长江口北槽最大浑浊带泥沙过程(时钟,陈伟民)

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长江口北槽最大浑浊带泥沙过程水利论文0xuus%QVN

时钟陈伟民(上海交通大学 港口与海岸工程系)

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模拟的结果中也得到了证实。

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关键词:长江口;最大浑浊带;潮汐不对称性;重力环流;再悬浮;层化水利论文9k3Qw)D9?8b'j

基金项目国家自然科学基金(49806005)和国家教育部“跨世纪优秀人才培养计划”基金(教技函[1999]2号)水利论文 O\5c-V*r

作者简介:时钟(1965-),男,江苏省泗阳县人,上海交通大学教授、所长。

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1 引言水利论文R ^"W0I|/@&P U

  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Glangeaud[1]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]

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  国外,河口最大浑浊带的研究主要依赖于现场实验[8~13]。值得一提的是,Geyer[14]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。

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  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29500m3·s-1。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)水利论文T8SuS c
图1 长江口及观测站位分布图水利论文`6PSg YW
Changjiang Estuary and monitoring stations

  自90年代,河口学家对长江口细颗粒泥沙输移过程进行了更加深入的实验研究。沈焕庭等[16]系统地分析了长江口最大浑浊带形成的环境背景、时空变化规律、泥沙来源和絮凝作用对悬沙落淤的影响、浮泥的特性与分布以及悬沙的富集机制。时伟荣[17]和Shi & Li[18]利用长江口南槽底层含沙量资料,分析计算了不同潮时的泥沙垂向紊动扩散系数,研究了底床泥沙再悬浮与最大浑浊带形成的关系。对长江口不同河段的悬沙特性(大小、沉速、含沙量)和输移规律的分析对比,李九发等[19]探讨了这些因素对长江口最大浑浊带形成过程的重要性,认识到最大浑浊带潮流强劲,引起床沙再悬浮,因而输沙能力强。沈健等[20]对长江口最大浑浊带的水沙输运机制进行了定量分析。贺松林、孙介民[21]研究了长江口最大浑浊带悬沙输移过程中的“潮泵效应”(在涨落潮中,悬沙颗粒在水体与底床之间周期性地做上下悬扬、沉降的现象),并指出南、北槽之间的大尺度平面环向悬沙输移和南、北槽内的次级尺度的平面环向悬沙输移的重要性。Zhou & Wu[22]利用通量分析方法研究了长江口最大浑浊带的形成机制。结果表明支持最大浑浊带的长周期泥沙源是陆向雷诺(Reynolds)输运和较低层的陆向余流平流输运。河口学家对长江口浮泥也进行了现场实验观测研究[23]。利用长江口水文泥沙现场观测资料,曹沛奎、严肃庄[24]对长江口含沙量梯度较大的悬沙锋进行了研究,发现了内、外两个锋面。悬沙锋对长江口的物质输移和冲淤变化起积极作用。此外,长江口细颗粒泥沙絮凝机理的室内实验研究也得到了发展[25,26]。最近,时钟[27]、时钟、周洪强[28]、时钟、凌鸿烈[29]和时钟等[29~31]对长江口近底边界层细颗粒泥沙输移进行了现场声学实验观测初步研究,表明声学悬浮泥沙观测系统的可适用性。这应为深入理解河口近底边界层高含沙层的侵蚀、挟运、输移和堆积过程提供新的实验研究途径,对河口最大浑浊带成因的进一步认识应有重要的科学意义。其它相关的河口最大浑浊带研究,如珠江口[32]、椒江口[33,34]水利论文DX^q$Y6sp(U

  从90年代开始,河口学家、海岸工程师和流体力学家对长江口细颗粒泥沙运动及冲淤变化进行了数学模拟研究。例如,垂向一维模型[35]、垂向二维模型[36~39]、平面二维模型[40]和数理统计模型[41]水利论文3u7Uby$L8B

  尽管长江口最大浑浊带细颗粒泥沙运动研究取得了很大的进展,但仍有深入研究的必要,这是因为长江口水动力、细颗粒泥沙运动本身是非常复杂的。尚存在如下问题:长江口北槽最大浑浊带成因机制究竟是什么?Geyer[14]提出的“层化抑制紊流”理论是否适用于长江口北槽河口最大浑浊带泥沙捕集机制?北槽口内、口外最大浑浊带中的水动力、悬沙过程如何?有什么区别?此外,在长江口深水航道整治工程中,对细颗粒泥沙运动及短周期冲淤变化的研究至关重要,并需要对细颗粒悬沙运动定量化。本文的目的:(1)在对长江口北槽最大浑浊带水动力、泥沙过程观测的基础上,利用垂向一维悬沙运动数学模型对长江口北槽口内和口外悬沙浓度垂线分布进行了模拟;(2)对长江口北槽的最大浑浊带的形成进行了分析和探讨。

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2 观测站位及方法水利论文bhOg7Uu{,g

  在长江口口内9310站位(横沙岛以东,1993.10.30-31)观测得到大潮的水流、盐度、含沙量资料,而在北槽口外9405站位(东经122°27′04″,北纬31°05′15″,1994.5.28-6.3)和9410站位(东经122°27′30″,北纬31°05′36″,1994.10.7-16)分别观测得到大潮和小潮的水流、盐度、含沙量资料。这些数据是由水的点采样法,即所谓的六点法测得。在各正点时刻,分别在相对水深(z/H)1.0、0.8、0.6、0.4、0.2及0.0处利用采样器采集含沙水样。然后,在室内通过63μm滤纸,分离出粗颗粒悬沙,通过过滤的水样留下来的物质用蒸馏水漂洗,并在40℃恒温箱内烘干,过滤器烘干到60℃后再称重。悬沙浓度是由最后沉淀物的总质量除以被滤去的水体积而计算出的。所得数据资料经过Lagrange三点差值求得在时间轴和相对水深(z/H)轴上的系列数据,再由等高线绘制出流速、盐度以及含沙量随时间、水深方向变化的关系图。水利论文[z{ F Ns E(I f9r

3 水流、盐度、含沙量的时空变化过程观测结果

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3.1 北槽口内水流、盐度、含沙量的时空变化过程

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  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)。

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  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。

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  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(00hr~06hr,93.10.31)和涨憩、落急附近(11hr~20hr,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。水利论文j"@({+Cuj Y:Y/m

图2 流速、盐度、含沙量沿水深、时间变化过程水利论文'm!Fd{q,v7z!z(q6Ts
(9310站位,大潮)

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Time series of current velocity, salinity and suspended sediment concentration
图3 流速、盐度、含沙量沿水深、时间变化过程
Ho8y!G{#zl&E0(9405站位,大潮)
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Time series of current velocity, salinity and suspended sediment concentration

3.2 北槽口外水流、盐度和含沙量的时空变化过程

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  9405站位和9410站位同处于长江口北槽口外,且实际的地理位置也十分接近。所不同的是,9405站位的观测时间为5月(洪季);而9410站位的观测时间为10月(枯季)。水利论文7Dp|A hgYD&~r,F

3.2.1 9405站位(洪季)水利论文`:_7I,bj)BT

1)大潮水利论文!~5v7e.qp|

  在整个潮周期中,流速变化较大,尤其在涨急、落急达到极大值(图3)。局部的水面地区流速为零,其原因可能是由于9405站位处的水流不仅受到潮流作用,而且受到径流的影响,两者相互作用从而导致了在水流表面流速为零(图3)。

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  在盐度分布上,也存在一定的周期变化,且盐度沿水深增加逐渐递增。此外,在一个涨落潮周期中,出现了一个盐水楔,且主要存在于涨憩附近(10hr~15hr,94.5.28;22hr~06hr,94.5.29),第二个周期中(22hr~06hr,94.5.29)尤为明显。由于在涨憩时刻,流速相对较大,在盐水密度流的作用下使海水由底层向河口方向上扩散,而淡水主要分布于表层,从而导致底部盐水楔的形成。此外,从盐度分布上可知,盐度明显层化(图3)。水利论文Ix?xE+bGL

  从底层含沙量过程线可以看出,一个潮周期内有2个再悬浮过程。它们主要发生在涨急附近(08hr~11hr,94.5.28;20hr~02hr,94.5.29)、落急附近(12hr~18hr,04hr~09hr,94.5.29),再悬浮时间较长,水体含沙量较高(图3)。涨潮期间底层含沙量峰值出现时间与涨潮流速最大值出现时间较一致。落潮期间底层含沙量峰值往往出现在落急附近,这主要是涨憩前后泥沙普遍落淤,水体含沙量相应减少,随落潮流到这些测点的泥沙量亦少,因此,落潮含沙量峰值主要取决于再悬浮。

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2)小潮水利论文4H9r?s3m5@

  由于潮差最小,所以小潮水面平均流速变化明显减小,但也存在历时上的不对称性,涨潮历时比落潮历时短(图4)。盐度呈明显层化,即从水面至水底盐度逐渐增加,淡水与盐水之间充分混合。由底层含沙量过程线可以看出,在24hr,09hr时刻,出现了较大的含沙量,其它区域内含沙量普遍较小。这是由于低的流速,产生低的底层悬沙,从而导致含沙量相对较少。尽管如此,在涨急和涨憩阶段,仍然出现了含沙量峰值。悬沙浓度层化明显(图4)。水利论文P2PxoW9o)M5I

图4 流速、盐度、含沙量沿水深、时间变化过程
Z.B x.z"lX+O0(9405站位,小潮)
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Time series of current velocity, salinity and suspended sediment concentration
图5 流速、盐度、含沙量沿水深、时间变化过程
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(9410站位,大潮)

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Time series of current velocity, salinity and suspended sediment concentration

3.2.2 9410站位(枯季)

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1)大潮

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  同样是大潮,9410站位的水流、盐度、含沙量的时空分布与9310站位相差大。流速存在着明显的历时不对称性,涨潮历时比落潮历时短。从涨急到涨憩,流速逐渐变小;而从涨憩到落急,流速又不断上升。且越接近水面,流速相对越大。在落憩附近,流速出现了极大值(15hr~18hr,03hr~07hr,图5)。水利论文'bd? X:H{Z+_Bh(`1{c

  盐度与9310站位的大潮分布存在很大的差异。由于9310站位地处口内,淡水占水体的比例较高。而9410站位则处于口外,海水占到主要地位,所以,含盐度的总体趋势大于9310站位,且随水深的增加而增加。在一个潮周期内,还存在一个盐水楔,它的形成主要是由海水与河水的密度不同。在盐水楔中,盐度明显较大,且整个过程中盐度存在层化(图5)。水利论文5d2}b8~;E{-Y1npa

  从含沙量分布图中可以看出,底部出现高含沙层。其分布规律与9310站位大致相同,在一个潮周期内存在2个再悬浮过程,分别对应涨憩附近(10hr~13hr,94.10.7;22hr~02hr,94.10.8)、落憩附近(15hr~18hr,94.10.7;04hr~09hr,94.10.8)(图5)。整个涨落潮过程中也出现了悬沙浓度的层化。水利论文aKZ~g)J$B(U

2)小潮水利论文,B"r5TC]0V

  与大潮和中潮相比,小潮的潮差最小,其分布的形式也存在一定差异。在潮周期内,除了流速的大小有所减少外,变化规律相差不大(图6)。在盐度分布方面,含盐量随水深的增加而增加,略呈一定的周期性(图6)。在整个潮周期中,盐水楔不十分明显,这说明由于流速较小,盐度的变化也不那么明显了。另外,由于9410站位位于口外,受径流影响较小,无径流和海水相互作用,产生不了盐水楔。从含沙量底部过程线来看,含沙量的值普遍偏低,但含沙量的局部峰值仍然依稀可见(图6)。此外,盐度和悬沙浓度都出现了层化(图6)。水利论文'Y8_? D?*u

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图6 流速、盐度、含沙量沿水深、时间变化过程水利论文#wR_JY q V:j
(9410站位,小潮)

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Time series of current velocity, salinity and suspended sediment concentration

4 长江口北槽最大浑浊带垂向悬沙运动的数学模拟水利论文Y6fi7mT jO

4.1 控制方程

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  河口悬沙输移主要是研究悬沙浓度的垂向分布和不平衡输沙问题,悬沙浓度的垂向分布可用紊动扩散理论进行研究。尽管用于研究悬沙浓度分布有各种不同的理论(如扩散、混合、能量、相似及随机理论),但最后都能得到或接近按扩散方程所得出的结构形式,只是泥沙扩散系数εs不同而已[42]。本文模型的基本控制方程为忽略水平对流扩散作用及垂向水流速度后的悬沙对流扩散方程水利论文'R!zhxH%V5}t

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(1)水利论文w C$c vi7x

式中 C为悬沙浓度(kg m-3),ωs为悬沙沉降速度(m s-1),εsz为悬沙垂向扩散系数(m2s-1),z为高于底床之上的水深(m)。这一公式亦可通过对三维悬沙对流扩散方程忽略水平方向对流扩散作用项和垂向流速获得。以上公式表明,悬沙浓度垂线分布主要决定于垂直方向上的悬沙沉降和扩散作用。目前,对河口悬沙浓度垂线分布的研究工作,主要集中在对悬沙沉降速率ωs和悬沙垂向扩散系数εsz变化规律的研究上。

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4.2 定解条件水利论文)MCm/fHdc8RL e

  模型的边界分别设在自由表面和近底层上,相应的边界条件亦分为两种:自由表面边界条件和底部边界条件。假定自由表面处无泥沙交换现象,即认为悬沙扩散作用和絮凝沉降作用在自由表面处达到平衡,由此自由表面边界条件可设定为

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(2)
式中 ξ为高于平均水位的水面高度(m),h为平均水深(m)。
  底部悬沙浓度的变化规律较为复杂,目前所得的表达公式多为经验公式,其应用范围受时间和地点的限制。在本文模型中直接采用实测得到的底部悬沙浓度随时间变化过程,作为模型的底部边界条件
Ca0=f(t),z=a(3)
模型初始条件的设定采用较为简单的“冷启动”法,即认为在初始时刻垂向各点悬沙浓度为零
C(z,0)=0(4)
  由于潮位随时间变化的影响,模型的空间范围是非恒定的,因此在模型中垂向坐标值采用相对水深变化后的无量纲数
z*=(z-ξ)/H(5)
上式中总的水深H=ξ+h
  坐标变化后的絮凝体沉降速率为
ωs*s/H(6)
  坐标变换后的控制方程和自由表面边界条件为
(7)

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(8)

  各时刻水位根据同步实测水位资料获得

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ξ(t)=f′(t)(9)

4.3 离散、差分方程水利论文 uM0H,lm&i3U'g

  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,沉降项采用后差分格式,扩散项采用中心差分

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水利论文^N7r _@"Wi+U

(10)

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经整理后得差分方程的计算公式为:水利论文0{xN(L$Pv

水利论文Z,ok3qf"T v(A

(11)

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本模型差分格式为显式,稳定性条件为水利论文 XU+W%u/iA"\Y1M

εsz[Δt/(HΔz*)]2≤1/2

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(12)水利论文7wW8b%~,X

4.4 模拟结果和模型验证水利论文5U:ZU(^'D5J

  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10-2m2·s-1左右,模型中取空间步长为Δz*=0.1,则由式(12)可知稳定性条件要求时间步长Δt≤128s,本文实际计算时取为Δt=6s。

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  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

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εsz=α(z/ H)β水利论文x t9? MZ1N/n.^7y]2T!@

(13)

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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α、β可能会随泥样的采取地域而有所不同,在文献中分别取为α=0.6和β=0.06。本模型中分别取为α=0.06和β=0.602。

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  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计算絮凝体沉降速率的公式水利论文t.qJ#M%P f Van

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(14)水利论文;h O;^,Uz:s8K8c

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;κs′为一与盐度有关的系数,当盐度为30%时,κs′=3.8;ω50为粒径为中值粒径d50的单颗粒泥沙沉降,可用Stokes公式求得水利论文c#H SsHYh,n

ω50=(1/18)gd502[(ρs-ρ)/ρν]

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(15)

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其中ρs为泥沙容重(kg·m-3),ν为水流运动粘性系数,取为ν=1.007×10-6m·s2

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5 讨论和结论水利论文b!]J;c*z{

5.1 讨论水利论文s V `;G @-w z?2M

  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3~6,9405、9410站位),并不控制河口细颗粒泥沙的纵向输运。

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  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2~6)。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2~6)。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[19~20]水利论文.IP-d(Xs)fH^+e

  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Geyer[14]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。水利论文`7Y$B*P'\ I nTj O+[Y.[

  在潮汐变化的过程中,对悬沙影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2~6),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2~6),尤其在北槽口外。这些过程是否对应于“潮泵效应”[21]?

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  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。水利论文aY:nQG

  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9310站位大致相同。小潮模拟结果普遍较好(图11)。水利论文Kd1c2uF7v7c4X1l8E(?

图7 9310站位悬沙浓度垂线分布验证(1993.10.30-31.大潮)
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Comparison between modeled and measured suspended sediment concentrations
图8 9405站位悬沙浓度垂线分布验证(1994.28-29.大潮)
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Comparison between modeled and measured suspended sediment concentrations
图9 9405站位悬沙浓度垂线分布验证(1994.6.2-3,小潮)水利论文/{s AT7N0PJ
Comparison between modeled and measured suspended sediment concentrations Suspended sediment concentration (g/L)
图10 9410站位悬沙浓度垂线分布验证(1994.10.7-8.大潮)水利论文 qi v{kho
Comparison between modeled and measured suspended sediment concentrations Suspended sediment concentration (g/L)

0105t11.gif (11789 bytes)水利论文Zd\G3PF

图11 9410站位悬沙浓度分布验证
)R;b@/nYa0(1994.10.15-16,小潮)

8f#W$Sk~N1x xA0
Comparison between modeled and measured suspended sediment concentrations

  值得注意的是,在垂向一维模型(式(1))中,自由面悬沙沉降与扩散是平衡的,无泥沙进出。一维中左右前后项又是一样的,初值又设C(z,0)=0(冷启动),那么要建立垂向泥沙运动模型,泥沙的来源只有靠底部边界条件Ca0=f(t),即泥沙从底沙中提供。而要维持平衡,除非底部Cz=0,否则底部泥沙会一直不断地向此垂线上输入。这应如何解释呢?水利论文J A4`2[3{2z

  在实际计算时,式(13)中实验常数α、β及式(14)中系数κs′的取值,通过反复试算,选择模拟值与实测值拟合最好的一种情况加以确定。在大潮(9310站位)和大潮、小潮(9410站位)中:α、β分别取为0.06、0.602;κs′分别为13.4、15.4、19.4。造成κs′取值与曹祖德、王运洪[43]文献中差别较大的原因,可能是由于长江口悬沙组成成份不同与水槽中的测量值。此外,长江口外水流结构亦与水槽实验中不同,这会造成两者絮凝沉降速率及悬沙扩散系数的不同。这些情况都通过常数α、β及κs′予以修正。

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  今后,还需对北槽内进行多点、同步水文、泥沙观测,进行垂向二维数学模拟[37]水利论文 lVC dN)R

5.2 几点结论水利论文V8QG~a^!J J-r

  1.长江口北槽最大浑浊带的成因机制较为复杂,北槽口内、口外最大浑浊带的成因机制也是有差别的。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。前者是由潮波和河口地形相互作用造成的,而后者是在径流和海水入侵下产生的密度不同所导致的。在北槽口外,最大浑浊带形成的主要动力过程是河口底部泥沙的周期性再悬浮。水利论文9t lB!N-Ns:}o

  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,从而形成了随着水深的增加悬沙量也随之增加的悬沙分布过程。

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  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。

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  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。

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致谢:本文数据资料的采集得到交通部上海航道勘察设计研究院的大力支持,在此致谢。水利论文$B!Q5`)R4~xGZ?"i

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