河口最大渾濁帶研究進展

胡國安

(揚州大學(xué) 水利與能源動力工程學(xué)院， 江蘇 揚州 225127)

河口最大渾濁帶研究進展

胡國安

(揚州大學(xué) 水利與能源動力工程學(xué)院， 江蘇 揚州 225127)

河口作為一個流域和海洋之間巨大的“過濾器”，最大混濁帶在其中起到極其重要的作用。最大渾濁帶對河口沉積過程和河口的生物地球化學(xué)過程均產(chǎn)生顯著影響，由于其在河口航道維護、河口學(xué)理論和河口生物地球化學(xué)過程中的重要性，近幾十年來引起了國內(nèi)外多個學(xué)科領(lǐng)域?qū)W者的廣泛關(guān)注，本文主要就河口最大混濁帶在河口動力沉積方面，特別是形成機制方面及數(shù)值模擬的研究進行綜述。

河口；最大渾濁帶；泥沙；形成機制；數(shù)值模擬

在世界上許多以細顆粒泥沙為主的河口，往往都存在“兩頭清，中間渾”的現(xiàn)象，即在河口區(qū)的局部區(qū)段，其含沙量比上、下游高幾倍至幾十倍，尤其是近底層含沙量特別高，且床面往往伴有浮泥，存在這種現(xiàn)象的區(qū)段謂之“最大渾濁帶”[1]。早在1938年就有關(guān)于法國吉倫特河口最大渾濁帶的報道[2]，我國對河口最大渾濁帶的專門研究開展得較國外遲，20世紀70年代陳吉余在論述河口鹽水、淡水交匯混合時提及了“最大渾濁帶”，1980年沈煥庭對長江河口最大渾濁帶進行了專門研究，此后，國內(nèi)學(xué)者對河口最大渾濁帶作了一系列調(diào)查研究，包括最大混濁帶的形成機理、特征、影響因素，對河口淤積的影響等等，并嘗試通過數(shù)學(xué)模型進行描述和分析。

1 基于現(xiàn)場觀測的研究

1.1 長江口最大渾濁帶研究

最早對長江口最大渾濁帶進行專門論述的為沈煥庭[3]，分析了影響最大渾濁帶的水文泥沙因子和時空變化規(guī)律，并探討了最大渾濁帶形成的動力條件和懸沙沉降的物理化學(xué)過程，以及對河口淤積的影響。

沈煥庭等通過現(xiàn)場調(diào)查、室內(nèi)實驗、數(shù)學(xué)模擬相結(jié)合的方法對長江河口最大混濁帶的物理過程、化學(xué)過程、生物過程和沉積過程進行了綜合研究，取得了豐碩的成果[4-5]。沉積動力方面研究主要包括：長江河口最大混濁帶懸沙的來源、輸移集聚機制，泥沙再懸浮及懸沙的時空變化；鹽水入侵鋒及其對最大渾濁帶的貢獻，細顆粒泥沙的動水絮凝過程和沉降特性；最大渾濁帶的形成機理、特點、水沙輸運機制，及地形和懸沙濃度對渾濁帶的影響；最大渾濁帶浮泥的特性、組成、形成條件；最大混濁帶底質(zhì)的礦物特征和沉積作用。漲、落潮流，及非潮汐重力環(huán)流為懸沙在最大渾濁帶形成的主要動力機制，絮凝作用對最大渾濁帶的形成是個重要條件。

對長江口不同河段的泥沙特性和輸移規(guī)律的對比分析表明：在河口潮流不對稱和重力環(huán)流的作用下，大量泥沙向滯流點輻聚，形成最大渾濁帶[6]。最大渾濁帶含沙量高，泥沙絮凝沉速快。潮流強勁，引起床沙再懸浮，輸沙能力強。長江河口最大渾濁帶活動區(qū)與河口攔門沙位置基本一致。長江口最大渾濁帶各個區(qū)域的懸沙凈搬運通量分析表明：長江口最大渾濁帶是由上游徑流的下泄搬運、上溯雷諾搬運和底層上溯余流搬運來維持的[7]。

平均流輸沙、斯托克斯漂流效應(yīng)、潮汐捕集，以及垂向環(huán)流凈輸沙是長江河口最大渾濁帶輸沙的主要驅(qū)動力[8]。在南槽，斯托克斯漂移和潮汐捕集作用占優(yōu)勢，對最大渾濁帶的形成有重要作用。在北港，平均流輸沙及垂向凈環(huán)流輸沙占優(yōu)勢，垂向環(huán)流是導(dǎo)致最大渾濁帶形成的主要因素。北槽介于南槽和北港之間。

長江口最大渾濁帶的懸沙輸移過程存在明顯的潮泵效應(yīng)及強烈的懸沙、底沙雙向交換；長江口南、北槽之間存在一個大尺度的平面環(huán)向懸沙輸移，同時南、北槽自身還有次一級尺度的槽內(nèi)平面環(huán)向懸沙輸移。最大渾濁帶與攔門淺灘存在相互影響、彼此制約的關(guān)系[9]。長江口實測含沙量的分析表明[10]：泥沙積聚再懸浮是長江口渾濁地帶形成的主要機理。促使泥沙積聚的有徑流潮流相互作用和鹽淡水交匯混合兩種機制，前者形成潮汐渾濁帶，后者形成鹽水渾濁帶。長江口渾濁帶是具有兩種不同機制的鹽潮復(fù)合渾濁帶，在不同時間、不同地點表現(xiàn)出不同的特點。

長江口北槽最大渾濁帶水動力、泥沙過程及成因機制分析表明[11]：在北槽口內(nèi)，最大渾濁帶形成的主要動力過程是潮汐的不對稱性和河口重力環(huán)流；在北槽口外，最大渾濁帶形成的主要動力過程則是河口底部泥沙的周期性再懸?。辉陂L江口北槽口內(nèi)、口外最大渾濁帶中，細顆粒泥沙的再懸浮過程也存在著一定的周期性；由鹽度、懸沙濃度層化引起的“層化抑制紊流”也是長江口北槽口內(nèi)、口外最大渾濁帶的成因機制之一。北槽深水航道一期工程實施后，并未造成北槽最大渾濁帶位置的變化,一期工程后的航槽回淤峰值區(qū)也主要集中在渾濁帶區(qū)域[12]。

長江口南槽最大混濁帶大、小潮周期觀測數(shù)據(jù)的對比分析表明：長江口南槽最大渾濁帶的懸沙濃度變化具有一定的周期性和規(guī)律性，其發(fā)育主要是由“潮泵效應(yīng)”和鹽水異重流引起的對床底侵蝕和泥沙再懸浮造成的，動水絮凝和灘槽之間泥沙交換對最大渾濁帶的形成與發(fā)育有重要影響[13]。南槽枯水期最大渾濁帶的形成機制為：枯水期的長江口處于淤積狀態(tài)，再懸浮通量較小；平均流輸運在整個懸沙輸送中占主導(dǎo)地位，斯托克斯漂移效應(yīng)、垂向環(huán)流和潮振蕩的垂向切變作用對懸沙輸運也有著重要作用；“潮泵”作用和河口重力環(huán)流作用均在該地區(qū)最大渾濁帶形成中都發(fā)揮著重要作用[14]。

1.2 國內(nèi)其他河口最大渾濁帶研究

賀松林[15]在分析甌江口水文泥沙條件的基礎(chǔ)上，闡述最大渾濁帶的形成、特性和變化規(guī)律。結(jié)果表明：甌江口最大混濁帶以枯季發(fā)育較好，這是由枯季優(yōu)勢流分布特征所決定的，它的枯興洪衰對內(nèi)堆積帶洪沖枯淤產(chǎn)生深刻的影響；最大渾濁帶的位置強度與徑流、鹽度沿程分布有關(guān)，枯季存在的大平面環(huán)流使其上界成為泥沙聚集和沉積的主要場所。畢敖洪等[16]根據(jù)水文、泥沙、地形及地質(zhì)資料，對椒江河口最大渾濁帶的形成機理和變化規(guī)律作了初步探討。椒江河口最大渾濁帶底層通常發(fā)育浮泥，致使河床沖淤變化較快，大含沙量區(qū)形成的主要成因是：動力沿程先增強繼而減弱；細泥沙的延遲效應(yīng)和絮凝作用；徑流對含沙濃度的稀釋作用沿程減弱，而含沙量較大是動力強勁及細泥沙補給充分的緣故。

田向平[17]通過調(diào)查發(fā)現(xiàn)洪、枯季伶仃洋東、西槽均有最大混濁帶產(chǎn)生，最大混濁帶隨潮汐周期和季節(jié)變化而發(fā)生向陸或向海的移動。珠江河口伶仃洋的正、斜壓力均較大，在這兩個力的共同作用下，重力凈環(huán)流發(fā)育良好，它是伶仃洋東、西槽最大混濁帶形成的主要原因。此外，泥沙絮凝沉積和潮流沖刷引起泥沙再懸浮等作用也是重要原因。

董禮先[18]根據(jù)實測資料分析了椒江河口最大混濁帶高渾濁水的混合過程，并探討了水動力學(xué)和沉積動力學(xué)因素對河口混合的重要作用。研究表明，椒江河口最大渾濁帶下的高渾濁水-浮泥層厚達1 m，高渾濁水-浮泥層與上覆水之間是泥躍層。泥躍層與高混濁水-浮泥層對水體穩(wěn)定的作用比同期觀測到的鹽躍層大17倍以上。當(dāng)高渾濁水-浮泥層被侵蝕時，其中的低鹽水體又增加了水體的垂向混合能力。謝欽春[19]基于流速、流向、溫度、鹽度和懸沙濃度實測資料研究了椒江河口懸沙濃度垂向分布和泥躍層發(fā)育。結(jié)果表明：在河口最大混濁帶，小潮期水體層化現(xiàn)象明顯，懸沙濃度垂向分布呈三層結(jié)構(gòu)，即活動懸沙層、泥躍層和浮泥層。泥躍層是水體中懸沙濃度分布劇變層，梯度大。

李伯根等[20]以懸沙粒徑資料為基礎(chǔ)，通過對懸沙不同粒級、中值粒徑及粒度參數(shù)的計算和統(tǒng)計，討論了椒江河口最大渾濁帶懸沙粒徑分布的區(qū)域變化和潮汐周期變化。研究表明：懸沙粒徑分布的區(qū)域變化主要受物質(zhì)來源、底部沉積物再懸浮物質(zhì)和絮凝沉降3個因素影響，其中第二個因素的作用大潮期比小潮期顯著,第三個因素的作用小潮期則較大潮期明顯。

龐重光[21]等根據(jù)水文泥沙實測資料，對黃河口最大渾濁帶特征、時空演變及形成機制進行研究，結(jié)果表明：汛期黃河口最大渾濁帶在整個潮周期始終存在，其含沙量和范圍形態(tài)受潮相的控制，在落急和落平時最為發(fā)育；其形成主要受河流攜帶大量泥沙、泥沙異重流、河口密度環(huán)流及湍流的作用。

1.3 國內(nèi)部分河口最大渾濁帶比較研究

沈煥庭等[1]對我國一些河口的最大混濁帶進行綜合分析，通過比較它們形成的環(huán)境背景和特點、泥沙來源及集聚機制分成五種類型：陸源-潮致型(珠江口伶仃洋)、陸源-鹽致型(黃河口)、陸源-潮鹽復(fù)合型(長江口南支)、海源-潮致型(長江口北支、甌江口、椒江口、錢塘江口庵東淺灘)和海源-鹽致型(杭州灣北部灣口)。

茅志昌等[22]通過對長江河口與甌江河口在河流性質(zhì)、幾何形態(tài)、徑潮流動力條件、鹽淡水混合類型和泥沙來源等方面比較，得出長江口與甌江口最大渾濁帶的變化特點是：前者洪盛枯衰，后者枯盛洪衰；所在部位，前者在口門附近，后者在口門之內(nèi)。除了徑潮流動力平衡帶和豐富的泥沙來源是發(fā)育長江口、甌江河口最大渾濁帶的兩個基本條件外，河口環(huán)流和潮汐不對稱對兩者形成、發(fā)育、維持過程起了重要作用。

2 最大渾濁帶數(shù)學(xué)模型研究

魏守林[23]等應(yīng)用Galerkin權(quán)余法建立了二維河口最大渾濁帶的數(shù)值模型。模型中各物理量均具有連續(xù)的垂直結(jié)構(gòu)。數(shù)值計算的結(jié)果驗證了河口重力環(huán)流是最大渾濁帶形成的重要動力條件。計算結(jié)果還表明最大渾濁帶的濃度和位置分布與水動力條件、泥沙的沉降速度、上下游沙源的含沙濃度有密切關(guān)系。

姚運達[24]等運用垂向二維數(shù)值模型對部分混合型河口的深度、寬度、攔門沙地形變化，以及懸沙濃度對最大渾濁帶區(qū)域的環(huán)流結(jié)構(gòu)、鹽度和懸沙分布的影響進行了探討。結(jié)果表明:河口攔門沙對鹽水上溯有阻礙作用，它使滯流點和最大懸沙濃度中心的位置向海推移，最大懸沙濃度有所降低；河口寬度與坡度的變化會改變環(huán)流結(jié)構(gòu)和鹽度、懸沙分布；考慮懸沙濃度對水體密度的影響后，滯流點更接近上邊界，最大懸沙濃度中心更接近下邊界，懸沙濃度有所降低。

倪培桐等[25]利用平面二維潮流方程結(jié)合懸沙輸運方程模擬了河口最大渾濁帶現(xiàn)象。并且對河口邊界進行進一步概化，比較了恒定流與非恒定流、穩(wěn)定源與非穩(wěn)定源、矩形河口與線性河口等不同條件下河口懸沙濃度的平面分布特點。結(jié)果表明：河口地形邊界和非恒定潮流作用對河口最大渾濁帶的懸沙富集有重要貢獻。

時鐘等[11]利用一維懸沙數(shù)學(xué)模型對北槽的懸沙過程進行了模擬，證實了長江口北槽口內(nèi)和口外水動力懸沙過程的差異性。朱建榮等[26]應(yīng)用改進的ECOM模式，耦合泥沙輸運模型，研究理想河口最大渾濁帶形成的動力機制。河口最大渾濁帶位于滯流點處，上下游余流均向該處輸運泥沙，造成該處泥沙匯合，而由流場復(fù)合產(chǎn)生的上升流又使該處的泥沙不易落淤。南岸(河口東向)的泥沙濃度比北岸高，最大渾濁帶位于南岸，這是由于鹽水入侵帶來的高鹽水位于北岸的底層，其斜壓效應(yīng)使底層的環(huán)流由北向南流動，把底層高濃度的泥沙向南岸平流，聚集于南岸底層。除上游河流泥沙來源外，強大的漲落潮流沖刷床面，使沉降于床面的泥沙再次懸浮，成為余流輸運泥沙的來源之一。朱建榮等[27]應(yīng)用改進的ECOM模式，耦合泥沙輸運方程，還研究徑流量和海平面變化對河口最大渾濁帶的影響。由于鹽水入侵帶來的高鹽水位于北岸的底層，其斜壓效應(yīng)使底層的橫向環(huán)流由北向南流動，把底層高濃度的泥沙向南岸平流，使得最大渾濁帶位于南岸。徑流量增大時，底層向陸地的密度流減弱，滯流點下移，導(dǎo)致最大渾濁帶也下移；上游來沙量增加時，最大渾濁帶中心和河口攔門沙處懸浮泥沙濃度趨于增加。在海平面上升的情況下，攔門沙區(qū)域底層向陸地的密度流趨于增強，滯流點上移，最大渾濁帶也相應(yīng)向上游移動；最大渾濁帶中心處泥沙濃度趨于增大，但口門攔門沙處泥沙濃度趨于減小。

3 總結(jié)與討論

對河口最大渾濁帶的研究成果表明：最大渾濁帶的位置和強度有明顯的季節(jié)變化和潮汛變化，洪季和大潮時最大渾濁帶范圍和強度較大；最大渾濁帶發(fā)育主要與河口余環(huán)流、潮流非線性作用、潮泵作用、細顆粒泥沙絮凝沉降有關(guān)。其中長江河口最大渾濁帶在北支、北港、北槽和南槽四個出海水道均有明顯發(fā)育，且各出海水道最大渾濁帶的特征和成因有明顯差異。以上對長江河口最大渾濁帶的研究已取得豐碩的成果，但研究多以現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)的分析為主，數(shù)值模擬的系統(tǒng)研究成果較少，且最大渾濁帶形成的物理機制并不明晰，有待進一步研究。

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Research progress of the maximum turbidity belt in estuary

HU Guoan

(School of Hydraulic Energy and Power Engineering，Yangzhou University， Yangzhou 225127，China)

Estuary is regarded as a huge "filter" between the estuary and the sea, whose maximum turbidity belt plays an important role in it. The maximum turbidity belt has significant impact on the deposition process of the estuaries and biogeochemical process, which has caused wide attention among scholars of multiple disciplines fields both home and abroad in recent decades because of importance of its estuary waterway maintenance and estuaries biogeochemical process theory. In this paper, some studies about estuary were carried out, which included the dynamic sedimentary in the maximum turbidity belt, especially its formation mechanism and numerical simulation.

estuary; maximum turbidity belt; the sediment; formation mechanism; numerical simulation

胡國安(1993-)，男，安徽六安人，碩士研究生，研究方向為河流動力學(xué)。E-mail:461029297@qq.com。

TV148

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2096-0506(2017)07-0044-04