黄河口汛期泥沙分布特征及其对水流结构的影响(庞重光,杨作升,张军)

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黄河汛期泥沙分布特征及其对水流结构的影响水利论文 ck,Y(o Fn&n

庞重光1杨作升2,张 军2
L ];qf:N+u7R(su y0(1. 中国科学院 海洋研究所;2. 青岛海洋大学 河口海岸带研究所)水利论文b;V4}{lM&Y$U)c*K

摘要:本文以黄河口汛期六船同步测验取得的水文泥沙资料为基础,得到含沙量与流速的垂向分布经验式,据此了解黄河口汛期的泥沙分布特征:泥沙异重流的含沙量垂向分布很不均匀,随水深的增加含沙量迅速增加;流速随水深分布均匀,无论是上层清水还是下层泥沙异重流流速都较大。并利用室内粒度分析资料研究泥沙对水流结构的影响。水利论文 e`c(K/T jmQ

关键词:黄河口;泥沙异重流;含沙量;浑水粘滞系数水利论文 W HK"s+O?F4f9l

基金项目国家“九五”攻关项目(96-922-03-02)资助。水利论文7h4?:?2N:t'J
作者简介:庞重光(1973-),女,山西榆次人,博士后。水利论文)k\H5A:U)N9q
收稿日期:2000-05-08

&b]3bN!r0

  黄河口入海泥沙含量高居世界第一,而且主要集中在汛期,往往形成在其它河口难得一见的泥沙异重流,泥沙分布具有其独特的规律,由此吸引了众多中外学者的注意。在黄河口区域已进行多次水文泥沙因子的现场观测,积累了大量宝贵资料。1995年汛期进行的六船同步观测,总结以往经验,精心组织安排,得到了较为全面的泥沙纵向及垂向分布资料。

5X}$Q#oqN{0

1 研究区域与方法

+N^#R)Ql]0

  1995年9月18、19日,青岛海洋大学河口所和黄委河口水文水资源局合作,在黄河口用六条船进行25小时同步水文泥沙因子观测。设置了6个水文泥沙观测站,自河道内清12断面盐水全时为零属基本河流相开始,间距3~4km或2~3km设站6处,其中包括拦门坎上游河道内的YW6、YW5、YW4站,以及正处于口门位置,水深2.0~3.8m的YW3站和口门外水深8m及水深10m的YW2与YW1站(每站设5个测层),以期记录自全淡水至黄河水下三角洲下端的水文泥沙过程。此外,在清10设水位站,在南烂泥用船设验潮站作潮位及附属项目观测。观测站位如图1所示。在各站位的不同水层进行径流 海流、盐度、泥沙含量和水温观测,另外还进行潮位及水深量测。其后又进行了含沙量测定和泥沙粒径分析的室内实验。水利论文%]6|m*y]^.k? _(J

2 黄河口泥沙异重流的形成条件

"|P{8rV|8Fu:C0

^V;mU!H.r9H0

图1 黄河口汛期泥沙水文因子观测站位图水利论文1Ii&q0q0]F"t
Fig.1 Site of hydrometric stations at the Yellow水利论文h:uj3g K/y|6F
Riverestuary during flood season
水利论文Arj q;[

  在一般河口,由于入侵河口的海水的密度比河流淡水的密度高,所以是淡水在上层而咸水在下层,随着咸水向陆入侵形成盐水楔,含泥沙的河流淡水一般都在水体上层以飘浮羽状流形式带往外海。但是,在黄河口,尤其是汛期,高含沙混合水体的密度往往超过入侵海水或口外海域海水的密度,于是这一部分水体就会下沉,并在斜坡上形成泥沙异重流。因此要形成泥沙异重流,必要条件是含沙水体的密度必须大于其上覆水体的密度。本次调查所得的最高盐度值,是YW1站涨潮时的27.54‰,未超过28‰;绝大多数情况下,水体中的盐度小于25‰,海域温度最低未小于22℃,据此,计算了水温为20℃时,水体在不同盐度条件下的密度值(表1)。根据这一计算结果,本研究海域水体密度的极限值<1.020(g/cm3)。实际计算结果表明,在20℃,盐度为20~30‰条件下,本研究海域水体的最大密度σtmax<1.019。其次,泥沙异重流的形成还需有流速不能过大和水深不能过小两个条件。即泥沙异重流的形成条件是修正密度佛汝得数的平方要小于1(Locat, 1992),(Fr′)2=u2cgghc<1,其中 uc为潜入点浑水流速;hc为潜入点浑水水深;ηg为重力修正系数,ηg=(ρfw)/ρf,ρwf分别是清、浑水的密度。

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表1 20℃时不同盐度水体的密度值水利论文+\;a"Fma
Table 1 Density of the different salinity water mass at 20

rzr u CRg;q0

盐度(‰)202224262830

密度σt(g/cm3)1.01341.01501.01681.01821.01931.0210

  一般情况下,流速和水深条件较易满足(俞维升,1991),所以最根本的条件还是含沙水体的密度要足够大。对于本区,当含沙水体的总体密度D>1.020g/cm3,它可在某一地点(流速、水深适宜)克服海水盐度带来的浮力而下沉到水体下层。因此就把总体密度大于1.020g/cm3的水体视为可产生泥沙异重流的密度条件,这相当于泥沙含量大于30kg/m3的情形水利论文RT e^ H.IC

  按照泥沙异重流形成的密度条件,考查1995年汛期在黄河口实测的水文泥沙资料,得出潮相控制着黄河口泥沙异重流的发生、发展和消亡,泥沙异重流在始落时开始形成(18日17时),落急时最强(21时),始涨时衰落(19日1时),涨急时消亡(3时)。水利论文v7A1r%I6`-V2JL}i

3 含沙量和流速垂向分布特征

&Z#H(c,e%K \j0

  悬移质含沙量沿垂线分布的定量分析,一般采用两种方法,即扩散理论和重力理论。扩散理论的可靠性在许多河流研究中已得到证明,在对黄河的泥沙分布研究中,基本也是基于这一原理(魏合龙等,1991)。以往基于这一原理的公式有两类,它们是根据不同的流速分布公式推得的,如下所示水利论文 Z.DwZ!J OHId

S/Sa=(h-y/ya/h-a)ω/κu*(1)
S/Sa=e6ω/κu*(y-a/h)(2)

  式中 y轴原点设在床面,向上为正;S为深度y处的时均含沙量;Sa为深度a处的时均含沙量;h为水深;ω为泥沙颗粒的沉速;κ为卡门常数,≤0.4;u*为摩阻流速。水利论文.qB!T P;\JG

  根据以往对紊流层流速的研究,流速垂向分布可分为两类,一类呈对数分布,一类呈指数分布。通用式如下水利论文L BD+JVj8Aq

U/U*=1/lny/h+c(3)
U/Uh=(y/h)m(4)
  其中 U为深度y处的流速;U*为摩阻流速U*=Image772.gif (951 bytes),J为水面比降;c为常数;Uh为深度h处的流速;h为水深;m为指数,一般在1/6~1/10之间。

  要想了解含沙量S和流速U的垂向分布特征,需对各站的含沙量、流速和深度资料做回归分析。由于六个测站所在位置的流场很不相同,分别属于感潮段、黄河入海处、泥沙异重流形成段和滨海区,所以根据各站流场的不同分五个空间时间段进行回归分析:YW6-YW5段,YW4段,YW3(1)YW3站未形成泥沙异重流时段,YW3(2)YW3站泥沙异重流时段,YW2-YW1段。

pC|(^:f?!B ` @4VV0

3.1 各变量无量纲化水利论文 |\:F n rurx_aR q

  由于深度a处的时均含沙量Sa、摩阻流速U*以及表面最大流速Uh均未知,所以各变量无量纲化,采用各点的含沙量S和流速U分别除以各自的垂向平均值(Image773.gif (863 bytes)Image774.gif (868 bytes))得相对含沙量(Sr)和相对流速(Ur),以及各点的深度值y除以当地水深h得相对水深(hr)的方法。

%I Y \"H7c*_4_ @R)}0

3.2 计算各对无量纲变量的相关系数(表2)

&yy$Iq2N,o0

表2 各对变量的相关系数值
7t0qYyS0Table 2 Correlation coefficient of the variables水利论文+T{JA[S+R3M,{


YW6-YW5YW4YW3(1)YW3(2)YW2-YW1

R(Sr,hr)-0.73-0.21-0.80-0.74-0.25
R(Ur,hr)0.650.780.870.200.12

  YW4站的相对含沙量与相对水深的相关系数为-0.25,本段相对流速与相对水深的相关系数更婿为0.12,说明这几对变量之间的相关性很差。因此仅对相关系数大于0.6,小于-0.6的各对变量做回归分析。水利论文C\F P1A-iI%a\(C v8F

  YW4站的相对含沙量与相对水深之间相关性差,是由于YW4站正处于河流入海咸淡水交互的位置,平行岸线运动的涨落潮流阻碍了河水向外海排放,使垂向混合作用加强,含沙量沿垂向分布比较均匀。在几乎整个潮周期,YW4站含沙量沿垂向均匀分布说明黄河口并不象早期理论认为的那样是完全高度层化的河口,在河口的某些位置它甚至可以是高度混合的。水利论文1o7} B,RXm6l

3.3 各对变量的回归函数水利论文B0l+Q _"{

各对变量的回归函数如表3所示。

^(ky:v jF4yt'y0

表3 各对变量的回归函数水利论文qr-h3b8s#W
Table 3 Regression function of the variables

ZbQ@h/C4C.m4f0

Sr与hr水利论文#~6Kwr k M7m

Ur与hr

l%V/X O+|4mX^0

YW6-YW5Sr=-0.6205ln hr+0.4317r2=0.4826Ur=1.2779hr0.3169r2=0.4733
YW4/Ur=0.3329ln hr+1.3049r2=0.6487
YW3(1)Sr=e-2.2167hrr2=0.6541Ur=0.2396ln hr+1.2781r2=0.6752
YW3(2)Sr=2.0227e-3.222hrr2=0.5238/

  根据所得回归函数作图2(a)、(b),可以看出泥沙异重流发育时段含沙量的垂向分布最不均匀,随水深的增加含沙量增幅最大,形象地表明水体下层存在泥沙异重流。YW6-YW5段,YW4段以及YW3(1)段的流速垂向分布很相似无明显差异,说明从感潮段直至拦门沙在未发育泥沙异重流时段,流速垂向结构保持不变,不受含沙量的影响。(a)含沙量垂向分布曲线(b) 流速垂向分布曲线水利论文~)EUbmbvB

3.4 YW3站存在泥沙异重流时的流速垂向分布水利论文!Nbi!s6gY)G!j

  无论在水槽试验中,还是在水库、湖泊、深海中观测到的泥沙异重流流速垂向分布曲线都可以泥沙异重流上界面为界分两部分(图3(a)),上半部分流速整体较小,随水深增加流速缓慢增加或保持不变,说明水库、湖泊、深海或水槽试验的上层清水原本处于静止状态,只是受下层泥沙异重流快速流动的拖动才发生低速流动;下半部分流速整体较大且随水深增加呈小大小分布,表明泥沙异重流在清水下层保持高速流动。水利论文&t&`~C(Z%Y3x9Z N)WaP

  在河口发生的泥沙异重流流速垂向分布与上述分布有很大不同(图3(b))。其特点是流速随水深分布均匀,无论是上层清水还是下层泥沙异重流流速都较大。这是由于在河口地区上层清水即冲淡海水本来处于运动状态(涨、落潮流等)具有相当大的流速,不同于水库、湖泊、

-J.y$q@V O'H}d M0

g6_P8GD+z#ME0

图2 含沙量、流速垂向分布曲线
R.CgW q0
Fig.2 Vertical distribution curve of sediment concentration
.jW e0B'q0and velocity
水利论文 |,z{I:sb]

深海相对静止的环境。在某些时段上层冲淡海水的流速甚至大于下层泥沙异重流流速,这种关于泥沙异重流垂向流速分布模式完全不同于以往此方面文献的描述,是河口泥沙异重流所特有的模式。

水利论文C x9jxy2T0f?O,f8{

y水深,h'泥沙异重流流动厚度
7A7fa&lZ7K;CF0(a)发生在库区的异重流流速垂向分布模式

.n1} E#qs0

/miJ0kYs+C Gh0

(YW3站1995年9月18、19日实测)水利论文TDj"_7CL.y? q
(b)黄河口泥沙异重流不同时段流速垂向分布曲线
水利论文:z:AyN2xG

图3 泥沙异重流流速分布模式
4oC2w4j2n&T#VY-_0Fig.3 The velocity distribution of sediment density current

"? B,~a8hUa6h0

4 泥沙含量对水流结构的影响水利论文3|'x&zc _4f G}w4R2Y4}

  泥沙对水流结构产生影响表现在水体粘滞系数的改变上。泥沙对水流结构的影响不仅仅与含沙量,还与泥沙的粒度组成有关。含沙水流的粘滞系数如下式所示

H+eoU4y+V&Dy0

γm=γ/1-Sv/2Image775.gif (900 bytes)水利论文%FA v!Q/dq@W7]'P

其中γm为浑水粘滞系数,mm2/s;γ为清水粘滞系数;Sv为体积比含沙量;d为浑水中泥沙的中值粒径,mm。

'C2xOExZL)E0

  浑水粘滞系数与体积比含沙量成正比,体积比含沙量越大粘滞系数越大;浑水粘滞系数又与泥沙中值粒径成反比,中值粒径越大粘滞系数越小。表4列出1995年9月YW6、YW5、YW4和YW3(存在泥沙异重流时段)站各层位悬浮泥沙的中值粒径、各层位水体的泥沙体积比含沙量及粘滞系数。从表中看出浑水粘滞系数的最大值为1.202,最小值仅为1.016,浑水粘滞系数与同温度清水粘滞系数相比差别不大。浑水粘滞系数的最大值1.202仍小于10℃时清水的粘滞系数1.310,表明本次调查所观测到的水流全部属于牛顿体范畴。钱宁(1991)研究表明,d<0.01mm的颗粒的含量对水流性质的转变起重要作用,即悬浮泥沙中细粒级含量越大,中值粒径越小,粘滞系数越大,流变性质的改变越明显。表4中,d<0.01mm 的粘性颗粒百分比组成一般在20%以上,有的甚至高达53%,这样高的细粒级组成,在体积比含沙量足够大时,会造成水流结构发生变化。但是在本次观测的水流中,当d<0.01mm 粘性颗粒的百分比大于40%时,如YW6、YW5站23时0.2层位和YW3站9时0.05层位,相应的体积比含沙量都很小,分别为11.82,2.42和9.28×10-3,因此虽然粘性颗粒含量高,中值粒径小,但粘滞系数仍比较小。对于所含泥沙中值粒径大于0.02的水体,即使体积比含沙量大到0.15,这样的浑水依然保持牛顿体的性质(万兆惠,1975)。

^7W7j M F#MmY0

表4 浑水中细粒泥沙(<10μm)的含量及浑水粘滞系数
L!j#c%j(G G/[%^8I0Table 4 Sediment content of fine particles(<10μm) and coefficient of viscosity of turbid water水利论文4G+RBt b0r


站位时间相对水深
-M&\Ll Oe v@0(层位)
<10μm泥沙含量(%)泥沙中值粒径(mm)体积比含沙量
+O"m l&Uy-D4l0(×10-3)
  浑水粘滞系数(mm2/s)

19.000.225.330.2013.1081.060
0.6水利论文#y6f#c7yR7W
0.8
21.53
2r!QSGJ9wNF032.52
0.022水利论文#JBKC X+z,VO
0.018
18.680水利论文0J0B-f6MC2vR&v&s
8.222
1.078
~,BZ@$@Ts Y01.042
YW6
23.000.253.240.0911.8181.078
0.6水利论文yIq/s5n4Bs1Y`R!~
0.8
15.27
Lk W*V-k3f^T J[021.17
0.022
3d6bW7u4X!f|Z00.027
16.856
8} F9j0m6M/AYWY018.271
1.071水利论文m|0j%[7u5u%x!R/U[6vr l
1.070

19.000.228.660.0162.9331.022
0.626.790.01717.1151.081
0.828.360.02119.5841.084
YW5
23.000.243.260.0092.4171.024
0.624.290.02220.7311.086
0.836.440.01110.6581.065

2.000.231.570.01721.2961.100
0.631.720.02221.8911.091
0.828.150.02121.3781.091
YW4
3.000.227.730.02219.5711.082
0.639.70.01620.1721.098
0.826.050.01621.0811.102

5.000.0520.860.0239.4771.043
0.234.220.01812.7501.061
0.623.760.02516.5121.066
0.826.250.02320.7931.085
0.9517.680.02528.7411.112

YW3水利论文k`(M7y^4]?|6k


7.000.0528.940.0259.5081.042
0.232.960.0220.4151.089
0.626.020.02322.4011.091
0.819.860.02425.4571.101
0.9513.370.05474.1511.202

5 结语水利论文%\Jr ~"G8~F7w&v

  (1) 确定了黄河口泥沙异重流形成的密度临界值,其泥沙浓度为30kg/m3。在黄河口,当含沙水体的总体密度D>1.020g/cm3,它可克服海水温度和盐度带来的浮力而下沉到水体下层。

Qj%k?hD8[0

  (2) 得出了河口泥沙异重流含沙量和流速的垂向分布模式,河口泥沙异重流与发生在水库、湖泊、深海等地区的泥沙异重流具有不同的特性水利论文gYJ!p6hj)Ec4O3b

  泥沙异重流的含沙量垂向分布很不均匀,随水深的增加含沙量迅速增加。在泥沙异重流存在时段,流速随水深分布均匀,无论是上层清水还是下层泥沙异重流流速都较大。与其它地区如水库、湖泊、试验水槽等发生的泥沙异重流流速上层小下层大的分布有很大差别。  (3) 确定了测验时段内黄河口泥沙异重流的流变性质属于牛顿体范畴。  通过计算各测站各层位的浑水粘滞系数得出,虽然本次调查水体中悬沙浓度较高,但所观测到的水流全部属于牛顿体范畴。水利论文5Yne l8O

  致谢:对青岛海洋大学孙效功教授,郭志刚、范德江副教授在本次河口观测中的周到安排和辛勤劳动表示衷心的感谢;在本文的构思和写作过程中,中国水科院范家骅教授,胡春宏教授,王兆犹授,提出了许多有价值的建议和宝贵的意见,在此表示衷心的感谢!

-R%y4ymT9rJ-p0

参考文献

0fl/W+vS|:Ae5R0

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* 泥沙异重流的特征和时空演变另文论述。

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