站径流提前月数的增大而变好,反映滞后时间延长。这种空间上的差异除了与距离大通站的远近有关外,还可能与不同部位径、潮流力量的对比有关。必须指出:鉴于大通站输沙量对流量的总体上良好的正相关依赖关系(图4),上述拦门沙冲淤对径流季节性变化响应的实质可能是对河流供沙量和(或)含沙量变化的响应。若不考虑这种关系,就可能得出流量增大(从而流速增大)导致河槽淤浅的错误结论(由于本文缺乏研究时段的输沙量资料,只能通过使用流量的资料来寻求拦门沙冲淤对河流条件变化的依赖关系)。虽然,丰(枯)水年未必丰(枯)沙年,但就各年的季节性变化而言,这种正相关关系始终存在,只是关系式和相关系数有所不同而已。上述关系还预示了以下可能性:即未来三峡大坝洪蓄枯排的季节性调蓄功能将有可能减小河口拦门沙的季节性冲淤幅度;而入海泥沙量减少10%~15%将可能使航道的年平均水深有所增大。1.4洪枯季冲淤幅度极值利用平均深泓水深与大通站流量相关系数绝对值最大的回归关系(图5),可粗略地估算给定径流条件下的洪枯季冲淤幅度:如相应于多年月平均流量状态下的洪枯季最大冲淤幅度为0.64m,相应于1964年(是年径流量为常年的112%)月均流量分配的洪枯季最大冲淤幅度为0.72m(仅比沈金山等的观测值大2cm),相应于1989年月均流量分配的洪枯季最大冲淤幅度为0.69m(比实测值大6cm),相应于1989年7月和1990年1月的月均流量的洪枯季最大冲淤幅度为0.68m(比滞后一月的观测值小1cm)。假设一种极端情况,即1954年的洪季最大月均流量和1963年的枯季最小月均流量同时出现在某一年中,则可得出一个1.26m的冲淤幅度极大值;相反,假设1月最大月均流量(1954年)和7月最小月均流量(1963年)同时出现在某一年中,则得出一个0.27m的冲淤幅度极小值(注:以上极值流量资料限于1990年以前)。实际上,以上两种极端流量分配几乎不可能出现。然而,所得出的冲淤幅度极值则具有重要意义,那就是:由径流季节性变化引起的洪枯季冲淤幅度不大可能超出0.27~1.26m的范围。问题只是在于图5中经验公式的精度。由于以下复杂性,要建立准确无误的理论预报公式目前尚有困难:测量资料的代表性(由于测量间隔较长,可能遗漏峰值);输沙量和含沙量同流量的复杂关系(图4中的经验关系只代表多年平均状况。实际上,丰水年不等于丰沙年,反之亦然:如1954年径流量是常年的1.47倍,输沙量则只占常年的98%);河口地形和分汊口分水分沙比的变化;台风和大通站以下沿江抽水及支流注入等的干扰;含沙量低的流量增大有可能引起冲刷而不是淤积。因此,图5中的经验公式可能较适用于常水常沙年,对于其它情况是否适用有待进一步探索。也许,最好的途径是分别建立丰水(丰沙)年、平水年(平沙)年和枯水(枯沙)年的经验关系式。但前提是必须有相应年份的大通站各月的水沙资料和拦门沙各月的地形测量资料。假定流量和输沙率的洪枯季对比与年径流量和输沙量的大小成正比,则相应于最大年径流量(常年的1.47倍)、最小年径流量(常年的67%)、最大年输沙量(常年的1.45倍)和最小年输沙量(常年的73%)年份的洪枯季最大冲淤幅度估计值分别为0.94、0.43、0.93和0.47m(以常年0.64m计)。有趣的是,这两组数值差别很小。这说明,不管是用流量还是输沙率同地形资料建立经验关系,得出的拦门沙滩顶洪枯季冲淤幅度极值估计可能相近。根据图5中的公式和大通站水沙的季节性变化特征可推知:拦门沙滩顶洪枯季冲淤幅度的大小主要受洪水控制,原因是洪季流量和输沙率的年际变化绝对值远大于枯季。如最大1月流量(1954年:17800m3/s)和最小1月流量(1959年:7600m3/s)相差只有10200m3/s,而最大8月流量(1954年:84200m3/s)和最小8月流量(1959年:32600m3/s)相差达51600m3/s,后者为前者的5.1倍。更有甚者,洪季输沙率的年际变差是枯季的12.4倍。实际测量结果证实了这一推论:即枯季水深的年际变化很小(通常小于几个厘米),而洪季水深的年际差异较大(可达几十厘米)。除洪季受风暴干扰较多外,洪季水沙的年际变化是主要原因。2台风对季节性累积的影响2.1同一年相应时段的地形变化1990年8月31日袭击长江口的9015号台风为十年一遇的强台风,风力达10~12级。在此之前,风力为8~10级的9012号台风曾于8月20日影响本区。9月11~15日的测量资料所反映的拦门沙水深十分异常,创研究时段三年中的滩顶深泓线平均水深最小值6.11m(比第二最小值小0.24m),有9条横断面的深泓水深只有5.9m。由于这一组台风发生前最近的一次测量是在6月27日完成,相距两个多月,故难以直接进行台风前后的冲淤对比。但同上一年相应时段地形的对比可间接得出这组台风影响的估计值。其根据是:(1)1989年全年风况正常,无强台风袭击本区;(2)相邻两年的径流量及其季节性分配与常年相近(1989年和1990年的径流量分别是多年平均流量的103.6%和98.8%),这可排除因径流变化引起的河床冲淤上的明显差异。即可假定:若无9015和9012号台风的影响,1990年9月和1989年9月的两次地形测量结果趋于一致——倘若要考虑1990年2月(代表枯季)至9月的累计径流量比上年同期少5%这一情况,则它在理论上只会使1990年9月的测量水深较大而不是较小(鉴于上述径流与拦门沙滩顶之间的负相关关系);(3)1990年9月的测量是在9015号台风后1.5~2.0周后,在这段时间中,台风造成的变化可能已有所减小。因此,把图6中反映的1990年9月与1989年9月的测量结果差异(平均和最大淤积厚度分别为0.43m和0.7m)归因于台风的影响是可信的;甚至可以认为,台风的实际影响可能比观测值更大一些(基于上述第二、三点根据)。由于9015号台风明显比9012号台风强且离9月的地形测量更近,图2所揭示的变化应主要来自前者。据测量分析,正面袭击长江口的9711号台风(被认为是百年一遇)使南港下段淤浅0.6m左右,与上述结果有可比性。由于影响长江口的台风多发生在夏季,与河流洪季相遇,故台风造成的淤积实际上增大了拦门沙河槽的季节性变化幅度。换句话说,拦门沙河槽的季节性变化往往包含着台风的贡献。2.2种新的洪水图6中1990年9月同2月测量结果对比大致给出了一个正常径流年份中洪水和十年一遇的风暴叠加对南槽拦门沙淤积的影响。9月相对于2月平均和最大淤积厚度分别达91cm和130cm,相对于年平均水深(试以1989年12个月的拦门沙滩顶深泓线平均测量水深6.71m来代表研究时段的拦门沙滩顶深泓线平均值,根据是该年的径流量及其分配接近多年平均状况、只有该年各月都有测量资料、该年无强台风影响)淤高60cm。若以40cm量级代表十年一遇的强风暴影响(参考上述结果),则这类风暴和径流特丰(沙)年洪水(见1.4节)相叠加可能引起1.3m左右的洪枯季冲淤对比和1.0m左右的相对于年平均水深的淤积厚度。若径流特丰(沙)年洪水和百年一遇的强风暴碰头,航槽淤积将可能更严重,但估计分别不超过1.5m和1.2m量级。3拦门沙冲淤对并存年平均年冲淤量的影响洪水和台风是长江口河槽拦门沙冲淤变化的两个主导因子,也是导致航道淤积灾害的主要原因。拦门沙冲淤的沉积动力学(sedimentdynamics)机制是细颗粒泥沙的沉降和再悬浮。径流引起的深泓线季节性最大冲淤幅度在特枯水(沙)年、正常水(沙)年和特丰水(沙)年分别约为0.4~0.5m、0.6~0.7m和0.9~1.0m量级。拦门沙滩顶冲淤对大通站径流的响应有1~2月的时间滞后性,反映了大通站以下600多km距离对悬沙输移的影响。拦门沙冲淤对入海水量的响应的实质可能是对入海泥沙量的响应。十年一遇的台风可引起拦门沙滩顶0.4m量级的淤积,其泥沙主要来源于周围浅滩在台风期间的冲刷。风暴的影响不仅与风力有关,还与风暴的连续发生相关联。风暴和洪峰碰头会引起两者淤积的叠加。若径流特丰(沙