長江口深水航道三期工程前后北槽中上段水動力及含沙量變化特征

劉高偉，程和琴，楊忠勇

(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.上海河口海岸科學(xué)研究中心，上海 201201;3.三峽大學(xué) 水利與環(huán)境學(xué)院，湖北 宜昌 443002)

長江口為中等強(qiáng)度潮汐河口，口內(nèi)為非正規(guī)半日淺海潮，口外為正規(guī)半日潮，平均潮周期12.5 h［1］。受上游攜帶巨量徑流、泥沙的作用以及外海潮汐和近海環(huán)流影響，水動力條件復(fù)雜，河口地形沖淤多變。經(jīng)過長期歷史演變，長江口形成了目前“三級分汊，四口入?！钡暮觿莞窬郑?］。北槽是長江口主要入海通道之一，深水航道整治前維護(hù)水深為7m(理論最低潮面以下，下同)，一期工程于1998—2000年實施，航道水深從7m增至8.5m;二期工程于2002—2005年實施，航道水深由8.5m增至10m，2005年11月通過國家驗收，并同期延伸到南京;三期工程于2006—2010年實施，達(dá)到了全槽貫通12.5m航道水深的目標(biāo)［3］。

2005年3月北槽深水航道二期工程10m水深全線貫通，三期工程于2006年9月25日正式開工，以疏浚工程為主，還包括長江口整治建筑物減淤工程丁壩加長工程和南導(dǎo)堤加高工程，中上段河寬縮窄，以加大水流的沖沙能力。2010年3月14日，長江口深水航道治理三期工程竣工驗收，標(biāo)志著全長92.2km，底寬350～400m，水深12.5m的長江口雙向高速航路正式投入運行［4］。目前，第三、四代集裝箱船和5萬t級船舶可以全天候雙向通航，第五、六代集裝箱船和10萬t級滿載散貨船及20萬t級減載散貨船可乘潮進(jìn)出長江口。三期工程完成后，北槽深水航道工程建設(shè)前后其周圍環(huán)境將發(fā)生相應(yīng)變化，不少學(xué)者曾對深水航道一、二期工程前后北槽最大渾濁帶分布［5］、北槽河段沖淤演變［6－7］、南北槽分汊段河槽演變［8］及分流分沙變化［9－10］作過大量研究;也有學(xué)者根據(jù)現(xiàn)場實測資料分析三期工程建設(shè)期的南北槽分流分沙比變化［11］;同時，對整個工程(一、二、三期工程)前后北槽潮汐特征［12］、北槽鹽度分布［13］、南北槽分流口河槽演變［14］、北槽水沙過程［15］也有所研究。然而，對北槽深水航道二期工程竣工以來潮汐、潮流及含沙量變化特征的研究尚不多見。

因此，本文擬根據(jù)2006—2013年洪、枯季大潮北槽深水航道內(nèi)實測水沙數(shù)據(jù)，利用調(diào)和分析及數(shù)據(jù)同化處理潮汐、潮流及含沙量資料，分析深水航道二期工程竣工以來該水域潮汐、潮流及含沙量變化特征，這對今后深水航道維護(hù)與治理不僅具有重要理論價值，而且具有重要工程實踐意義。

1 資料與方法

1.1 水沙數(shù)據(jù)收集及處理

本文收集了2006和2013年洪季(6—8月)橫沙和北槽中潮位站潮位資料，還收集了2006，2008，2011年洪季大潮和2006，2009，2013年枯季大潮時利用聲學(xué)多普勒流速剖面儀(ADCP)連續(xù)定點長序列觀測的水沙數(shù)據(jù)，具體觀測站點和觀測時間見圖1和表1。其中，水沙數(shù)據(jù)主要包括流速、流向、含沙量和鹽度，ADCP測量的聲學(xué)頻率為1200 kHz。含沙量由逐時于整點時刻分層采集水樣，采集時使用“六點”法且與ADCP所測流速分層相對應(yīng):表層(水面下0.5m)，0.2，0.4h，0.6h，0.8h，底層(離床面0.5m)。另外，本文將2006年視為二期工程竣工后(三期工程前)，2008和2009年視為三期工程施工期間，2011和2013年視為三期工程竣工后。

圖1 長江口北槽深水航道測點位置Fig.1 Sketch map of north passage of Yangtze estuary and observation points

表1 觀測站點和觀測時間Tab.1 Observation points and observation time

1.2 優(yōu)勢流、優(yōu)勢沙計算

優(yōu)勢流最早見于H.B.Simmons等［16］的研究，即在感潮河口將各測點的全潮流速過程線中落潮單寬流量過程線包絡(luò)面積除以漲潮和落潮單寬流量絕對值之和，若商大于50%，代表落潮優(yōu)勢流為主，若小于50%，則漲潮優(yōu)勢流為主，其商為50%時，表明漲落潮流量相等，這個位置為滯流點位置［17－18］。

式中:RQ為優(yōu)勢流;Tf(Te)為平均落(漲)潮歷時;Vf(Ve)為平均落(漲)潮流速。優(yōu)勢沙與優(yōu)勢流相似，用落潮單寬輸沙量除以漲落潮單寬輸沙量之和的百分比表示［19］。

式中:Rs為優(yōu)勢沙;Sf(Se)為平均落(漲)潮含沙量。

1.3 調(diào)和分析

北槽上段潮汐特征值主太陰半日分潮振幅(HM2)、太陰太陽赤緯日分潮振幅(HK1)、主太陰日分潮振幅(HO1)、太陰淺海分潮振幅(HM4)、太陰太陽淺海分潮振幅(HMS4)通過橫沙站潮位資料的調(diào)和分析獲得;北槽中段M2分潮的橢圓長軸、方向、橢率是通過實測站點潮流資料的調(diào)和分析獲得，含沙量特征值通過實測站點含沙量資料的調(diào)和分析獲得。

1.4 數(shù)據(jù)同化處理

當(dāng)日分潮和半日分潮為同向的前進(jìn)波時，無論漲潮過程或落潮過程，潮流流速與潮差的相關(guān)度都較高［20］。鑒于長江口北槽半日分潮波為前進(jìn)波，日分潮波以前進(jìn)波為主，伴有一定的駐波成分［21］，則本文可以近似采用潮汐－潮流比較法將相同潮型不同潮差下的流速歸算到相同潮差下的流速進(jìn)行分析。以某一年份測點附近潮位站潮差為標(biāo)準(zhǔn)，將其他年份實測流速(測量時段對應(yīng)測點附近潮位站的潮差)按潮差正比關(guān)系換算出相對流速，利用相對流速來分析潮流流速變化［22－23］。由于實測站點距離北槽中潮位站較近，故本文以北槽中潮位站潮差為標(biāo)準(zhǔn)來進(jìn)行流速換算。

2 結(jié)果分析

2.1 潮汐變化特征

2.1.1 潮汐性質(zhì) 三期工程前后橫沙潮位站主要分潮振幅變化見表2?？梢?，三期工程后，北槽中上段HM4以及HMS4的增幅遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于HM2的增幅，且上段增幅更明顯。

表2 北槽深水航道三期工程前后橫沙潮位站主要分潮振幅變化特征Tab.2 Variation of several constituents in Hengsha tidal gauge before and after completion of regulation works

根據(jù)潮汐性質(zhì)來判別，北槽海域半日潮性質(zhì)判別系數(shù)F=(HK1+HO1)/HM2，三期工程前橫沙潮位站F值為0.45，工程后減至0.36，減幅20%;工程前，北槽中潮位站F值為0.44，工程后減至0.34，減幅23%(表2)。工程前后F值均小于0.5，表明工程前后均屬半日潮性質(zhì)。淺水分潮判別系數(shù)G=HM4/HM2，工程前橫沙潮位站G值為0.12，工程后增至0.15，增幅25%;北槽中潮位站工程前后G值基本不變(表2)。這表明三期工程前后該海域潮汐性質(zhì)均為非正規(guī)半日淺海分潮。

2.1.2 潮汐特征 潮差和漲落潮歷時是表述潮汐特征的重要指標(biāo)。洪季大潮，北槽中段平均潮差隨三期工程建設(shè)依次減少23cm和2cm;枯季大潮，北槽中段平均潮差隨三期工程建設(shè)依次減少5cm和71cm(表3)。2006—2013年北槽中段洪枯季大潮漲、落潮平均歷時變化不大(表3)。

表3 2006—2013年洪、枯季大潮北槽深水航道潮流特性Tab.3 Tidal current characteristics in north passage during spring tide in flood and dry season from 2006 to 2013

2.2 潮流變化特征

2.2.1 潮流橢圓要素 鑒于北槽中上段主要以主太陰半日分潮流M2主控潮流運動［24］，通過對各層流速的調(diào)和分析，得出M2分潮的調(diào)和常數(shù)和橢圓要素(表4)。從潮流垂向變化上來看，該海域M2分潮流為往復(fù)流;長軸中上層最大、表層略小、底層最小;除個別表層橢率較為特殊外，其余越接近海底橢率越大。本文以M2分潮垂線平均下的橢圓要素為例，對北槽深水航道三期工程前后中段潮流橢圓要素變化進(jìn)行分析。

表4 三期工程前后北槽深水航道中段M2分潮各層橢圓要素分布Tab.4 Eclipse axis and ellipticity of M2tidal current in middle part of north passage before and after completion of regulation works

工程前洪季(2006年8月)M2分潮垂線平均長軸長為1.84 m/s，工程后(2011年8月)增至1.90m/s，增幅為3.3%(0.06m/s);工程前枯季(2006年3月)垂線平均長軸長為1.72m/s，工程后(2013年2月)減至1.65m/s，減幅為4.1%(0.07m/s)(表4)。工程前洪季橢率為0.11，工程后減至0.09，減幅為18.2%(0.02);工程前枯季橢率為0.03，工程后減至0.02，減幅為33.3%(0.01)(表4)。工程前洪季長軸向為108°，工程后向北偏轉(zhuǎn)6°，偏轉(zhuǎn)幅度為5.6%;工程前枯季長軸向為112°，工程后向北偏轉(zhuǎn)14°，偏轉(zhuǎn)幅度為12.5%(表4)。

2.2.2 漲、落潮及全潮平均流速 洪季大潮，工程前漲潮平均流速為1.11 m/s，落潮平均流速為1.53m/s，全潮平均流速為1.38 m/s;工程后漲、落潮及全潮平均流速略有減小，分別為1.04，1.43和1.29 m/s，減幅分別為6.3%(0.07m/s)，6.5%(0.1 m/s)和6.5%(0.09 m/s)(表3)?？菁敬蟪保こ糖皾q、落潮及全潮平均流速分別為0.91，1.37和1.16m/s;工程后漲、落潮及全潮平均流速分別減至0.74，1.12和0.94 m/s，減幅分別為18.7%(0.17m/s)，18.2%(0.25m/s)和19%(0.22m/s)(表3)。

2.2.3 優(yōu)勢流 洪季大潮，工程前優(yōu)勢流為0.67，工程后為0.64，減幅為4.5%(0.03);枯季大潮，工程前優(yōu)勢流為0.67，工程后為0.64，減幅為4.5%(0.03)(表3)。

2.3 含沙量變化特征

2.3.1 不同分潮作用下的含沙量變化特征 長江口含沙量在徑流、潮流、波浪等動力作用下的變化較為復(fù)雜，為了便于分析北槽深水航道中段工程前后含沙量變化特征，通過調(diào)和分析得到不同分潮對懸沙的貢獻(xiàn)量(表5)，再對不同分潮的懸沙貢獻(xiàn)量進(jìn)行分析。

表5 北槽深水航道三期工程前后各測點、各層、不同分潮作用下的含沙量Tab.5 Suspended sediment concentration variation of several constituents in middle part of north passage before and after completion of regulation works (g·L－1)

北槽中段余流對含沙量貢獻(xiàn)遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于M2，M4分潮對含沙量的貢獻(xiàn)。M2分潮對表層及0.2層含沙量的貢獻(xiàn)大于M4分潮，M4分潮對0.4層至底層含沙量的貢獻(xiàn)大部分都大于M2分潮(表5)，分析表明，隨水深增加，M4分潮對含沙量的貢獻(xiàn)比M2分潮對含沙量的貢獻(xiàn)大。

2.3.2 漲、落潮及全潮平均含沙量 洪季大潮，工程前落潮、漲潮及全潮平均含沙量分別為0.94，1.15和1.01 g/L;工程后，落潮、漲潮及全潮平均含沙量增幅分別為63.8%(0.6 g/L)，22.6%(0.26 g/L)和47.5%(0.48 g/L)(表6)?？菁敬蟪?，工程前落潮、漲潮及全潮平均含沙量分別為0.76，0.93和0.84 g/L;工程期間，落潮、漲潮及全潮平均含沙量增幅分別為40.8%(0.31g/L)，34.4%(0.32g/L)和36.9%(0.31g/L)(表 6)。

表6 2006—2013年洪、枯季大潮北槽深水航道各測點含沙量特征值Tab.6 Suspended sediment concentration characteristic values in middle part of north passage during spring tide in flood and dry season from 2006 to 2013

2.3.3 優(yōu)勢沙 洪季大潮，工程前優(yōu)勢沙為0.62，工程后為0.66，增幅為6.5%(0.04);枯季大潮，工程前優(yōu)勢沙為0.63，工程期間減至0.58，減幅為7.9%(0.05)(表6)。

3 影響因素分析

3.1 深水航道三期工程

潮汐通道中潮動力的非線性特征主要表現(xiàn)在潮波的倍潮(如M4，M6等)或復(fù)合潮(如MS4等)等振幅的產(chǎn)生或增加，其影響因素主要是潮汐通道中急劇變化的平面形態(tài)及水深等邊界條件［25－28］。北槽深水航道三期工程以疏浚工程為主，還包括長江口整治建筑物減淤工程、丁壩加長工程和南導(dǎo)堤加高工程，中上段河寬縮窄，以束窄水流來加大水流的沖沙能力。三期工程將原來二期工程的10m水深疏浚至12.5m，且中上段縮窄、丁壩加長、南導(dǎo)堤加高，劇烈的水深及邊界條件改變，使北槽中上段半日分潮M2的振幅略增，全日潮K1和O1的振幅變小，淺水分潮M4和SM4的振幅增大(表2)，潮動力的非線性特征表現(xiàn)明顯，且非線性特征加強(qiáng)。可見，三期工程使北槽中上段產(chǎn)生劇烈的水深及邊界條件改變，其潮動力非線性特征加強(qiáng)是主要原因。

無論是洪季大潮還是枯季大潮，漲、落潮垂線平均流速在潮周期內(nèi)均呈減小趨勢，洪季減小0.1 m/s，枯季減小0.2m/s，長軸均向北偏(表3，表4)?，F(xiàn)場測量時，為保證測船上人員安全和避免過往船只影響測量，測點位置距離深水航道工程南導(dǎo)堤比較近(圖1)。有研究表明深水航道工程南導(dǎo)堤的建設(shè)對其附近潮流流速具有一定阻礙作用，且對流向及漲、落潮歷時也有不同程度影響［29］?？梢姡钏降廊诠こ讨械哪蠈?dǎo)堤加高工程會進(jìn)一步加大其對附近漲、落潮流速的阻礙作用，繼而減小漲、落潮流速，使長軸向向北偏轉(zhuǎn)。

3.2 流域來水來沙及泥沙再懸浮季節(jié)性變化

北槽中段處于攔門沙區(qū)域，無論洪季大潮還是枯季大潮，一個潮周期內(nèi)泥沙再懸浮出現(xiàn)3～4次，且洪季底層含沙量明顯高于枯季，但枯季懸沙濃度混合強(qiáng)度要大于洪季。這主要是由于枯季徑流作用弱，上游來沙較少(圖2)，潮汐動力條件加強(qiáng)，懸沙主要來源以漲、落潮流掀起的再懸浮泥沙為主所致;再加上枯季水溫較低，不利于細(xì)顆粒泥沙的絮凝和沉降，從而加強(qiáng)了高濃度含沙水團(tuán)的垂向擴(kuò)散;且懸浮泥沙在水體中滯留時間較長，這說明泥沙再懸浮是枯季北槽中段懸沙主要來源［8，30－31］。洪季時，上游來沙量較多(圖 2)，徑流作用強(qiáng)，將北槽上段部分懸沙帶至中段;再加上洪季水溫較高，有利于細(xì)顆粒泥沙絮凝和沉降，使得表層和次表層懸沙濃度偏低，中下層懸沙濃度較高，這說明上游來沙及泥沙再懸浮是洪季北槽中段懸沙主要來源。可見，受上游來水來沙量和泥沙再懸浮強(qiáng)度的季節(jié)性變化影響，洪、枯季北槽中段垂線平均懸沙濃度較高且相差不大，但洪季底層懸沙濃度遠(yuǎn)高于枯季(見表6和圖3)。

圖2 2006—2013年大通站月徑流量和月輸沙量Fig.2 Monthly runoff and sediment load of Yangtze estuary measured at Datong station from 2006 to 2013

綜上所述，深水航道三期工程中南導(dǎo)堤的加高使北槽中段河槽流速減小，受上游來水來沙量和泥沙再懸浮強(qiáng)度的季節(jié)性變化影響，洪、枯季北槽中段垂線平均懸沙濃度較高且相差不大;流速減小會使大量懸沙落淤，再加上北槽上段潮動力的非線性特征增加強(qiáng)于中段，將驅(qū)使上段懸沙向中段輸運并落淤，從而造成中段河槽呈淤積狀態(tài)?？梢?，深水航道三期工程南導(dǎo)堤加高的阻流作用，泥沙再懸浮和上游來水來沙使中段懸沙濃度增大，以及上段潮動力的非線性特征增強(qiáng)幅度大于中段，對北槽中段河槽淤積產(chǎn)生了很大影響。

圖3 含沙量變化過程(單位:kg·m－3)Fig.3 Suspended sediment concentration graphs of north passage(unit:kg·m－3)

4 結(jié)語

(1)北槽深水航道三期工程后，中上段洪季半日分潮M2的振幅略增，全日潮K1和O1的振幅變小，淺水分潮M4和SM4的振幅增大，表明該海域半日潮、淺水分潮性質(zhì)增強(qiáng)，全日潮性質(zhì)減弱。中段洪、枯季大潮平均潮差逐漸減小，且枯季平均潮差減小幅度大于洪季，漲、落潮平均歷時變化較小。

(2)三期工程后，中段洪季大潮M2分潮流垂線平均長軸增幅為3.3%，且長軸向向北偏轉(zhuǎn)6°，偏轉(zhuǎn)幅度為5.6%，橢率減幅為18.2%;枯季大潮垂線平均長軸減幅為4.1%，且長軸向向北偏轉(zhuǎn)14°，偏轉(zhuǎn)幅度為12.5%，橢率減幅為33.3%。工程后，洪、枯季大潮漲、落潮平均流速均減小，且枯季減小幅度大于洪季;洪、枯季大潮優(yōu)勢流均減小，但落潮流始終占主導(dǎo)優(yōu)勢。

(3)余流是北槽中段含沙量貢獻(xiàn)最主要的驅(qū)動力，其次是M4分潮，隨后是M2分潮;并且在某一水深范圍內(nèi)隨水深的增加M4分潮對含沙量的貢獻(xiàn)比M2分潮對含沙量的貢獻(xiàn)大，具體這一水深范圍是多少，有待下一步研究。三期工程后，中段洪、枯季漲落潮平均含沙量均增多，且落潮平均含沙量的增幅遠(yuǎn)大于漲潮平均含沙量，全潮平均含沙量洪季增幅大于枯季;洪、枯季大潮優(yōu)勢沙也減少，但落潮輸沙量始終占主導(dǎo)優(yōu)勢。

(4)深水航道三期工程中南導(dǎo)堤的加高對北槽上段河槽流速有一定阻礙作用;受上游來水來沙量和泥沙再懸浮強(qiáng)度的季節(jié)性變化影響，洪、枯季北槽中段垂線平均懸沙濃度較高且相差不大;流速減小會使大量懸沙落淤，再加上北槽上段潮動力的非線性特征增加強(qiáng)于中段，將驅(qū)使上段懸沙向中段輸運并落淤，從而造成中段河槽淤積。

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