采用示蹤砂方法研究長(zhǎng)江口北槽下航道南側(cè)拋泥區(qū)泥沙運(yùn)移趨勢(shì)

張效龍，劉敦武，王慧艷，徐家聲，王景川，李俊生

(1. 大連海事大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，遼寧 大連116026；2. 國(guó)家海洋局第一海洋研究所，山東 青島266061;3. 華為海洋網(wǎng)絡(luò)有限公司，天津 塘沽300457)

采用示蹤砂方法研究長(zhǎng)江口北槽下航道南側(cè)拋泥區(qū)泥沙運(yùn)移趨勢(shì)

張效龍1,2,3，劉敦武2，王慧艷2，徐家聲2，王景川2，李俊生2

(1. 大連海事大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，遼寧 大連116026；2. 國(guó)家海洋局第一海洋研究所，山東 青島266061;3. 華為海洋網(wǎng)絡(luò)有限公司，天津 塘沽300457)

采用中子活化示蹤砂技術(shù)，對(duì)長(zhǎng)江口北槽下航道南側(cè)拋泥區(qū)泥沙運(yùn)移趨勢(shì)進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)示蹤研究。研究結(jié)果表明：在航道南側(cè)拋泥區(qū)拋泥，泥沙的運(yùn)移擴(kuò)散方向在導(dǎo)堤內(nèi)基本與航道平行，近似長(zhǎng)帶形分布。出導(dǎo)堤后運(yùn)移擴(kuò)散的主導(dǎo)方向偏向東南。在導(dǎo)堤內(nèi)進(jìn)入或越過航道的泥沙量很少，出導(dǎo)堤后進(jìn)入或越過航道的泥沙量更少?；夭勐使浪憬Y(jié)果表明，在拋泥后第3 d，泥沙回槽率＜4.6%；拋泥后第4 d，泥沙回槽率＜5.6%；拋泥后第5 d，泥沙回槽率＜5.3%。由此得出泥沙回槽率不高，航道南部的拋泥區(qū)是較為理想的拋泥區(qū)。

長(zhǎng)江口北槽下航道；拋泥區(qū)；泥沙運(yùn)移；回槽率；示蹤砂

在泥沙運(yùn)移規(guī)律的研究中，可以通過追蹤示蹤砂來獲得沉積物的運(yùn)移方向、搬運(yùn)速度及搬運(yùn)速率等信息[1]。示蹤砂技術(shù)主要有3種，分別為流明砂（熒光砂）技術(shù)、放射性示蹤砂技術(shù)和中子活化示蹤砂技術(shù)。到目前為止，示蹤技術(shù)已被廣泛應(yīng)用于河流底質(zhì)輸沙、海岸帶沿岸輸沙[2,3]、河口水沙過程、潮汐叉道輸沙過程、海岸工程的沖淤效應(yīng)、港口底質(zhì)活動(dòng)性[4-6]、淺海表層沉積物運(yùn)動(dòng)、泥沙活動(dòng)層的厚度、各種輸沙公式的對(duì)比驗(yàn)證、污染物的運(yùn)移和擴(kuò)散過程、地下水的運(yùn)移過程、微量元素的運(yùn)移和自然環(huán)境修復(fù)過程等多種領(lǐng)域[7]。由于流明砂（熒光砂）和放射性示蹤砂技術(shù)缺點(diǎn)較多，而中子活化示蹤砂技術(shù)是采用非放射性同位素作為標(biāo)示物，具有不污染環(huán)境，不危害操作人員健康，不改變泥沙的粒度組成和比重，可長(zhǎng)期觀察等優(yōu)點(diǎn)，得到廣泛的應(yīng)用，并取得了良好應(yīng)用效果[4-6,9-12]。中子活化示蹤砂技術(shù)是采用非放射性同位素作為標(biāo)示物，利用中子活化分析的方法監(jiān)測(cè)泥沙中標(biāo)示物的含量，依據(jù)其含量的大小，分析泥沙分布及運(yùn)移趨勢(shì)[8]。

長(zhǎng)江口北槽航道位于長(zhǎng)江入海口九段沙淺灘的北側(cè)（見圖1），是長(zhǎng)江口的重要航道之一。泥沙運(yùn)移研究一直是該地區(qū)倍受關(guān)注的問題。1994年李樟蘇等利用放射性示蹤砂定量研究了長(zhǎng)江北槽航道拋泥區(qū)底沙的運(yùn)動(dòng)[13]。2003年吳加學(xué)等研究了長(zhǎng)江口北槽拋泥流速和懸沙濃度時(shí)空分布及長(zhǎng)江河口北槽拋泥作業(yè)狀態(tài)下的懸沙濃度分布與擴(kuò)散過程[14,15]。隨著上海港集裝箱吞吐量的快速增長(zhǎng)，要求長(zhǎng)江口北槽航道浚深至12.5 m，工程產(chǎn)生的大量疏浚泥沙需要傾倒處置。而目前長(zhǎng)江口外的2號(hào)、3號(hào)拋泥區(qū)離疏浚現(xiàn)場(chǎng)遠(yuǎn)，拋泥成本太大，為降低疏浚成本，擬在整治段內(nèi)選擇合適的拋泥區(qū)。本文采用中子活化示蹤技術(shù)對(duì)長(zhǎng)江口北槽下航道南側(cè)拋泥區(qū)泥沙運(yùn)移趨勢(shì)進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)示蹤研究，探討了擬選拋泥區(qū)拋泥后泥沙的運(yùn)移趨勢(shì)及回槽率狀況，為整治區(qū)內(nèi)拋泥區(qū)的選定提供技術(shù)資料。

1 示蹤砂的制備

依據(jù)研究區(qū)泥沙的特點(diǎn)和示蹤信號(hào)元素的選取原則，選用銥（Ir）元素作為示蹤信號(hào)元素。根據(jù)文獻(xiàn)[8]的制備方法，取金屬銥（Ir）粉與氯化鈉(NaCL)按1:3混合后裝于長(zhǎng)石英管中。將長(zhǎng)石英管置于特制管狀爐中加熱，并連續(xù)通入氯氣，使銥金屬粉轉(zhuǎn)化成可溶的銥鹽(Na3IrCL6)。將反應(yīng)物取出倒入塑料桶中加去離子水溶解，配制Ir標(biāo)示溶液。本試驗(yàn)Ir用量為9.6 × 105mg。取研究區(qū)現(xiàn)場(chǎng)采集的泥沙3t，用去離子水反復(fù)洗滌，直至洗滌液中加入AgNO3溶液后不再出現(xiàn)白色沉淀為止。將配制的Ir標(biāo)示溶液充分與現(xiàn)場(chǎng)采集的泥沙混合，使得每1 kg泥沙吸附320 mg的Ir元素，制備成示蹤砂。

圖1 研究區(qū)地理位置Fig. 1 Location of the research areas

示蹤砂粒度組成如表1所示。據(jù)表1分析，示蹤砂的平均粒徑為0.046 2 mm，粘粒含量大于10%。根據(jù)文獻(xiàn)[6]泥沙對(duì)Ir吸附試驗(yàn)結(jié)果，判斷該泥沙對(duì)Ir的吸附率不會(huì)超過6%，說明用Ir作為示蹤信號(hào)制備的示蹤砂是適合本研究的。

表1 示蹤砂粒度特征Tab. 1 Particle size character of the tracer sands

2 現(xiàn)場(chǎng)及室內(nèi)試驗(yàn)

2.1 示蹤砂的投放及采集

根據(jù)長(zhǎng)江口北槽下航道的特征，示蹤砂投放點(diǎn)選在S7、S8號(hào)丁壩中線航道以南預(yù)選拋泥區(qū)內(nèi)的A點(diǎn)（122°10′17″E，31°09′53″N），水深8 m（見圖2）。2005年7月22日13:00時(shí)高平潮時(shí)，將3 t制備好的示蹤砂裝船運(yùn)往投放點(diǎn)，在離航道底面2.5 m高處將3 t示蹤砂投放至海底面上。投放前在試驗(yàn)區(qū)的上、中、下3區(qū)內(nèi)各采集1個(gè)泥沙本底樣品。2005年7月24－26日分別在14:00時(shí)，15:00時(shí)和16:00時(shí)高平潮時(shí)，以投放點(diǎn)為中心，在下游方向和上游方向分別布設(shè)的6個(gè)和5個(gè)采樣斷面、67個(gè)采樣點(diǎn)（見圖2）采集表層泥沙樣品。每個(gè)采樣點(diǎn)采集泥沙的厚度為0 cm～5 cm，采樣量均大于100 g，共采集樣品204個(gè)。

圖2 示蹤沙投放及取樣站位分布圖Fig. 2 Distribution of tracer sands thrown and collected location

2.2 泥沙樣品的室內(nèi)分析[8]

因所取樣品中標(biāo)示物含量為超痕量（約在10-9g數(shù)量級(jí)），且在樣品中分布不均，難以直接進(jìn)行中子活化分析。為此，首先需將各站采集的泥沙樣品干燥后，研磨成粉狀，然后采用火試金法對(duì)樣品中的Ir進(jìn)行富集。具體步驟為：①配料：稱取50 g泥沙樣品，80 g碳酸鈉，20 g硼砂，45 g堿式碳酸鉛和5 g面粉混合均勻后倒入試金坩堝中。②熔融：把坩堝放入預(yù)熱至1 000℃的試金爐中升溫熔融，達(dá)1 100℃后再保持30 min，取出坩堝倒熔融體入鐵模中，冷卻后取出鉛扣，砸去熔渣。③灰吹：把鉛扣放入鎂砂灰皿中灰吹至0.5 g，將灰皿放在水盤中冷卻。隨后打破灰皿，取出鉛珠。④制樣：將鉛珠制成≤0.5 mm厚的鉛片，再夾入Ir的標(biāo)準(zhǔn)鉛片，制成原子反應(yīng)堆照射靶樣。

將活化靶樣放入高能量研究型重水反應(yīng)堆反射孔道內(nèi)輻照10 h。從反應(yīng)堆中取出樣品冷卻10 d，隨后利用高純鍺 γ 射線探測(cè)器（相對(duì)效率為30%，對(duì)鉆-60的1.33 kev的射線分辨率為1.9 kev）、S-40系列多道脈沖分析器及PDP-11計(jì)算機(jī)在線數(shù)據(jù)獲取系統(tǒng)獲得各個(gè)樣品中Ir的含量（以Ir的316 kev特征峰為度量標(biāo)準(zhǔn)）。然后，利用求得的樣品中Ir的含量來分析示蹤砂的運(yùn)移趨勢(shì)。圖3－圖5為實(shí)測(cè) γ 射線能譜圖。表2為各站各次樣品中Ir的含量結(jié)果統(tǒng)計(jì)表。

圖3 本底樣品γ能譜圖Fig. 3 γ .energy spectrum of background sample

圖4 76號(hào)站第三次樣品γ.能譜圖Fig. 4 .γ energy spectrum of the sample collected at the third time in the 76th position

圖5 標(biāo)準(zhǔn)樣品γ.能譜圖Fig. 5 γ. energy spectrum of criterion sample

3 結(jié)果分析

3.1 示蹤砂運(yùn)移趨勢(shì)分析

通過對(duì)表2試驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析，繪制了不同采樣期示蹤砂擴(kuò)散分布圖，如圖6、圖7和圖8所示（圖中站位見圖2）。通過分析每個(gè)采樣斷面的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，繪制了3次采樣各斷面示蹤砂的分布特點(diǎn)，如圖9所示。根據(jù)圖6、圖7、圖8和圖9分析，示蹤砂的運(yùn)移存在如下特征：

a) 示蹤砂在水流作用下運(yùn)動(dòng)，因?qū)У痰淖饔檬购拥纼?nèi)的水體流動(dòng)受到限制，因而造成示蹤砂的主導(dǎo)運(yùn)移擴(kuò)散方向在導(dǎo)堤內(nèi)基本上與航道平行，近似長(zhǎng)帶形分布，出導(dǎo)堤后泥沙運(yùn)移擴(kuò)散的主導(dǎo)方向偏向東南（見圖6、圖7和圖8）。

b) 示蹤砂主要分布在航道的西南，且在與航道平行的區(qū)域內(nèi)運(yùn)移擴(kuò)散或沉積。在導(dǎo)堤內(nèi)進(jìn)入和越過航道的泥沙量很少（見圖9），出導(dǎo)堤后因示蹤砂在流的作用下向東南方向運(yùn)移擴(kuò)散，偏離航道愈來愈遠(yuǎn)，進(jìn)入外航道的泥沙量亦愈來愈少。

圖6 投放2天后示蹤沙分布圖（以Ir表示，單位：×10-9g）Fig. 6 Distribution of tracer sands diffusion after being thrown two days (shown by Ir , unit: ×10-9g)

圖7 投放3天后示蹤沙分布圖（以Ir表示，單位：×10-9g）Fig. 7 Distribution of tracer sands after being thrown three days (shown by Ir , unit: ×10-9g)

圖8 投放4天后示蹤砂分布圖（以Ir表示，單位：×10-9g）Fig. 8 Distribution of tracer sands after being thrown four days(shown by Ir , unit: ×10-9g)

c) 在航道以北有示蹤砂檢出（見表2和圖9），說明有少量示蹤砂以懸移質(zhì)運(yùn)移方式越過航道，部分泥沙可能在航道內(nèi)沉積，對(duì)航道安全可能造成一定影響。但因檢出示蹤砂的量很少，因而在預(yù)選拋泥區(qū)拋沙對(duì)航道影響應(yīng)不大。

表2 泥沙樣品中Ir含量結(jié)果統(tǒng)計(jì)表（單位1×10-9）Tab. 2 Statistical results of Ir content in the sediment samples(unit: 1×10-9)

3.2 拋泥回槽率的估算及探討

通過上述示蹤砂運(yùn)移擴(kuò)散規(guī)律的研究可知，進(jìn)入航槽的示蹤砂有一定的含量，因此必須進(jìn)行回槽率的估算及分析。本次試驗(yàn)要給出準(zhǔn)確回槽率，存在諸多困難。因?yàn)?，盡管中子活化示蹤砂技術(shù)有諸多優(yōu)點(diǎn)，且應(yīng)用廣泛，但其缺點(diǎn)是不能實(shí)施現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)跟蹤監(jiān)測(cè)，必須在分析數(shù)據(jù)出來后，方能獲知示蹤砂的擴(kuò)散范圍及規(guī)律。因而，本文只能在試驗(yàn)的特定條件下，對(duì)示蹤砂的回槽率進(jìn)行估算。示蹤砂回槽率估算采用的公式為：

式中：估為本次試驗(yàn)示蹤砂回槽率的估算值；為本次試驗(yàn)檢測(cè)到的示蹤砂擴(kuò)散區(qū)域內(nèi)示蹤砂總量，Q槽：槽內(nèi)測(cè)區(qū)示蹤砂的量。又：

上述式中：Q槽北為槽北測(cè)區(qū)內(nèi)示蹤砂的量；Q槽南為槽南Ir值為1×10-9g的等值線所圍測(cè)區(qū)內(nèi)的示蹤砂的量（小于1 × 10-9g區(qū)域內(nèi)示蹤砂的量視為零）。、I槽北分別代表槽內(nèi)、槽北單位面積示蹤砂的含量；S槽、S槽北分別代表槽內(nèi)、槽北示蹤砂檢出區(qū)的面積。IA為A點(diǎn)單位面積示蹤砂的量；I20、I10、I5、I2、I1分別為Ir值為20 × 10-9g、10 × 10-9g、5 ×10-9g、2 × 10-9g 和1 × 10-9g的等值線處單位面積示蹤砂的含量；S20、S10、S5、S2、S1分別為為Ir值為20 × 10-9g、10 × 10-9g、5 × 10-9g、2 × 10-9g 和1× 10-9g的等值線所圍區(qū)域的面積。

通過上述計(jì)算公式結(jié)合試驗(yàn)數(shù)據(jù)，對(duì)示蹤砂回槽率進(jìn)行估算，結(jié)果列于表2。在回槽率估算中，因統(tǒng)計(jì)的示蹤砂總量為擴(kuò)散全域內(nèi)絕大部分區(qū)域的示蹤砂量（小于1 × 10-9g區(qū)域內(nèi)示蹤砂的量視為零），而非全域內(nèi)示蹤砂的量Q總，即所以實(shí)際回槽率實(shí)應(yīng)小于計(jì)算的估計(jì)回槽率估。由表3的估算結(jié)果分析，若在S7、S8中線航道以南水深-8 m（A點(diǎn)）處拋泥，拋泥后第2天，泥沙回槽率應(yīng)＜4.6%；拋泥后第3天，泥沙回槽率應(yīng)＜5.6%；拋泥后第4天，泥沙回槽率應(yīng)＜5.3%。因觀測(cè)時(shí)間短，長(zhǎng)期運(yùn)移的回槽率不能準(zhǔn)確確定。但因下航道流速較大，示蹤砂運(yùn)移擴(kuò)散速度較快，且出導(dǎo)堤后泥沙主流向轉(zhuǎn)向東南方向運(yùn)動(dòng)，而外航道則向東向伸展，由此推斷，隨著時(shí)間的推移泥沙回槽率只能越來越低。由于泥沙回槽率不高，因而本研究認(rèn)為，在航道南側(cè)-8 m水深處拋泥不會(huì)對(duì)航道造成影響，航道南部的拋泥區(qū)是較為理想拋泥區(qū)。

表3 相關(guān)參數(shù)及計(jì)算結(jié)果統(tǒng)計(jì)表Tab. 3 Calculation parameters and consequences statistic chart

圖9 3次采樣各斷面示蹤砂的分布特點(diǎn)Fig. 9 Distribution character of tracer sands in different sampling sections during three sample collecting

4 結(jié) 論

a）通過對(duì)長(zhǎng)江口北槽下航道南側(cè)預(yù)選拋泥區(qū)泥沙運(yùn)移擴(kuò)散規(guī)律的示蹤砂研究，認(rèn)為在拋泥區(qū)拋泥后，泥沙的運(yùn)移擴(kuò)散方向在導(dǎo)堤內(nèi)基本上與航道平行，近似呈長(zhǎng)帶形分布，出導(dǎo)堤后運(yùn)移擴(kuò)散的主導(dǎo)方向偏向東南；泥沙運(yùn)移主要在與航道平行的區(qū)域內(nèi)運(yùn)移擴(kuò)散。在導(dǎo)堤內(nèi)進(jìn)入或越過航道的泥沙量很少，出導(dǎo)堤后進(jìn)入或越過航道的泥沙量更少。

b）通過對(duì)回槽率的估算和探討，在拋泥后第2 d，泥沙回槽率＜4.6%；拋泥后第3 d，泥沙回槽率＜5.6%；拋泥后第4 d，泥沙回槽率＜5.3%。同時(shí)，根據(jù)泥沙的運(yùn)移擴(kuò)散規(guī)律和航道的延伸方向等推斷，隨著時(shí)間的推移泥沙回槽率將越來越低。

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Sediment movement tendency investigated in the silt-thrown area in the southside of lower sea-route in the Yangzi estuary north trough using tracer technique

ZHANG Xiao-long1,2,3, LIU Dun-wu3, WANG Hui-yan2, XU Jia-sheng2, WANG Jing-chuan2, LI Jun-sheng2
(1. Environmental Science and Engineering College, Dalian Maritime University, Dalian 116026, China;2. First Institute of Oceanography, SOA, Qingdao 266061, China; 3. Huawei Marine Networks Limited Company, Tianjin 300457, China)

An on-site tracer test has been carried for the sediment movement tendency of the silt-thrown area in the southside of lower sea-route in the Yangzi estuary north trough. The result indicates that the sediment movement and diffusion main direction is parallel with the sea-route inside the guide levees. Its distribution is almost long-band shape.Out of the guide levees, the sediment movement and diffusion main directions deviate toward the southeast. Little sediment enters in or over the sea-route in the guide levees, loss out of the guide levees. Then, the sediment return-trough ratio is calculated and analyzed. The conclusion is that sediment return-trough ratio is ＜4.6% at the second day, ＜5.6% at the third day and ＜5.3% at the fourth day after sediment is thrown in the silt-thrown area. This research lays a scientific foundation for the silt-thrown area selected in southside of lower sea-route in the Yangzi estuary north trough.

Yangzi estuary north trough lower sea-route; silt-thrown area; neutron activation tracer technique;sediment movement; return-trough ratio

P737.12+1; TV148+.1

A

1001-6932(2010)03-0277-06

2009-03-18；

2009-09-27

國(guó)家自然科學(xué)基金資助（40572142）

張效龍（1975－），男，河南博愛人，副研究員，大連海事大學(xué)在讀博士，主要從事海洋工程環(huán)境及海底光纜路由勘察方面的工作和研究。電子郵箱：zhangxiaolong@fio.org.cn或zhangxiaolong@huaweimarine.com