1998长江全流域特大洪水期河口区床面泥沙运动特征(程和琴,李茂田)

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1998长江全流域特大洪水期河口床面泥沙运动特征水利论文6S!UW*c)X_

程和琴李茂田
t6brP+b0E0(华东师范大学 河口海岸国家重点实验室)

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摘要:1998长江全流域特大洪水后期用旁侧声纳、热敏式双频测深仪、D.GPS、声学悬沙浓度剖面仪和流速仪等对长江口主航槽南支至南港河段床面泥沙运动进行了走航和定点测量。观测期间为大潮讯,水深13~21.3m,底质粒径0.08~0.125mm,平均粒径0.10mm;水面以下1m处流速最大值217cm/s、量小值0.75cm/s、平均值129cm/s;调查船航速2.5~3.5m/s。走航测量获得的大尺度三维底形沙波波长在20~300m之间,波高0.5~3.6m之间,波长大于100m以上者仅占7%,陡坡朝向下游。定点测量获得的连续14小时沙波平均运移速率为0.09m/s。这种罕见的极细砂质大尺度底形沙波由大洪水期强涨落潮流和底沙再悬浮作用所致。伴随着沙波运移实时同步再悬浮的泥沙浓度底部平均值为0.9kg/m3、最高可达1.33kg/m3、最低为0.44kg/m3。它们是长江口下游河槽不稳定的关键因素。

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关键词:特大洪水;床面微地貌;底形沙波;底沙再悬浮水利论文-rq`0lR[9Q

基金项目:本研究得到了国家自然科学基金(49571007)和上海市科委青年科技启明星计划(97QA1406)和上海市教委曙光计划(99SG13)的资助。

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作者简介:程和琴(1962-),女,华东师范大学副教授。水利论文4J/GM#mz)Y(ThD4Q

  近年来随着人工控制活动的逐渐增强,特大洪水对河口区河道成形和分汊等大尺度地貌变化的控制性影响逐渐减弱,而对河口区床面形态特别是大河河口区细颗粒床面形态的影响程度日益引起动力沉积学和河口工程学工作者的关注,限于观测条件迄今为止没有直接的探测记录,一般采用多年平均或长期记录[1]。长江口区自19世纪以来备受重视和研究的较大时空尺度地貌演变如南北支、南北港和南北槽的分汊格局等世纪性巨变都由长江特大洪水控制[1,2],而近五十年来这些大尺度的河槽演变趋势受特大洪水的影响较小,但受逐渐加强了的人工活动控制,如徐六泾人工节点、滩地围垦和堤防工程等[2]。1998年长江全流域特大洪水是20世纪第二大洪水[3,4],虽然对河口区河槽分布格局没有产生显著影响,但对主槽床面形态的影响程度是目前长江口深水航道工程和动力沉积和地貌学所特别关注的问题。
1 1998长江全流域特大洪水期河口区床面微地貌
3]CwvB~}0测线和测点分布图水利论文I5b$]#P U)v)L
Fig.1 Bed configuration survey line and station located in the Changjiang Estuary during the 1998 disastrous flood

本文旨在报道作者于1998年长江全流域特大洪水后期9月8日至9日对南支下游至南港上游主槽床面进行的走航和定点探测结果(图1),即大尺度三维底形沙波形态和连续14小时内实时同步的底形沙波运动和底沙再悬浮过程的数据和可视图象。这些研究结果是用旁侧声纳、热敏式双频测深仪、声学悬沙浓度剖面仪和流速仪获得的,也是关于世界大河口区特大洪水期大尺度底形沙波宏观特征与微观运动过程相结合的首次报道。其对河口动力沉积地貌过程、大比例尺水下地形测量、三维流场的数值模拟港口航道的疏浚以及航道的稳定性评估具有重要意义。水利论文&^ Aa!?P P0m\

1 研究区概况水利论文3@-CkY;WF)C#RXU SK

长江出徐六泾节点入海,依次被崇明、横沙和九段沙等三岛分隔为南北支、南北港和南北槽等三级分汊。它们分别由18世纪、1860年和1954年等三次大洪水形成[2]。与1954年的大洪水相比,1998长江全流域特大洪水量级大、涉及范围广、持续时间长等特点,但从大于60000m3/s的洪水系列来看,1998年宜昌水文观测站年最大流量仅仅是1860年至1998年系列中的第12位,经验频率为12年一遇[3,4]

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潮流和径流是床面泥沙运动和微地貌的两个主要影响因子。长江口属不正规半日潮,近口门最大潮差可达5m,潮差向上游逐渐减少,口内潮流主要受地形地貌控制。大潮期间平均流速北支为140cm/s,南支和南北港为110cm/s。但小潮期间相应减少至110cm/s和70cm/s。床面以上0.5m处的最大流速可达119cm/s,平均进潮量为266300m3/s,是径流量的9倍。高桥水文观测站多年平均波高0.35m,石洞口平均波高0.3m,因此除了风暴潮以外口门以内正常天气条件下波浪对沉积物没有显著影响[5]。受制于上述水动力条件,长江口有六种类型沉积物分布区,它们分别是以径流作用为主的河床、径流和潮流共同作用的分汊河床、以波浪作用为主的河口浅滩、盐水楔作用下的拦门沙、水浅流弱的河口边滩和以潮流作用为主的口外海滨等六个沉积区[5,6]。长江口床面泥沙中值粒径多年平均值为0.16mm~0.02mm,口内底质中值粒径从上游的0.11mm向下游的0.04mm逐渐减小[7]。床面以上0.5m的流速南北港大于南北支,床面平均粒径在0.125mm~0.03mm之间[5],为粗粉砂至极细砂,且在横沙岛以西的我们测区内河道中表底层悬浮物浓度分别为0.12kg/m3和0.23kg/m3[9]

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2 方法

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野外调查于1998年特大洪水的后期9月8日至9日进行。调查时使用80吨木质鱼船,船速3~5节,除了探测器外的所有设备安装在船舱内。航线和测点用1008/586D.GPS实时定位,精度为1~2m。河槽床面纵剖面形态由Inner-space Inc.热敏式测深仪和Geo-Acoustics Limited浅地层剖面仪获得,两者的探测器垂直悬挂在船右舷水面以下1m处,前者精度为0.1m,后者精度为0.125m。河槽床面平面分布形态用Ultra Electronics的旁侧声纳测量,拖鱼状探测器放置在船尾水面漂浮。1998年9月8日至9日的连续14小时内定点连续测量两项内容:底沙输移变化过程和底沙上部水体流速流向变化过程。前者采用中国科学院东海研究站设计出品的ACP-1声学浓度剖面仪测定,探测器与加重铅鱼垂直悬挂在船右舷水面以下6m处,受流速影响床面高程的误差为6m~6cosθm,θ为探测器偏离垂直方向的夹角,野外记录该夹角一般在10°以下,最大可达15°至20°。后者利用Endeco流速仪测量,其垂直悬挂在调查船左舷离水面以下1m处。该测点NZ2位于121°35′29.48″E,31°23′59.06″N。

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3 结果水利论文1xIy\.LsLzqu

3.1 床面泥沙组成水利论文v&[w U4}_8Dy

粒度分析结果表明本次调查区域的粒径在1998特大洪水后期时为极细砂至细砂,以极细砂为主,Mz=0.08~0.125mm,d50=0.10mm d16=0.08mm。与枯季相比,长江全流域1998特大洪水期间河口区南支 南港沉积物粒度较粗,细砂含量达48%,分布区间较小(表1,图2)。平均粒径远大于本区枯季时的粒径[12],但远小于发育大尺度沙波的Gironde河口粒径0.32~0.65mm[10]和Fraser河口粒径0.33mm[11]。这些泥沙分布在水深16m至23m的长江口主航槽中。

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1 长江口南支 南港1998特大洪水期间底沙粒度含量水利论文 iKf/m,o1}#U

Table 1 Percentage of grain size groups of the bed load in the Changjiang Estuary during the 1998 disastrous flood

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分级名称中砂细砂极细砂粗粉砂中粉砂细粉砂极细粉砂粘土

粒度区间(φ)1.0~2.02.0~3.03.0~4.04.0~5.05.0~6.06.0~7.07.0~8.0>8.0
1998洪水(%)3.8948.4435.184.700.000.000.000.00
枯季(%)0.2520.5051.5216.172.724.522.112.21

3.2 床面形态特征

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根据两条测线(图1)上旁侧声纳和双频测深仪等仪器探测结果,1998年特大洪水期间长江口区河床表面呈较大尺度波状起伏的韵律形态,其波长与波高均远大于枯季时。大尺度底形沙波的波长在20~300m之间,大于20m小于100m者占85%,波长大于100m以上者占7%(图3、4、5)。测线水深在13~21.3m,平均水深17m。绝大部分旁侧声纳记录图像均显现出了较大尺度的底形沙波。据双频测深图谱上的波长、波高大小和旁侧声纳图谱上沙波脊的宽度、形态、连续性等可将本区沙波划分为以下几种类型:直脊状小型不对称沙波;弯曲和新月型中等沙波;弯曲型大型不对称沙波;大型不对称沙波(表2、3),这些底形沙波的波长尺度远大于枯季时5~15m之间占85%以上[12],也大于一般洪季时[13~15]

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2 1998长江全流域特大洪水期间河口区床沙粒度分布曲线
IJ1d Y ]!sOb Z \0Fig.2 The grain size distribution curves of bed load in the Changjiang Estuary during the 1998 disastrous flood

2 长江1998特大洪水期间河口区高分辨率底形沙波双频测深和旁侧声纳记录

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Table 2 Records of high-resolution bedforms of sand dunes by the Thermal Depth Recorder and Sonar Sidescan in the Changjiang Estuary during the 1998 disastrous flood水利论文z4}7x'\+W2}h!h


名称波长(m)波高(m)波/高陡坡(角度和方向)双频测深、声纳图像百分比(%)

直脊状小型水利论文2o3[%N+Jm*R
不对称沙波
<200.5~1.86~277°~30°下游

直脊线状脊、谷密集均匀图4A、5A、5B水利论文ZB2O*P*E!x,S

16.86
弯曲和新月型中等沙波20~400.9~2.758~523°~15°,下游为主脊弯曲或分汊,图4B、5C45.35
弯曲型大型不对称沙波40~1001.0~3.615~821.3°~10°,下游为主脊线断续,图4C、5D30.80
大型不对称水利论文r4P1TE/Z{
沙波
>1001.0~3.137~1130.67°~4°,下游为主脊线继续、图4D、5E、5F6.98

3 长江1998特大洪水期间河口区水深和底形波长、波高、陡度等参数的统计特征

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Table 3 Statistical parameters of spacing,height,angle of lee side and steep side,water depth in the Changjiang Estuary during the 1998 disastrous flood水利论文R)^'RY-Y


水深波长波高α1αs

平均值16.6841.4061.6446.9526.751
中值16.5932.5471.65.8555.775
尖度0.2782.2970.4844.2261.092
偏度0.691.5640.6961.5711.14
最大值21.3151.093.630.3622.93
最小值13.88.280.51.330.67

α1为背流面陡坡角度;as为迎流面缓坡角度水利论文0s9l9X+Lv}

3 1998长江全流域特大洪水期间河口区床面形态的双频测深仪记录
eQ}0Nq}{:d0Fig.3 The longitudinal bed configuration change records detected by the Thermal Depth Recorder in the Changjiang Estuary during the 1998 disastrous flood
4 1998长江全流域特大洪水期间河口区床面形态的
.j%|"Wydw0旁侧声纳记录水利论文&Z)da(P*W2w[x
Fig.4 The transverse bed configuration change records detected by the Widescan Sonar Sidescan in the Changjiang Estuary during the 1998 disastrous flood
5 1998长江全流域特大洪水期间河口区底形沙波波长、波高和坡角等参数的出现频率曲线水利论文8n}7m\6J
Fig.5 Occurring frequency of sand waves parameters as spacing(λ),height and repose angle in the Changjiang Estuary during the 1998 disastrous flood

3.3 水面以下1m处流速变化特征水利论文g1pR {5VX` _

  南港定点测站NZ2水面以下1m处由Endeco流速仪连续14小时测定的表层流速变化特征有(图6):涨落潮时的最大实测流速可达217cm/s,最小实测流速为零,平均流速为129cm/s,中值流速为138.39cm/s(图7)。在实测到的流速值中出现频率大约有3个众数,即表层流速小于50cm/s约占5%;介于50cm/s与160cm/s之间约占30%;大于160cm/s约占65%。该结果表明在1998长江流域特大洪水后期长江口内主航槽涨、落潮过程中水流流速的变化也有3个阶段;特大洪水期间的落潮流速与涨潮流流速之差值远大于枯季时[12],潮流速大于160cm/s者居多,平均流速为169cm/s;涨潮流速均小于160cm/s,平均流速为82.5cm/s;落潮流速大于160cm/s,平均流速为198cm/s。
6 1998长江全流域特大洪水后期河口区连续14小时内流速、流向变化特征,测量时间1998年9月9日至10日
:J:^ l,j1T_(v0Fig.6 Temporal changes of surface current velocity and direction recorded by Endeco in the Changjiang Estuary during the 1998 disastrous flood
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 水利论文1}Y^$G8~4@ ZB

7 1998长江全流域特大洪水期河口区连续14小时水利论文*Dr8W5e;N~3ddB,y
流速出现频率曲线
|SY$w)v%T AT\0Fig.7 Occurring frequency of surface current velocity in the Changjiang Estuary during the 1998 flood
8 1998长江全流域特大洪水期间河口区底形沙波变化水利论文,zm|OC5P
特征的ACP记录水利论文kI&} m8S5Hn8p*x`
Fig.8 Acoustic Suspended Concentration Profiler records of the temporal bed configuration change in the Changjiang Estuary during the 1998 disastrous flood

3.4 床沙再悬浮和底形运动

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南港定点测站NZ2(121°35′29.48″E,31°23′59.06″N)床面以上6m处声学悬沙浓度剖面仪(ACP)连续14小时实测数据图像(图8)和实时同步底、08H和06H层水样含沙量分析结果(图9)显示:响应于上述表层流速变化过程的3个主要阶段,床面泥沙在作小尺度再悬浮运动的同时又作3种大尺度底形运动。当表层流速从0增加至50cm/s时,床面上无床面泥沙再悬浮或喷发(ejection)[12]和底形运动,此时底层水体中泥沙含量平均值为0.44kg/m3,悬浮颗粒平均粒径0.04mm至0.07mm,平均0.06mm;随着表层流速的逐渐增大,床面将发生小尺度床面泥沙再悬浮和底形运动,底层水体中再悬浮泥沙含量从0.44kg/m3增加到0.89kg/m3,再悬浮颗粒的中值粒径为0.07mm至0.146mm,在图像中灰色者较细一些,黑色者粗一些。

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9 1998长江全流域特大洪水期间河口区连续14小时内底、08H和06H(H为水深)层含沙量曲线
*?*ul,V(M-Yru8gl5@0Fig.9 The suspended load concentration in the samples at bottom,08H and 06H (H:water depth) during flood and ebb tide on September 9-10,1998 in the Changjiang Estuary

前者灰色者可能是当表层流速从50cm/s增加至160cm/s,粒径为0.007mm至0.01mm的床面泥沙发生再悬浮运动,再悬浮泥沙浓度从0.44kg/m3增加至0.65kg/m3,床面产生波长为<20m至20~40m之间、波高介于0.5m~2m之间的沙波;黑色者可能是当表层流速继续增大时,粒径大于0.146mm的床面泥沙发生再悬浮,再悬浮的泥沙浓度从0.65kg/m3增加至0.89kg/m3,最大可达1.33kg/m3,床面产生波长为40~100m之间至>100、波高介于0.9m~3.6m之间的沙波。沙波的平均出现周期为2min至12min(图8),平均出现周期为7min,若按平均波长41.4m计算(表3),底形沙波的平均运移速率为5.86m/min或0.0976m/s。水利论文{,l~/JI^,P8o

3.5 沙波移动速率的精度

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人们通常以为沙波的运动速率很小,原因是受仪器条件限制没有有效的实时高分辨率的测量,而关于水下沙波的移动方向和速度的计算极为复杂,因为边界条件不同采用的水下沙波移动速率的计算公式也将不同。就长江口而言,一般采用日本学者筱厚[16]公式,其中细砂级砂粒起动流速据王尚毅的沙波形成机理数学模型[17,18]计算分析,获得的长江口水下沙波运动速率平均值与利用上述ACP方法获得的数值相接近,因而说明该数值的精度可靠。

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4 结论与讨论水利论文1w F:l"\+_1I*{:J

(1)用旁侧声纳、热敏式双频测深仪、D.GPS进行了高分辨率走航式测量以及声学悬沙浓度剖面仪和流速仪,在1998长江全流域特大洪水后期对南支下游至南港上游河段床面泥沙运动特征的定点和纵横向走航探测结果表明:特大洪水期间长江口主槽流速远大于一般枯季时[12],床沙为极细砂,粒径大于枯季时[12],由较强的涨落潮流导致强烈的细颗粒底沙再悬浮(浓度可达0.44kg/m3至0.89kg/m3),使得随流速变化的床沙实时粒径大于极细砂或为细砂,继而发生的大尺度底形沙波运动的尺度与细砂质河口沙波相近[10,11],沙波平均迁移速率为0.09m/s。

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(2)1998特大洪水后期底形沙波尺度小于一般洪水期值的原因可能有二。一为以往的研究资料基于回声测量记录数据和图谱,其精度和准确度受测量船的稳定性、水位的稳定性和气象条件等诸多因素影响会出现很大的误差,而恰恰在长江口区水面船艘来往繁忙,测量船的稳定性较差。由于本研究野外调查期间配以不受上述因素影响的旁侧声纳扫描仪,精度较高;二为受由上游众多水利工程的影响导致来沙粒径的减小。

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致谢:本项目得到了陈吉余院士和王宝灿教授的指导和帮助,薛元忠、宋波、陈祥锋等参加了野外测量,李九发、蒲美燕、毛兴华等同志给予了大力帮助,谨致谢忱。

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