水利工程論文-長江口粗粉砂和極細砂輸移特性研究.doc

水利工程論文-長江口粗粉砂和極細砂輸移特性研究摘要：在長江口區(qū)主航槽中利用懸浮物濃度測定系統(tǒng)(ACP1)第一次獲得了近底紊流“猝發(fā)”(burst)和床面泥沙噴發(fā)(ejection)的連續(xù)時間序列可視圖像和數(shù)據(jù)，同時利用高分辨率流速儀以及旁側(cè)聲納、熱敏式雙頻測深儀等手段獲得了大量底形沙波的實測圖像和數(shù)據(jù)。這些圖像和數(shù)據(jù)結(jié)果表明：長江口南支南港之間粗粉砂至極細砂在漲落潮流的作用下，呈現(xiàn)靜止細顆粒泥沙起、懸揚粗顆粒噴發(fā)運移的同時進行大尺度底形運動細顆粒起揚、懸揚靜止的輸移循環(huán)模式，即當U50cm/s，泥沙在底床上基本不運動；50cm/sU65cm/s，小尺度紊流猝發(fā)發(fā)生，泥沙開始小尺度起揚，并有幕式猝發(fā)現(xiàn)象；65cm/sU100cm/s時，小尺度紊流猝發(fā)強度和持續(xù)寬度急劇增大，床面細顆粒泥沙開始噴發(fā)導致床面開始沖淤，形成中小尺度沙波；100cm/sU110cm/s時，大尺度紊流形成，床面粗顆粒泥沙開始噴發(fā)；到了U110cm/s時，宏觀紊流規(guī)模更大，床面粗顆粒泥沙的噴發(fā)強度和持續(xù)寬度急劇增大，導致床面形成大尺度沙波運動。由于U110cm/s的落潮流速遠遠大于漲潮流速，且落潮最大流速達137cm/s，落急(流速100cm/s)歷時(3小時16分)長，因而發(fā)育了大量陡坡朝向下游的大尺度底形沙波，尤其是波長10m的大尺度沙波都是朝向落潮流方向；而漲潮最大流速僅113cm/s，漲急(流速100cm/s)歷時僅約40分鐘，因而沒有發(fā)育朝向上游方向的沙波。關(guān)鍵詞：粗粉砂極細砂幕式再懸浮猝發(fā)噴發(fā)底形運動輸移模式1引言與波流共同作用下的砂質(zhì)河口13相比，長江河口是一個懸沙濃度較高、底質(zhì)分布較復雜的潮汐河口，有泥、粉砂、極細砂和浮泥、細砂等，且各河槽底床表層泥沙的平面分布存在較大差異(圖1)4。中值粒徑d50在0.1250.03mm的粗粉砂和極細砂在長江河口區(qū)分布廣，如南支下游、南港、北港，北支及灘槽交界處，水深均在1015m左右5。根據(jù)現(xiàn)代普遍采用的美國地球物理學會(AGU)泥沙分類標準6和國際沉積學會(SEPM)的底形分類標準7，粒級為0.030.125mm的粗粉砂至極細砂由于其粒度太細，粘滯力較大，一般以沖瀉質(zhì)、平床方式運動，僅低流速時有波高0.03mm的沙紋運動，與懸浮泥沙基本無交換8。甚至在KomarandReiners(1978)的圖解中被歸到了粘性斯托克斯域(viscousStokesregime)9內(nèi)，亦無大尺度底形發(fā)育。圖1長江口底質(zhì)沉積物類型分布圖DistributionofbedsedimenttypesintheChangjiangEstuary周程熹等曾報道在長江口該粒徑分布區(qū)洪季有大尺度底形(bedform)沙波運動1012，因而多年來一直為人們所關(guān)注，但由于受觀測方法和儀器條件的限制，迄今為止其存在的可能性仍受到懷疑1315。而且粗粉砂至極細砂被認為因顆粒間的粘滯力明顯增大，泥沙顆粒所受到的起動切力大，只有在足夠大的漲急和落急水流條件下，細顆粒周圍的粘土被懸浮后才能以跳躍或半懸浮形式在近床面上運動12，16。作者于1997年12月3日至5日沿長江口南支下游至南港上游河段進行了走航式旁側(cè)聲納、熱敏式雙頻測深儀、Geochirp淺地層剖面儀測量，并在14小時的一個連續(xù)漲、落潮過程中進行了連續(xù)定點懸沙剖面(ASSM)、ENDCO海流計、懸沙含量等新儀器的測量，獲得了清晰、完整、系統(tǒng)的高分辨率三維底形沙波和實時同步高分辨率底流速實測資料、14小時連續(xù)時間序列的底沙變化運動全過程的數(shù)據(jù)和可視圖象。這些研究成果證實了長江口粗粉砂至極細砂在洪、枯季都有底形運動的發(fā)育，對長江口泥沙的全沙輸移模型、港口航道的疏浚等研究將具有重要意義，填補了國際沉積學界關(guān)于粗粉砂至極細砂粒級范圍內(nèi)大尺度底形運動研究的空白。本文特向同行報道這一研究成果，并對長江口粗粉砂至極細砂的輸移模式作一初步探討。2研究區(qū)域長江是流域面積達1.8106km2，年平均流量29300m3/s，最大流量可達92600m3/s，最小流量4620m3/s，平均潮差3.12m，每年向東海輸送4.78108t的泥沙，其中有0.8108t的較粗顆粒的泥沙沉積在河口段7，與外海輸入泥沙一起組成河口區(qū)底沙(bedmaterial)。長江出徐六涇節(jié)點之后，首先被崇明島分隔為南北兩支，繼而南支又被長興、橫沙島分隔為南北兩港，節(jié)點到口門的距離和口門的寬度相當，均為90km。長江口的平均粒徑為0.160.002mm，中值粒徑d50=0.170.002mm，即從細砂到粘土均有。平均而言，長江口水域沉積物較潮灘粗，水域中，口內(nèi)河道較口外海濱粗；河道中，南支粗于北支，北港粗于南港。河道呈現(xiàn)從上游向下游變細的趨勢：如北支上、下段Mz平均為0.06和0.045mm。由于水下地形灘槽交錯，沉積物橫向變化頻繁劇烈，一般規(guī)律是自深槽向淺灘變細?？紤]到南支對下游南、北港和南、北槽發(fā)育的控制性影響和前人的雙頻測深資料2，3，研究者選擇了床面泥沙平均粒徑在0.177mm0.031mm之間的南支下段至南港上段，展開了由吳淞口至下游(剖面AA、測線長18km)和由下游南港至上游南支(剖面BB、測線長21.07km)等兩條剖面的實測工作(圖2)，并在南支下游寶山河段選擇一個實測點進行定點定位測量(DZ1站)。在南支與南港兩河段之間有黃浦江自吳淞入?？冢瑓卿聊昶骄鶅魪搅髁考s345mm3/s，最大進潮流量可達12100m3/s，最大落潮流量為6000m3/s，最大漲潮平均流速1.8m/s，最大落潮平均流速1.5m/s，漲潮流時間約5小時，落潮流時間約7小時。圖2長江口中的測線和測站DetectedlineandstationofbedconfigurationintheChanggjiangEstuary3研究方法調(diào)查時使用80t木質(zhì)漁船，船速3節(jié)，所有觀測儀器除了探測器外，其它設(shè)備均安裝在船艙內(nèi)。航線和測點定位采用美國DelNorteInc.公司的1008/586D.GPS(實時定位)。河槽床面形態(tài)的縱剖面特征由測深儀和淺地層剖面儀獲得，前者為美國InnerspaceInc.公司的熱敏式測深儀(449MThermalDepthSounderRecorder)沿兩條測線(剖面AA、BB)展開，后者為英國GeoAcousticsLimited公司的GeoChirpSubBottomProfilerSystem沿測線2展開，這兩種儀器的探測器垂直懸掛在船右舷水面以下1m處。河槽床面形態(tài)的平面分布則利用英國UltraElectronics公司的旁側(cè)聲納(3050LWscanSidescanSonar)進行測量，拖魚狀探測器放置在船尾水面漂浮。1997年12月4日至5日14小時連續(xù)定點定位測量主要有兩項內(nèi)容：一為底沙輸移隨時間的變化過程；二為底沙上部水體流速流向隨時間的變化過程。底沙隨時間的輸移變化過程采用中國科學院東海研究站設(shè)計出品的ACP1聲學濃度剖面儀測定，探測器(發(fā)射/接收共用換能器)與加重鉛魚垂直懸掛在船右舷水面以下6m。底沙上部水體隨時間的變化(流速、流向)過程則利用美國Endeco/YSIInc公司的流速儀(174SSMCurrerntMeter)進行測量，將其垂直懸掛在調(diào)查船左舷離水面以下1m處；同時進行的傳統(tǒng)流速、流向測量儀與加重鉛魚垂直懸掛在左舷床面以上1m。水樣的采集點為0.6H，0.8H，1.0H(H為水體深度)，采集時間間隔為30min,其將作為懸浮物的濃度和粒度分析之用，前者采用0.45m定性濾紙過濾法，后者采用TACoulter計數(shù)器分析。底質(zhì)粒度分析采用標準篩析法。4結(jié)果4.1底沙粒徑組成根據(jù)粒度分析結(jié)果，本次調(diào)查區(qū)域的底沙在枯季為粉砂至細砂，以粗粉砂至極細砂為主(圖3)，Mz=0.125mm0.031mm，部分采樣點則以細砂為主，Mz=0.083mm，且粗粉砂至極細砂中仍含有2030%的細砂。因此長江口南支南港沉積物粒度組成有較寬的粒度分布區(qū)間。表1長江口南支-南港底沙沉積物粒度參數(shù)GrainsizeparametersofbedsedimentinSouthBranchandSouthChannelintheChangjiangEstuary分級名稱粒度區(qū)間(mm)比例(%)比例(%)中砂0.50.250.050.25細砂0.250.1254.0020.50極細砂0.1250.0632.6451.52粗粉砂0.060.0332.3216.17中粉砂0.030.0169.132.72細粉砂0.0160.0089.884.52極細粉砂0.0080.0045.072.11粘土0.0046.912.21圖3長江口南支粗粉砂和極細砂質(zhì)底沙的累計頻率曲線(a)和頻率曲線(b)Accumulative(a)andfrequency(b)curvesofbedsedimentcomposedofcoarsesiltandveryfinesandinSouthBranchintheChangjiangEstuary4.2底形特征本區(qū)測線水深在1017m，兩條測線上絕大部分聲納圖像均顯現(xiàn)出河床表面呈波狀起伏的韻律形態(tài)。根據(jù)雙頻測深圖譜上的波長、波高大小和聲納圖譜上沙波脊的寬度、形態(tài)、連續(xù)性等(圖4、5，表2)可將本區(qū)沙波劃分為以下幾種類型：圖4長江口南支南港粗粉砂和極細砂質(zhì)分布區(qū)底形沙波的熱敏式測深儀記錄(測量時間：1997年12月3日至5日)其中A：小型對稱和不對稱沙波，波長510m；B：對稱沙波，波長1015m；C：不對稱和疊置波波，前者波長1015m，后者波長小于5m；D：大型孤立沙波，波長大于30mPThermalDepthRecorderrecordsofbedformscomposedofcoaresesiltandveryfinesandinSouthChannelandSouthBranch,ChangjiangEstuaryduringDecember35,1997圖5長江口粗粉砂和極細砂質(zhì)底沙大尺度底形動波的旁側(cè)聲納記錄(測量時間1997年12月3日至5日)A：直脊狀小型沙波B：彎曲小型沙波C：新月型沙波D：左彎曲沙波；右新月型沙波WidescanSonarSidescanrecordsofbedformscomposedofcoarsesiltandveryfinesandintheChangjiangEstuarydurngDecember35,1997表2長江口高分辨率底形沙波雙頻測深和旁側(cè)聲納記錄TheThermalDepthRecorderandSonarSidescanrecordsofhighresolutionbedformsintheChangjiangEstuary名稱波長(m)波高(m)波/高比陡坡(角度和方向)雙頻測深、聲納圖像百分比(%)直脊狀小型對稱沙波5100.20.5253035下游直脊線狀脊、谷密集均勻圖4A、5A26.97直脊