长江口沙波统计特征及输移规律

郭兴杰，程和琴，莫若瑜，杨忠勇

(1. 华东师范大学 河口海岸学国家重点实验室，上海 200062；2. 上海市地质调查研究院，上海 200072；3. 中交第三航务工程勘察设计院，上海 200032；4. 三峡大学 水利与环境学院，湖北 宜昌 443002)

长江口沙波统计特征及输移规律

郭兴杰1，2，程和琴1*，莫若瑜3，杨忠勇4

(1. 华东师范大学 河口海岸学国家重点实验室，上海 200062；2. 上海市地质调查研究院，上海 200072；3. 中交第三航务工程勘察设计院，上海 200032；4. 三峡大学 水利与环境学院，湖北 宜昌 443002)

利用多波束测深系统对长江口南港、北槽、横沙通道和北港水下地貌进行测量，对沙波波高、波长、迎流倾角、背流倾角、水深和沉积物特征进行统计，并根据流速、沉积物粒径及水深估算其潮周期内净位移。结果表明：长江口沙波基本都为大型沙波，且沙波大小与其所在区域沉积物粒径呈正比关系；长江口各个区域沙波的对称性不同，涨、落潮优势流越明显，则沙波对称性越差，净位移越大；沙波对称性能反映此区域水动力强弱及潮周期内沙波净位移大小。

沙波；长江口；涨潮；落潮；位移

1 引言

沙波是一种河流和浅海中常见的水下微地貌[1]，是重要的沉积地貌，其成因与动力沉积过程紧密相关。沙波的本质是推移质运动[2]，当河床推移质运动达到一定的规模就会产生沙波[3]。长江河口底沙活动频繁，在江中堆积的水下沙体变化会引起河床剧烈演变，导致航道淤浅和港口码头阻塞[4]，所以对长江口沙波输移规律研究有重要的工程意义。

目前国外对沙波的研究主要集中在沙波背流面横轴涡流引起的泥沙再悬浮[5—6]，利用多波束测深系统对沙波进行测量研究[7—11]，沙波形态学结合水动力数值模拟的研究[7—9]。国内从沉积学和潮动力的角度对海底沙波进行研究[12—15]，由于仪器条件的限制，对长江口沙波研究一直比较少，研究位置主要为南支和南港，其中比较有代表性的研究有沙波形态统计特征[4，16]、长江口沙波底形相图[17]、沉积物粒径和水动力[4，18]和底沙输移特征[4，19]。

本文通过高分辨率多波束测深系统对长江口沙波进行测量，统计其形态特征，利用其沉积物粒径、水深、动力计算得到长江口不同分汊区域沙波迁移位移，研究不同区域沙波位移的运动规律及影响因素。

2 现场观测与资料来源

地貌数据采集于长江口洪季(2013年6月28日至7月1日)，利用Reson SeaBat 7125 SV2多波束和SMC S-108姿态传感器对水下地貌进行测量，Hemisphere VS110 GPS罗经为多波束提供精确的艏向数据，Trimble SPS351信标机主要为多波束提供精确的脉冲同步信号，而Thales Z-Max RTK GPS为多波束测深系统提供厘米级的高精度定位数据，保证了数据质量的可靠性。频率选用400 kHz，波束密度选择最大512个、120°条带宽度。流速数据利用美国RDI公司1 200 kHz Work Horse ADCP，并结合DGPS(全球差分定位系统)进行现场水文数据采集，南港、北槽流速数据采集于2013年7月26-29日；横沙通道数据采集于2013年6月30日至7月1日，北港数据采集于2012年6月6-7日，采用定点测量方法，测站位置如图1所示，采集六层垂向流速，并计算得到垂向平均速度。底沙样品用帽式抓斗采集。

床面地貌数据利用PDS2000Liteview收集和后处理。河床沙样品经偏磷酸钠浸泡和超声波打散后，采用LS100型激光粒度仪进行粒度分析。

3 结果

3.1 沙波分布

本次走航测量到大量沙波，基本以沙波群形式出现。统计其中16个较完整的沙波群，共988个沙波。Q1～Q5五个沙波群出现在南港中下段；北槽观测到的沙波群很少，只在北槽入口段观测到两个小沙波群，为B1、B2；横沙通道3个沙波群H1～H3；北港上段六个沙波群G1～G6，集中于上海长江大桥附近(图1)。

图1 研究区域及沙波图Fig.1 Sketch of study area and sand waves

3.2 沙波统计方法

由于沙波形态差异较大，沙波形态参数借鉴knaapen等[7—9]统计方法，通过沙波波峰与波谷的相邻位置水平距离计算得到沙波波长(L)，波高(H)及对称性(As)(图2)。

图2 沙波形态参数Fig.2 Definitions of bedform parameters

(1)

(2)

(3)

式中，L1为落潮向沙波相邻波谷与波峰的水平距离，L2为涨潮向沙波相邻波峰与波谷的水平距离，H为沙波背流面波峰与波谷的高差h1，由于河口水动力主要由涨落潮影响，且一般认为沙波的迎水面比较平缓，背水面比较陡峻[2]，沙波的对称性(As)能很好的反映沙波输运优势向[7—9]，当As<0时，沙波运动向为涨潮流优势向；当As>0时，沙波输移向为落潮流优势向；当As=0时，沙波对称性较好，输移优势向不明显。

3.3 沙波的几何特征

以前的研究认为南港主槽[16—19]、横沙通道以西[20]存在大量的沙波。利用多波束测深系统对长江口进行测量，发现南港中下段发育大量沙波；北槽沙波分布较少，只在入口段发育两个沙波群；横沙通道内存在大量的沙波；北港上段尤其是上海长江大桥附近发现大量的沙波。其中南港共统计沙波数325个，波长7.5～20.2 m，平均波长约12.5 m，波高0.17～1.09 m，平均波高0.37 m；北槽统计沙波数143个，波长6.12～6.65 m，平均波长6.4 m，波高0.19～0.23 m，平均波高0.21 m；横沙通道内发现大量沙波群且发育良好，共统计沙波数174个，波长7.73～21.92 m，平均波长16 m，波高0.21～0.82 m，平均波高0.6 m；北港统计沙波数346个，波长9.8～21.23 m，平均波长13.1 m，波高0.21～0.68 m，平均波高0.46 m(表1)。

沙波倾角可以直接由PDS2000Liteview测量，南港背流倾角2.44°～7.81°，迎流倾角0.5°～4.2°；北槽背流倾角5.75°～6.5°，迎流倾角4.6°～5.1°；横沙通道背流倾角5.07°～7.57 °，迎流倾角3.04°～4.58°；北港背流倾角4.47°～9.69°，迎流倾角0.28°～4.78°(表1)。

根据1987年国际沉积学会提出的原则：按照波长划分为不同的尺度，小型：0.6～5 m，中型：5～10 m；大型：10～100 m[21]。统计沙波群可知：南港、横沙通道、北港发育大量沙波，为波长基本在10～20 m之间的大型沙波，北槽上段发现少量沙波群，基本都是中型沙波(表1)。以前对长江口沙波研究可知，单一沙波的波高和波长之间存在良好的正相关关系[16，19]，本次测量沙波也可以证明这一点(见图3a)。波形指数(L/H)主要集中在10～50之间，约占90%(见图3b)。

3.4 沙波对称性

沙波的对称性用3.2节公式3进行计算，结果如图4所示。北槽和横沙通道的沙波对称性较好，南港对称性一般，北港的沙波对称性较差(见表1、图4)。

3.5 沙波形态

根据多波束测深系统的观测结果，长江口沙波在平面形态上有堆状沙波(G6沙波)、带状沙波(G1沙波)和断绩蛇曲状沙波(H2沙波)(图5)[2]。其中，以带状沙波居多(见图1、6)。

图3 波高、波长以及波形指数Fig.3 Wave height，wave length and percentage histogram of sand waves

图4 沙波对称性Fig.4 The symmetry of sand waves

图5 不同形态的沙波Fig.5 Different shapes for sand waves

图6 多波束测深系统沙波记录Fig.6 The sand waves recorded by multi-beam sounding system

长江口沙波多以沙波群的形式出现，取一个比较完整的沙波群(G1沙波群)，长约1.5 km，在沙波上游、中游、下游各取相等距离的一段，长170 m，上游沙波观察到14个完整的沙波，其中混有少量复合沙波，平均波长12.3 m；中游观察到12个比较清晰的沙波，平均波长14.2 m，且沙波对称性良好；下游观察到13个清晰的沙波，平均波长13.1 m，但其对称性较差，且向堆状沙波形态演变(见图6)。在同一个沙波群中，沙波波长变化较小，中间略大于两侧。

3.6 沙波的沉积物组成

沙波是推移质运动的集体形式[22]，床沙性质是决定沙波发育的先决条件。一般认为小波纹可形成于粉沙床底，砂质床底是形成大沙波的必要条件[23]。在沙波发育良好区域取样，通过粒度分析，沙波分布区域的中值粒径基本都处于极细沙(62.5～125 μm)和细沙(125～250 μm)之间，为沙波的发育提供了先决条件。横沙通道和北港中值粒径相对较高，基本处于细沙范围内，其次为南港，部分细沙，部分极细沙，北槽沙波区域的泥沙中值粒径相对较小，在极细沙范围内(图7)。

图7 中值粒径Fig.7 The median diameter for sand waves

3.7 ADCP测量流速及优势流

根据ADCP定点测量流速数据，长江口不同区域测站流速过程线有较大区别(见图8)，基本以落潮优势为主，计算其优势流：优势流=平均落潮历时×平均落潮流速/(平均落潮历时×平均落潮流速+平均涨潮历时×平均涨潮流速)。计算结果如下(表2)：横沙通道和北槽上段分别为50.65%和53.63%，落潮优势不明显；南港落潮优势较大，为57.17%；北港落潮优势最明显，达72.87%。

图8 不同测站流速过程线Fig.8 The velocities of flow hydrograph in different survey stations

表2 长江口优势流统计表

Tab.2 The preferential flows in the Yangtze Estuary

南港北槽横沙通道北港优势流/%57 1753 6350 6572 87

3.8 河口沙波输移规律

泥沙运动速度与流速、水深、粒径以及水流的动粘滞系数有很大的关系，沙波运动是一种特殊的泥沙运动形式。沙波的运动速度与波长的-1/2次方成正比例，当水流流速相同时，小的沙波比大的沙波运动速度更快一些[3]。现今计算沙波运行速度公式基本都是基于水流弗勒德数Fr，对沙波形态、粒径及水流动粘滞系数考虑相对较少。本文取张瑞瑾公式[2]：

(4)

式中，c为沙波运动速度，Uc为垂向平均流速，h为水深。

长江口水流受到径流和潮流的双重影响，水流呈往复流动状态。涨憩、落憩附近时段水流流速很小，沙波没有起动，所以水流流速不能直接取涨潮或落潮平均速度，应该先计算沙波的起动速度。根据王尚毅和李大鸣[24]公式，沙波起动的垂向平均流速Uc(m/s)与单颗粒泥沙起动速度v0(m/s)之间关系式：

(5)

本文泥沙起动公式采用张瑞瑾[2]：

(6)

河口沙波的运动与沙波起动后的涨落潮流速和历时有很大的关系。南港的涨落潮平均流速基本相等，但落潮历时大于涨潮，其两个潮周期内的净位移在0.98～2.22 m之间；北槽单向位移比较大，但由于其涨潮流速大于落潮，落潮历时大于涨潮，所以在两个潮周期内净位移相对较小，在0.76～0.98 m之间；横沙通道内涨落潮平均流速和历时相对均衡，流速较小，所以其单向位移和净位移均相对不大，甚至出现负的净位移，在-0.04～0.56 m之间；北港涨落潮流速相近，但其落潮历时远大于涨潮。所以其净位移最大(见表4)。

表3 长江口泥沙起动速度和沙波起动速度

表4 长江口洪季潮周期内沙波起动后平均流速、历时以及迁移距离

注：负号代表与涨潮方向相同，正号表示与落潮方向一致。

4 讨论

4.1 长江口沙波几何特征及影响因素

4.1.1 长江口沙波几何特征

根据本航次观察到的沙波情况，长江口沙波平均波长L=12.61 m，平均波高为H=0.43 m，基本都为大、中型沙波，但其尺度远小于旧金山海湾L=80 m[8]、蒙特雷大峡谷和罗瓦尔河口L=100～1 000 m[10]。但各个汊道沙波有不同的特点。南港沙波波长和波高变化较大，北槽沙波尺度较小，横沙通道和北港的沙波基本都为大型沙波。长江口波形指数为10～50的沙波占90%左右。这与以前对南港研究沙波波形指数15～30占94%[16]，20～80占85%[19]接近。

沙波迎水坡面一般比较平整，背水坡面接近水下休止角[3]。由于长江口沙波受到涨落潮影响，迎水倾角和背水倾角经常互换，河口沙波的对称性与涨落潮优势流有很大的关系，涨落潮优势流越明显，则沙波对称性越差，河口地区沙波的对称性能很好地说明各个汊道的涨落潮优势流强弱(见图11a)。

4.1.2 沉积物粒径与沙波几何特征关系

一般认为，沙波的大小与床沙粒径有很大的关系[23]。长江口沙波分布区的床沙中值粒径基本都在细沙范围内，集中于170 μm附近，沙波的大小与床沙中值粒径基本呈正相关(见图9)。

4.1.3 水动力变化对沙波几何特征的影响

水动力的强弱直接影响河床沉积物粒径，当水动力较强时，河床冲刷，河床粗化，河床粗化为沙波发育提供先决条件。当水动力较弱，河床淤积，细颗粒泥沙落淤，则不发育沙波或沙波较小。

长江口造床水动力以径流和潮流为主，涨落潮过程中水流的相对强弱是决定床面形态的主要因素[18，27]。由于长江口河槽的历史演变及近年来兴建河口工程的影响，不同汊道水动力差异较大。由表2可知，长江口落潮优势北港最强，其次为南港、北槽，横沙通道涨落潮优势不明显。北港沙波多集中于上海长江大桥附近，1998年以来北港主槽进行了一系列的河口工程，北港中央沙圈围工程(2006年至今)、青草沙水源地工程(2007-2010年)、上海长江大桥(2005-2007年)和横沙东滩促淤圈围工程(2003年至今)，这些河口工程对北港河槽有束窄效应，增加了北港的落潮优势，且由于上海长江大桥桥墩的建设，周围的涡流运动导致河床局部冲刷，大桥附近河床粗化最严重，所以此河段沙波发育最大，且沙波对称性最差；横沙通道为潮汐汊道，近年来刷深较大，河床较粗[26]，为沙波发育提供了必要条件。横沙通道由于2004年长兴岛潜堤工程的建设，落潮优势减弱，河势整体进入稳定期，流速较小[25—26]，所以横沙通道发育大量沙波，且沙波尺度较大，但其对称性最好；北槽由于处于长江口最大浑浊带，其位置与涨落潮流优势的转换带以及水流滞留点的变动范围基本一致，此河段水动力相对较弱，细颗粒泥沙易在此落淤沉积，当水流流速增强时，沉积的细颗粒泥沙易再悬浮，且伴随着细颗粒泥沙絮凝作用，很难有粗颗粒泥沙在河床底部发生集体运动，形成沙波，所以北槽河段沙波很少，且沙波分布规模及尺度都较小；南港河段由于河道曲率较大，导致各个区域水动力差别较大，所以南港的沙波尺度及对称性差别最大，南港上游沙波对称性较差，下游对称性较好(见表1，图4)，由于南港上游落潮优势大于下游，也可以说明落潮优势越明显，沙波对称性越差的关系。

图9 沙波波长与沉积物中值粒径关系Fig.9 The relationship between wavelength of sand waves and the median diameter of sediments

4.2 长江口沙波运动规律及影响因素

4.2.1 长江口沙波运动特征

Bartholdy在潮汐通道研究中发现，在每个落潮时中型沙波的波陡面与涨潮时不同，而波陡面的指向往往是沙波的运移方向[8]。沙波的运动速度与波长的-1/2次方成正比例，当水流流速相同时，小沙波要比大沙波运动更快一点[3]。据统计：长江南京河段沙波移动速度为3.5～13 m/d，黄河花园口河段为90～120 m/d，密西西比河为7～12 m/d[13]。本文根据估算结果可知，长江口沙波移动速度为0.04～5.82 m/d，由于潮流影响，净位移小于其他河段。沙波单向位移由大到小依次是北槽、北港、南港、横沙通道。同区域水动力相同时，沙波的单向位移与沙波的大小成反比。由于长江口每个区域沙波起动后的涨落潮优势的不同。沙波净位移由大到小依次为北港、南港、北槽、横沙通道。其原因由沙波起动后平均流速大小和历时决定。

图10 长江口潮周期内沙波运动方向及速率Fig.10 The motion direction and rate of sand waves in the Yangtze Estuary during tidal cycle

4.2.2 长江口沙波对称性与净位移关系

净位移大小结果恰好与各个区域沙波对称性相吻合，即沙波对称性越差，水动力越强，净位移越大(图11)。沙波对称性可以反映各个区域的水动力强弱和净迁移大小。

图11 涨落潮优势流与沙波对称性及净位移关系Fig.11 The relationship between preferential flow and the symmetry of sand waves with the net displacement

4.2.3 长江口沙波运动规律影响因素

河口地区水动力主要由潮流与径流的共同作用，且潮流的量值在水流流动中占绝对优势，但其周期运动对物质长期输运所起贡献不大，它所起作用主要是潮混合及潮致余流所产生的定向输运。余流量值一般较小，但在长期运动中对河口物质输运起十分重要的作用。在潮流和余流的联合作用下，对河口地区沙波输移有重要的影响。

根据4.1.2节所述，长江口沙波的大小与床沙中值粒径基本呈正相关，且沙波的运动速度与沙波尺度呈反比，则影响沙波运动速度的另一个重要因素就是沉积物粒径，床沙越粗，形成沙波尺度较大，则其运动速度越慢。

总之，河口余流及沉积物粒径是影响沙波运动的主要因素。

5 结论

利用多波束测深系统在长江口南港、横沙通道、北港上段测量到大量不同类型的沙波，其中以带状沙波为主。长江口沙波分布区沉积物粒径与沙波尺度相对较小，波形指数在10～50占90%。北槽沙波很少，只在入口段发现少量中型沙波。沙波各个区域的对称性不同，北港的沙波对称性很差，南港对称性一般，北槽和横沙通道对称性良好，床沙粒径与沙波尺度呈正相关，影响沙波对称性的主要因素为潮流优势向。

由于地理位置不同及一些河口工程的影响，各个区域水动力有很大的区别，导致沙波净位移大小不同。潮周期内北港沙波落潮向净位移最大，其次为南港，最后为北槽和横沙通道。长江口不同汊道优势流越大，则沙波对称性越差，净位移越大。沙波的对称性能反映长江口各个区域的水动力强弱和沙波的净迁移大小。长江口沙波运动与泥沙粒径、余流有很大的关系。

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Statistical characteristics and transport law of sand waves in the Yangtze Estuary

Guo Xingjie1，2，Cheng Heqin1，Mo Ruoyu3，Yang Zhongyong4

(1.StateKeyLaboratoryofEstuarineandCoastalResearch，EastChinaNormalUniversity，Shanghai200062，China; 2.ShanghaiInstituteofGeologicalSurvey，Shanghai200072，China; 3.TheThirdHaberEngineeringInvestigationandDesignoftheMinistryofCommunications，Shanghai200032，China; 4.CollegeofHydraulic&EnvironmentalEngineering，ChinaThreeGorgesUniversity，Yichang443002，China)

The underwater topography at the South Channel，North Passage，Channel of Hengsha and North Channel of the Yangtze Estuary were surveyed by using multibeam echo-sounding system，wave height，wavelength，inflow angle，the dorsal stream angle and sediment characteristics of sand waves in these areas were calculated statistically，and the net displacement of sand waves in one tidal period was estimated on the basis of data for flow rate，grain sizes of sediments and water depths. The results showed that the sand waves in the Yangtze Estuary were basically large，and there took on a proportional relationship between wavelengths with sediment particle sizes. The symmetry of sand waves is different among all surveyed area in the Yangtze Estuary. The more obvious the ebb flow is，the worse the symmetry of sand wave and the more net displacement is. The symmetry of sand waves can reflect the power of water and net displacement of sand waves．

sand waves；Yangtze Estuary；flood；ebb；displacement

10.3969/j.issn.0253-4193.2015.05.014

2014-05-18；

2014-10-18。

国家自然科学基金资助项目(41476075)；国家自然科学基金资助项目(41340044)；国家自然科学基金中荷合作专项(51061130544)。

郭兴杰(1986年-)，男，山西省晋中市人，主要从事港口、海岸及近海工程研究。E-mail：tjguoxingjie@126.com

*通信作者：程和琴，女，教授，博士生导师，主要从事河口海岸工程地貌研究。E-mail：hqch@sklec.ecnu.edu.cn

P737.14

A

0253-4193(2015)05-0148-11

郭兴杰，程和琴，莫若瑜，等.长江口沙波统计特征及输移规律[J].海洋学报，2015，37(5)：148-158，

Guo Xingjie，Cheng Heqin，Mo Ruoyu，et al.Statistical characteristics and transport law of sand waves in the Yangtze Estuary[J]. Haiyang Xuebao，2015，37(5)：148-158，doi：10.3969/j.issn.0253-4193.2015.05.014