王安伟;郝嘉凌;李鹏辉
【摘 要】基于2002年3月长江口水文测验资料,分析该年枯季长江口北支的悬沙运动和水沙输移特点.结果表明:北支含沙量大潮最大,中潮次之,小潮最小.流速变化先于含沙量变化,在半个半月潮周期内,含沙量峰值中潮时出现双峰;而大潮和小潮时均为单峰;全潮北支水沙为净向陆输移.青龙港大、小潮期间出现水沙全倒灌,黄瓜沙南水道是水沙倒灌的主要通道;而北水道以水沙过往为主,且净向海输移,南小北大的潮流流速造成了南岸淤积,北岸冲刷的态势. 【期刊名称】《科学技术与工程》 【年(卷),期】2015(015)030 【总页数】5页(P89-93)
【关键词】长江口北支;枯季;含沙量;水沙输移 【作 者】王安伟;郝嘉凌;李鹏辉
【作者单位】河海大学港口海岸与近海工程学院,南京210098;河海大学港口海岸与近海工程学院,南京210098;河海大学港口海岸与近海工程学院,南京210098 【正文语种】中 文 【中图分类】P333.4
长江是我国第一大河，近百年来，长江口在徐六泾以下逐步形成了三级分汊、四口入海的平面形态。近半个世纪以来，由于北支自然演变和人工围垦共同作用，北支水文泥沙特征和河道形态发生显著变化[1，2]。北支河道演变对淡水资源利用、滩
涂圈围和开发岸线等均具有重大影响[3—5]。而对北支水沙特性和输移进行探讨则有利于阐明北支发展、衰亡规律及如何更好治理北支水道。
本文依据2002年3月长江口水文测验资料，因为2002年1～3月大通站月平均径流量与历史上两次特枯水文年相近，在此背景下对长江口北支的泥沙特性和水沙输移特点进行研究分析更有意义，研究内容主要包括流速与含沙量的变化关系、断面水沙通量变化及悬沙输移。 1.1 研究区域概况
长江口北支位于河口最北端，现为长江出海的一级汊道，西起南北支分流口崇头，东至北支出海口连兴港，全长约83 km。北支呈喇叭口状，上段大部分区域为浅滩，落潮时出露。潮汐性质为非正规半日潮，潮差由口门往里逐渐增加，在青龙港河段因受到河槽不断束窄、河床逐渐淤浅的影响，潮波发生强烈变形，形成以驻波为主的涌潮[6]。历史上北支曾经是长江入海主通道[7]，但是由于上游不断淤积，分流量不断减小，目前北支的分流量仅为长江径流量的3%左右[8]。随着进入北支的径流减小，潮流作用增强，使得水沙倒灌强度加重，在长江口径流量小的枯季还会出现北支倒灌南支的现象，这加快了北支的衰退进程[9]，影响南支河势稳定。 北支悬移质以粉沙和黏土颗粒为主，它们的输移和沉淀与水流流速有关，北支主要的床沙质抗冲能力较小，易于掀动、拖曳或跃移[4]。随长江径流而来的泥沙主要落淤在青龙港以上河段，并有向下输移的趋势，青龙港以下河段的泥沙主要来自南支入海泥沙扩散后随涨潮流引起的倒灌，并有从下游向上游搬运的趋势[10—11]。 1.2 资料来源
长江口北支流速、流向和含沙量资料来自2002年长江口水文测验资料，此次水文调查上起徐六泾下至南支中浚、北支连兴港一线，观测日期为3月1～10日。各测点位置见图1。 2.1 含沙量的变化
垂向上含沙量随着水深的增加而逐渐升高，且变化明显。最高含沙量出现在底层，最低含沙量出现在表层。而对于涨落潮含沙量分别进行统计，结果见表1。 北支是以涨潮为优势的河段，含沙量大多为涨潮大于落潮，且涨落潮含沙量相差不大。同时，含沙量随潮周期而变，大、中潮时潮流的作用较强，底部剪切应力使得底部泥沙再悬浮；而小潮时水流流速明显减小，水体挟沙能力下降，部分泥沙不能输移，落入河床造成淤积，水体中的含沙量相应降低，故含沙量呈现大、中、小潮周期性变化，大潮时含沙量大，中潮时次之，小潮时最小。潮流对北支含沙量的影响较大。潮流往复作用引起的泥沙再悬浮是造成北支水域悬沙浓度增高并呈现潮周期变化的主要原因。大潮和中潮期间，上游青龙港的平均含沙量大于下游连兴港附近黄瓜沙的平均含沙量。 2.2 流速与含沙量的关系
由于长江口的不同潮周期流速相差较大，变化明显，大、中潮流速远大于小潮流速，相应地引起悬沙含量的变化。图2和图3分别为北支Z1垂线和Z9垂线的垂线平均流速和垂线平均含沙量随时间的变化过程。
由图2及图3可以看出，北支垂线平均流速与垂线平均含沙量变化关系密切。涨潮时，随着涨潮流速的逐渐增加，含沙量也相应增加，对于平均流速和含沙量，涨潮均大于落潮，落急、落转涨、涨急这三个时段常出现含沙量峰值，并经常滞后于流速峰值1～2 h。出现的原因主要是，剪切力使得底部泥沙不断再悬浮，含沙量在涨、落潮过程中不断增大，流速在涨急、落急时刻最大，含沙量也达到峰值；而在落转涨的转流时段，盐水异重流造成的上升流会扰动淤积在河床底部的泥沙，使之进入悬浮状态，导致水体含沙量增大，甚至达到峰值。这三个峰值往往同时出现两个，从而形成双峰现象。对于北支含沙量峰值，随潮周期变化相应呈现出不同特点，大潮和小潮期间出现单峰，中潮时则出现双峰。而由潮流驱动的泥沙再悬浮是流速变化先于含沙量变化的主要原因。
2.3 北支横断面水沙通量
单位时间内通过某一断面的悬沙通量和水通量为：
式中 Qs、Q分别为悬沙通量和水通量；u为与断面垂直的纵向流速分量；s为悬沙含量；A为断面面积；dA为微小断面面积。根据水文测验获得的青龙港和连兴港断面水流及悬沙含量资料，计算得到长江口北支的潮量和输沙量见表2和图4。 由表2及图4可以看出，在涨、落潮过程中，北支不同断面的潮量、输沙量及输沙率都有着明显的差异。在大潮情况下：
(1)北支河段落潮量小于涨潮量，即北支河道以涨潮流为主，全潮流量小于零。受水道的制约，涨潮历时小于落潮历时。涨、落潮输沙量之比为1.3∶1，说明全潮水沙为净向陆输运，即会出现北支涨潮流携带泥沙绕过崇头进入南支。 (2)同时也可以看出，北支的上下游断面之间，上游断面的潮量及输沙量均小于下游断面，即青龙港的潮量和输沙量均小于连兴港断面，这与俩断面之间河槽对水流所起的调蓄作用有关。 2.4 悬沙输移
计算北支河段的单宽输沙量有助于分析北支泥沙来源、运移方向和整个河道的冲淤变化趋势。通过以下方式计算单宽输沙量数值：
式中 Q为单宽输沙量值；T为输沙时间段；L为单位宽度，取1 m；H为水深，Vz为流速数值，ρz为含沙量。采用上式分别计算出东方向和北方向的单宽输沙量值后，矢量合成即可得到单宽输沙量数值。根据实测数据计算得到北支各垂线单宽潮量、单宽输沙量见表3。
由表3可以看出，大潮至小潮，各垂线的单宽潮量减小，相应的单宽输沙量也减小，说明了“沙随流输”的特点，即单宽潮量与单宽输沙量变化趋势一致。青龙港Z1大、小潮全潮均为水沙全倒灌，泥沙多来自于长江口南支入海泥沙扩散倒灌；黄瓜沙北水道Z6单宽潮量和单宽输沙量均大于南水道Z8，且净向海输移，北水
道涨、落潮通过潮量大，而全潮净进潮量小，北水道主要以海水过往为主；相比之下，南水道涨、落潮通过潮量小，全潮净进潮量大，南水道主要以海水倒灌为主。净进潮量大导致北支大量泥沙倒灌、入海河段不断衰退。由于科氏力作用，使涨潮流偏北，落潮流偏南，此外，北支是涨潮优势河段，张潮流速大，落潮流速小，造成了北支河段北岸冲刷、南岸淤积的态势。
(1)长江口北支河道径流分流量逐年减少，在半个半月潮周期内，含沙量存在明显的周期性变化，涨潮含沙量大于落潮含沙量，含沙量峰值中潮时出现双峰，大潮和小潮时则为单峰，流速变化先于含沙量变化。
(2)大潮情况下，北支涨潮量大于落潮量，全潮水沙净向陆输运，出现北支倒灌南支现象，随涨潮流上溯的北支水流绕过崇头进入南支，对南支河势造成一定影响。 (3)对北支青龙港和黄瓜沙单宽潮量、单宽输沙量分析结果显示，小潮至大潮单宽输沙量随着单宽潮量增大而相应增大，体现了“沙随流输”的特征；青龙港断面出现水沙全倒灌，黄瓜沙南水道是水沙倒灌通道，北水道以水沙过往为主，且净向海输移。
(4)北支河段呈现北岸冲刷、南岸淤积的趋势。涨潮量大是造成北支衰退的根本原因，北支河道演变引起了诸多问题，制约沿岸经济发展，北支的科学合理综合开发利用越来越引起人们的关注。
【相关文献】
1 李伯昌,徐 俊,陈 鹏,等.长江口北支近期水流泥沙输移及含盐度的变化特性.水资源保护,2011;27(4):31—34
Li B C, Xu J, Chen P, et al.Variation characteristics of sediment transport and salinity in north branch channel of Yangtze River estuary in recent years.Water Resources Protection, 2011;27 (4):31—34
2 杨芳丽,韩 婷,闫 军,等.长江口北支河段演变分析及航道治理思路初探.水运工程,2014; 12(498):79—82
Yang F L, Han T, Yan J, et al.River regime and regulation of Beizhi reach in lower reach of the Yangtze River.Port & Waterway Engineering, 2014; 12(498):79—82
3 宋泽坤,程和琴,胡 浩,等.长江口北支围垦对其水动力影响的数值模拟分析.人民长江,2012;43(15)：59—63
Song Z K, Cheng H Q, Hu H, et al.Numerical simulation analysis of influence of reclamation of north branch in the Yangtze River estuary on hydrodynamic characteristics.Yangtze River, 2012;43(15)：59—63
4 LI M G.The effect of reclamation in areas between islands in a complex tidal estuary on the hydrodymanics sediment environment.Journal of Hydrodynamics, 2010; 22 (03):338—350
5 陈 炜,李九发,李占海.长江口北支强潮河道悬沙运动及输移机制.海洋学报,2012;34(2):84—90 Chen W, Li J F, Li Z H.The suspended sediment transportation and its mechanism in strong tidal reaches of north branch of Yangtze River estuary.Oceanology Science, 2012;34(2):84—90
6 陈沈良,陈吉余,谷国传.长江口北支的涌潮及其对河口的影响.华东师范大学学报(自然科学版),2003;(2):74—80
Chen S N, Chen J Y, Gu G C.The tidal bore on the North Branch of Changjiang estuary and its effects on the estuary.Journal of East China Normal University (Natural Science), 2003;(2):74—80
7 恽才兴.长江河口近期演变基本规律.北京:海洋出版社,2004:17—83
Yun C X.The basic evolution law of the Yangtze River Estuary in the near future.Beijing: Ocean Press, 2004:17—83
8 曹民雄,高正荣,胡金义.长江口北支水道水沙特征分析.人民长江,2003;34(12):34—37
Cao M X, Gao Z R, Hu J Y.Analysis on flow and sediment characteristics of north branch of the Yangtze estuary.Yangtze River, 2003; 34 (12):34—37
9 陈吉余,王宝灿,虞志英,等.中国海岸发育过程和演变规律.上海:上海科学技术出版社,1998:1—17 Chen J Y, Wang B C, Yu Z Y, et al.The development process and the evolution law of China Coast.Shanghai Science and Technology Press, 1998;1—17
10 杨 欧,刘苍宇.长江口北支沉积物粒径趋势及泥沙来源研究.水利学报,2002;(2):79—84 Yang O, Liu C Y.Analysis on sediment transport patterns and sediment sources of north branch of Yangtze River estuary.Shuili Xuebao, 2002;(2):79—84
11 闵凤阳,汪亚平,高建华,等.长江口北支潮周期尺度水沙通量及分流分沙比.北京:海洋出版社,2009:35—48
Min F Y, Wang Y P, Gao J H, et al.Tidal cycle scale water and sediment flux and diversion ratio in north of Yangtze River estuary.Beijing: Ocean Press, 2009:35—48
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