【最新word论文】长江口粗粉砂和极细砂输移特性研究【水利工程专业论文】.doc

长江口粗粉砂和极细砂输移特性研究摘要：在长江口区主航槽中利用悬浮物浓度测定系统(ACP 1)第一次获得了近底紊流“猝发”(burst)和床面泥沙喷发(ejection)的连续时间序列可视图像和数据，同时利用高分辨率流速仪以及旁侧声纳、热敏式双频测深仪等手段获得了大量底形沙波的实测图像和数据。这些图像和数据结果表明：长江口南支 南港之间粗粉砂至极细砂在涨落潮流的作用下，呈现静止细颗粒泥沙起、悬扬粗颗粒喷发运移的同时进行大尺度底形运动细颗粒起扬、悬扬静止的输移循环模式，即当U50cm/s，泥沙在底床上基本不运动；50cm/sU65cm/s，小尺度紊流猝发发生，泥沙开始小尺度起扬，并有幕式猝发现象；65cm/sU100cm/s时，小尺度紊流猝发强度和持续宽度急剧增大，床面细颗粒泥沙开始喷发导致床面开始冲淤，形成中小尺度沙波；100cm/sU110cm/s时，大尺度紊流形成，床面粗颗粒泥沙开始喷发；到了U110cm/s时，宏观紊流规模更大，床面粗颗粒泥沙的喷发强度和持续宽度急剧增大，导致床面形成大尺度沙波运动。由于U110cm/s的落潮流速远远大于涨潮流速，且落潮最大流速达137cm/s，落急(流速100cm/s)历时(3小时16分)长，因而发育了大量陡坡朝向下游的大尺度底形沙波，尤其是波长10m的大尺度沙波都是朝向落潮流方向；而涨潮最大流速仅113cm/s，涨急(流速100cm/s)历时仅约40分钟，因而没有发育朝向上游方向的沙波。 关键词：粗粉砂 极细砂 幕式再悬浮 猝发 喷发 底形运动 输移模式 1 引言 与波流共同作用下的砂质河口13相比，长江河口是一个悬沙浓度较高、底质分布较复杂的潮汐河口，有泥、粉砂、极细砂和浮泥、细砂等，且各河槽底床表层泥沙的平面分布存在较大差异(图1)4。中值粒径d50在0.1250.03mm的粗粉砂和极细砂在长江河口区分布广，如南支下游、南港、北港，北支及滩槽交界处，水深均在1015m左右5。根据现代普遍采用的美国地球物理学会(AGU)泥沙分类标准6和国际沉积学会(SEPM)的底形分类标准7，粒级为0.030.125mm的粗粉砂至极细砂由于其粒度太细，粘滞力较大，一般以冲泻质、平床方式运动，仅低流速时有波高0.03mm的沙纹运动，与悬浮泥沙基本无交换8。甚至在Komar and Reiners (1978)的图解中被归到了粘性斯托克斯域(viscous Stokes regime)9内，亦无大尺度底形发育。图1 长江口底质沉积物类型分布图Distribution of bed sediment types in the Changjiang Estuary周程熹等曾报道在长江口该粒径分布区洪季有大尺度底形(bedform)沙波运动1012，因而多年来一直为人们所关注，但由于受观测方法和仪器条件的限制，迄今为止其存在的可能性仍受到怀疑1315。而且粗粉砂至极细砂被认为因颗粒间的粘滞力明显增大，泥沙颗粒所受到的起动切力大，只有在足够大的涨急和落急水流条件下，细颗粒周围的粘土被悬浮后才能以跳跃或半悬浮形式在近床面上运动12，16。作者于1997年12月3日至5日沿长江口南支下游至南港上游河段进行了走航式旁侧声纳、热敏式双频测深仪、Geo chirp浅地层剖面仪测量，并在14小时的一个连续涨、落潮过程中进行了连续定点悬沙剖面(ASSM)、ENDCO海流计、悬沙含量等新仪器的测量，获得了清晰、完整、系统的高分辨率三维底形沙波和实时同步高分辨率底流速实测资料、14小时连续时间序列的底沙变化运动全过程的数据和可视图象。这些研究成果证实了长江口粗粉砂至极细砂在洪、枯季都有底形运动的发育，对长江口泥沙的全沙输移模型、港口航道的疏浚等研究将具有重要意义，填补了国际沉积学界关于粗粉砂至极细砂粒级范围内大尺度底形运动研究的空白。本文特向同行报道这一研究成果，并对长江口粗粉砂至极细砂的输移模式作一初步探讨。2 研究区域长江是流域面积达1.8×106km2，年平均流量29300m3/s，最大流量可达92600m3/s，最小流量4620m3/s，平均潮差3.12m，每年向东海输送4.78×108t的泥沙，其中有0.8×108t的较粗颗粒的泥沙沉积在河口段7，与外海输入泥沙一起组成河口区底沙(bed material)。长江出徐六泾节点之后，首先被崇明岛分隔为南北两支，继而南支又被长兴、横沙岛分隔为南北两港，节点到口门的距离和口门的宽度相当，均为90km。长江口的平均粒径为0.160.002mm，中值粒径d50=0.170.002mm，即从细砂到粘土均有。平均而言，长江口水域沉积物较潮滩粗，水域中，口内河道较口外海滨粗；河道中，南支粗于北支，北港粗于南港。河道呈现从上游向下游变细的趋势：如北支上、下段Mz平均为0.06和0.045mm。由于水下地形滩槽交错，沉积物横向变化频繁剧烈，一般规律是自深槽向浅滩变细。考虑到南支对下游南、北港和南、北槽发育的控制性影响和前人的双频测深资料2，3，研究者选择了床面泥沙平均粒径在0.177mm0.031mm之间的南支下段至南港上段，展开了由吴淞口至下游(剖面AA、测线长18km)和由下游南港至上游南支(剖面BB、测线长21.07km)等两条剖面的实测工作(图2)，并在南支下游宝山河段选择一个实测点进行定点定位测量(DZ1站)。在南支与南港两河段之间有黄浦江自吴淞入海口，吴淞年平均净径流量约345mm3/s，最大进潮流量可达12100m3/s，最大落潮流量为6000m3/s，最大涨潮平均流速1.8m/s，最大落潮平均流速1.5m/s，涨潮流时间约5小时，落潮流时间约7小时。图2 长江口中的测线和测站Detected line and station of bed configuration in the Changgjiang Estuary3 研究方法调查时使用80t木质渔船，船速3节，所有观测仪器除了探测器外，其它设备均安装在船舱内。航线和测点定位采用美国Del Norte Inc.公司的1008/586 D.GPS(实时定位)。河槽床面形态的纵剖面特征由测深仪和浅地层剖面仪获得，前者为美国Inner space Inc.公司的热敏式测深仪(449M Thermal Depth Sounder Recorder)沿两条测线(剖面AA、BB)展开，后者为英国Geo Acoustics Limited公司的Geo Chirp Sub Bottom Profiler System沿测线2展开，这两种仪器的探测器垂直悬挂在船右舷水面以下1m处。河槽床面形态的平面分布则利用英国Ultra Electronics公司的旁侧声纳(3050L W scan Side scan Sonar)进行测量，拖鱼状探测器放置在船尾水面漂浮。1997年12月4日至5日14小时连续定点定位测量主要有两项内容：一为底沙输移随时间的变化过程；二为底沙上部水体流速流向随时间的变化过程。底沙随时间的输移变化过程采用中国科学院东海研究站设计出品的ACP 1声学浓度剖面仪测定，探测器(发射/接收共用换能器)与加重铅鱼垂直悬挂在船右舷水面以下6m。底沙上部水体随时间的变化(流速、流向)过程则利用美国Endeco/YSI Inc公司的流速仪(174SSM Currernt Meter)进行测量，将其垂直悬挂在调查船左舷离水面以下1m处；同时进行的传统流速、流向测量仪与加重铅鱼垂直悬挂在左舷床面以上1m。水样的采集点为0.6H，0.8H，1.0H(H为水体深度)，采集时间间隔为30min,其将作为悬浮物的浓度和粒度分析之用，前者采用0.45m定性滤纸过滤法，后者采用TA Coulter计数器分析。底质粒度分析采用标准筛析法。4 结果4.1 底沙粒径组成根据粒度分析结果，本次调查区域的底沙在枯季为粉砂至细砂，以粗粉砂至极细砂为主(图3)，Mz=0.125mm0.031mm，部分采样点则以细砂为主，Mz=0.083mm，且粗粉砂至极细砂中仍含有2030%的细砂。因此长江口南支 南港沉积物粒度组成有较宽的粒度分布区间。表1 长江口南支-南港底沙沉积物粒度参数Grain size parameters of bed sediment in South Branch and South Channel in the Changjiang Estuary分级名称 粒度区间(mm)比例(%)比例(%)中砂0.50.250.050.25细砂0.250.1254.0020.50极细砂0.1250.0632.6451.52粗粉砂0.060.0332.3216.17中粉砂0.030.0169.132.72细粉砂0.0160.0089.884.52极细粉砂0.0080.0045.072.11粘土0.0046.912.21图3 长江口南支粗粉砂和极细砂质底沙的累计频率曲线(a)和频率曲线(b)Accumulative (a) and frequency (b) curves of bed sediment composed of coarse silt and very fine sand in South Branch in the Changjiang Estuary4.2 底形特征本区测线水深在1017m，两条测线上绝大部分声纳图像均显现出河床表面呈波状起伏的韵律形态。根据双频测深图谱上的波长、波高大小和声纳图谱上沙波脊的宽度、形态、连续性等(图4、5，表2)可将本区沙波划分为以下几种类型：图4 长江口南支南港粗粉砂和极细砂质分布区底形沙波的热敏式测深仪记录(测量时间：1997年12月3日至5日)其中A：小型对称和不对称沙波，波长510m;B：对称沙波，波长1015m；C：不对称和叠置波波，前者波长1015m，后者波长小于5m；D：大型孤立沙波，波长大于30mPThermal Depth Recorder records of bed forms composed of coarese silt and very fine sand in South Channel and South Branch, Changjiang Estuary during December 3 5, 1997图5 长江口粗粉砂和极细砂质底沙大尺度底形动波的旁侧声纳记录(测量时间1997年12月3日至5日)A：直脊状小型沙波 B：弯曲小型沙波 C：新月型沙波 D：左 弯曲沙波；右 新月型沙波Widescan Sonar Sidescan records of bed forms composed of coarse silt and very fine sand in the Changjiang Estuary durng December 3 5, 1997表2 长江口高分辨率底形沙波双频测深和旁侧声纳记录The Thermal Depth Recorder and Sonar Sidescan records of high resolution bedforms in the Changjiang Estuary名称波长(m)波高(m)波/高比陡坡(角度和方向)双频测深、声纳图像百分比(%)直脊状小型对称沙波5100.20.525303°5°下游直脊线状脊、谷密集均匀图4A、5A26.97直脊状小型不对称沙波5120.10.450803°11°下游为主直脊线状脊、谷不均匀图4A、5A34.25弯曲型对称沙波10150.30.721405°7°，下游为主脊弯曲或分叉，图4B、5B5.60弯曲型不对称沙波10150.20.7501007°12°，下游为主脊线断续，图4C、5B、5D左10.32新月型对称沙波15200.41.020405°6°，下游为主脊线断续、呈新月型图4C、5C、5D右11.36新月型不对称沙波150.51.230505°12°，下游为主同上图4C、5C、5D右11.00孤立状沙丘301.030图4D0.54.3 高分辨率流速、流向与悬浮物浓度变化过程定点定位流速、流向和ASSM悬浮物浓度剖面仪测量图像和结果(图6、7和表3)显示：研究区内落潮历时大于涨潮历时约2小时，落潮流速大于涨潮流速，落潮最大流速达137cm/s，涨潮最大流速达113cm/s，落急(流速100cm/s)历时(3小时16分)亦长于涨急(流速100cm/s)历时(仅约40分钟，图6)；流速可分成以下几个区间，且长江南支 南港由粗粉砂 极细砂细砂组成的河槽床面形态和床沙的再悬浮等特征与流速的变化直接相关：U50cm/s时，床面基本保持平整，无床沙起、悬扬；50U60cm/s时，床面稍有侵蚀和堆积地貌，床沙有掀动，起扬高程达640cm，仅有波长为数cm的沙纹；60cm/sU100cm/s时，床沙再悬浮(或喷发，ejection)作用加强，形成大型沙纹和和小尺度沙丘，持续时间较短；100U110cm/s时，底沙再悬浮作用急剧加强，持续时间长且喷发高度大；U110cm/s时，底沙再悬浮作用很强，且能形成大尺度沙丘(图7和表3)。图6 长江口南支1998年12月4日至5日连续14小时流速和流向变化过程Fluctuation of current velocity and direction in continuous 14 hours in South Branch in the Changjiang Estuary during December 4 5, 1997图7 长江口粗粉砂和极细砂质底沙随涨落潮的流速变化周期发生底形运动和再悬浮输移变化过程的声学悬浮物浓度剖面仪(ACP)记录(测量时间1997年12月4日至5日)A：伴随着沙纹的运动细颗粒的中等强度再悬浮(黄色)和粗颗粒的弱再悬浮(红紫色) B：伴随着小尺度沙波运动细颗粒的强再悬浮和粗颗粒的中等强度再悬浮 C：伴随着中等尺度沙波运动粗细颗粒均有强再悬浮 D：伴随着大尺度沙波运动粗细颗粒均亦有很强的再悬浮Acoustic Suspended Concentration Profile records composed of coarse silt and very fine sand with the current velocity fluctuation of ebb and flood in the Changjiang Estuary during December 4 5， 1997表3 1997年12月4至5日长江口南支 南港枯季流速、流向和再悬浮变化特征(图6、7)Current Velocity, direction and re suspension change in South Branch and South Channel in the Changjiang Estuary in dry season during December 4 5, 1997时间流速(cm/s)流向床面形态特征再悬浮特征(起扬高程和持续宽度)1614163054.063.8303319少量掀沙和微量冲淤660cm130s1631171248.717.6301321平整无171317453.319.6159311，方向经常变化大型沙波无1746180917.849.2183151平整无1810190050.9997.96137149少量掀沙、微量冲淤640cm115s19011906100.2107.5144148较大掀沙和冲淤2600cm160s1907202073.698.5139142同上同上20212337100137138151大强度掀沙和冲淤同上233800399.253.8141151中等强度掀沙和冲淤6600cm130s00402544.216.3106186平整无0261029.062.3203310，方向经常变化大型沙波无10320063.898.7311329少量掀沙和冲淤240cm115s201237100.2113.5314319较大掀沙和冲淤660cm130s23840452.096.2312317中等强度掀沙和冲淤2400cm160s40544413.649.2300332平整无4450.550168326，方向经常变化大型沙波无5 长江口粗粉砂至极细砂输移模式讨论 通过上述对长江河口南支下游南港上游主槽及其附近的粗粉砂和极细砂质底床床面形态以及其上部水体运动进行三维立体观测时所获得大量可靠底沙再悬浮和大尺度底形沙波数据和图像资料研究结果，可以提出这样一个关于长江口粉砂和极细砂的输移模式(图8)，即在涨落潮流的作用下，呈现静止细颗粒泥沙起、悬扬粗颗粒喷发运移的。同时进行大尺度底形运动细颗粒起扬、悬扬静止的输移循环模式，即当U50cm/s，泥沙在底床上基本不运动；50cm/sU65cm/s，微观紊流猝发(microturbulent burst)发生，泥沙开始小尺度起扬，并有幕式猝发现象；65cm/sU100cms时，小尺度紊流猝发强度和持续宽度急剧增大，床面细颗粒泥沙开始喷发(ejection)导致床面开始冲淤，形成中小尺度沙波；100cm/sU110cm/s时，大尺度紊流形成，床面粗颗粒泥沙开始喷发(ejection or kolks)；到了U110cm/s时，大尺度紊流规模更大，床面粗颗粒泥沙的喷发强度和持续宽度急剧增大，导致床面形成大尺度沙波运动。图8 长江口粗粉砂和极细砂输移概化模式Conceptual model of coarse silt and very fine sand transport in the Changjiang Estuary表4 底流速(U)、再悬浮和底形特征(图6、7)Current velocity (U), re suspension and bed form characteristics底流速(cm/s)再悬浮特征(浓度，持续时间和喷发高度)底形ACP图像特征(图7)50无无5060少而低沙纹A60100较多而高大型沙纹和小型沙波B100110较强，持续时间长且高中等尺度沙波C110140很强，长且高大尺度沙波D由于U110cm/s的落潮流速远远大于涨潮流速，且落潮最大流速达137cm/s，落急(流速100cm/s)历时(3小时16分)长，因而发育了大量陡坡朝向下游的大尺度底形沙波，尤其是波长10m的大尺度沙波都是朝向落潮流方向；而涨潮最大流速仅113cm/s，涨急(流速100cm/s)历时仅约40分钟，因而没有发育朝向上游方向的沙波。显然上述有关粗粉砂至极细砂质大尺度沙波形成和运动成因机制与目前地学界一般看法很不一致，后者认为大尺度底形沙波是由细砂级以上的泥沙颗粒作推移质运动而成，成因假说有四种：从局部扰动引起的近壁层流层的紊动特性出发1718；从床面表面作用力的平衡条件考虑床面的不稳定性和水面波的诱导19；前两者的结合20；从水流底部的紊动结构出发，结合运动底沙摆动特点的“准共振界面波”21。由于这四种假说针对细砂级以上粒径而言，均不能解释本文对长江口粗粉砂至极细砂分布区所开展的野外水体底部小尺度紊流和泥沙运动显影观测结果。大量实验室水槽中的水流显影研究(如Rao22，Sumer等23)将紊动结构和猝发特征与床面附近的泥沙运动联系起来，获得了一些有意义的结论，即当紊动猝发自床面附近上升时，也夹带了那里的泥沙，如果泥沙的沉速较大，则在抬升过程中会很快回到河床床面，这样的泥沙就属于跃移质或推移质。若泥沙沉速较小，则进入悬浮状态，在悬移质和床面泥沙或推移质之间存在着不断的交换(Offen, 1975)24。Heathershaw and Thorne(1985)25、Thorne等(1989)26和Lapointe(1992)27曾通过安置在河流和海洋环境中近底床含砾砂的流速仪观测到了“象猝发那样的信号”。而作者在世界上第一次利用声学悬浮泥沙浓度测定系统和流速仪获得了河口区连续时间序列的可视“紊流猝发”(图7)，表明长江口区水深较小，大尺度底形沙波与高流速和含沙量条件下，大、小尺度紊流的猝发特征(时间间隔和历时 、频率和强度)及其对粗粉砂和极细砂的泥沙特性(起扬速度和临界运动)直接相关，可能与细砂级大尺度底形沙波与大尺度紊流的关系28相反。致谢：本文曾得到陈吉余院士、王宝灿教授的指导和帮助，还得到李九发教授、何青讲师的帮助，在此一并致谢。参考文献1 Kostaschuk, R. 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Macroturbulence generated by dunes: Fraser River, Canada, Sedimentary Geology, 85(1993)25-37.劳德诺又道：“当时我问师父：林家这辟邪剑法威力很大么？青城派为甚么这样用心修习？师父不答，闭眼沉思半晌，才道：德诺，你入我门之前，已在江湖上闯荡多年，可曾听得武林之中，对福威镖局总镖头林震南的武功，如何评论？我道：武林中朋友们说，林震南手面阔，交朋友够义气，大家都买他的帐，不去动他的镖。至于手底下真实功夫怎样，我不大清楚。师父道：是了！福威镖局这些年来兴旺发达，倒是江湖上朋友给面子的居多。你可曾听说，余观主的师父长青子少年之时，曾栽在林远图的辟邪剑下？我道：林林远图？是林震南的父亲？师父道：不，林远图是林震南的祖父，福威镖局是他一手创办的。当年林远图以七十二路辟邪剑法开创镖局，当真是打遍黑道无敌手。其时白道上英雄见他太过威风，也有去找他比试武艺的，长青子便因此而在他辟邪剑法下输了几招。我道：如此说来，辟邪剑法果然是厉害得很了？师父道：长青子输招之事，双方都守口如瓶，因此武林中都不知道。长青子前辈和你师祖是好朋友，曾对你师祖说起过，他自认这是他毕生的奇耻大辱，但自忖敌不过林远图，此仇终于难报。你师祖曾和他拆解辟邪剑法，想助他找出这剑法中的破绽，然而这七十二路剑法看似平平无奇，中间却藏有许多旁人猜测不透的奥妙，突然之间会变得迅速无比。两人钻研了数月，一直没破解的把握。那时我刚入师门，还只是个十来岁的少年，在旁斟茶侍候，看得熟了，你一试演，便知道这是辟邪剑法。唉，岁月如流，那是许多年前的事了。”林平之自被青城派弟子打得毫无招架之功，对家传武功早已信心全失，只盼另投明师，再报此仇，此刻听得劳德诺说起自己曾祖林远图的威风，不由得精神大振，心道：“原来我家的辟邪剑法果然非同小可，当年青城派和华山派的首脑人物尚且敌不过。然则爹爹怎么又斗不过青城派的后生小子？多半是爹爹没学到这剑法的奥妙厉害之处。” 只听劳德诺道：“我问师父：长青子前辈后来报了此仇没有？师父道：比武输招，其实也算不得是甚么仇怨。何况那时候林远图早已成名多年，是武林中众所钦服的前辈英雄，长青子却是个刚出道的小道士。后生小子输在前辈手下，又算得了甚么？你师祖劝解了他一番，此事也不再提了。后来长青子在三十六岁上便即逝世，说不定心中放不开此事，以此郁郁而终。事隔数十年，余沧海忽然率领群弟子一起练那辟邪剑法，那是甚么缘故？德诺，你想那是甚么缘故？“我说：瞧着松风观中众人练剑情形，人人神色郑重，难道余观主是要大举去找福威镖局的晦气，以报上代之仇？师父点头道：我也这么想。长青子胸襟极狭，自视又高，输在林远图剑底这件事，一定令他耿耿于怀，多半临死时对余沧海有甚么遗命。林远图比长青子先死，余沧海要报师仇，只有去找林远图的儿子林仲雄，但不知如何，直挨到今日才动手。余沧海城府甚深，谋定后动，这一次青城派与福威镖局可要有一场大斗了。“我问师父：你老人家看来，这场争斗谁胜谁败？师父笑道：余沧海的武功青出于蓝而胜于蓝，造诣已在长青子之上。林震南的功夫外人虽不知底细，却多半及不上乃祖。一进一退，再加上青城派在暗而福威镖局在明，还没动上手，福威镖局已输了七成。 倘若林震南事先得知讯息，邀得洛阳金刀王元霸相助，那么还可斗上一斗。德诺，你想不想去瞧瞧热闹？我自是欣然奉命。师父便教了我几招青城派的得意剑法，以作防身之用。” 陆大有道：“咦，师父怎地会使青城派剑法？啊，是了，当年长青子跟咱们祖师爷爷拆招，要用青城派剑法对付辟邪剑