長江河口絮凝泥沙變化過程及動力因子的現(xiàn)場現(xiàn)測

長江河口絮凝泥沙變化過程及動力因子的現(xiàn)場現(xiàn)測

長江是世界著名的河流之一。它的河口從徐六井以下分為三個部分。與世界其他大河河口一樣,在河口口門附近存在寬闊的攔門沙地形,自然水深僅有6m左右。數(shù)十年來,國內(nèi)外眾多學(xué)者和工程師們對不同河口攔門沙的成因、演變、水沙條件、治理工程及室內(nèi)模型試驗、細(xì)顆粒泥沙絮凝試驗等方面進(jìn)行了廣泛的研究,取得大量的研究成果。與此同時,為了滿足國際航運(yùn)大噸位船只通航的要求,在河口攔門沙航槽增深治理方面也取得顯著的成效。而在河口攔門沙成因及變化中起重要影響作用的因素之一,即細(xì)顆粒泥沙在陸與海二股水流相互作用下產(chǎn)生絮凝、沉降、淤積。以往因受現(xiàn)場觀測儀器限制,其河口攔門沙河槽的細(xì)顆粒泥沙產(chǎn)生絮凝、沉降和淤積的過程難于獲取?；诖?本研究利用激光改正粒度測量儀器、熱敏式雙頻道回聲測深儀以及HSDM聲學(xué)高密度測沙儀等先進(jìn)現(xiàn)場觀測儀器,著重對長江河口攔門沙河槽絮凝顆粒粒徑、浮泥層及變化過程,以及與此相關(guān)的動力因子進(jìn)行現(xiàn)場觀測,初步獲得長江河口攔門沙自然河槽(南槽)和疏浚河槽(北槽)的絮凝顆粒粒徑、浮泥層及變化過程的原始數(shù)據(jù),并就此探討其與水流速、鹽度和含沙量變化的關(guān)系。1浮泥體顆粒粒徑、容重量測量與評價2006年2月(枯季)和8月(洪季)在長江口南槽(自然河槽)和北槽(疏浚河槽)及南支、南港進(jìn)行了泥沙絮凝顆粒、浮泥和相關(guān)的流速、含沙量、鹽度等要素觀測(圖1)。利用美國Sequoia公司開發(fā)Lisst-100激光改正粒度測量儀現(xiàn)場量測泥沙絮凝顆粒粒徑(圖2),該儀器現(xiàn)場泥沙(絮凝團(tuán))顆粒粒徑量測范圍為2.5～500μm,適應(yīng)于水體含沙濃度范圍為0.02～1.50kg/m3,溫度測量范圍為-5℃～50℃,現(xiàn)場觀測時考慮到長江河口攔門沙河道下層水體含沙量較高,上層絮凝顆粒偏小,故本次觀測儀器探頭放置在水面以下3m處(觀測站南槽平均水深在7m左右,北槽在10m左右),設(shè)置每10分鐘記錄貯存一組數(shù)據(jù);同時利于ADP聲學(xué)流速剖面儀每10分鐘記錄一組流速流向數(shù)據(jù);采用Innerspace-449熱敏式雙頻道回聲測深儀的高頻率208KHz監(jiān)測浮泥上界面,低頻率24KHz監(jiān)測浮泥下界面,再用HSDM聲學(xué)高密度測沙儀測量浮泥體的容重值;并每小時采取水樣、浮泥及河床沉積物樣。在室內(nèi)進(jìn)行了含沙量、鹽度、泥沙顆粒度和部分礦物含量等項目的測試分析,其中懸沙、浮泥、河床沉積物顆粒粒徑均采用Coulter顆粒粒徑分析儀測試,測試之前所有樣品均分別用鹽酸、雙氧水(H2O2)處理消除有機(jī)質(zhì),再用蒸餾水稀釋清洗,最后用偏磷酸鈉浸泡和超聲波振動進(jìn)行分散處理。2沙子顆粒的粒徑組成2.1懸沙粒徑分布隨時間的變化在空間上單顆粒泥沙粒徑分布,與河口徑潮流二股水流相互消長作用有關(guān)。眾所周知,長江河口泥沙主要來源于長江流域,流域來沙中以細(xì)顆粒沖瀉質(zhì)泥沙為主,小于32μm的細(xì)顆粒泥沙占80%以上。而流域來沙中床沙質(zhì)進(jìn)入河口潮流界受其漲潮流頂托和河寬擴(kuò)展水流擴(kuò)散等因素影響,部份較粗顆粒泥沙常常發(fā)生落淤,勢必使河口水體中懸移質(zhì)泥沙顆粒組成變得更細(xì),在鹽水到達(dá)的上界面徐六涇實測懸沙顆粒粒徑平均值為4.2μm,至南港懸沙顆粒粒徑平均值為5.5～6.6μm,在攔門沙河段的自然河槽南槽懸沙顆粒粒徑平均值為4.5～6.8μm、疏浚河槽北槽懸沙顆粒粒徑平均值為3.6～6.1μm(表1)。由于進(jìn)入河口的懸沙中均以沖瀉質(zhì)為主,顆粒普遍較細(xì),故懸浮泥沙顆粒粒徑組成的量級上在河口區(qū)平面分布上差異較小。在時間上單顆粒泥沙粒徑變化,與長江流域來沙存在明顯的季節(jié)性變化有關(guān),在河口周期性變化的水流速及徑、潮流相互作用下,河口區(qū)尤其攔門沙河段河槽懸浮泥沙顆粒組成存在隨時間而變的規(guī)律,表現(xiàn)在枯季流域來沙少,懸沙顆粒粗,平均顆粒徑為5.9～6.8μm,洪季流域集中來沙,懸沙顆粒細(xì),均值為3.6～5.5μm(表1);一般大潮汛流速大,懸沙顆粒粗,而小潮汛水流速小,懸沙顆粒細(xì)。2.2粒徑特征見表1長江河口細(xì)顆粒泥沙具備較好的絮凝環(huán)境,而絮凝泥沙顆粒大小又受到多種因素的影響,其顆粒大小存在明顯地時空變化(表1和表2):1)實測平均絮凝泥沙顆粒粒徑為61.5μm,是分散泥沙單顆粒粒徑的10倍多,最大絮凝泥沙顆粒粒徑為107μm,是分散泥沙單顆粒的20倍多,最小絮凝泥沙顆粒粒徑為27.4μm,是分散泥沙單顆粒的4倍多;2)鹽水到達(dá)的上界區(qū)域徐六涇實測絮凝泥沙顆粒粒徑相對較小,平均粒徑為32.6～60.4μm,而南北槽最大渾濁帶區(qū)域絮凝泥沙顆粒粒徑最大,平均粒徑為57.3～79.2μm;3)實測平均絮凝泥沙顆粒粒徑的洪枯季變化與分散泥沙單顆粒粒徑相反,洪季絮凝泥沙顆粒粒徑比枯季大,洪季平均絮凝泥沙顆粒粒徑為60.4～79.2μm,枯季為42.5～66.6μm;4)在2006年洪枯季現(xiàn)場觀測期間,發(fā)現(xiàn)水體中絮凝泥沙顆粒持續(xù)存在,但其泥沙顆粒粒徑大小在多種因素的影響下始終出現(xiàn)較大的波動性變化(圖3)。3細(xì)顆粒砂結(jié)構(gòu)長江河口浮泥采用國際上習(xí)慣的以容重因子來定義,在現(xiàn)場用HSDM聲學(xué)高密度測沙儀從水面向河床鉛垂方面逐漸測量含沙水體容重,當(dāng)實測容重值為1.04t/m3時,確定該值為浮泥體的上界面,至近河床泥體容重值為1.25t/m3時,為浮泥體的下界面(圖4)。從表1看,經(jīng)過室內(nèi)分散處理的浮泥體泥沙顆粒較細(xì),以粘土質(zhì)粉砂為主,中值粒徑為6.5～9.2μm,小于32μm的細(xì)顆粒泥沙占80%以上,小于4μm的粘土占33%以上。而且表現(xiàn)為底泥顆粒粒徑略大于浮泥,浮泥顆粒粒徑略大于懸沙,但差值很小,說明浮泥物源來源于懸浮泥沙。從表2和圖4看,長江河口浮泥發(fā)育和運(yùn)動存在明顯的時空變化。1)在空間上主要發(fā)育在攔門沙河段的北槽和南槽,而且正在疏浚的北槽浮泥厚度大于自然狀態(tài)的南槽。2006年洪季南槽實測浮泥厚度為0.11～0.35m,北槽為0.36～0.65m;2)在時間上的變化更明顯,正常天氣條件一般轉(zhuǎn)流時刻前后均有浮泥發(fā)育,小潮汛浮泥最厚,在垂線分布上呈小h型分布(圖4a),厚度在0.50m左右。當(dāng)流速較大時段或者流域來沙較少的枯季,一般浮泥層較薄,厚度僅有0.10～0.20m左右,在垂線分布上呈大L型分布(圖4b、c)。河口實測浮泥厚度與流域來沙、周期潮流速變化及絮凝顆粒粒徑大小等因素有關(guān),表現(xiàn)在流域來沙多的洪季大于來沙少的枯季,落轉(zhuǎn)漲潮大于漲轉(zhuǎn)落潮,大潮汛流速大,一般不利浮泥發(fā)育,故小潮時浮泥分布和厚度均比大潮大。4討論4.1含沙量及水流特征對粒徑的影響長江河口具有促使細(xì)顆粒泥沙絮凝的良好環(huán)境,但在整個河口區(qū)域細(xì)顆粒泥沙絮凝環(huán)境又受到多種因素不均衡的影響,其絮凝泥沙顆粒粒徑表現(xiàn)為不穩(wěn)定。鹽度對絮凝泥沙顆粒粒徑變化的影響鹽度對細(xì)顆粒泥沙絮凝過程中的貢獻(xiàn)率,在區(qū)域上表現(xiàn)極為明顯。在河口鹽水到達(dá)的上界徐六涇河段,常年鹽度值均小于1‰,該區(qū)域絮凝顆粒團(tuán)顯得較小,而常年鹽度值均在2～20‰之間的攔門沙河段,絮凝泥沙顆粒粒徑與徐六涇河段相比明顯增大,故該區(qū)域鹽度在細(xì)顆粒泥沙絮凝過程中貢獻(xiàn)率明顯增高(表1)。然而,在某一固定河道斷面或測點,因該河段水體在常年均能保持細(xì)顆粒泥沙絮凝的必要鹽度值的條件下,而又在鹽度值變幅較小的某一時段中,鹽度值的微小波動對細(xì)顆泥沙絮凝顆粒粒徑的影響往往被其他更敏感的因素所掩蓋,故在圖5中顯示出絮凝泥沙顆粒粒徑與鹽度值的同步波動關(guān)系表現(xiàn)為更復(fù)雜。含沙量對絮凝泥沙顆粒粒徑變化的影響含沙量對細(xì)顆粒泥沙絮凝過程中的貢獻(xiàn)率,在區(qū)域上的表現(xiàn)與鹽度值相類似。在徐六涇河段,常年含沙量均小于0.5kg/m3,而攔門沙河段常年含沙量均在1.0kg/m3左右,故攔門沙河段絮凝泥沙顆粒粒徑明顯大于徐六涇河段,以此可以推斷不同河段水體含沙量的高低差異及變化對絮凝泥沙顆粒粒徑有一定的影響作用。但是,由于攔門沙河段水體含沙量常年較高,泥沙顆粒之間的碰撞機(jī)率相對較大,故在圖5中顯示出某一時段中絮凝泥沙顆粒粒徑與含沙量變化的同步波動關(guān)系并不十分敏感。泥沙顆粒粒徑對絮凝泥沙顆粒粒徑變化的影響長江河口水體中的單顆粒泥沙呈洪季細(xì),枯季略粗,這與流域季節(jié)性的來沙條件不同有關(guān),即洪季以流域直接來泥沙為主,枯季以洪季泥沙落淤在河口和鄰近海域再懸浮泥沙為主,兩者直接來源的不同導(dǎo)致其單顆粒泥沙外層性質(zhì)和大小會有差異,這種差異對絮凝泥沙顆粒粒徑的影響必然會顯示出來,由于洪季單顆粒泥沙細(xì),水體含沙量高,泥沙顆粒碰撞機(jī)率就高,在同等環(huán)境條件下有利于泥沙顆粒絮凝成團(tuán),因而洪季實測的絮凝泥沙顆粒粒徑大,而枯季反之(表1)。流速對絮凝泥沙顆粒粒徑變化的影響潮汐河口的水流流速存在大小潮和漲落潮周期性的變化(圖5),長江河口實測水流流速變化幅度較大,一般大潮汛最大流速可達(dá)2.50m/s以上,而小潮汛一般均在1.0m/s以下,多數(shù)時段的水流流速在0.4～0.7m/s之間,而流時刻流速可以接近于零。從圖5(a～b)看,不論在空間或時間上,水流流速與絮凝顆粒粒徑變化的相關(guān)性最為清楚,絮凝泥沙顆粒粒徑最大值均出現(xiàn)在中等水流流速時段,即流速為0.4～0.7m/s之間,由于大流速可提高泥沙顆粒之間的碰撞機(jī)率,但此時段水體紊動強(qiáng),對絮凝團(tuán)的破壞更大,故大流速時絮凝顆粒粒徑表現(xiàn)為較小。低流速時段,水體紊動弱,絮團(tuán)容易沉降落淤河床,水體中的絮凝泥沙顆粒粒徑也表現(xiàn)為較小?？芍?中等水流流速是細(xì)顆粒泥沙絮凝成團(tuán)的最佳條件之一。而在鹽度值、含沙量等因素均能保持細(xì)顆泥沙絮凝的必要量值的前提下,周期性的水流流速變化就成為控制細(xì)顆粒泥沙絮凝團(tuán)大小的最敏感的因素。圖3為實測瞬時流速、絮凝泥沙顆粒粒徑隨時間變化的過程線圖,首先從絮凝泥沙顆粒粒徑過程線與周期性的漲落潮流速變化的大尺度看,其最大絮凝顆粒粒徑出現(xiàn)在漲潮或落潮過程的中等流速時段,而從流速和絮凝顆粒粒徑過程線小尺度看,流速過程線仍表現(xiàn)為光滑的曲線,在一個潮周期中形成一條較規(guī)則的正弦曲線,而絮凝顆粒粒徑隨流速變化呈現(xiàn)波動性的過程線,說明在河口水體中細(xì)顆粒泥沙絮團(tuán)也受其瞬時潮流速大小的影響,表現(xiàn)為不穩(wěn)定地有規(guī)律的波動性變化。4.2大量絮凝泥沙顆粒沉降河口浮泥大量實測資料表明,長江河口浮泥體主要出現(xiàn)在河口攔門沙河道。以往的研究亦多關(guān)注浮泥的形成與該河段存在的動力平衡帶的關(guān)系,然而,從現(xiàn)場實測資料看(表2和圖5),河口浮泥發(fā)育及變化與動力平衡帶環(huán)境條件下的細(xì)顆粒泥沙絮凝快速沉降關(guān)系更密切。從表1實測懸沙、絮凝體和浮泥的單顆粒粒徑值看,三者被分散處理后的平均顆粒粒徑均小于10μm,小于32μm的顆粒占80%以上,說明三者物質(zhì)來源相同。但是,在正常的動水條件下如此細(xì)粒的泥沙顆粒很難沉降河床。據(jù)以往的研究成果表明,長江流域來沙有一半將淤積在河口區(qū),僅洪季在攔門沙河道多年平均淤積厚度為0.6m左右,這必然與該季節(jié)河口細(xì)顆泥沙絮凝成團(tuán)快速沉降有關(guān)。從2006年洪枯季實測絮凝泥沙顆粒粒徑和浮泥分布及隨時間變化的過程看(表2和圖5),實測絮凝泥沙顆粒粒徑普遍較大,是原始單顆粒粒徑的10倍以上,屬于細(xì)砂顆粒級別,達(dá)到具備抗拒一般紊動水流而下沉的基本重量,大量絮凝泥沙顆粒下沉,使近底含沙量達(dá)到2.0kg/m3以上(表2),成為河口浮泥形成的物質(zhì)基礎(chǔ)。從圖5看,在漲潮或落潮過程中在最大流速前或后中等流速時段均出現(xiàn)絮凝顆粒粒徑最大值,再對照表2看,在最大流速前期出現(xiàn)的絮凝泥沙顆粒粒徑最大值而被后來的最大流速破環(huán),下沉河床泥沙并不多,河床未形成較厚的浮泥層,而在最大流速后期出現(xiàn)的絮凝泥沙顆粒粒徑最大值因隨流速減小至流時段,大量絮凝泥沙顆粒粒徑下沉河床,此時段常常出現(xiàn)最大浮泥層?？梢?長江河口細(xì)顆粒泥沙絮凝沉降是浮泥形成的主要物質(zhì)來源及其變化的重要影響因素之一。5細(xì)顆粒泥沙絮凝環(huán)境特征2006年枯(2月)、洪(8月)季利用多種較先進(jìn)又實用的現(xiàn)場觀測儀器,對長江河口絮凝泥沙顆粒粒徑、浮泥層及變化過程,以及與此相關(guān)的動力因子進(jìn)行同步現(xiàn)場現(xiàn)測,觀測效果良好,獲得一批以往因現(xiàn)場觀測儀器所限想做而未做成的最新原始觀測數(shù)據(jù)。主要觀測數(shù)據(jù)顯示:(1)長江河口懸沙組成以細(xì)顆粒泥沙為主,小于32μm的細(xì)顆粒泥沙占80%以上,實測懸沙單顆粒平均粒徑為4.2～7.0μm。在洪季流域來沙集中期,懸沙顆粒更細(xì),均值為3.6～5.5μm,而枯季流域來沙少,水體含沙量以再懸浮泥沙為主,顆粒略粗,均值5.9～6.8μm。(2)長江河口細(xì)顆粒泥沙絮凝環(huán)境良好,實測絮凝泥沙顆粒粒徑均值為61.5μm,是分散單顆粒粒徑的10倍多,實測最小絮凝泥沙顆粒粒徑為27.4μm,最大為107μm;在鹽水到達(dá)的上界線區(qū)域徐六涇實測絮凝泥沙顆粒粒徑相對較小,均值為42.5～60.4μm,而南北槽最大渾濁帶區(qū)域絮凝泥沙顆粒粒徑最大,均值為57.3～79.2μm,這種差值是與區(qū)域間不同鹽度值對細(xì)顆粒泥沙絮凝的貢獻(xiàn)率有關(guān);洪季實測絮凝泥沙顆粒粒徑比枯季大,洪季均值為60.4～79.2μm,枯季均值為42.5～66.6μm,這與洪枯季泥沙來源多與