近年來長江口南港河道泥沙特性變化研究

朱文武，李九發(fā)，LAWRENCE P. Sanford，王飛，張曉鶴

（1.華東師范大學(xué) 河口海岸學(xué)國家重點實驗室，上海 200062；2.馬里蘭大學(xué)環(huán)境科學(xué)中心 角點實驗室，馬里蘭 21613）

河口是河流搬運物質(zhì)入海的必經(jīng)之地，是流域來沙的天然“過濾器”。流域來沙在河口區(qū)域潮流-徑流以及鹽水-淡水相互作用的影響下，將產(chǎn)生各種復(fù)雜的物理、化學(xué)、生物和沉積過程，在河口形成灘槽相間的地貌格局，并對入海泥沙通量產(chǎn)生影響。因此，流域來水來沙條件的變異必將在很大程度上改變河口泥沙輸移特性，并對河口泥沙的顆粒組成，含沙量的分布和變化，以及灘槽演變和三角洲沖淤進退，甚至河口生態(tài)環(huán)境、港口航道工程等產(chǎn)生重大的影響（Milliman et al，1985）。

隨著流域人類活動的增強，全球河流入海泥沙通量自20 世紀中后期開始呈減少趨勢，如尼羅河（Stanley et al，1998），多瑙河（Walling et al，2003），密西西比河（Meade et al，1984），埃布羅河（Sánchez-Arcilla et al，1998） 和黃河（Chen et al，2002） 等。長期河流輸沙量記錄表明，河流泥沙通量減少的人為影響因素主要有大壩建設(shè)，土地開墾，水土保持和各種泥沙控制工程等，其中大壩建設(shè)截流了大量的河流泥沙被認為是導(dǎo)致河流輸沙減少的最重要因素。長江是我國第一大河，也是世界重要的河流之一。近年來，長江流域的大壩建設(shè)，水土保持等人類活動也導(dǎo)致其流域來沙明顯減少（杜景龍 等，2013）。尤其是2003年三峽大壩蓄水攔沙以來，大通站年輸沙量已降至1.43×108t（2003-2011 平均值），不及20 世紀70年代之前的三分之一。有研究表明，流域來沙銳減已導(dǎo)致長江河口三角洲前緣由淤積轉(zhuǎn)為侵蝕（Yang et al，2011；杜景龍等，2012）。在流域來沙銳減的背景下，長江河口區(qū)域內(nèi)的含沙量分布、泥沙顆粒沉速、泥沙顆粒組成和形態(tài)等特性必然會發(fā)生一定的響應(yīng)變化，而這些科學(xué)問題仍值得深入研究。

南港上連南支，下接南北槽，是長江口第二級分汊的重要河道，成為北槽深水航道向上延伸的必經(jīng)之地，同時也是上海外高橋港口及長興造船廠所在區(qū)段（閆龍浩等，2010），見圖1。因此，在流域來沙銳減的背景下，研究南港河道泥沙特性的響應(yīng)變化，具有重要的理論和現(xiàn)實意義，可為南港港口航道工程的建設(shè)及維護提供科學(xué)參考。本文基于南港多年實測水文泥沙資料，結(jié)合實驗室泥沙顆粒電鏡觀測數(shù)據(jù)，對近年來尤其是三峽大壩蓄水攔沙后南港河道泥沙特性的變化進行分析研究。

圖1 研究區(qū)域及測站位置

1 數(shù)據(jù)和方法

2011年洪季（8月） 在南港上游河道A 和下游河道B 兩個站位（圖1） 進行了連續(xù)8 d 的觀測。潮流流速和流向由多普勒流速剖面儀（ADCP）觀測；同時采用相對水深六點法（0.0H，0.2H，0.4H，0.6H，0.8H，1.0H） 在每小時整點時刻取水樣（在典型時刻取雙樣），以供實驗室測量含沙量。分別在高流速和低流速的條件下取床面沉積物樣。沉積物樣和水樣經(jīng)過去除有機質(zhì)，分散，再用粒度分析儀（Mastersizer 2000） 測量泥沙粒徑大小。同時，取少量懸沙樣品放置于玻片上，經(jīng)過干燥，鍍膜，再用掃描電子顯微鏡（JSM-5610） 觀測泥沙的微觀形態(tài)和大小。此外，本文還收集了A、B 兩測站2002-2010年洪季（8月） 大潮（兩個潮周期） 的水沙數(shù)據(jù)，并對數(shù)據(jù)進行了同化，利用加權(quán)平均法計算得到每小時垂線平均流速和垂線平均含沙量（張志林等，2010）。考慮到資料的完整性和可比性，本文僅選取每年洪季大潮數(shù)據(jù)作為代表，分析南港河道泥沙特性的變化。

河口水體中懸沙的來源包括水平方向的輸送（平流作用） 和底部泥沙的再懸浮。實際上，平流挾帶的懸沙往往是異地再懸浮的泥沙隨潮搬運而來（陳沈良等，2004）。下文所述的泥沙再懸浮包括本地再懸浮和異地再懸浮。為了研究泥沙的再懸浮作用，定義再懸浮率如下：

其中：F 是再懸浮率；Cmax為漲落急時刻最大含沙量平均值；Cb為漲落憩時刻最小含沙量平均值，即水體背景含沙量（Sanford et al，1991）；Cres為再懸浮產(chǎn)生的含沙量。

為了分析泥沙粒徑的變化，利用馮卡門-普朗特對數(shù)流速公式（Oertel，2004） 估算了剪切速度：

其中：u 為距床面z 處的流速；U*為剪切速度；κ為卡門常數(shù)，通常取0.41（Nowell，1983）；z0為粗糙度。對（3） 式進行最小二乘法線性回歸分析，最后計算得到剪切速度U*。

利用Rouse 公式（Rouse，1937） 估算了Rouse數(shù)和泥沙沉速，其解析解通常表示為：

其中：C 和Ca分別為距床面z 和a 處的懸沙濃度；H 是總水深；ws是泥沙沉速；β 是泥沙和動量湍流擴散系數(shù)的比例常數(shù)，通常取1；P 即為Rouse 數(shù)，其值越小，懸沙垂線分布越均勻。對（4） 式兩邊求自然對數(shù)并進行最小二乘法線性回歸分析，最后計算得到泥沙沉速ws（=κU*P）。

2 南港泥沙基本特性

南港是長江口第二級分汊的重要河道之一，流域來水來沙近一半經(jīng)南港輸送入海。南港潮汐為非正規(guī)半日潮，月平均潮差2.52 m，多年平均漲落潮歷時分別為4.85 h 和7.53 h；漲落潮流向集中，屬典型的往復(fù)流；洪季平均流速大于枯季，落潮平均流速大于漲潮，南港主槽以落潮流為主（楊許侯等，1999）。多年統(tǒng)計資料表明，南港含沙量洪季大于枯季，洪枯季平均含沙量分別為0.41 kg/m3和0.34 kg/m3；大潮大于小潮，大小潮平均含少量分別為0.46 kg/m3和0.27 kg/m3；一般情況下落潮含沙量大于漲潮含沙量，但如果遇到風(fēng)浪天氣，也存在相反情況。在泥沙組分方面，懸沙平均中值粒徑為15 μm；床沙以細砂和粉砂為主，平均中值粒徑為150 μm（戚秀蓮 等，2000；Li et al，1998）。

3 含沙量的時空變化

3.1 含沙量的年際變化

含沙量是泥沙的重要特性之一，南港河道A和B 兩測站2002-2011年洪季（8月） 大潮（兩個潮周期） 平均含沙量的年際變化如圖2 所示。從圖2a 可以看出，2002-2009年南港上游河道含沙量變化不大，基本在0.40 kg/m3左右。只是2006年的含沙量稍微偏低，分析認為與2006年流域的特枯水情有關(guān)。然而2009年以后，含沙量開始明顯減少，2011年的含沙量僅為0.25 kg/m3。這可能表明自2003年三峽大壩蓄水攔沙后，南港上游河道的含沙量響應(yīng)減少存在滯后現(xiàn)象。南港下游河道B測站的平均含沙量比A 測站小，約為0.30 kg/m3。圖2b 表明2002-2011年南港下游河道含沙量時高時低，變化范圍為0.23～0.34 kg/m3，但沒有明顯的趨勢變化，可能表明南港下游河道的含沙量對河流來沙銳減的響應(yīng)不大，這應(yīng)該與再懸浮作用產(chǎn)生的泥沙補給有關(guān)。有學(xué)者得出，河口經(jīng)過長期的沉積過程形成一個可侵蝕“泥庫”，只要“泥庫”能夠滿足河口系統(tǒng)再懸浮泥沙的能力，該河口水體含沙量可視為再懸浮控制。流域來沙的減少最終會導(dǎo)致可侵蝕“泥庫”耗盡，此時河口水體含沙量會從再懸浮控制轉(zhuǎn)變?yōu)榱饔蚬┥晨刂?，因此含沙量會迅速減少（Schoellhamer，2011）。此外，研究表明由于受河流直接影響的程度不同，長江河口上游河道含沙量對流域來沙變化的響應(yīng)比河口中下游更為敏感（Dai et al，2013；Li et al，2012）。因此，上面結(jié)果似乎表明南港上游河道含沙量于2009年從再懸浮控制轉(zhuǎn)變?yōu)榱饔蚬┥晨刂?，而下游河道含沙量仍然為再懸浮控制?/p>

圖2 A、B 兩測站洪季大潮平均含沙量的年際變化

3.2 流速和含沙量的潮周期變化

以三峽大壩蓄水攔沙之前的2002年和之后的2011年為例，分析流速和含沙量的潮周期變化過程。圖3 顯示了南港上游河道A 測站分別在2002年和2011年洪季大潮垂線平均流速和含沙量的變化過程。2002年潮流經(jīng)歷了漲憩-落急-落憩-漲急的循環(huán)過程（圖3a）。比較流速和含沙量的變化過程（圖3b），在漲憩之后出現(xiàn)一個低含沙量（背景含沙量） 時期，落憩時低含沙量滯后最小流速1 小時左右。由于流速變化較快，落憩之后的低含沙量往往高于漲憩時的低含沙量。隨著漲潮或落潮流速的增大，河床底部泥沙懸浮增強使得水體含沙量迅速增大。2011年流速和含沙量的變化過程幾乎完全一致，漲落憩時含沙量相對于流速并沒有明顯的時間滯后（圖3c 和3d）。這說明2011年南港上游河道泥沙顆粒憩流時刻沉得較快，即泥沙顆粒相對變粗。

圖3 A 測站2002年（a，b） 和2011年（c，d） 洪季大潮流速和含沙量的潮周期變化

相對于A 測站，B 測站流速和含沙量的潮周期變化稍微不同（圖4）。2002年落憩時刻最低含沙量與最低流速同時出現(xiàn)并不存在時間滯后（圖4a 和4b）；而在漲憩時刻最低含沙量滯后最低流速大約1 小時。2011年流速和含沙量的變化過程與2002年基本一致（圖4c 和4d）。

圖4 B 測站2002年（a，b） 和2011年（c，d） 洪季大潮流速和含沙量的潮周期變化

總之，南港上、下游河道流速和含沙量的變化對流域來沙銳減及陸海動力作用差異性的響應(yīng)存在不一致性。

根據(jù)前文公式1 和2 計算得到再懸浮產(chǎn)生的含沙量Cres以及再懸浮率F。表1 顯示了A、B 兩測站2002 和2011年洪季水體背景含沙量Cb，再懸浮量Cres以及再懸浮率F。和2002年相比，2011年兩測站背景含沙量均減小，且A 測站的背景含沙量減小了更多。雖然A 測站的再懸浮量減小而再懸浮率卻相對增大；B 測站的再懸浮量增大且再懸浮率也相對增大。計算結(jié)果表明，南港泥沙再懸浮作用2002 和2011年都很強，平均再懸浮量為0.232±0.021 kg/m3，達到了漲落急最大含沙量的一半以上；和2002年相比，兩測站2011年再懸浮率略增大，其中南港上游河道增大了1.6%，而南港下游河道增大了4.7%，這也是南港下游河道含沙量變化不大的原因所在。

表1 A、B 兩測站2002 和2011年洪季水體背景含沙量，再懸浮量及再懸浮率

3.3 流速和含沙量的垂向變化

分別對每層流速和含沙量進行潮周期平均得到南港A、B 兩測站2002 和2011年洪季平均流速和含沙量的垂向分布圖（圖5）。如圖所示，流速從底層到表層逐漸增大（圖5a 和5c），而含沙量從底層到表層卻逐漸減?。▓D5b 和5d）。相對2002年，2011年A 測站上層流速基本不變，而中下層流速變大（圖5a）；B 測站下層流速變大，而中上層流速變?。▓D5c），最大流速出現(xiàn)在0.2 層并非表層，這是由水面風(fēng)的作用引起的。與2002年相比，2011年兩測站中上層含沙量變小而下層含沙量變大（圖5b 和5d）。流速和含沙量的垂向分布均符合Rouse 剖面動力學(xué)規(guī)律，即流速垂直梯度越小，含沙量垂直梯度越大。

4 泥沙顆粒沉速和粒徑的變化

圖5 A（a，b）、B（c，d） 兩測站2002 和2011年洪季大潮流速和含沙量的垂向變化

根據(jù)前文公式3-5 估算出Rouse 數(shù)P，剪切速度U*，泥沙沉速ws，并根據(jù)泥沙沉速和Stokes 沉降規(guī)律得到泥沙當量粒徑De，見表2。相對于2002年，2011年兩測站的剪切速度變小而Rouse數(shù)變大。而剪切速度的變小是流速和含沙量垂向分布變化的主要原因，其次就是泥沙沉速增大的原因。2011年A 測站泥沙沉速（0.421 cm/s） 遠大于2002年（0.240 cm/s），而B 測站2002 和2011年的泥沙沉速分別為0.708 cm/s 和0.709 cm/s，幾乎完全一致。南港區(qū)域鹽度通常很低并且垂向混合均勻（孔亞珍等，2004）。雖然泥沙沉速的影響因素有很多，但對于同一地點而言，更高的沉速通常意味著更粗的顆粒。當量粒徑也表明，近年來A 測站的泥沙顆粒變大而B 測站的泥沙顆粒大小基本不變。

綜合上文對含沙量年際變化和潮周期變化的分析可以得出，近年來南港上游河道水體含沙量及背景含沙量變小，泥沙顆粒沉速變大，即泥沙粒徑變粗，細顆粒泥沙組分變少；而南港下游河道水體含沙量及背景含沙量、泥沙顆粒組分的變化均不明顯，表明在流域來沙銳減的背景下，南港泥沙細顆粒組分在時間和空間上呈現(xiàn)滯后減少的特點。

表2 A、B 兩測站不同年份Rouse 數(shù)，剪切速度，泥沙沉速和當量粒徑

5 泥沙顆粒組成和形態(tài)的垂向變化

為研究南港懸沙和底沙的交換，對A 測站2011年洪季大潮期間懸沙和床沙的顆粒組成和形態(tài)進行分析。如表3 所示，在高流速條件下水體中的泥沙顆粒較大，反之較小。總體上，粒徑由表層至底層逐漸增大。在大潮落急時刻，近底層（1.0H） 泥沙中值粒徑為43.28 μm，有些極值顆粒可達數(shù)百微米（圖6a）；中層（0.6H） 泥沙中值粒徑為23.73 μm，仍然有些極值顆粒可達數(shù)百微米（圖6b）；次表層（0.2H） 泥沙中值粒徑為11.96 μm，但也有些顆粒大于100 μm（圖6c），此時床面沉積物的中值粒徑為170 μm。在大潮漲憩時刻，各層流速和泥沙中值粒徑都很小并且變化不大，床面沉積物的中值粒徑只有6.30 μm，和水體中泥沙中值粒徑基本一致，電鏡照片顯示泥沙細小，單個顆粒不明顯（圖6d）。

表3 A 測站2011年洪季大潮期間中值粒徑和流速的垂向分布

泥沙顆粒組成和形態(tài)的垂向變化表明近期南港上游河道底沙運動活躍，懸沙和底沙的交換作用強烈（表3）。在漲落憩時刻，流速很小，懸沙會落淤河床，床面沉積物相對較細；在漲落急時刻，流速增大，沉積的泥沙又被再懸浮進入水體，床面沉積物相對較粗。圖6b 中的泥沙顆粒較大且被磨圓拋光得很好，表明此類泥沙可能曾作為推移質(zhì)經(jīng)歷了長期的滾動過程；而圖6c 中的泥沙顆粒較小且表面很粗糙，表明此類泥沙可能并未經(jīng)歷長期的滾動過程而常懸浮在水中。可見，由于泥沙再懸浮作用增強，近期南港上游河道底沙運動活躍，懸沙和底沙的交換作用強烈。

圖6 A 測站2011年洪季大潮期間泥沙掃描電鏡照片（圖中橫線為比例尺）

6 結(jié)論

近年來長江口南港河道泥沙特性在三峽大壩蓄水攔沙后呈現(xiàn)一定的時間和空間變化規(guī)律。

（1） 南港上游河道含沙量在三峽大壩蓄水攔沙后的前幾年變化不大，但從2009年開始顯著減少。南港下游河道含沙量到目前為止響應(yīng)變化較小。

（2） 南港兩測站流速和含沙量的潮周期變化表明，南港上、下游河道流速和含沙量的變化對流域來沙銳減及陸海動力作用差異性的響應(yīng)存在不一致性。

（3） 泥沙再懸浮對南港含沙量的貢獻較大，再懸浮量可以達到最大含沙量的一半以上。并且，南港泥沙再懸浮作用相對三峽大壩蓄水攔沙之前有所增強。

（4） 泥沙顆粒組成和形態(tài)的垂向變化表明，由于泥沙再懸浮作用增強，近年來南港上游河道底沙運動活躍，懸沙和底沙的交換作用強烈。

（5） 在流域來沙銳減的背景下，南港泥沙特性最主要的變化是細顆粒泥沙組分的滯后減少。南港上游河道水體背景含沙量變小，泥沙顆粒沉速變大，即泥沙粒徑變粗，細顆粒泥沙組分變少；而南港下游河道水體背景含沙量、泥沙顆粒組分的變化均不明顯?？梢?，南港河道泥沙特性變化正處于對流域來沙銳減和陸海動力相互作用的調(diào)整過程中。

致謝：華東師范大學(xué)河口海岸學(xué)國家重點實驗室的戴志軍老師給本文提出了寶貴建議；電子顯微鏡中心的倪兵老師在電鏡觀測過程中給予了幫助；323 課題組成員參與了實地取樣工作，在此一并致謝！

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