河口最大浑浊带研究进展

胡国安

(扬州大学 水利与能源动力工程学院， 江苏 扬州 225127)

河口最大浑浊带研究进展

胡国安

(扬州大学 水利与能源动力工程学院， 江苏 扬州 225127)

河口作为一个流域和海洋之间巨大的“过滤器”，最大混浊带在其中起到极其重要的作用。最大浑浊带对河口沉积过程和河口的生物地球化学过程均产生显著影响，由于其在河口航道维护、河口学理论和河口生物地球化学过程中的重要性，近几十年来引起了国内外多个学科领域学者的广泛关注，本文主要就河口最大混浊带在河口动力沉积方面，特别是形成机制方面及数值模拟的研究进行综述。

河口；最大浑浊带；泥沙；形成机制；数值模拟

在世界上许多以细颗粒泥沙为主的河口，往往都存在“两头清，中间浑”的现象，即在河口区的局部区段，其含沙量比上、下游高几倍至几十倍，尤其是近底层含沙量特别高，且床面往往伴有浮泥，存在这种现象的区段谓之“最大浑浊带”[1]。早在1938年就有关于法国吉伦特河口最大浑浊带的报道[2]，我国对河口最大浑浊带的专门研究开展得较国外迟，20世纪70年代陈吉余在论述河口盐水、淡水交汇混合时提及了“最大浑浊带”，1980年沈焕庭对长江河口最大浑浊带进行了专门研究，此后，国内学者对河口最大浑浊带作了一系列调查研究，包括最大混浊带的形成机理、特征、影响因素，对河口淤积的影响等等，并尝试通过数学模型进行描述和分析。

1 基于现场观测的研究

1.1 长江口最大浑浊带研究

最早对长江口最大浑浊带进行专门论述的为沈焕庭[3]，分析了影响最大浑浊带的水文泥沙因子和时空变化规律，并探讨了最大浑浊带形成的动力条件和悬沙沉降的物理化学过程，以及对河口淤积的影响。

沈焕庭等通过现场调查、室内实验、数学模拟相结合的方法对长江河口最大混浊带的物理过程、化学过程、生物过程和沉积过程进行了综合研究，取得了丰硕的成果[4-5]。沉积动力方面研究主要包括：长江河口最大混浊带悬沙的来源、输移集聚机制，泥沙再悬浮及悬沙的时空变化；盐水入侵锋及其对最大浑浊带的贡献，细颗粒泥沙的动水絮凝过程和沉降特性；最大浑浊带的形成机理、特点、水沙输运机制，及地形和悬沙浓度对浑浊带的影响；最大浑浊带浮泥的特性、组成、形成条件；最大混浊带底质的矿物特征和沉积作用。涨、落潮流，及非潮汐重力环流为悬沙在最大浑浊带形成的主要动力机制，絮凝作用对最大浑浊带的形成是个重要条件。

对长江口不同河段的泥沙特性和输移规律的对比分析表明：在河口潮流不对称和重力环流的作用下，大量泥沙向滞流点辐聚，形成最大浑浊带[6]。最大浑浊带含沙量高，泥沙絮凝沉速快。潮流强劲，引起床沙再悬浮，输沙能力强。长江河口最大浑浊带活动区与河口拦门沙位置基本一致。长江口最大浑浊带各个区域的悬沙净搬运通量分析表明：长江口最大浑浊带是由上游径流的下泄搬运、上溯雷诺搬运和底层上溯余流搬运来维持的[7]。

平均流输沙、斯托克斯漂流效应、潮汐捕集，以及垂向环流净输沙是长江河口最大浑浊带输沙的主要驱动力[8]。在南槽，斯托克斯漂移和潮汐捕集作用占优势，对最大浑浊带的形成有重要作用。在北港，平均流输沙及垂向净环流输沙占优势，垂向环流是导致最大浑浊带形成的主要因素。北槽介于南槽和北港之间。

长江口最大浑浊带的悬沙输移过程存在明显的潮泵效应及强烈的悬沙、底沙双向交换；长江口南、北槽之间存在一个大尺度的平面环向悬沙输移，同时南、北槽自身还有次一级尺度的槽内平面环向悬沙输移。最大浑浊带与拦门浅滩存在相互影响、彼此制约的关系[9]。长江口实测含沙量的分析表明[10]：泥沙积聚再悬浮是长江口浑浊地带形成的主要机理。促使泥沙积聚的有径流潮流相互作用和盐淡水交汇混合两种机制，前者形成潮汐浑浊带，后者形成盐水浑浊带。长江口浑浊带是具有两种不同机制的盐潮复合浑浊带，在不同时间、不同地点表现出不同的特点。

长江口北槽最大浑浊带水动力、泥沙过程及成因机制分析表明[11]：在北槽口内，最大浑浊带形成的主要动力过程是潮汐的不对称性和河口重力环流；在北槽口外，最大浑浊带形成的主要动力过程则是河口底部泥沙的周期性再悬浮；在长江口北槽口内、口外最大浑浊带中，细颗粒泥沙的再悬浮过程也存在着一定的周期性；由盐度、悬沙浓度层化引起的“层化抑制紊流”也是长江口北槽口内、口外最大浑浊带的成因机制之一。北槽深水航道一期工程实施后，并未造成北槽最大浑浊带位置的变化,一期工程后的航槽回淤峰值区也主要集中在浑浊带区域[12]。

长江口南槽最大混浊带大、小潮周期观测数据的对比分析表明：长江口南槽最大浑浊带的悬沙浓度变化具有一定的周期性和规律性，其发育主要是由“潮泵效应”和盐水异重流引起的对床底侵蚀和泥沙再悬浮造成的，动水絮凝和滩槽之间泥沙交换对最大浑浊带的形成与发育有重要影响[13]。南槽枯水期最大浑浊带的形成机制为：枯水期的长江口处于淤积状态，再悬浮通量较小；平均流输运在整个悬沙输送中占主导地位，斯托克斯漂移效应、垂向环流和潮振荡的垂向切变作用对悬沙输运也有着重要作用；“潮泵”作用和河口重力环流作用均在该地区最大浑浊带形成中都发挥着重要作用[14]。

1.2 国内其他河口最大浑浊带研究

贺松林[15]在分析瓯江口水文泥沙条件的基础上，阐述最大浑浊带的形成、特性和变化规律。结果表明：瓯江口最大混浊带以枯季发育较好，这是由枯季优势流分布特征所决定的，它的枯兴洪衰对内堆积带洪冲枯淤产生深刻的影响；最大浑浊带的位置强度与径流、盐度沿程分布有关，枯季存在的大平面环流使其上界成为泥沙聚集和沉积的主要场所。毕敖洪等[16]根据水文、泥沙、地形及地质资料，对椒江河口最大浑浊带的形成机理和变化规律作了初步探讨。椒江河口最大浑浊带底层通常发育浮泥，致使河床冲淤变化较快，大含沙量区形成的主要成因是：动力沿程先增强继而减弱；细泥沙的延迟效应和絮凝作用；径流对含沙浓度的稀释作用沿程减弱，而含沙量较大是动力强劲及细泥沙补给充分的缘故。

田向平[17]通过调查发现洪、枯季伶仃洋东、西槽均有最大混浊带产生，最大混浊带随潮汐周期和季节变化而发生向陆或向海的移动。珠江河口伶仃洋的正、斜压力均较大，在这两个力的共同作用下，重力净环流发育良好，它是伶仃洋东、西槽最大混浊带形成的主要原因。此外，泥沙絮凝沉积和潮流冲刷引起泥沙再悬浮等作用也是重要原因。

董礼先[18]根据实测资料分析了椒江河口最大混浊带高浑浊水的混合过程，并探讨了水动力学和沉积动力学因素对河口混合的重要作用。研究表明，椒江河口最大浑浊带下的高浑浊水-浮泥层厚达1 m，高浑浊水-浮泥层与上覆水之间是泥跃层。泥跃层与高混浊水-浮泥层对水体稳定的作用比同期观测到的盐跃层大17倍以上。当高浑浊水-浮泥层被侵蚀时，其中的低盐水体又增加了水体的垂向混合能力。谢钦春[19]基于流速、流向、温度、盐度和悬沙浓度实测资料研究了椒江河口悬沙浓度垂向分布和泥跃层发育。结果表明：在河口最大混浊带，小潮期水体层化现象明显，悬沙浓度垂向分布呈三层结构，即活动悬沙层、泥跃层和浮泥层。泥跃层是水体中悬沙浓度分布剧变层，梯度大。

李伯根等[20]以悬沙粒径资料为基础，通过对悬沙不同粒级、中值粒径及粒度参数的计算和统计，讨论了椒江河口最大浑浊带悬沙粒径分布的区域变化和潮汐周期变化。研究表明：悬沙粒径分布的区域变化主要受物质来源、底部沉积物再悬浮物质和絮凝沉降3个因素影响，其中第二个因素的作用大潮期比小潮期显著,第三个因素的作用小潮期则较大潮期明显。

庞重光[21]等根据水文泥沙实测资料，对黄河口最大浑浊带特征、时空演变及形成机制进行研究，结果表明：汛期黄河口最大浑浊带在整个潮周期始终存在，其含沙量和范围形态受潮相的控制，在落急和落平时最为发育；其形成主要受河流携带大量泥沙、泥沙异重流、河口密度环流及湍流的作用。

1.3 国内部分河口最大浑浊带比较研究

沈焕庭等[1]对我国一些河口的最大混浊带进行综合分析，通过比较它们形成的环境背景和特点、泥沙来源及集聚机制分成五种类型：陆源-潮致型(珠江口伶仃洋)、陆源-盐致型(黄河口)、陆源-潮盐复合型(长江口南支)、海源-潮致型(长江口北支、瓯江口、椒江口、钱塘江口庵东浅滩)和海源-盐致型(杭州湾北部湾口)。

茅志昌等[22]通过对长江河口与瓯江河口在河流性质、几何形态、径潮流动力条件、盐淡水混合类型和泥沙来源等方面比较，得出长江口与瓯江口最大浑浊带的变化特点是：前者洪盛枯衰，后者枯盛洪衰；所在部位，前者在口门附近，后者在口门之内。除了径潮流动力平衡带和丰富的泥沙来源是发育长江口、瓯江河口最大浑浊带的两个基本条件外，河口环流和潮汐不对称对两者形成、发育、维持过程起了重要作用。

2 最大浑浊带数学模型研究

魏守林[23]等应用Galerkin权余法建立了二维河口最大浑浊带的数值模型。模型中各物理量均具有连续的垂直结构。数值计算的结果验证了河口重力环流是最大浑浊带形成的重要动力条件。计算结果还表明最大浑浊带的浓度和位置分布与水动力条件、泥沙的沉降速度、上下游沙源的含沙浓度有密切关系。

姚运达[24]等运用垂向二维数值模型对部分混合型河口的深度、宽度、拦门沙地形变化，以及悬沙浓度对最大浑浊带区域的环流结构、盐度和悬沙分布的影响进行了探讨。结果表明:河口拦门沙对盐水上溯有阻碍作用，它使滞流点和最大悬沙浓度中心的位置向海推移，最大悬沙浓度有所降低；河口宽度与坡度的变化会改变环流结构和盐度、悬沙分布；考虑悬沙浓度对水体密度的影响后，滞流点更接近上边界，最大悬沙浓度中心更接近下边界，悬沙浓度有所降低。

倪培桐等[25]利用平面二维潮流方程结合悬沙输运方程模拟了河口最大浑浊带现象。并且对河口边界进行进一步概化，比较了恒定流与非恒定流、稳定源与非稳定源、矩形河口与线性河口等不同条件下河口悬沙浓度的平面分布特点。结果表明：河口地形边界和非恒定潮流作用对河口最大浑浊带的悬沙富集有重要贡献。

时钟等[11]利用一维悬沙数学模型对北槽的悬沙过程进行了模拟，证实了长江口北槽口内和口外水动力悬沙过程的差异性。朱建荣等[26]应用改进的ECOM模式，耦合泥沙输运模型，研究理想河口最大浑浊带形成的动力机制。河口最大浑浊带位于滞流点处，上下游余流均向该处输运泥沙，造成该处泥沙汇合，而由流场复合产生的上升流又使该处的泥沙不易落淤。南岸(河口东向)的泥沙浓度比北岸高，最大浑浊带位于南岸，这是由于盐水入侵带来的高盐水位于北岸的底层，其斜压效应使底层的环流由北向南流动，把底层高浓度的泥沙向南岸平流，聚集于南岸底层。除上游河流泥沙来源外，强大的涨落潮流冲刷床面，使沉降于床面的泥沙再次悬浮，成为余流输运泥沙的来源之一。朱建荣等[27]应用改进的ECOM模式，耦合泥沙输运方程，还研究径流量和海平面变化对河口最大浑浊带的影响。由于盐水入侵带来的高盐水位于北岸的底层，其斜压效应使底层的横向环流由北向南流动，把底层高浓度的泥沙向南岸平流，使得最大浑浊带位于南岸。径流量增大时，底层向陆地的密度流减弱，滞流点下移，导致最大浑浊带也下移；上游来沙量增加时，最大浑浊带中心和河口拦门沙处悬浮泥沙浓度趋于增加。在海平面上升的情况下，拦门沙区域底层向陆地的密度流趋于增强，滞流点上移，最大浑浊带也相应向上游移动；最大浑浊带中心处泥沙浓度趋于增大，但口门拦门沙处泥沙浓度趋于减小。

3 总结与讨论

对河口最大浑浊带的研究成果表明：最大浑浊带的位置和强度有明显的季节变化和潮汛变化，洪季和大潮时最大浑浊带范围和强度较大；最大浑浊带发育主要与河口余环流、潮流非线性作用、潮泵作用、细颗粒泥沙絮凝沉降有关。其中长江河口最大浑浊带在北支、北港、北槽和南槽四个出海水道均有明显发育，且各出海水道最大浑浊带的特征和成因有明显差异。以上对长江河口最大浑浊带的研究已取得丰硕的成果，但研究多以现场实测数据的分析为主，数值模拟的系统研究成果较少，且最大浑浊带形成的物理机制并不明晰，有待进一步研究。

[1] 沈焕庭,贺松林,茅志昌,等.中国河口最大浑浊带刍议[J].泥沙研究,2001(1):23-29.

[2] Glangeaud L.Transport of Sedimentation Chlans l’estuare et l’embouchure de La Girronde[J].Bulletin of Geological Society of France,1938(8):599-630.

[3] 沈焕庭,郭成涛,朱慧芳,等.长江河口最大浑浊带的变化规律及其成因探讨[C]//海岸河口区动力、地貌、沉积过程论文集.北京：科学出版社,1984.

[4] 沈焕庭,贺松林,潘定安,等.长江河口最大浑浊带研究[J].地理学报,1992(5):472-479.

[5] 沈焕庭,潘定安.长江河口最大浑浊带[M].北京:海洋出版社,2001.

[6] 李九发,时伟荣,沈焕庭.长江河口最大浑浊带的泥沙特性和输移规律[J].地理研究,1994(1):51-59.

[7] 周华君.长江口最大浑浊带泥沙通量分析[J].港工技术,1994(1):11-18.

[8] 沈健,沈焕庭,潘定安,等.长江河口最大浑浊带水沙输运机制分析[J].地理学报,1995(5):411-420.

[9] 贺松林,孙介民.长江河口最大浑浊带的悬沙输移特征[J].海洋与湖沼,1996(1):60-66.

[10] 潘定安,沈焕庭,茅志昌. 长江口浑浊带的形成机理与特点[J].海洋学报(中文版),1999(4):62-69.

[11] 时钟,陈伟民.长江口北槽最大浑浊带泥沙过程[J]. 泥沙研究,2000(1):28-39.

[12] 周海,张华,阮伟.长江口深水航道治理一期工程实施前后北槽最大浑浊带分布及对北槽淤积的影响[J]. 泥沙研究,2005(5):58-65.

[13] 张文祥,杨世伦,杜景龙,等.长江口南槽最大浑浊带短周期悬沙浓度变化[J].海洋学研究,2008(3):25-34.

[14] 高建华,汪亚平,潘少明,等.长江口枯水期最大浑浊带形成机制[J].泥沙研究,2005(5):66-73.

[15] 贺松林.瓯江河口内外堆积带的形成分析[J]. 海洋学报(中文版),1983(5):612-622.

[16] 毕敖洪,孙志林. 椒江河口过程初步研究[J]. 泥沙研究,1984(3):12-26.

[17] 田向平.珠江河口伶仃洋最大混浊带研究[J]. 热带海洋,1986(2):27-35.

[18] 董礼先.椒江河口高混浊水混合过程分析[J]. 海洋与湖沼,1998(5):535-541.

[19] 谢钦春,李伯根,夏小明,等.椒江河口悬沙浓度垂向分布和泥跃层发育[J].海洋学报(中文版),1998(6):58-69.

[20] 李伯根,谢钦春,夏小明,等.椒江河口最大浑浊带悬沙粒径分布及其对潮动力的响应[J].泥沙研究,1999(1):19-27.

[21] 庞重光,杨作升,张军,等.黄河口最大浑浊带特征及其时空演变[J].黄渤海海洋,2000(3):41-46.

[22] 茅志昌,沈焕庭.长江河口与瓯江河口最大浑浊带的比较研究[J].海洋通报,2001(3):8-14.

[23] 魏守林,郑漓,杨作升.河口最大浑浊带的数值模拟[J].海洋湖沼通报,1990(4):14-22.

[24] 姚运达,沈焕庭,潘定安,等.河口最大浑浊带若干机理的数值模型研究[J].泥沙研究,1994(4):10-20.

[25] 倪培桐,吴超羽,陈卓英.应用数值模拟方法探讨河口最大浑浊带若干机理[J].热带海洋,2000(2):27-32.

[26] 朱建荣,傅德健,吴辉,等.河口最大浑浊带形成的动力模式和数值试验[J].海洋工程,2004(1):66-73.

[27] 朱建荣,戚定满,肖成猷,等.径流量和海平面变化对河口最大浑浊带的影响[J].海洋学报(中文版),2004(5):12-22.

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

胡国安(1993-)，男，安徽六安人，硕士研究生，研究方向为河流动力学。E-mail:461029297@qq.com。

TV148

A

2096-0506(2017)07-0044-04