长江口细颗粒泥沙过程

摘要：本文对长江口细颗粒泥沙过程研究进行了总结, 并提出了今后重点研究方向：1）长江口细颗粒泥沙是非均匀沙，其运动机理究竟如何？2）大规模水利工程究竟如何影响长江口最大浑浊带? 3）在长江口细颗粒泥沙过程的数学模拟中, 如何考虑河口波、流相互作用(耦合)及其对近底细颗粒泥沙输移的影响? 4）整个长江口水域瞬时、连续的水深、含沙量、地形变化资料的获取技术和方法的改进，以提高长江口细颗粒泥沙过程数学模拟的精度。 5）长江口悬沙以拉格朗日模式输运, 而过去大多悬沙观测调查是在欧拉模式中进行，如何进行欧拉和拉格朗日模式对比研究? 6）风暴潮、台风等对长江口细颗粒泥沙运动的影响。

关键词：长江口 最大浑浊带 细颗粒泥沙

1 引言

长江口是长江注入东海的入海口，自徐六泾以下经过三次分汊，共形成四个入海通道。崇明岛将长江口分为南支和北支；长兴岛和横沙岛又将南支分为南港和北港；南港又进一步被九段沙分为南槽和北槽(图1)。根据大通水文站多年统计资料，长江多年平均流量29500m3s-1。长江口外潮汐为正规半日潮，口内为非正规半日浅海潮。长江口为中潮河口，根据中浚站多年统计资料，多年平均潮差为2.66m。长江口波浪主要为风浪以及风浪和涌浪的混合浪。长江口水域的沿岸流主要为苏北沿岸流。长江口实测最大年输沙量为6.78亿t，最小年输沙量3.41亿t，年平均输沙量大约有4.66亿t[1]。每年由上游携带来的泥沙中有50%左右在长江口水下三角洲地区沉积下来，成为形成长江口拦门沙的主要成份。

图1 长江口略图

Sketch map of Changjiang River Estuary

从以上研究可见，长江口最大浑浊带细颗粒泥沙运动主要表现为：1)垂向交换、2）南北槽平面输移3）水平富集沉降。这几种运动方式分别发生于何种条件下呢?作者认为可能同时发生, 从已有的文献看, 这一问题有待进一步研究。

6 长江口浮泥特性

河口学家对长江口浮泥也进行了现场实验观测研究[39，40]。通过对提纯粘粒做X射线、电子显微镜、差热和脱水分析，张志忠等[39]定性地鉴定出长江口浮泥的粘土矿物成份，并探讨了浮泥的形成条件和分层沉淀现象。结果发现：① 长江口南槽底质中粘土的矿物成分主要是伊利石；② 长江口的浮泥可能主要是汛季上游带来大量粘土的细颗粒物质在长江口受咸水环境作用絮凝沉降所致；③ 长江口浮泥层是由浓度高、密度大、颗粒细的物质组成的分层的半流体的透镜体。长江口浮泥的特性：① 长江口浮泥面容重1.04g/cm3，底板容重1.25g/cm3；② 组成浮泥的细颗粒泥沙中值粒径6.44～6.97;③ 组成浮泥泥沙的粘土矿物为伊利石-绿泥石 高岭石 蒙脱石组合；④ 自然状态下一般浮泥厚度为0.1～0.4m[40]。

7 长江口细颗粒泥沙絮凝机理和絮凝体沉降速率

细颗粒泥沙絮凝是潮汐河口的普遍现象， 其机理具有多样性， 如：盐度、高含沙量条件下颗粒碰撞、有机物或生物作用引起的絮凝，湍流强度变化产生的变化。长江口细颗粒泥沙絮凝主要侧重于盐度絮凝, 絮凝现象的产生必须同时具备两个条件：①絮凝体的电化学反应和颗粒之间的碰撞；②絮凝体所受剪切力小于其抗剪强度[41，42]。实验表明，产生絮凝的最小悬沙粒径是0.030mm，当粒径处于0.01至0.03mm时, 絮凝作用是很微弱的。由于絮凝作用，颗粒大小可以在0.001mm到0.1mm范围内迅速变化。

长江口细颗粒泥沙絮凝机理的研究也得到了发展[5，41～54]。通过现场新鲜水样进行的显微摄影，关许为等[46]测得长江口不同区域絮凝体分布、形状、结构和尺寸，并分析了盐度分布和潮汐现象对泥沙絮凝现象的影响。絮凝体直径分布在0.01～0.5mm之间，大部分出现在0.01～0.2mm范围内。絮凝团主要有条状、团状和蜂窝状三种形式。盐淡水交汇锋面附近、拦门沙河段临底区域为出现大量絮凝体的区域。低流速情况下，特别是憩流期，絮凝较为显著；而高流速情况下，例如涨急与落急期，絮散比较明显。根据长江口细颗粒泥沙絮凝沉降试验和长江口一年的实测阳离子浓度资料，蒋国俊、张志忠[48]分析了阳离子浓度对细颗粒泥沙动力絮凝沉降的影响。结果发现：① 长江口细颗粒泥沙动力絮凝存在最佳离子浓度；② 在阳离子浓度相同的水体中，高价离子比低价离子更能促进细颗粒泥沙的动力絮凝沉降；③ 长江口阳离子浓度的时空变化，影响细颗粒泥沙絮凝沉降强度和沉积部位，对拦门沙的发育及冲淤变化有重要影响。

Han and Lu[43]得出如下长江口细颗粒泥沙絮凝沉速的综合关系式

ω/ω0=26.5(1/K·Cmf/C)-0.8(絮凝沉降加速阶段)

(1)

ω/ω0=26.5(1/K·Cmf/C)0.892(絮凝沉降减速阶段)

(2)

尽管在过去20多年中长江口细颗粒泥沙运动研究取得了很大的进展，但仍有深入研究的必要。这是因为长江口细颗粒泥沙运动本身是非常复杂的。河口悬沙以拉格朗日(Lagrangian)模式输运, 但是, 大多悬沙调查是在欧拉(Eulerian)模式中进行。这表明，悬沙浓度的变化可归因于泥沙平流以及底床泥沙侵蚀。由于细颗粒泥沙的絮凝是依赖于悬沙浓度和湍流。所以，将悬沙浓度变化的平流成分和湍流成分分开是十分重要的。这样， 能定量地表明这两种参数对絮凝过程的意义。从而，可以经验性地进行欧拉和拉格朗日模式对比研究。此外，还有利于对絮凝过程的了解，对影响泥沙分布、输移的水流结构的认识有利，从而加强对细颗粒泥沙运动过程的了解。

9 长江口细颗粒泥沙运动的数学模拟

从90年代开始, 河口学家、海岸工程师和环境流体力学家对长江口细颗粒泥沙运动及冲淤变化进行了数学模拟研究，这些包括垂向一维悬沙数学模型、垂向二维悬沙数学模型、平面二维悬沙数学模型等等。

9.1 垂向一维悬沙数学模型

在实测资料分析的基础上，认为长江口地区瞬时含沙量的变化主要取决于泥沙沿垂线方向的扩散和沉降，徐建益等[66]对非恒定二维泥沙扩散模型进行了简化，建立了长江口南支非均匀沙垂向分层的数学模型，通过求解垂向扩散方程给出垂线上分层的含沙量和悬沙粒径级配。利用垂向一维悬沙数学模型，时钟、陈伟民[38]对长江口北槽口内、口外的细颗粒泥沙过程进行了模拟。

9.2 垂向二维悬沙数学模型

利用一维水流、垂向二维泥沙数学模型，黄永健[67]进行了水流越槽的不平衡输沙计算，求出沿水流各断面垂向含沙量分布，从而推算出挖槽的回淤量。类似地，利用一个一维水流、垂向二维泥沙数学模型，李家春等[68]、王涛、李家春[69]、周济福等[70]研究了长江口北槽拦门沙地区不同径流、潮流组合作用下泥沙输运规律。李家春等[68]分析了河口泥沙输移受波流边界层、湍流泥沙相互作用、河口混合过程的影响，在此基础上建立了河口泥沙输运的模型。

9.3 平面二维悬沙数学模型

利用平面二维悬沙数学模型，赵棣华等[71]对长江口南支悬沙运动进行了模拟。在大范围平面二维水流和含沙量计算的基础上，将所关心的局部区域视为一个封闭的区域，通过分别计算其各条边界上的泥沙输移量，来预测该区域内泥沙冲淤分布及河床变形的趋势[72]。

9.4 数理统计模型

选用长江口南槽逐月水下地形图、相应的大通站的流量和含沙量，中浚、横沙和高桥等站的潮位资料，应用数理统计理论和方法，朱惠芳、周纪芗[73]对长江口南槽航道拦门沙的冲淤变化进行了数学模拟。

长江口受径流、潮流、沿岸流影响，是非定常的往复流动。同时，湍流对泥沙输运有重要影响。湍流边界层中的猝发现象与泥沙起动有关，层结现象又可抑制剪切产生的湍流脉动。在那里，由于淡水和盐水混合，又会导致絮凝、加速沉降等。因此，河口边界层中流动，泥沙与底床的相互作用是关键问题。因长江泥沙浓度较低，泥沙运动可视为被动标量，而且冲淤计算的时间尺度较长，所以流场、浓度、冲淤计算可依次进行。结果表明，流场分布与观测资料定量一致，浓度分布虽然定性一致，但在定量上尚有一些误差。河口泥沙研究必须建立在波流场、分层流、两相流、湍流研究成果的基础上[74]。今后，仍应加强长江口最大浑浊带的数学模拟的研究，并在模拟中考虑水流和悬沙的耦合。此外，最大浑浊带中悬沙会影响阻力系数和底床切应力的分布。近年来，人工神经网络也不断应用到水科学中，能否将其应用到长江口水动力、泥沙过程研究中？蔡树棠等[75]从两相流体运动的观点出发来讨论潮汐河口泥沙的运动和淤积问题。今后，能否考虑用两相流运动理论研究长江口泥沙运动呢？

10 长江口入海航道疏浚、回淤和治理

沈焕庭等[76]探讨了长江河口入海航道治理研究。顾伟浩等[77]对长江口铜沙老航槽自然回淤进行了初步分析。陈吉余[78]深入讨论了长江口治理。1984年2～3月以前，长江口入海航道原为南槽，之后，开挖北槽航道，当年4月25日正式通航。根据现场观测的水文、泥沙资料和数值模拟计算结果，盛升国等[79]对长江口北槽航道抛泥区疏浚泥沙的运动进行了研究。利用平面二维数学模型，盛升国等[79]对抛入不同抛泥区的疏浚土，在潮流作用下的扩散方向和范围做了研究。顾伟浩[80]分析了台风对长江口北槽航槽挖槽段回淤影响。钟修成、任苹[81]对长江口拦门沙航道(北槽)回淤进行了分析。根据1990年2～4月的现场实测水文泥沙资料及有关航槽检测图，关许为、顾伟浩[82]就寒潮对长江口北槽回淤影响进行了分析。径流、潮流、风浪和风吹流是长江口航槽冲淤四大主要动力因素，泥沙运动是这些动力因素综合作用的结果。他们认为只有7级以上风力的寒潮天，才会对长江口航槽淤浅产生显著影响。通过大量现场实测资料，张栋梁、孙建国[83]长江口北槽挖槽段泥沙淤积机理探讨。张栋梁、姚金元[84]就长江口北槽挖槽段泥沙淤积特性进行了分析研究。研究表明，北槽挖槽段泥沙淤积呈三峰型，南槽、北港水沙与北槽交换的影响使得北槽拦门沙位置上移。三峰型淤积机理各不相同，如洪汛时泥沙在北槽全槽淤积，汛后期泥沙在挖槽段内淤积，实质是洪汛北槽下段的淤积泥沙在时间和空间上的调整。

11 结论

本文对长江口细颗粒泥沙过程研究进行了回顾总结。在过去20年中, 长江口细颗粒泥沙特征、细颗粒泥沙过程、悬沙平面扩散、悬沙锋、最大浑浊带、浮泥特性、细颗粒泥沙絮凝机理和絮凝体沉降速率、近底边界层细颗粒泥沙运动和细颗粒泥沙运动的数学模拟等方面取得了一定成就, 为长江口入海航道疏浚、治理等提供了科学依据。 海洋水声学被成功应用于长江口近底边界层细颗粒泥沙输移的实验研究这应为深入理解河口近底边界层高含沙层的侵蚀、挟运、输移和堆积过程提供新的实验研究途径，对河口最大浑浊带成因的进一步认识应有重要的科学意义。数学模拟已成为长江口细颗粒泥沙过程研究及应用的重要手段。

就作者的认识和兴趣, 今后应在以下几个方面加强进一步研究：大规模水利工程势必对长江口悬沙场等产生影响，究竟对长江口最大浑浊带的影响程度如何?在长江口最大浑浊带细颗粒泥沙过程的数学模拟中, 如何考虑河口波、流相互作用(耦合)及其对近底细颗粒泥沙输移的影响?长江口地形变化大，整个水域瞬时的水深、地形变化资料很难获取；此外，整个水域瞬时、连续的含沙量资料缺少，这些都给长江泥沙过程数学模拟精度带来不少问题。整个长江口水域瞬时、连续的水深、含沙量、地形变化资料的获取技术和方法的改进，可以提高长江泥沙过程数学模拟精度。长江口悬沙以拉格朗日（Lagrangian）模式输运, 而过去大多悬沙观测调查是在欧拉(Eulerian)模式中进行，如何进行欧拉和拉格朗日模式对比或转换研究？极端气候条件下，如风暴潮、台风等对长江口细颗粒泥沙运动的影响。

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