長(zhǎng)江口泥沙運(yùn)動(dòng)形式分類及對(duì)深水航道淤積影響

程海峰,劉 杰,韓 露,王珍珍,張國(guó)慶,葉婷婷

(1. 上海河口海岸科學(xué)研究中心河口海岸交通行業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,上海 201201；2. 河海大學(xué)水文水資源與水利工程科學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,江蘇 南京 210098)

潮汐河口亦稱入海河口,受上游徑流和外海潮汐共同作用,其水流在1個(gè)潮周期內(nèi)存在明顯的漲落急、漲落憩非恒定狀態(tài)。潮汐河口的泥沙通常包括黏土、粉砂和砂3種組分[1],懸沙與床沙的交換十分頻繁[2],當(dāng)水動(dòng)力增強(qiáng)時(shí),靜止床沙逐漸起動(dòng)、懸揚(yáng)變成推移質(zhì)泥沙和懸移質(zhì)泥沙；當(dāng)水動(dòng)力減弱時(shí),懸移質(zhì)泥沙逐漸止懸、止動(dòng)轉(zhuǎn)換成推移質(zhì)泥沙和靜止床沙。掌握不同運(yùn)動(dòng)形式泥沙對(duì)潮汐河口航道淤積的影響,是認(rèn)清航道淤積泥沙來(lái)源、制定有效減淤措施的關(guān)鍵,對(duì)航道建設(shè)和維護(hù)具有重要意義。

泥沙運(yùn)動(dòng)形式定量劃分及其對(duì)河床沖淤、航道淤積的影響作為一項(xiàng)科學(xué)問(wèn)題,受到國(guó)內(nèi)外學(xué)者廣泛關(guān)注。Sadeghi等[3]利用現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)輸沙量數(shù)據(jù),計(jì)算了伊朗Kojour河的泥沙推懸比,認(rèn)為流量和降水是引起推懸比變化的重要因素；曹祖德等[4]基于輸沙率經(jīng)驗(yàn)公式及室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果,提出了海岸泥沙運(yùn)動(dòng)中均勻沙和非均勻沙的輸沙率推懸比和航道淤積推懸比的計(jì)算方法,計(jì)算結(jié)果表明粉沙質(zhì)海岸須同時(shí)考慮推移質(zhì)和懸移質(zhì),此外針對(duì)粉砂質(zhì)海岸外航道大風(fēng)浪條件下的驟淤,提出了懸移質(zhì)、推移質(zhì)和近底流移質(zhì)3種泥沙運(yùn)移形態(tài),建立了實(shí)用的經(jīng)驗(yàn)性計(jì)算公式,其中近底流移質(zhì)概念上仍屬懸移質(zhì)范疇,采用與懸移質(zhì)相似的輸沙量方法計(jì)算[5]；Mieras等[6]也通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)測(cè)量了泥沙通量剖面和輸沙率,分析了推移質(zhì)和懸移質(zhì)對(duì)總輸沙率的貢獻(xiàn)比例；趙連軍等[7]根據(jù)質(zhì)量守恒原理,提出了一維非恒定挾沙水流懸移質(zhì)泥沙和床沙交換計(jì)算方法,并取得精度較高的河床沖淤量和床沙粒徑模擬結(jié)果；孔令雙等[8]建立了航道淤積3層模式(懸沙、近底高濃度含沙層和推移質(zhì))的平面二維數(shù)學(xué)模型,應(yīng)用于長(zhǎng)江口航道淤積計(jì)算；韓其為等[9]從統(tǒng)計(jì)學(xué)角度出發(fā),計(jì)算了泥沙在床面層處于靜止床沙、推移質(zhì)、懸移質(zhì)的狀態(tài)概率,并據(jù)此給出推懸比計(jì)算公式；陳緒堅(jiān)等[10]采用非均勻沙水流挾沙力的統(tǒng)計(jì)理論方法,根據(jù)泥沙狀態(tài)概率和有效床沙級(jí)配,推導(dǎo)了懸移質(zhì)挾沙力、推移質(zhì)輸沙率和推懸比統(tǒng)計(jì)理論公式。綜合來(lái)看,前人主要通過(guò)推移質(zhì)和懸移質(zhì)輸沙率觀測(cè)、室內(nèi)試驗(yàn)以及基于統(tǒng)計(jì)學(xué)的泥沙運(yùn)動(dòng)狀態(tài)概率等方法針對(duì)推懸比指標(biāo)進(jìn)行研究,取得了諸多有價(jià)值的成果。然而,以往研究主要將泥沙運(yùn)動(dòng)形式概化為推移質(zhì)和懸移質(zhì)(含大風(fēng)浪條件下的近底流移質(zhì)),未考慮潮汐水流條件下泥沙在推移質(zhì)與懸移質(zhì)之間不斷轉(zhuǎn)換的特征,即大量在推移質(zhì)與懸移質(zhì)之間轉(zhuǎn)換的時(shí)推時(shí)懸泥沙被人為劃分為推移質(zhì)或懸移質(zhì)泥沙,計(jì)算得到的推懸比在潮汐河口區(qū)的適用性不佳。

本文從長(zhǎng)江口泥沙現(xiàn)場(chǎng)原型觀測(cè)入手,探討推移質(zhì)、懸移質(zhì)及時(shí)推時(shí)懸泥沙的劃分方法,并在驗(yàn)證方法合理性的基礎(chǔ)上計(jì)算出不同運(yùn)動(dòng)形式泥沙對(duì)長(zhǎng)江口12.5 m深水航道淤積的貢獻(xiàn)比例。研究成果有助于加深對(duì)潮汐河口泥沙運(yùn)動(dòng)規(guī)律的認(rèn)識(shí),同時(shí)對(duì)其他河口海岸區(qū)域判別航道淤積泥沙來(lái)源具有借鑒意義。

1 研究區(qū)域

長(zhǎng)江口是一個(gè)懸沙濃度高、底質(zhì)分布較復(fù)雜的潮汐河口[11],上游流域的大量泥沙以不同運(yùn)動(dòng)形式輸送至此,在徑潮流、鹽淡水、波浪等復(fù)雜動(dòng)力條件的綜合作用下,塑造出三級(jí)分汊、四口入海的河床地貌形態(tài)(圖1)和沉積物分布特征[11],其中徑潮流是河口泥沙輸運(yùn)以及河床形態(tài)塑造的主要?jiǎng)恿?。長(zhǎng)江口水體懸浮泥沙主要為粉砂[1- 2],河床表層沉積物包括黏土、粉砂、極細(xì)砂和細(xì)砂等多種類型[12- 13],河床沖淤及航道回淤受到推移質(zhì)和懸移質(zhì)的共同影響[14- 15]。

長(zhǎng)江口12.5 m深水航道位于南港—北槽河段主槽內(nèi)(圖1)。南港是長(zhǎng)江口第二級(jí)分汊河段之一,落潮優(yōu)勢(shì)明顯[16]。北槽是4條入海水道之一,受徑潮流交匯、鹽淡水混合作用,中段存在最大渾濁帶和攔門(mén)沙淺灘[17]。1998—2010年,長(zhǎng)江口深水航道治理工程分三期建設(shè),并于2010年3月開(kāi)通了長(zhǎng)92.2 km、寬350～400 m、深12.5 m的深水航道(圖1),航道縱向分段情況見(jiàn)表1。深水航道開(kāi)通后的2010—2015年,航道存在回淤量大且分布集中的突出問(wèn)題,其中南港—北槽進(jìn)口段航道和北槽中下段航道是主要的高回淤區(qū)段。

圖1 研究區(qū)域Fig.1 Map of study area

表1 長(zhǎng)江口12.5 m深水航道分段

2 資料與方法

2.1 數(shù)據(jù)來(lái)源

為細(xì)化研究不同泥沙運(yùn)動(dòng)形式對(duì)航道淤積的影響,2015年2月(枯季)、8月(洪季)和2018年3月(枯季)、7月(洪季),作者在南港—北槽深水航道及兩側(cè)邊灘實(shí)施了4次河床表層沉積物、近底懸沙及水流流速流向的同步采樣和觀測(cè),采樣期及對(duì)應(yīng)的徑流、潮汐情況見(jiàn)表2。各測(cè)次采樣時(shí)間為每日6:00—18:00,涵蓋長(zhǎng)江口(非正規(guī)半日淺海潮)1個(gè)完整的漲落潮過(guò)程。2015年單次采樣點(diǎn)138個(gè),2018年采樣區(qū)域與2015年基本一致,局部測(cè)點(diǎn)有調(diào)整,單次采樣點(diǎn)92個(gè),采樣點(diǎn)布置見(jiàn)圖1。

表2 采樣期及徑流、潮汐情況

沉積物采用自主研制的新型箱式采泥器取樣,該采泥器密封性好,獲取的樣品較好地保持了原狀特性[18],樣品厚度在5～40 cm不等。考慮到床沙顆粒級(jí)配易受泥沙密實(shí)過(guò)程影響,且2015年、2018年實(shí)測(cè)的深水航道各單元日均淤積厚度在3 cm以內(nèi),選取表層3 cm厚泥沙樣品作為沉積物代表樣品。依據(jù)《河流懸移質(zhì)泥沙測(cè)驗(yàn)規(guī)范：GB/T 50159—2015》,近底懸沙測(cè)點(diǎn)位置不應(yīng)高于相對(duì)水深0.95處,2015年、2018年南港—北槽河床平均水深在12～13 m(理論最低潮面),為盡量靠近水底同時(shí)避免配重鉛魚(yú)觸底擾動(dòng)泥沙影響,采用橫式水樣器在距離床面約0.5 m處取樣。水流流速流向使用ADCP(RDI WorkHorse,600 kHz)進(jìn)行測(cè)量。采用Malvern MasterSizer 2000激光粒度儀測(cè)量沉積物表層樣品進(jìn)行近底懸沙水樣泥沙顆分,獲取泥沙樣品的顆粒級(jí)配和粒度參數(shù)。

2.2 泥沙運(yùn)動(dòng)形式分類方法

由近底懸沙、表層沉積物某一時(shí)刻樣品級(jí)配曲線(圖2(a))可知,近底懸沙級(jí)配曲線在縱坐標(biāo)90%以上存在較明顯的拐點(diǎn)(曲率最大點(diǎn))。拐點(diǎn)以下,懸沙級(jí)配曲線斜率大；拐點(diǎn)以上,級(jí)配曲線明顯趨緩,斜率變小。級(jí)配曲線中拐點(diǎn)的出現(xiàn),表明一個(gè)質(zhì)變[19- 20],比拐點(diǎn)對(duì)應(yīng)粒徑小的泥沙顆粒在懸沙樣品中所占比例較大,而比拐點(diǎn)對(duì)應(yīng)粒徑大的泥沙顆粒在懸沙樣品中所占比例卻顯著變小,這表明小于拐點(diǎn)粒徑的泥沙是近底懸沙樣品中大量存在的,可認(rèn)為屬于懸移質(zhì)范疇,而大于拐點(diǎn)粒徑的泥沙是近底懸沙樣品中少有或者沒(méi)有的,可認(rèn)為是推移質(zhì)和靜止在河床上的粗顆粒泥沙。近底懸沙級(jí)配曲線的上拐點(diǎn)粒徑(記為dz)可近似代表采樣位置當(dāng)前時(shí)刻(當(dāng)前水動(dòng)力條件)的推移質(zhì)和懸移質(zhì)分界粒徑。

圖2 泥沙運(yùn)動(dòng)形式分類方法概念Fig.2 Conceptual diagram of the method for classification of sediment transport forms

然而,在河口非恒定潮汐水流條件下,隨著水流動(dòng)力的強(qiáng)弱轉(zhuǎn)化,懸移質(zhì)和推移質(zhì)是相互轉(zhuǎn)換的[4]。從急流、憩流時(shí)刻近底懸沙及表層沉積物典型樣品級(jí)配曲線(圖2(b))可知,受水流動(dòng)力作用,急流時(shí)刻的近底懸沙顆粒級(jí)配整體粗于憩流時(shí)刻,急流時(shí)刻上拐點(diǎn)粒徑(記為dz- max)亦明顯大于憩流時(shí)刻的上拐點(diǎn)粒徑(記為dz- min)。大于dz- max的泥沙是水流動(dòng)力最強(qiáng)時(shí)近底懸沙樣品中仍少有或者沒(méi)有的,應(yīng)屬推移質(zhì)和靜止粗顆粒床沙；小于dz- min的泥沙是水流動(dòng)力最弱時(shí)近底懸沙樣品中仍大量存在的,應(yīng)屬懸移質(zhì)；而粒徑介于dz- max和dz- min之間的泥沙,水動(dòng)力較強(qiáng)時(shí)表現(xiàn)為懸移質(zhì)，水動(dòng)力較弱時(shí)表現(xiàn)為推移質(zhì),2種泥沙運(yùn)動(dòng)形式在水動(dòng)力強(qiáng)弱轉(zhuǎn)化過(guò)程中不斷交替變換,該部分泥沙可稱為時(shí)推時(shí)懸泥沙。依據(jù)近底懸沙級(jí)配曲線上拐點(diǎn)法確定的dz- max、dz- min可將河口泥沙運(yùn)動(dòng)形式劃分為僅做推移質(zhì)運(yùn)動(dòng)泥沙、時(shí)推時(shí)懸泥沙和僅做懸移質(zhì)運(yùn)動(dòng)泥沙3種。

近底懸沙級(jí)配曲線的上拐點(diǎn)粒徑采用前人研究提出的雙曲正切函數(shù)曲率極值法[21]進(jìn)行計(jì)算,該方法是利用雙曲正切函數(shù)來(lái)描述泥沙級(jí)配曲線,通過(guò)求解函數(shù)曲率的極值,得到級(jí)配曲線最大曲率點(diǎn)處粒徑的計(jì)算式。歸納計(jì)算公式及步驟如下:

(1)

(2)

(3)

式中:φ為泥沙級(jí)配均勻性參數(shù)；d75、d25分別為泥沙級(jí)配曲線上占比為75%和25%對(duì)應(yīng)的粒徑；d50為中值粒徑；xr為明確φ取值條件下級(jí)配曲線雙曲正切函數(shù)曲率計(jì)算式簡(jiǎn)化方程的根[21],xr與φ滿足式(2)關(guān)系。

3 泥沙運(yùn)動(dòng)形式粒徑劃分

3.1 近底懸沙粒徑與水動(dòng)力關(guān)系

從長(zhǎng)江口南港—北槽近底懸沙d50、dz與同步獲取的測(cè)點(diǎn)流速關(guān)系(圖3)可以看出,在不同水流動(dòng)力條件下(現(xiàn)場(chǎng)采樣逐點(diǎn)實(shí)施,每個(gè)采樣點(diǎn)的采樣時(shí)間和水流動(dòng)力不同),近底懸沙d50變化不大,集中分布在0.008～0.039 mm之間；而近底懸沙dz則較為分散,分布范圍在0.033～0.200 mm,且在垂線平均流速增至約0.8 m/s以上時(shí),隨著流速進(jìn)一步增大,近底懸沙dz總體呈增大趨勢(shì)。上述特征表明,近底懸沙dz對(duì)水流動(dòng)力強(qiáng)弱變化較為敏感,當(dāng)水流動(dòng)力增強(qiáng)且超過(guò)一定強(qiáng)度時(shí),較粗的床沙逐漸懸揚(yáng)進(jìn)入近底含沙水體(泥沙由靜止床沙、推移質(zhì)變?yōu)閼乙瀑|(zhì)),近底懸沙因粗顆粒泥沙組分增多,dz增大；而近底懸沙d50主要受相對(duì)較多的細(xì)顆粒泥沙組分控制,總體較細(xì)且隨水流動(dòng)力變化不明顯。圖3表明,近底懸沙dz分布較散,尤其是流速較大時(shí)部分測(cè)點(diǎn)未出現(xiàn)明顯粗化,反映出天然條件下受床沙顆粒特性分布、泥沙平流輸運(yùn)等復(fù)雜因素影響,泥沙起懸運(yùn)動(dòng)存在隨機(jī)性和不確定性[22]。

從近底懸沙粒徑的時(shí)空變化來(lái)看,洪季水動(dòng)力雖略強(qiáng)于枯季,較大流速對(duì)應(yīng)的近底懸沙樣品稍多,但近底懸沙dz隨水動(dòng)力的變化趨勢(shì)相近(圖3(a))；同時(shí),研究區(qū)域2個(gè)不同河段的近底懸沙dz隨水動(dòng)力的變化態(tài)勢(shì)亦基本一致(圖3(b))。

圖3 近底懸沙粒徑與流速關(guān)系Fig.3 Relationship between the grain size of near bottom suspended sediment and velocity

3.2 近底懸沙dz代表性分析

近底懸沙dz能否代表推移質(zhì)與懸移質(zhì)的分界粒徑,取決于dz變化是否符合床沙起動(dòng)、揚(yáng)動(dòng)規(guī)律，而床沙起動(dòng)和揚(yáng)動(dòng)特性主要與沉積物粒度特征有關(guān)。本節(jié)依據(jù)研究區(qū)域沉積物粒度特征、床沙起動(dòng)和揚(yáng)動(dòng)特性來(lái)考察近底懸沙dz的代表性。

3.2.1 沉積物粒度特征

從長(zhǎng)江口南港—北槽沉積物中值粒徑平面分布情況(圖4)來(lái)看,12.5 m深水航道及兩側(cè)邊灘沉積物自上而下呈“南港段粗、北槽進(jìn)口段較粗、北槽上段細(xì)、北槽中下段較細(xì)”的縱向分段特征(各分段位置見(jiàn)表1和圖1)；橫向上,南港段、北槽進(jìn)口段及北槽上段南北差異不明顯(以深水航道為界分南、北,下同)，北槽中下段“南粗北細(xì)”。洪季、枯季對(duì)比來(lái)看,南港—北槽進(jìn)口段洪季沉積物較枯季略有粗化,2015年洪季、枯季,南港沉積物d50均值分別為0.150 mm、0.129 mm,北槽進(jìn)口段分別為0.076 mm、0.063 mm；2018年洪季、枯季,南港分別為0.137 mm、0.118 mm,北槽進(jìn)口段分別為0.052 mm、0.048 mm。這應(yīng)與洪季較強(qiáng)徑流(表2)加劇上游粗顆粒床沙向下游輸運(yùn)趨勢(shì)[23]有關(guān)。北槽段沉積物洪、枯季差異不大,其中，北槽上段2015年洪季、枯季沉積物d50均值分別為0.016 mm、0.023 mm,2018年洪季、枯季均為0.019 mm；北槽中下段2015年洪季、枯季分別為0.058 mm、0.054 mm,2018年洪季、枯季分別為0.035 mm、0.039 mm。

圖4 南港—北槽沉積物中值粒徑平面分布Fig.4 Horizontal distribution of bed material d50 from South Channel to North Passage

沉積物粒徑分布特征是水動(dòng)力條件、地貌類型及泥沙來(lái)源等因素綜合作用的結(jié)果[12]。南港—北槽進(jìn)口段徑流作用強(qiáng),落潮動(dòng)力占優(yōu)且上游存在粗顆粒底沙供給[12- 13，16],同時(shí)水體懸沙濃度低[24]、細(xì)顆粒懸沙落淤少,采集的表層沉積物以砂質(zhì)樣為主,整體較粗。北槽上段因長(zhǎng)江口深水航道治理工程的束流作用,主槽河床近期持續(xù)沖刷,統(tǒng)計(jì)的平均水深達(dá)歷史(20世紀(jì)50年代北槽形成以來(lái))最深水平,該段沉積物表現(xiàn)出深灰色、密實(shí)塊狀的特點(diǎn),屬較早時(shí)期沉積的泥質(zhì)樣,粒徑明顯較細(xì)。北槽中下段漲、落潮流相當(dāng),是河口最大渾濁帶所處區(qū)域,細(xì)顆粒懸沙落淤明顯[17],沉積物多為沙泥混合樣和泥質(zhì)樣,總體較細(xì),其中航道南側(cè)邊灘受彎道凸岸特性和九段沙高灘演變等因素影響[25- 26],沉積物略偏粗。

3.2.2 床沙起動(dòng)和揚(yáng)動(dòng)特性

受河口區(qū)漲、落潮流周期性變化作用,部分運(yùn)動(dòng)的泥沙在懸移質(zhì)和推移質(zhì)之間不斷轉(zhuǎn)換。對(duì)于非黏性泥沙而言,泥沙起動(dòng)流速(Ue)小于揚(yáng)動(dòng)流速(Us),當(dāng)水流流速(Uc)介于Ue與Us之間時(shí),床沙起動(dòng)并在床面附近運(yùn)動(dòng)而不產(chǎn)生懸揚(yáng),表現(xiàn)為推移質(zhì)；當(dāng)Uc>Us時(shí),床沙懸揚(yáng)進(jìn)入水體,成為懸移質(zhì)。對(duì)于細(xì)顆粒黏性泥沙而言,由于顆粒黏結(jié)力作用[27- 28],Ue>Us,當(dāng)UcUe時(shí),床沙起動(dòng)并直接懸揚(yáng)進(jìn)入水體,表現(xiàn)為懸移質(zhì)。

根據(jù)南港—北槽進(jìn)口段與北槽段的沉積物粒度特征,采用既適用于散粒體又適用于黏性細(xì)顆粒泥沙的起動(dòng)流速公式[29- 30]和適合中等揚(yáng)動(dòng)情況的揚(yáng)動(dòng)流速公式[31],分別計(jì)算了2個(gè)區(qū)段的床沙起動(dòng)流速和揚(yáng)動(dòng)流速,結(jié)果見(jiàn)表3。南港—北槽進(jìn)口段Ue、Us分別為0.43～0.68 m/s和0.78～0.83 m/s,符合粗顆粒非黏性泥沙Us>Ue的規(guī)律；北槽段Ue、Us變化范圍分別為0.65～0.90 m/s和0.45～0.52 m/s,呈現(xiàn)出受細(xì)顆粒黏性泥沙影響床沙Us

表3 床沙起動(dòng)流速和揚(yáng)動(dòng)流速經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算結(jié)果

3.2.3dz代表性

現(xiàn)場(chǎng)采樣結(jié)果顯示,南港—北槽進(jìn)口段、北槽段近底懸沙dz均在垂線平均流速達(dá)到0.8～0.9 m/s時(shí)開(kāi)始趨于粗化(圖5),與經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算結(jié)果較為接近。結(jié)合南港—北槽泥沙起動(dòng)、揚(yáng)動(dòng)流速曲線(竇國(guó)仁公式計(jì)算)來(lái)看,近底懸沙dz分布區(qū)域下緣(粒徑在0.040 mm左右)對(duì)應(yīng)的起動(dòng)流速及dz開(kāi)始出現(xiàn)明顯粗化時(shí)(粒徑在0.110 mm左右)對(duì)應(yīng)的揚(yáng)動(dòng)流速均在0.8 m/s左右,表明南港—北槽細(xì)顆粒床沙克服顆粒黏結(jié)力、粗顆粒床沙克服自身重力進(jìn)入懸揚(yáng)狀態(tài)的實(shí)際流速條件與理論情況基本吻合。同時(shí),當(dāng)水流流速增至約0.8 m/s以上時(shí),近底懸沙dz分布區(qū)域的左緣與揚(yáng)動(dòng)流速曲線相近,反映出理想狀態(tài)下的dz隨水動(dòng)力的變化與泥沙揚(yáng)動(dòng)規(guī)律一致。綜上可見(jiàn),近底懸沙dz變化趨勢(shì)總體上符合泥沙起動(dòng)和揚(yáng)動(dòng)規(guī)律,對(duì)床沙從推移質(zhì)向懸移質(zhì)轉(zhuǎn)變具有較好的指示意義,代表推移質(zhì)與懸移質(zhì)分界粒徑合理且符合實(shí)際。

圖5 不同流速條件下近底懸沙dz分布Fig.5 Distribution of dz of near bottom suspended sediment at different velocity

3.3 分界粒徑的確定

據(jù)現(xiàn)場(chǎng)水沙測(cè)驗(yàn)成果,南港—北槽水域垂線平均流速極值處于1.8～2.0 m/s范圍。2015年采樣時(shí)的垂線平均流速分布在0.02～1.82 m/s之間(圖5(a)),能夠代表南港—北槽漲落潮流從憩流到急流的水動(dòng)力變化；2018年采樣期水動(dòng)力偏弱,垂線平均流速在0.10～1.57 m/s之間(圖5(b))。圖5亦表明,當(dāng)流速減小至約0.7 m/s以下時(shí),近底懸沙dz的分布范圍變化不大；當(dāng)流速增大至約1.2 m/s以上時(shí),近底懸沙dz的上限值亦趨于穩(wěn)定。綜合來(lái)看,2015年近底懸沙dz最大值0.200 mm、最小值0.033 mm可分別代表南港—北槽水域急流時(shí)刻、憩流時(shí)刻推移質(zhì)與懸移質(zhì)的分界粒徑。

結(jié)合泥沙運(yùn)動(dòng)形式分類方法可知,粒徑大于0.200 mm的泥沙在南港—北槽水流動(dòng)力最強(qiáng)時(shí)仍難以懸揚(yáng)進(jìn)入近底水體,該部分泥沙可視為僅做推移質(zhì)運(yùn)動(dòng)泥沙或靜止不動(dòng)的粗顆粒床沙；粒徑小于0.033 mm的泥沙在南港—北槽水流動(dòng)力最弱時(shí)仍大量存在于近底水體中,該部分泥沙可視為僅做懸移質(zhì)運(yùn)動(dòng)泥沙(起動(dòng)即懸揚(yáng))或靜止不動(dòng)的細(xì)顆粒床沙；而粒徑處于0.033～0.200 mm之間的泥沙則屬于水流動(dòng)力較弱時(shí)做推移質(zhì)運(yùn)動(dòng)、水流動(dòng)力較強(qiáng)時(shí)做懸移質(zhì)運(yùn)動(dòng)的時(shí)推時(shí)懸泥沙。據(jù)此,取dz最大值0.200 mm作為南港—北槽河段推移質(zhì)與時(shí)推時(shí)懸泥沙的分界粒徑,dz最小值0.033 mm則代表時(shí)推時(shí)懸泥沙與懸移質(zhì)的分界粒徑。

4 不同運(yùn)動(dòng)形式泥沙在航道淤積物中的占比

2015年采樣期對(duì)應(yīng)的長(zhǎng)江口12.5 m深水航道沿程水深(相對(duì)于理論最低潮面)均小于2010年3月航道開(kāi)通以來(lái)曾達(dá)到的最大水深(圖6(a)),采集的航道泥沙樣品可代表航道開(kāi)通后隨水流運(yùn)動(dòng)入槽的淤積物(無(wú)原始靜止床沙)。受南港局部河床沖刷影響,2018年III- A—III- C、IIN- B航道單元的水深達(dá)航道開(kāi)通以來(lái)的最大值(圖6(b)),且現(xiàn)場(chǎng)采集的航道泥沙樣品為密實(shí)的泥質(zhì)樣品,與周邊砂質(zhì)樣品明顯不同,應(yīng)為較早時(shí)期沉積于河口的原狀底泥,不能代表航道淤積物。

圖6 長(zhǎng)江口12.5 m深水航道水深沿程分布Fig.6 Distribution of depth of Yangtze Estuary 12.5 m deepwater navigational channel

依據(jù)研究區(qū)域不同泥沙運(yùn)動(dòng)形式的分界粒徑,計(jì)算了推移質(zhì)、懸移質(zhì)和時(shí)推時(shí)懸泥沙在12.5 m深水航道淤積泥沙中所占的比例,結(jié)果見(jiàn)表4。由表可知,時(shí)推時(shí)懸泥沙在12.5 m深水航道淤積泥沙中的占比最高,南港段2015年洪季、枯季分別為58%和61%,北槽進(jìn)口段各測(cè)次在54%～60%之間,北槽段為47%～51%,反映出潮汐河口顯著的懸、底沙交換特征。其中,北槽段位于長(zhǎng)江口攔門(mén)沙海域,其計(jì)算結(jié)果與前人采用泥沙粒度譜[1- 2]、沉積速率[32- 33]、泥沙輸運(yùn)[34]、物質(zhì)通量[35]計(jì)算的長(zhǎng)江口攔門(mén)沙海域懸沙、底沙交換率成果(40%～50%)較為接近。南港段航道2015年洪季、枯季推移質(zhì)淤積占比分別為36%和26%,高于懸移質(zhì)的6%和13%。北槽進(jìn)口段航道各測(cè)次懸移質(zhì)淤積占比為32%～39%,高于推移質(zhì)的5%～9%。北槽段航道各測(cè)次懸移質(zhì)落淤占比為44%～48%,明顯高于推移質(zhì)的3%～6%。各段航道自上而下呈推移質(zhì)淤積占比逐漸減少、懸移質(zhì)淤積占比依次增加的變化特征,符合研究區(qū)基本水沙特性。實(shí)測(cè)資料顯示各段航道洪季回淤量均高于枯季,南港段航道2015年洪季的推移質(zhì)淤積占比較枯季高、懸移質(zhì)占比則較低,應(yīng)主要與洪季較強(qiáng)徑流(表2)加劇上游粗顆粒床沙輸移進(jìn)槽[23]導(dǎo)致航道淤積物粗化有關(guān)；北槽進(jìn)口段、北槽段航道不同運(yùn)動(dòng)形式泥沙淤積比例的洪季、枯季差異不大,反映出洪季各類泥沙活動(dòng)規(guī)模整體增大、對(duì)航道回淤影響同步增強(qiáng)的特征。

表4 不同運(yùn)動(dòng)形式泥沙在深水航道淤積物中的比例

綜合來(lái)看,時(shí)推時(shí)懸泥沙對(duì)長(zhǎng)江口12.5 m深水航道淤積的影響最為明顯,然而該部分泥沙主要是由潮汐河口漲落潮非恒定水流特性造成,難以通過(guò)有效的工程措施來(lái)改變或消除?？鄢溆绊懼?可更加準(zhǔn)確地判斷推移質(zhì)和懸移質(zhì)的比例大小。如12.5 m深水航道最主要回淤區(qū)段的北槽段,航道淤積泥沙中懸移質(zhì)占比較高,應(yīng)采取減少懸沙來(lái)源的方法降低航道回淤?；谏鲜鲅芯空J(rèn)識(shí)及相關(guān)研究成果,2015年10月至2016年12月北槽實(shí)施了南壩田擋沙堤加高工程(圖1,堤頂高程由吳淞基面+2.0 m加高至+3.5 m),工程減少了北槽中下段南側(cè)越堤泥沙供給,降低了北槽懸沙濃度,實(shí)現(xiàn)了預(yù)期減淤目標(biāo)[36]；2019年12月至2020年12月繼續(xù)實(shí)施了南壩田擋沙堤加高完善工程(堤頂高程由吳淞基面+3.5 m加高至+4.5 m),2021年北槽水沙及航道回淤實(shí)測(cè)資料顯示,工程進(jìn)一步減少了北槽懸沙來(lái)源、降低了北槽航道淤積強(qiáng)度。

5 結(jié) 論

本文利用2015年和2018年洪季、枯季同步采集的長(zhǎng)江口南港—北槽表層沉積物和近底懸沙樣品,探討了潮汐條件下泥沙運(yùn)動(dòng)形式粒徑劃分方法,估算了不同運(yùn)動(dòng)形式泥沙對(duì)深水航道淤積的定量影響,主要結(jié)論如下:

(1) 近底懸沙級(jí)配曲線上拐點(diǎn)粒徑對(duì)泥沙由推移質(zhì)向懸移質(zhì)轉(zhuǎn)化具有較好的指示意義?；诮讘疑臣?jí)配曲線上拐點(diǎn)粒徑變化特征,將潮汐條件下泥沙運(yùn)動(dòng)形式劃分為推移質(zhì)、懸移質(zhì)和時(shí)推時(shí)懸泥沙3類。

(2) 時(shí)推時(shí)懸泥沙是長(zhǎng)江口南港—北槽12.5 m深水航道淤積物的主要來(lái)源。南港段航道淤積泥沙中時(shí)推時(shí)懸泥沙占比達(dá)60%左右,推移質(zhì)、懸移質(zhì)占比分別為26%～36%和6%～13%。北槽段航道淤積泥沙中時(shí)推時(shí)懸泥沙占比在50%左右,懸移質(zhì)占比為44%～48%,推移質(zhì)僅占3%～6%。

(3) 本文提出的泥沙運(yùn)動(dòng)形式分類及航道淤積計(jì)算方法進(jìn)一步深化了對(duì)潮汐河口、海岸區(qū)域泥沙運(yùn)動(dòng)規(guī)律的認(rèn)識(shí),可更加精準(zhǔn)判別航道淤積泥沙來(lái)源,針對(duì)性制定航道減淤措施。