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1、水利工程论文-长江口粗粉砂和极细砂输移特性研究摘要：在长江口区主航槽中利用悬浮物浓度测定系统(ACP 1)第一次获得了近底紊流“猝发”(burst)和床面泥沙喷发(ejection)的连续时间序列可视图像和数据，同时利用高分辨率流速仪以及旁侧声纳、热敏式双频测深仪等手段获得了大量底形沙波的实测图像和数据。这些图像和数据结果表明：长江口南支 南港之间粗粉砂至极细砂在涨落潮流的作用下，呈现静止细颗粒泥沙起、悬扬粗颗粒喷发运移的同时进行大尺度底形运动细颗粒起扬、悬扬静止的输移循环模式，即当U50cm/s，泥沙在底床上基本不运动；50cm/sU65cm/s，小尺度紊流猝发发生，泥沙开始小尺度起扬，并有
2、幕式猝发现象；65cm/sU100cm/s时，小尺度紊流猝发强度和持续宽度急剧增大，床面细颗粒泥沙开始喷发导致床面开始冲淤，形成中小尺度沙波；100cm/sU110cm/s时，大尺度紊流形成，床面粗颗粒泥沙开始喷发；到了U110cm/s时，宏观紊流规模更大，床面粗颗粒泥沙的喷发强度和持续宽度急剧增大，导致床面形成大尺度沙波运动。由于U110cm/s的落潮流速远远大于涨潮流速，且落潮最大流速达137cm/s，落急(流速100cm/s)历时(3小时16分)长，因而发育了大量陡坡朝向下游的大尺度底形沙波，尤其是波长10m的大尺度沙波都是朝向落潮流方向；而涨潮最大流速仅113cm/s，涨急(流速100
3、cm/s)历时仅约40分钟，因而没有发育朝向上游方向的沙波。 关键词：粗粉砂 极细砂 幕式再悬浮 猝发 喷发 底形运动 输移模式 1 引言 与波流共同作用下的砂质河口13相比，长江河口是一个悬沙浓度较高、底质分布较复杂的潮汐河口，有泥、粉砂、极细砂和浮泥、细砂等，且各河槽底床表层泥沙的平面分布存在较大差异(图1)4。中值粒径d50在0.1250.03mm的粗粉砂和极细砂在长江河口区分布广，如南支下游、南港、北港，北支及滩槽交界处，水深均在1015m左右5。根据现代普遍采用的美国地球物理学会(AGU)泥沙分类标准6和国际沉积学会(SEPM)的底形分类标准7，粒级为0.030.125mm的粗粉砂至
4、极细砂由于其粒度太细，粘滞力较大，一般以冲泻质、平床方式运动，仅低流速时有波高0.03mm的沙纹运动，与悬浮泥沙基本无交换8。甚至在Komar and Reiners (1978)的图解中被归到了粘性斯托克斯域(viscous Stokes regime)9内，亦无大尺度底形发育。图1 长江口底质沉积物类型分布图Distribution of bed sediment types in the Changjiang Estuary周程熹等曾报道在长江口该粒径分布区洪季有大尺度底形(bedform)沙波运动1012，因而多年来一直为人们所关注，但由于受观测方法和仪器条件的限制，迄今为止其存在的可
5、能性仍受到怀疑1315。而且粗粉砂至极细砂被认为因颗粒间的粘滞力明显增大，泥沙颗粒所受到的起动切力大，只有在足够大的涨急和落急水流条件下，细颗粒周围的粘土被悬浮后才能以跳跃或半悬浮形式在近床面上运动12，16。作者于1997年12月3日至5日沿长江口南支下游至南港上游河段进行了走航式旁侧声纳、热敏式双频测深仪、Geo chirp浅地层剖面仪测量，并在14小时的一个连续涨、落潮过程中进行了连续定点悬沙剖面(ASSM)、ENDCO海流计、悬沙含量等新仪器的测量，获得了清晰、完整、系统的高分辨率三维底形沙波和实时同步高分辨率底流速实测资料、14小时连续时间序列的底沙变化运动全过程的数据和可视图象。这
6、些研究成果证实了长江口粗粉砂至极细砂在洪、枯季都有底形运动的发育，对长江口泥沙的全沙输移模型、港口航道的疏浚等研究将具有重要意义，填补了国际沉积学界关于粗粉砂至极细砂粒级范围内大尺度底形运动研究的空白。本文特向同行报道这一研究成果，并对长江口粗粉砂至极细砂的输移模式作一初步探讨。2 研究区域长江是流域面积达1.8106km2，年平均流量29300m3/s，最大流量可达92600m3/s，最小流量4620m3/s，平均潮差3.12m，每年向东海输送4.78108t的泥沙，其中有0.8108t的较粗颗粒的泥沙沉积在河口段7，与外海输入泥沙一起组成河口区底沙(bed material)。长江出徐六泾
7、节点之后，首先被崇明岛分隔为南北两支，继而南支又被长兴、横沙岛分隔为南北两港，节点到口门的距离和口门的宽度相当，均为90km。长江口的平均粒径为0.160.002mm，中值粒径d50=0.170.002mm，即从细砂到粘土均有。平均而言，长江口水域沉积物较潮滩粗，水域中，口内河道较口外海滨粗；河道中，南支粗于北支，北港粗于南港。河道呈现从上游向下游变细的趋势：如北支上、下段Mz平均为0.06和0.045mm。由于水下地形滩槽交错，沉积物横向变化频繁剧烈，一般规律是自深槽向浅滩变细。考虑到南支对下游南、北港和南、北槽发育的控制性影响和前人的双频测深资料2，3，研究者选择了床面泥沙平均粒径在0.1
8、77mm0.031mm之间的南支下段至南港上段，展开了由吴淞口至下游(剖面AA、测线长18km)和由下游南港至上游南支(剖面BB、测线长21.07km)等两条剖面的实测工作(图2)，并在南支下游宝山河段选择一个实测点进行定点定位测量(DZ1站)。在南支与南港两河段之间有黄浦江自吴淞入海口，吴淞年平均净径流量约345mm3/s，最大进潮流量可达12100m3/s，最大落潮流量为6000m3/s，最大涨潮平均流速1.8m/s，最大落潮平均流速1.5m/s，涨潮流时间约5小时，落潮流时间约7小时。图2 长江口中的测线和测站Detected line and station of bed config
9、uration in the Changgjiang Estuary3 研究方法调查时使用80t木质渔船，船速3节，所有观测仪器除了探测器外，其它设备均安装在船舱内。航线和测点定位采用美国Del Norte Inc.公司的1008/586 D.GPS(实时定位)。河槽床面形态的纵剖面特征由测深仪和浅地层剖面仪获得，前者为美国Inner space Inc.公司的热敏式测深仪(449M Thermal Depth Sounder Recorder)沿两条测线(剖面AA、BB)展开，后者为英国Geo Acoustics Limited公司的Geo Chirp Sub Bottom Profiler
10、 System沿测线2展开，这两种仪器的探测器垂直悬挂在船右舷水面以下1m处。河槽床面形态的平面分布则利用英国Ultra Electronics公司的旁侧声纳(3050L W scan Side scan Sonar)进行测量，拖鱼状探测器放置在船尾水面漂浮。1997年12月4日至5日14小时连续定点定位测量主要有两项内容：一为底沙输移随时间的变化过程；二为底沙上部水体流速流向随时间的变化过程。底沙随时间的输移变化过程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(发射/接收共享换能器)与加重铅鱼垂直悬挂在船右舷水面以下6m。底沙上部水体随时间的变化(流速、流向)过程则
11、利用美国Endeco/YSI Inc公司的流速仪(174SSM Currernt Meter)进行测量，将其垂直悬挂在调查船左舷离水面以下1m处；同时进行的传统流速、流向测量仪与加重铅鱼垂直悬挂在左舷床面以上1m。水样的采集点为0.6H，0.8H，1.0H(H为水体深度)，采集时间间隔为30min,其将作为悬浮物的浓度和粒度分析之用，前者采用0.45m定性滤纸过滤法，后者采用TA Coulter计数器分析。底质粒度分析采用标准筛析法。4 结果4.1 底沙粒径组成根据粒度分析结果，本次调查区域的底沙在枯季为粉砂至细砂，以粗粉砂至极细砂为主(图3)，Mz=0.125mm0.031mm，部分采样点则
12、以细砂为主，Mz=0.083mm，且粗粉砂至极细砂中仍含有2030%的细砂。因此长江口南支 南港沉积物粒度组成有较宽的粒度分布区间。表1 长江口南支-南港底沙沉积物粒度参数Grain size parameters of bed sediment in South Branch and South Channel in the Changjiang Estuary分级名称 粒度区间(mm) 比例(%) 比例(%)中砂 0.50.25 0.05 0.25细砂 0.250.125 4.00 20.50极细砂 0.1250.06 32.64 51.52粗粉砂 0.060.03 32.32 16.17
13、中粉砂 0.030.016 9.13 2.72细粉砂 0.0160.008 9.88 4.52极细粉砂 0.0080.004 5.07 2.11粘土 0.004 6.91 2.21图3 长江口南支粗粉砂和极细砂质底沙的累计频率曲线(a)和频率曲线(b)Accumulative (a) and frequency (b) curves of bed sediment composed of coarse silt and very fine sand in South Branch in the Changjiang Estuary4.2 底形特征本区测线水深在1017m，两条测线上绝大部分声纳
14、图像均显现出河床表面呈波状起伏的韵律形态。根据双频测深图谱上的波长、波高大小和声纳图谱上沙波脊的宽度、形态、连续性等(图4、5，表2)可将本区沙波划分为以下几种类型：图4 长江口南支南港粗粉砂和极细砂质分布区底形沙波的热敏式测深仪记录(测量时间：1997年12月3日至5日)其中A：小型对称和不对称沙波，波长510m;B：对称沙波，波长1015m；C：不对称和叠置波波，前者波长1015m，后者波长小于5m；D：大型孤立沙波，波长大于30mPThermal Depth Recorder records of bed forms composed of coarese silt and very f
15、ine sand in South Channel and South Branch, Changjiang Estuary during December 3 5, 1997图5 长江口粗粉砂和极细砂质底沙大尺度底形动波的旁侧声纳记录(测量时间1997年12月3日至5日)A：直脊状小型沙波 B：弯曲小型沙波 C：新月型沙波 D：左 弯曲沙波；右 新月型沙波Widescan Sonar Sidescan records of bed forms composed of coarse silt and very fine sand in the Changjiang Estuary durng
16、December 3 5, 1997表2 长江口高分辨率底形沙波双频测深和旁侧声纳记录The Thermal Depth Recorder and Sonar Sidescan records of high resolution bedforms in the Changjiang Estuary名称 波长(m) 波高(m) 波/高 比 陡坡(角度和方 向) 双频测深、声纳图像 百分比 (%)直脊状小型对称沙波 510 0.20.5 2530 35下游 直脊线状脊、谷密集均匀图 4A、5A 26.97直脊状小型不对称沙波 512 0.10.4 5080 311下游为主 直脊线状脊、谷不均匀图4A 、5A 34.25弯曲型对称沙波 1015 0.30.7 2140 57，下游为主 脊弯曲或分叉，图4B、5B 5.60弯曲型不对称沙波 1015 0.20.7 50
