長江口深水航道治理一期工程北槽最大渾帶分布規(guī)律研究

長江口深水航道治理一期工程北槽最大渾帶分布規(guī)律研究

1長江口、北槽深水攔截門沙地形改善研究在河口地區(qū)，有鹽和淡水的交匯現(xiàn)象。鹽水以不同的重量流的形式插入水體底部，淡水通過沉積物浮在生理鹽水中。當鹽淡水混合時,河流攜帶的泥沙因遇到含電介質(zhì)的海水及顆粒間的相互碰撞而發(fā)生粒聚、沉降。泥沙下降至鹽水楔后因下層環(huán)流的作用而向楔頂方向運動并集聚。因此在楔頂附近泥沙濃度最大,形成最大渾濁帶。早在1893年,在法國的Gironde河口首次觀測到最大渾濁帶。此后,Bowden、Uncles&Stenphens、Odd以及Postma等人對最大渾濁帶的分布和形成機理進行了廣泛研究。長江口的鹽淡水交匯基本屬于緩混合型,有利于最大渾濁帶的發(fā)育。從上世紀60年代,國內(nèi)學(xué)者對長江口鹽水楔異重流、鹽淡水交匯中的最大渾濁帶問題、細顆粒泥沙的絮凝和沉降特性、長江河口環(huán)流及懸沙輸移規(guī)律、長江河口的滯流點分布以及水沙運動特性和航槽回淤規(guī)律等問題從不同角度進行了研究。北槽是長江口入海航槽之一(圖1)。長期以來,北槽最大渾濁帶的存在和上下擺動,在很大程度上影響著北槽水下攔門沙地形的演變。根據(jù)實測資料,北槽攔門沙灘頂最淺水深約為6m左右,水深小于10m的淺段長度約為56km,形成礙航淺段。長江口北槽深水航道治理工程的總體方案是南北導(dǎo)堤和丁壩群的建設(shè)與疏浚結(jié)合(圖1),治理目標是使北槽航道水深由工程前的7.0m左右增加到工程后的12.5m。一期工程于1998年1月開工建設(shè),2000年7月通過交工,宣布8.5m深水航道進入試通航期;2001年6月一期工程含完善段工程全部竣工,2002年9月通過國家驗收。二期工程于2004年1月全面實施,將于2005年4月全面完成,竣工后通航深度將達到10.0m。國內(nèi)學(xué)者就北槽深水航道治理一期工程前后攔門沙航道演變規(guī)律、北槽懸沙絮凝特征、北槽浮泥發(fā)育規(guī)律、深水航道的回淤規(guī)律泥沙運動特性等問題進行了一系列研究。本文在上述研究的基礎(chǔ)上,主要依據(jù)實測資料,首次對北槽深水航道一期工程實施前后最大渾濁帶的分布規(guī)律及其對北槽淤積的影響進行系統(tǒng)總結(jié)和分析,研究成果可為北槽深水航道治理二、三期工程的順利實施提供參考,同時澄清一些認識。2地形地貌調(diào)查研究一期工程實施前后,在北槽沿程進行了多次水文測驗。測驗條件如表1,測站布置如圖1、表2,測驗項目主要包括定點流速流向、含沙量和含鹽度等。此外,在一期工程實施以來上海航道勘察設(shè)計研究院定期對北槽地形進行測量。本文以上述實測資料為依據(jù),分析北槽沿程的水流泥沙運動和鹽水楔活動,對北槽一期工程實施前后最大渾濁帶的分布規(guī)律進行綜合分析。同時結(jié)合一期工程實施以來的航槽回淤和水下地形觀測資料,深入研究了最大渾濁帶分布對北槽淤積的影響。3北槽最大渾濁帶的特點3.1河岸質(zhì)與深基坑質(zhì)以2002年8月北槽洪季河床質(zhì)和懸移質(zhì)為例,北槽洪季沿程河床質(zhì)以粘土和粘質(zhì)粉土為主,懸移質(zhì)主要為粘土,二者中值粒徑差值不大。河床質(zhì)一經(jīng)起動,常常呈懸浮狀態(tài)運動,所以北槽沿程床面泥沙再懸浮比較頻繁。3.2積物沖刷切應(yīng)力根據(jù)歷次實測資料,北槽CS0下游約30km的4#和CS3測點附近多為近底層高流速區(qū)段。表4為北槽2002年8月大潮近底層流速特征值。由此可以看出,CS3附近的漲落急前后和近底層流速多高于上下游。根據(jù)水流底部切應(yīng)力的概念,在一個全潮周期中,當水流底切力低于懸浮泥沙的淤積切應(yīng)力時(u*<u*.i,u*為切速),懸移質(zhì)落淤;當水流底切力高于沉積物的沖刷切應(yīng)力時(u*>u*.c),底床沖刷。不同水深處相應(yīng)的底切速峰值u*可由卡門公式計算式中U2,0和U1,0為離底分別為Z2和Z1高度上的實測資料。采用實測分層流速推算北槽沿程各測點近底層切速峰值如表5所示。由表5可知,在漲落憩時刻,CS3附近的近底層切速峰值明顯低于上下游,對懸沙落淤比較有利。而CS3落急時刻的近底層切速峰值明顯高于同樣未受到工程掩護的下游各點,可見該區(qū)域床面泥沙在落急前后的再懸浮運動較強。由于潮汐河口的水流為雙向流,在下泄流占優(yōu)勢與上溯流占優(yōu)勢區(qū)域之間的過渡河段總存在一個凈流程為零的地方,即滯流點。參考西蒙斯的研究成果,將各測點的落潮單寬流量過程線包絡(luò)的面積除以漲落潮單寬流量過程線包絡(luò)的面積,商大于50%則代表落潮優(yōu)勢流為主,小于50%代表漲潮優(yōu)勢流。而漲落潮單寬流量各占50%則代表漲落潮流程相等,該位置即為滯流點所在。根據(jù)實測資料推算北槽近底層滯流點位置如表6。上表說明,北槽一個潮周期中近底層滯流點多在CS0下游25-40km(K-T單元)范圍內(nèi)擺蕩,目前洪枯季大潮時近底層滯流點的位置大致在CS0下游40km左右。與工程前數(shù)次實測值相比,工程后近底層的滯流點位置并無明顯變化。3.3滯沙點滯流點的分布統(tǒng)計一期工程實施前后北槽實測大小潮近底層含沙量資料,得到北槽沿程含沙量峰值區(qū)段分布頻次如下表所示。由上表可知,在一期工程實施前后,CS0下游約30km的4#和CS3測點附近多為北槽沿程的漲落潮近底層含沙量峰值發(fā)育區(qū)段,一、二期整治工程的實施并未使北槽近底層含沙量的沿程分布發(fā)生趨勢性變化。在河口地區(qū),下泄泥沙占優(yōu)勢區(qū)域與上溯泥沙占優(yōu)勢區(qū)域之間的過渡河段在一個潮周期內(nèi)往往存在一個凈輸沙為零的地方,即滯沙點。將各測點落潮單寬輸沙量過程線包絡(luò)的面積除以漲落潮單寬輸沙量過程線包絡(luò)的面積,商大于50%則代表落潮優(yōu)勢沙為主,小于50%代表漲潮優(yōu)勢沙。而漲落潮單寬輸沙量各占50%則代表漲落潮輸沙量相等,該位置即為滯沙點所在。根據(jù)推算北槽近底層滯沙點位置如表8。由上表可以看出,長江口深水航道治理工程實施前后,北槽近底層滯沙點多位于CS0下游12-20km(E-J單元)和CS0下游30-50km(N-W單元)之間,滯沙點位置并未出現(xiàn)明顯下移趨勢。此外,滯沙點的位置與滯流點位置不完全吻合。圖2為北槽沿程滯沙點分布的典型斷面。在近底層滯沙點上游區(qū)段,水體垂線方向各層懸沙凈向下游輸移;在50%優(yōu)勢沙鋒面的下游區(qū)段,水體垂線方向各層懸沙凈向上游輸移;在50%優(yōu)勢沙鋒面附近,水體上層懸沙凈向下游輸移,下層懸沙凈向上游輸移,存在垂向泥沙環(huán)流。當然,這種輸沙情況是不穩(wěn)定的,在研究河段有時會出現(xiàn)全河段凈輸沙向下和凈輸沙向上的情況,甚至出現(xiàn)表層凈向上輸沙而底層凈向下輸沙的反向泥沙環(huán)流。3.4近底層鹽水加強作用北槽鹽淡水混合類型以緩混合型為主,鹽度大多在5‰～28‰的范圍內(nèi)變化,有利于細顆粒泥沙的絮凝沉降。根據(jù)實測資料繪制北槽沿程鹽度垂線分布圖,進而推算近底層鹽水楔位置(表9)。從實測資料看,近底層鹽水楔洪季下移,枯季上提;小潮下移,大潮上提。根據(jù)陳邦林等的研究,北槽地區(qū)13‰左右的鹽度最有利于泥沙絮凝。從所有統(tǒng)計資料來看(表9),北槽深水航道一期治理工程實施以來的漲落憩時刻13‰鹽水楔在CS0以下30-45km(大致相當于為N-V單元)范圍內(nèi)多次出現(xiàn),約占總數(shù)的56.1%,表明該區(qū)域在漲落憩時刻的絮凝作用比較明顯,有利于最大渾濁帶的發(fā)育。3.5槽內(nèi)自然深水如圖3,一期工程實施后,北槽航槽槽邊自然水深明顯增加,攔門沙灘頂隆起的地形逐漸消失。從自然水深的分布看,北槽W3彎段上游各單元槽邊自然水深總體上自上向下呈下降趨勢,大致CS0下游19-23km的H-J單元(B33-B36斷面)、CS0下游30-35km的N-Q單元(B42-B46′斷面及CS3附近)和CS0下游41km的T單元(B49-B49′斷面及CS4附近)始終為自然水深的淺區(qū)。3.6最大東南角cs0-2-特征分區(qū)根據(jù)上述研究成果可以看出,北槽河床質(zhì)一般為粉土和粘土,懸移質(zhì)主要由粘土組成,兩者交換頻繁。長江口深水航道治理一期工程實施前后,滯流點多在CS0下游25-40km(K-T單元)范圍內(nèi)擺蕩,形成滯流區(qū)。其中CS3點附近在漲落憩前后的近底層切速峰值小于上下游,明顯有利于懸沙淤積。北槽近底層滯沙點多位于CS0下游12-20km(E-J單元)和CS0下游30-50km(N-W單元)之間。其中CS3點附近近底層常出現(xiàn)高濃度含沙層。北槽中下段鹽度介于5‰-15‰,深水航道一期治理工程實施以來的漲落憩時刻13‰鹽水楔在CS0以下30-45km(大致相當于為N-V單元)范圍內(nèi)多次出現(xiàn),表明該區(qū)域的絮凝作用比較明顯。從自然水深的分布看,CS0下游19-23km的H-J單元附近和CS0下游30-35km的N-Q單元(CS3)附近始終為自然水深的淺區(qū),回淤量也居高不下。凡此種種,說明CS0下游19-23km(H-J單元)和CS0下游30-45km(N-V單元)是北槽最大渾濁帶的主要分布區(qū)域。最大渾濁帶的整體發(fā)育機制是多因素綜合作用的結(jié)果。一期工程雖然改變了局部流場并引起河床調(diào)整沖刷,但諸如含沙量、輸沙量、鹽度(絮凝沉降)等因素的分布并未發(fā)生明顯變化,這些因素的綜合作用使最大渾濁帶的位置基本保持穩(wěn)定。由此可見一期工程并未對北槽最大渾濁帶的發(fā)育機制和分布造成明顯影響。4北槽回淤部位分布圖4和表10顯示了北槽沿程回淤量的分布。由上述圖表可知,一期工程以來北槽的主要淤積部位存在一定變化:2002年11月以前,北槽回淤量峰值區(qū)段位于W3以下,2002年11月以后,回淤量峰值區(qū)段上移至W3以上,并且2001年和2004年航槽洪季回淤量分布出現(xiàn)雙峰型。雖然存在上述變化,但是CS0下游21km的I單元至CS0下游約32km的O單元附近的區(qū)段始終為北槽回淤量較高的區(qū)域。在潮汐河口,最大淤積部位常常取決于最大渾濁帶的位置,北槽最大淤積部位的分布也符合這一規(guī)律。由于一期工程實施前后CS0下游19-23km(H-J單元)和CS0下游30-45km(N-V單元)始終是北槽最大渾濁帶的主要分布區(qū)域,這些區(qū)段航槽淤積量也較大。從2004年二期工程實施以來的回淤情況看,截至10月,二期整治工程基本完成,北槽口外的X單元以東的區(qū)段回淤量始終維持較低水平。此外,根據(jù)有關(guān)物理模型的研究成果,三期工程后最大