長江入海懸移質(zhì)泥沙粒度特征分析

長江入海懸移質(zhì)泥沙粒度特征分析

長江海域的懸浮沙是形成河口沉積物的原始材料。它的懸浮運(yùn)動、偏移和沉降過程是改變河口地形和形成河口地形的主要途徑之一。深入研究入海懸移質(zhì)泥沙特性及其變化,不僅對研究長江河口的環(huán)境演變有重要意義,且可以加深對全球海陸相互作用、物質(zhì)循環(huán)和物質(zhì)遷移轉(zhuǎn)化的了解。與長江入海懸移質(zhì)泥沙有關(guān)的研究已有不少。但關(guān)于長江入海懸移質(zhì)泥沙粒度特性與流量(Q)、含沙量(SSC)關(guān)系的系統(tǒng)分析尚未見報道。本文將以大通站(枯季潮區(qū)界,距口門約640km)為例,著重對這一問題做一探討。1懸移質(zhì)泥沙粒度測量的校正本文所用資料為大通水文站1956年、1960、1962～1967年、1971年、1974年、1976～1978年、1980年、1983年和1985年共16年的流量、含沙量及懸移質(zhì)泥沙級配資料,三者都包括多年年平均值、各月月平均值。由于所用級配資料是用粒徑計(jì)測得的,其測試結(jié)果存在系統(tǒng)偏粗問題,因而在級配資料處理中,首先進(jìn)行數(shù)據(jù)校正:粒徑小于0.1mm的采用文獻(xiàn)的校正公式;粒徑大于0.1mm的應(yīng)用文獻(xiàn)的校正方法。然后用自編插值程序求出大于0.05mm粗顆粒懸移質(zhì)泥沙的百分比(以下簡稱%>0.05)和中值粒徑(D50),作為懸移質(zhì)泥沙粒度特征的表征量,之所以把%>0.05作為懸移質(zhì)泥沙粒度的主要表征,是因?yàn)榇笥?.05mm的粗顆粒泥沙在水沙兩相流的固相中起著重要作用,在長江流域被視為粗泥沙、中下游的床沙質(zhì),其在懸移質(zhì)泥沙中的數(shù)量主要取決于水流挾沙力。最后分別做了各年月均Q(SSC)～%>0.05之間的回歸分析、多年平均月均Q(SSC)～%>0.05之間的回歸分析以及年均Q(SSC)～%>0.05之間的回歸分析,利用相關(guān)系數(shù)平方最大的原理選取回歸方程,從而揭示懸移質(zhì)泥沙粒度特征與流量、含沙量的相關(guān)性及其年內(nèi)、歷年的變化規(guī)律。2結(jié)果和討論2.1懸浮渣沉淀的粒度與流量的關(guān)系2.1.1流量對長江基本動態(tài)的影響為探討長江入海懸移質(zhì)泥沙粒度隨流量的年內(nèi)季節(jié)性變化規(guī)律,筆者對大通站各年%>0.05月均值與流量月均值進(jìn)行了回歸分析,結(jié)果見圖1。可以看出:這16年中,二者的回歸關(guān)系主要滿足乘冪回歸(占56%),其次滿足多項(xiàng)式回歸(占31%),還有指數(shù)和對數(shù)回歸(各占6.5%)。其中相關(guān)性明顯的(|R|≥0.6)年份占81.25%,差的(|R|<0.6)年份占18.75%(1978、1983和1985年),差的原因在于這三年月均流量與月均%>0.05最大值發(fā)生的時間不一致(見圖2)。從圖1還可以看出:各年月均%>0.05隨月均流量的年內(nèi)變化基本是隨之增加而增大,說明就年內(nèi)月均狀況而言,長江入海懸移質(zhì)泥沙粒度是隨流量增加而變粗的,原因在于,入海懸沙中的床沙質(zhì)雖主要來自上游河段,還可隨時從本河段河床上獲得補(bǔ)給(床沙中富含床沙質(zhì)),補(bǔ)給數(shù)量由水流挾沙力決定。因而,在床沙質(zhì)來源充足的情況下,隨著流量增加、水動力增強(qiáng)、水流挾沙力增大,入海懸移質(zhì)泥沙中床沙質(zhì)百分含量就會持續(xù)增加,懸移質(zhì)粒度變粗。由于大通站流量洪季大于枯季,所以其懸移質(zhì)泥沙粒度隨流量的變化特點(diǎn)還揭示出,長江入海懸移質(zhì)泥沙的粒度洪季大于枯季,這一結(jié)論在以下分析中也能得出。另外,圖1中相關(guān)性較好的回歸曲線還顯示,當(dāng)流量月平均值較小時,關(guān)系點(diǎn)與回歸曲線吻合較好,當(dāng)流量月平均值較大時,關(guān)系點(diǎn)偏離回歸曲線較遠(yuǎn),也就是說,長江入海懸移質(zhì)泥沙粒度與流量的相關(guān)性枯季較洪季好。為揭示入海懸移質(zhì)泥沙粒度隨流量年內(nèi)變化的總趨勢,筆者又對多年平均月均%>0.05～Q進(jìn)行了回歸分析(圖3),其相關(guān)系數(shù)平方最大的回歸方程是乘冪回歸Y=0.0056X0.7836R=0.89式中:Y代表%>0.05,X代表流量?？梢钥闯?%>0.05～Q多年平均月均值之間的相關(guān)性很好,R達(dá)0.89以上,是正相關(guān),說明長江入海懸移質(zhì)泥沙粒度隨流量年內(nèi)變化的總規(guī)律是隨流量增加而變粗。2.1.2項(xiàng)式回歸y圖4為%>0.05～Q年均值之間的回歸曲線,其相關(guān)系數(shù)平方最大的回歸方程是多項(xiàng)式回歸Y=1E?0.7X2?0.0054X+75.283R=0.76式中,X代表%>0.05,Y代表流量。圖4顯示:年均%>0.05與年均Q相關(guān)性明顯,也是正相關(guān),說明長江入海懸移質(zhì)泥沙粒度隨流量的歷年變化也是隨之增加而變粗。2.2懸浮渣沉淀的粒度與含砂量之間的關(guān)系2.2.1月內(nèi)含沙量的季節(jié)變化為闡明長江入海懸移質(zhì)泥沙粒度隨含沙量的年內(nèi)變化,筆者在圖5中點(diǎn)繪了各年月均%>0.05與月均含沙量的關(guān)系,并做了回歸分析。不難看出,各年月均%>0.05～含沙量之間的回歸關(guān)系大多滿足多項(xiàng)式回歸(占56%),其次為冪(占25%)和指數(shù)回歸(占13%),另外還有對數(shù)回歸(占6%)。相關(guān)性較明顯的年份占75%,較差的年份占25%(1966、1971、1978和1985年),差的原因在于這四年月均含沙量與月均%>0.05最大(小)值不是同時發(fā)生的(見圖6)。對比可知,大通站月均%>0.05與月均流量及月均含沙量相關(guān)性好的、差的年份是基本對應(yīng)的,這是因?yàn)閾?jù)資料分析顯示,大通站各年月均流量與月均含沙量有著較好的正相關(guān)關(guān)系(|R|均大于0.6,80%年份|R|達(dá)0.8以上)。另外,對比圖1和圖5還可以發(fā)現(xiàn),各年月均%>0.05與月均流量的相關(guān)系數(shù)總體上大于其與月均含沙量的相關(guān)系數(shù),說明入海懸移質(zhì)泥沙粒度與流量的關(guān)系比與含沙量的關(guān)系密切。圖5還顯示,16年的月均%>0.05隨月均含沙量的年內(nèi)變化有兩種情況:(1)多數(shù)年份(9年),隨月均含沙量增大,月均%>0.05先是增大,達(dá)到最大值后又減小,但是進(jìn)入大含沙量范圍之后,月均%>0.05所達(dá)到的最小值比其曲線左半支的最小值高得多,分析顯示,月均%>0.05最大值對應(yīng)的含沙量值剛好是各年洪、枯季含沙量的界限值,多出現(xiàn)在5月,這種情況說明,這9年長江入海懸移質(zhì)泥沙粒度在枯季隨含沙量增加而變粗,在洪季隨含沙量進(jìn)一步增加又有細(xì)化趨勢,但仍比枯季粗;(2)少數(shù)年份(7年),月均%>0.05隨月均含沙量增加而增大,即入海懸移質(zhì)泥沙粒度是隨著含沙量增加而變粗的,說明這7年長江入海懸移質(zhì)泥沙中隨含沙量持續(xù)增加的主要是粗顆粒的床沙質(zhì)。為什么會出現(xiàn)上述兩種情況呢?這既與水動力條件有關(guān),又受泥沙供應(yīng)的影響,茲解釋如下:據(jù)沈煥庭等分析,長江入海懸移質(zhì)泥沙主要來自上游干流產(chǎn)沙區(qū),中、下游產(chǎn)沙相對較少。這些懸移質(zhì)泥沙可分為兩部分:較細(xì)的一部分是床沙中少有或沒有的沖瀉質(zhì),主要由流域供給,不能從本河段河床上獲得補(bǔ)給,它可以一瀉千里,但運(yùn)動過程與流速無關(guān):較粗的一部分是床沙中大量存在的床沙質(zhì),它也主要來自上游河段,但可以隨時從本河段河床上獲得補(bǔ)給,補(bǔ)給數(shù)量取決于水流挾沙力。據(jù)此,在枯季,降水少,對流域沖刷小,沖瀉質(zhì)來量穩(wěn)定、含量變化不大,床沙質(zhì)含量則隨流量增大、水流挾沙力增強(qiáng)而不斷增大,所以在所有年份的枯季入海懸移質(zhì)泥沙粒度隨含沙量增加而增大;進(jìn)入洪季,情況有了分歧:若遇降水強(qiáng)度大、持續(xù)時間長的大水年,整個流域沖刷厲害,洪季會有大量沖瀉質(zhì)進(jìn)入河道、到達(dá)河口,使得大通站%>0.05相對降低,懸移質(zhì)泥沙變細(xì),但仍比枯季粗,第一種情況的9年即是此種情形的代表;若遇枯水年或流域植被覆蓋好的中水年,從流域沖入河道的細(xì)顆粒泥沙較枯季增加不明顯,床沙質(zhì)含量則隨流量增大而繼續(xù)明顯增加著,這就是為什么那7年入海懸移質(zhì)泥沙粒度保持了隨含沙量增加而變粗的特點(diǎn)。由于大通站含沙量也是洪季大于枯季,大通站懸移質(zhì)泥沙粒度隨含沙量的變化特點(diǎn)也揭示出,長江入海懸移質(zhì)泥沙粒度洪季大于枯季。對比圖1和圖5,還可以看出,有7年(1956、1963、1966、1967、1971、1977和1985年),月均%>0.05隨月均流量與隨月均含沙量的變化趨勢完全相同(均是單調(diào)遞增的變化關(guān)系),說明這些年水沙的年內(nèi)分布是同步的,即月均流量和月均含沙量的最大(小)值是同時發(fā)生的;另9年,該兩種變化趨勢是不完全相同的(枯季相同、洪季相反),反映出這些年月均流量與月均含沙量的年內(nèi)分布不是完全相應(yīng)的。另外,圖5中相關(guān)性較好的回歸曲線也顯示,當(dāng)%>0.05和含沙量的月均值較小時關(guān)系點(diǎn)與回歸曲線比較接近,當(dāng)兩者的值慢慢增大時,關(guān)系點(diǎn)逐步偏離了回歸曲線,說明大通站懸移質(zhì)泥沙粒度與月均含沙量的相關(guān)性也是枯季好于洪季。同理,為揭示大通站懸移質(zhì)泥沙粒度隨含沙量年內(nèi)變化的總趨勢,筆者做了多年平均月均%>0.05～SSC之間的回歸分析(見圖7)?？梢钥闯?其回歸方程是多項(xiàng)式回歸Y=?85.877X2+92.636X+0.1001|R|=0.88式中Y代表%>0.05,X代表含沙量。由此可見,二者的相關(guān)性很好,|R|達(dá)0.88以上。圖7還顯示:隨多年平均月均含沙量增大,多年平均月均%>0.05先增大,達(dá)到最大值(0.4kg/m3)后又減小,資料分析顯示:在大通站各月月均含沙量的多年平均值中,等于0.4kg/m3的是5月,最接近它的有4月、6月和10月,含沙量最小的是2月。這反映出:(1)長江入海懸移質(zhì)泥沙粒度隨含沙量年內(nèi)變化的總趨勢是,隨含沙量增加先增大,達(dá)到最大值后又減小;(2)長江入海懸移質(zhì)泥沙粒徑的最大值多出現(xiàn)在5月、較大值常發(fā)生在4月、6月和10月、最小值多山現(xiàn)在2月,這與大通站月均中值粒徑多年平均值的分布規(guī)律一致(見圖8)。2.2.2懸移質(zhì)泥沙粒度的年度變化圖9給出了年均%>0.05～SSC之間的回歸關(guān)系,其相關(guān)系數(shù)平方最大的回歸方程是多項(xiàng)式回歸Y=655.95X2?608.94X+154.54|R|=0.66式中X代表%>0.05,Y代表含沙量?？梢钥闯?就年均序列而言,%>0.05與含沙量的相關(guān)性也較明顯,|R|達(dá)0.66以上。圖9顯示:隨著含沙量年均值增大,年均%>0.05減小,但是當(dāng)年均含沙量大于0.45kg/m3(剛好為16年年均含沙量的平均值)時,年均%>0.05又隨含沙量年均值增加而增大,即長江入海懸移質(zhì)泥沙粒度隨含沙量歷年變化的特點(diǎn)是,少沙年(指年均含沙量低于年均含沙量多年平均值的年份)間,懸移質(zhì)泥沙粒度隨年均含沙量增加而減小;多沙年(年均含沙量高于年均含沙量多年平均值的年份)間,懸移質(zhì)泥沙粒度隨年均含沙量增加而增大。原因在于少沙年多出現(xiàn)在枯水年和中少水年,流量小、動力弱、水流挾沙力小,大通站床沙質(zhì)含量小且增加受限,而沖瀉質(zhì)含量增加則不受水流條件限制,流域所能供應(yīng)的幾乎都可以到達(dá)大通站,就是說,枯水年間,大通站含沙量相對高的年份比相對低的年份所增加的懸移質(zhì)泥沙一定是沖瀉質(zhì),因而在少沙年間出現(xiàn)了懸移質(zhì)泥沙粒度隨含沙量增加而減小的變化特點(diǎn);而多沙年則多發(fā)生在中(豐)水年,其流量、水流挾沙力較枯水年大大增強(qiáng),且歷年變幅較大,相應(yīng)地,床沙質(zhì)百分比也會隨之有較大的增幅,所以在多沙年間,入海懸移質(zhì)泥沙粒度表現(xiàn)出隨含沙量增加而增大的特點(diǎn)。3懸移質(zhì)泥沙粒度與含沙量的關(guān)系(1)長江入海懸移質(zhì)泥沙粒度與流量具有較好的相關(guān)關(guān)系(非線性),二者的相關(guān)性枯季好于洪季;無論是各年年內(nèi)變化、總的年內(nèi)變化、還是歷年變化,入海懸移質(zhì)泥沙粒度隨流量均呈現(xiàn)出隨之增加而變粗的特點(diǎn),說明水動力條件對長江入海懸移質(zhì)泥沙粒度特性具有明顯的控制作用。(2)長江入海懸移質(zhì)泥沙粒度與含沙量也具有較明顯的相關(guān)關(guān)系(非線性),二者的相關(guān)性也是枯季好于洪季,但是懸移質(zhì)泥沙粒度與含沙量的關(guān)系不及與流量的關(guān)系密切;入海懸移質(zhì)泥沙粒度隨含沙量的變化相對復(fù)雜:年內(nèi)變化,多數(shù)年份隨含沙量增加而先增后減,少數(shù)年份隨含沙量增加而增大;總的變化趨勢是隨含沙量增加而先增后減;歷年變化則為隨含沙量增加而先減后增,這些變化行為與水動力和泥沙供應(yīng)有關(guān)。(3)懸移質(zhì)泥沙粒度隨流量、含沙量的年內(nèi)