杨 忠 勇,任 鹏,钱 门 亮,罗 铃,范 中 亚
(1.三峡大学 水利与环境学院,湖北 宜昌 443002; 2.生态环境部 华南环境科学研究所,广东 广州 510655)
长江口为多级分汊型中等潮汐河口,入海口拦门沙区域深槽与浅滩相间,明暗沙交错,水下沙坝众多[1]。河口水体在径流潮流、咸淡水交汇、流域和外海大型人类工程以及水下地形等诸多因素的影响下,流场结构及悬沙输运特征复杂多变[2]。泥沙是河口三角洲发育的物质来源,泥沙的输运与沉积过程直接影响河口的河槽演变、岸滩发育和生境分布等,对河口海岸的水利工程建设、资源开发及生态环境保护等都具有十分重要的作用,因此对河口悬沙输运特征开展研究有重要科学意义。
悬沙输运过程一直是河口海岸学的重点研究领域,也取得了不少成果。从断面实测水沙资料通量计算的角度,张志林等[3]以长江口外洋山海域为例,通过计算潮周期内不同汊道断面悬沙输运净通量,分析了该海域内各汊口在不同水动力条件下的悬沙输运规律。基于数值模拟方法分析河口海岸动力特征和泥沙输运机理也是该领域的重要研究手段,王道生[4]通过建立波、流共同作用下的渤海湾悬沙输运模型,模拟和分析了渤海湾悬沙输运的季节性变化特性。部分学者采用的通量机制分解法可将河口的水、沙分别分解开来,从而计算各部分水动力因子的输沙强度,进一步讨论各动力因子的输沙贡献机制。早期研究中,Fischer[5]和Dyer[6]等将断面物质输运分解为潮平均和随潮波动两部分。王康墡等[7]在此基础上根据河口观测资料推导出了各相对观测层次上的断面物质输运公式,并将其应用于长江口南港环流及悬移物质输运研究中。陈炜等[8]应用上述方法讨论了长江口北支各余流驱动因子的悬沙输运贡献机制,发现北支悬沙输移以平流输移与潮泵输移为主。为了进一步讨论各部分潮流在悬沙输运中的贡献机理,Jiang等[9]采用调和分析方法将北槽水沙观测数据分解成平均项和随各主要分潮波动项,分析各动力因子作用下北槽悬沙纵向输移中物理机制变化情况。冯凌旋等[10]通过机制分解法分析各项机制对不同粒径组的悬沙纵向净输移通量的贡献,发现南汇潮滩细颗粒泥沙输运主要受平均流项和潮泵项控制。此前研究中,多重点关注单个站点的悬沙输运模式或是悬沙的纵向输运结构特征,针对长江河口横断面上的悬沙输运空间结构特征有待进一步研究。
北港是长江口的二级入海汊道,由于其优越的水沙条件,北港被规划为长江口的重要通航水道[11]。但南北港分汊口河势变化频繁,且在北港河段多个大型工程(如青草沙水库、跨港大桥等)的影响下,河势控制及航道资源开发工作仍然面临众多困难。本文将根据北港主槽横断面实测水动力及含沙量资料,通过准调和分析计算大潮期间北港主槽各动力因子的横断面悬沙输运结构特征,进一步讨论各动力因子的贡献机制,为北港的开发利用提供参考依据。
长江是我国径流量最大的河流,据《长江泥沙公报》[12]大通站实测径流数据,多年平均径流量达8.93亿m3(1950~2018年)。长江口潮汐强度中等,口门附近中浚站多年平均潮差约2.66 m[2],在潮流和径流共同作用下,长江口陆海作用异常复杂。长江巨大的径流挟带大量泥沙下泄,据《长江泥沙公报》[12]大通站输沙量实测数据,长江口多年平均输沙量达3.68亿t(1951~2018年),但近年来长江上游拦河水利工程、水土保持工程等使长江口来沙量显著减少,2007年以来,年平均输沙量仅1.30亿t(2007~2016年)。
长江河口在多年持续自然演变作用及人类活动影响下,逐步形成了如今稳定的“三级分汊,四口入海”格局。如图1(a)所示,北港(NC)位于长兴岛(CX)、横沙岛(HS)与崇明岛(CM)之间,属河口拦门沙附近区[13]。根据地理形态,北港又可分为上口通道、主槽河段与拦门沙河段。北港上口分流通道与新桥水道相连,并通过新桥通道与南支相通。近年来,北港上游新浏河沙和中央沙的护滩圈围工程以及青草沙水源地工程的实施对北港河势稳定起到了重要作用,但同时也导致上段河道束窄,南北港分流口下移,北港分流比加大,上口通道呈逆时针偏转态势[14]。由于横沙通道和柯氏力作用,主槽河段深泓线向横沙通道一侧偏移,河槽曲率加大,逐渐形成“上段深槽偏北、下段深槽偏南”的微弯型河道[15]。
本次观测断面位置及各测点分布如图1所示。为分析长江口北港横断面悬沙输运空间结构特征,于2011年8月15日19:00至8月16日23:00的大潮期间(农历七月十六至十七)在北港主槽河段(图1(a))均匀选取5个站点(图1(b)),进行了为期28 h的水动力和悬沙同步观测,观测频率为1 h。图1(a)中,虚线代表0 m等深线(浅滩),从外海向内陆看,5个测站点由右(北)至左(南)编号依次为bg1,bg2,bg3,bg4,bg5(图1(b))。各观测点水动力观测数据来自声学多普勒流速剖面仪(ADCP,频率300 kHz,垂向分辨率0.2 m)。如图1(b)圆圈所示,各站点相对水深0(水面),0.2H,0.4H,0.6H,0.8H和1.0H(H为站点水深)上的含沙量数据采用现场采样、室内测量的方式获取。
图1 长江口北港观测断面及各测站点示意Fig.1 The location of observation section and distribution of in-situ stations in the north channel of Yangtze Estuary,China
采用准调和分析方法将流速和含沙量分别分解至各个频率,包括潮平均量和随潮波动量[16]。对水动力而言,参照河道主流方向,首先将流速分解为纵向流速u(主流方向)和侧向流速v(垂直于主流方向)。然后,通过准调和分析方法将u和v分别进行分解,各水流成份中分解获得的平均值部分即余流(u0&v0),波动频率在半日潮附近(ω=1.4×10-4s-1)的部分统称为M2潮流流速(u2&v2),波动频率在倍潮附近(2ω)的部分统称为M4分潮流速(u4&v4)。类似地,可通过准调和分析将含沙量分解为潮平均含沙量(c0)和随潮波动量(c2&c4)。由于北港主槽潮流中半日分潮占主导[16],故文中仅考虑余流和M2潮流的驱动作用。由M2潮流驱动的含沙量在涨落急时刻均达到最大值,涨憩和落憩时刻均降低至最小值,其驱动的含沙量包括平均部分(c0)和波动部分,其中波动部分频率是半日潮波动频率的2倍,本文称为M4含沙量(c4)。类似地,余流和M2潮流共同驱动的含沙量的波动频率与半日潮波动频率一致,本文称为M2含沙量(c2)[17];准调和分析表达式如下(仅考虑至M4倍潮):
χ4acos2ωt+χ4p
(1)
式中:ω为半日潮流波动频率;t为时间;χ=(u,v,c)为纵横向流速或含沙量数据;n=0,2,4分别为潮平均量、半日分潮、M4倍潮;χ2a和χ4a分别为半日分潮和M4倍潮的振幅;χ2p和χ4p分别为半日分潮和M4倍潮的相位。潮周期内的悬沙输运总量(T)为各部分输沙量之和,即:
(2)
式中:T0,T2,T4分别为余流输沙、半日潮输沙和M4分潮输沙。式(2)各部分输沙量计算公式如下:
(3)
2.1.1流速时间变化特征
图2反映了北港河道主槽横断面5个站点流速垂向结构随时间变化特征,图2横坐标为观测时间(28 h),纵坐标为站点水深。由于ADCP观测数据在水体表层和底层各有一个盲区,故图中水面和河床底部附近约1.5 m范围内缺乏数据。图中落潮流速值为正,涨潮流速值为负,各站点流速值范围大致为-200~200 cm/s。对比5个站点流速时间变化特征图,可以发现靠近北岸的站点bg1和bg2由于离岸滩较近,水深较小,其涨落潮最大流速均显著小于其他站点。对于单个站点流速时间变化特征图,5个站点水位的涨落循环大致都经历了2个周期,每个潮周期约12.5 h,潮汐性质以半日潮为主。各站点的涨落潮时间基本一致,第一次涨潮为8月15日22:00至8月16日2:00,第二次涨潮为8月16日11:00至14:00,落潮历时显著长于涨潮历时,且涨潮流速显著小于落潮流速,其主要原因是北港河道下泄的巨量径流增强落潮流所致。从垂向分布结构来看,靠近河床底部的水体受床底摩擦力的作用,底层流速显著小于表层流速。值得注意的是,大部分站点断面最大流速并非出现在表层,而出现在中上层区域,且涨潮期间这一现象较落潮更加显著。该现象可能由河口涨、落潮期间的垂向混合不对称引起的垂向涡动粘滞系数断面分布不均匀所致[18]。
图2 主槽横断面5个站点流速时间变化特征Fig.2 Time-space variation of flow velocity at five stations over the north channel transverse section of Yangtze Estuary,China
2.1.2含沙量时间变化特征
图3反映了北港主槽横断面上5个站点的含沙量垂向结构随时间变化特征,其横、纵坐标分别表示时间和水深。河口区域含沙量主要受床底切应力、泥沙沉降速度和水体扩散系数等影响。由于水体在涨急和落急时处于最大流速阶段,水流切应力最大,含沙量也越大,因此含沙量的波动频率约为北港主要潮流(半日潮流)波动频率的两倍(即2ω)。从垂向分布结构看,在重力作用和紊动扩散作用的影响下,表层含沙量明显低于底层含沙量。对比5个站点的含沙量时间变化特征发现,靠近河槽北岸浅滩的bg1和bg2站点由于水深较小,垂向掺混均匀,而位于中央深槽的bg3和bg5站点水深较大,含沙量垂向梯度大。bg3和bg5站点河床底部含沙量明显高于bg1和bg2站点,产生这种现象的原因可能是由于在流速较大的站点,较高的紊流强度驱动河床表层泥沙起悬,位于河槽中央最深处的bg4河床表层冲刷严重,含沙量较小。
图3 北港主槽横断面5个站点含沙量时间变化特征Fig.3 Time-space variation of sediment concentration at five stations over the north channel transverse section of Yangtze Estuary,China
2.2.1余流空间结构特征
图4显示了北港主槽河段横断面余流空间分布结构特征,包括纵向流速u0(图4(a))和侧向流速v0(图4(b))结构特征,其中正值表示落潮方向(指向外海),负值代表涨潮方向(指向内陆)。如图4(a)所示,整个北港主槽横断面的纵向余流流速(u0)为15~45 cm/s,表明北港余流主要由径流驱动。在近底摩擦作用影响下,河道中央主槽流速较两侧大,表层流速较底层大,流速等值线图与河槽等深线基本平行。由于北港上口通道逆时针偏转(弯道效应),上段深槽偏向河槽北侧,导致纵向余流最大流速区域北偏。如图4(b)所示,北港主槽横断面大部分区域侧向余流流速(v0)为正,即指向河槽北侧(右侧),北侧河岸表层水体流速为负,指向南侧(左侧),故河槽北侧水体在空间上呈逆时针(从外海朝内陆看)环流模式。由于该断面水体盐度较低(冬季大潮涨憩时刻小于5‰),密度梯度小[19-20],故侧向环流的驱动力很可能与柯氏力相关。根据长江口南港的实测数据分析研究[17]和解析模型研究[21],这种柯氏力驱动的环流在低盐度河口区域占有重要地位。在柯氏力作用下,径流驱动下的余流水体大量堆积于断面南侧,并且在重力作用下南侧水体由底部向北侧输运,表层水体由北侧向南侧补偿输运,故北侧河槽余流侧向流速(图4(b))呈逆时针环流结构。
图4 北港主槽余流流速横断面结构特征Fig.4 The cross-sectional structural characteristics of residual flow velocity over the north channel
2.2.2潮流空间结构特征
北港潮流以半日分潮为主,图5中分别显示了北港纵向(u2)和侧向(v2)M2潮流流速在涨急和涨憩时段的横断面结构特征。整个北港横断面纵向半日潮流(u2)涨急时刻(图5(a))流速值范围为-50~-150 cm/s,方向指向河口上游,显著大于余流纵向流速(u0)。涨急时刻纵向潮流最大流速在河槽北侧表层区域,产生这种现象的原因可能是北港河槽主泓逐渐向横沙通道偏移,导致涨潮时北槽部分水体通过横沙通道直接流向北港河槽北侧,且M2涨潮流受柯氏力作用北偏,故研究断面北侧水体流速比南侧大。同样,受横沙通道和柯氏力的影响,涨急时刻整个断面侧向流速(v2)为负值,即水体由北向南输运(图5(c))。涨憩时刻,纵向半日潮流在,河道中央仍为涨潮流,但流速显著降低,两侧水体已率先转为落潮流(图5(b))。侧向流速在涨憩时刻表层为正(由南至北),底层水体为负(由北至南)(图5(d)),该顺时针环流主要是由于柯氏力对潮流的偏转作用形成。落急和落憩时刻,水流横断面空间分布特征与涨急和涨憩的流速大小一致,但方向相反。
图5 M2分潮横断面流速分布特征Fig.5 The cross-sectional structure of M2 tide flow over the north channel
2.2.3潮平均含沙量空间结构特征
图6显示了北港主槽横断面潮平均含沙量(c0)的空间结构特征,在垂向空间结构上,表层水体含沙量较低,近底层水体含沙量较高,含沙量从底层向表层以指数形式降低。Huijts等[22]研究认为,其降幅与泥沙的沉降速度(ws)和垂向扩散系数(Kz)的比值相关。图6中潮平均含沙量(c0)最大值达700 mg/L,出现在河槽中央及北侧(右侧)底部,该最大值的分布模式主要与河床底部潮平均切应力及横断面流速特征相关。北侧水体含沙量较高,可能有两个原因:① 青草沙水库工程的兴建使得河道束窄,主流偏向河槽北侧,致使北侧流速增加,含沙浓度升高;② 柯氏力作用下落潮方向的径流产生的断面逆时针环流结构(涨潮流方向)导致水体底部悬浮泥沙由南至北输运,故北侧水体的含沙量高于南侧。类似的高含沙量北偏现象在长江口南港也有观测到,根据杨忠勇等[21]研究,径流引起的侧向环流结构(即原因二)可能是其主要原因。
图6 潮平均含沙量横断面空间分布特征Fig.6 The cross-sectional structure of mean sediment concentration over the north channel
2.2.4随潮波动含沙量空间结构特征
潮流作用下含沙量在平均含沙量基础上不断波动,随M2分潮波动的含沙量在涨急和落急的时候,流速最大,驱动含沙量达到最大值。在涨憩和落憩的时刻,流速最小,含沙量也会随之减小,故产生的含沙量的波动频率两倍于半日分潮(2ω),其横断面空间分布模式如图7(a)和7(b)所示。图中含沙量为负值表明期间含沙量低于平均含沙量,反之表示含沙量高于平均含沙量。c4含沙量在急流时刻(图7(a))流速大,故在断面内大部分区域内的值均为正,最大值达到150 mg/L,仅在表层小部分水体的含沙量为负,主要是由于泥沙的时间滞后效应所导致,表现为水体含沙量的波动显著滞后于流速,且距离床底越高,滞后现象越显著[23]。憩流时刻(图7(b))相差1/4半日潮周期,对波动频率加倍的c4来说,其数值应与急流时刻相反,但空间结构一致。
图7 北港c2,c4含沙量横断面空间分布特征Fig.7 The cross-sectional structure of c2,c4 sediment concentration over the north channel
余流与M2潮流相互作用下产生频率为ω的含沙量c2[17]。由于余流可能加强或削弱了半日潮流,导致含沙量在涨急或落急时刻相应的升高或降低,因此其波动频率与半日潮流一致,故称为含沙量c2,其横断面空间结构分布模式如图7(c)和7(d)所示。含沙量c2在涨急时刻出现明显南北差异(图7(c)),北侧(右侧)水体含沙量为负值,南侧(左侧)水体含沙量为正值。主要原因是在北港微弯河势的影响下,流入北侧河槽的径流削弱涨潮流,导致北港主槽横断面北侧水体含沙量低于平均含沙量,可以想象,落急时刻含沙量c2北侧水体为正(与涨急时刻数值相反),主要是由于径流加强落潮流所致;在北港主要动力(半日潮流)驱动下河槽南侧水体含沙量高于潮平均含沙量。在涨憩时刻(图7(d)),M2潮流最弱,河槽水动力以强劲的径流为主,致河床大部分水体的含沙量c2高于潮平均含沙量,河床底部水体的含沙量达到200 mg/L。
图8显示了大潮期间北港主槽河道横断面上的总输沙结构及各驱动因子的贡献量,图中输沙方向的规定与水流一致,即海向输运为正值,陆向输运为负值。图8(a)~(c)分别为余流输沙(T0)、M2潮流输沙(T2)和M4潮流输沙(T4)空间结构分布图,图8(d)为准调和分析计算所得各部分动力因子驱动的输沙量之和(T=T0+T2+T4),图8(e)为根据断面实测水沙资料计算所得总输沙量(Tobs),二者的空间结构及量值基本一致,且差值T-Tobs较小(图8(f)),表明横断面输沙主要由余流输沙(T0)、M2潮流输沙(T2)和M4潮流输沙(T4)构成。
图8 北港主槽横断面输沙结构分布特征Fig.8 The cross-sectional structure of sediment discharge over the north channel
由于余流主要为海向径流(图4(a)),因此在余流输沙(T0)空间结构中(图8(a))整个横断面均为海向,且近底层输沙强度显著高于表层。M2潮流输沙量(T2)分布中右侧水体为正值,即净输沙方向指向外海;左侧水体为负值,即净输沙方向指向上游(图8(b))。主要原因是涨急时刻M2潮流的纵向流速u2(图5(a))与右侧水体含沙量c2在数值上均为负值(图7(c)),而与左侧水体含沙量c2异号;相应的,落急时刻M2潮流的纵向流速u2与右侧水体含沙量c2均为正值,与左侧水体含沙量c2异号,故半日潮输沙量T2在空间结构上右侧为正值,左侧为负值。这种半日潮流输沙量空间结构南北差异性的深层原因可归结为,研究断面附近河槽呈微弯河势,在强径流影响下,北港北侧河道海向的落潮流输沙远大于涨潮流输沙,因此河槽北侧悬沙输运方向与落潮流一致,指向外海。北港南侧水体径流强度较小,涨潮流输沙强度大于落潮流输沙强度,故北港南侧泥沙输运方向与涨潮流方向一致,指向上游。M4潮流输沙量(T4)分布中大部分水体输沙量为负,指向河槽上游(图8(c))。Yang等[17]在临近长江口南港水动力学研究以及Friedrichs等[24]在河口水动力的解析解研究中认为,由于河道形状在内陆方向逐渐缩窄,传入河道的M4潮流在急流时刻为负值,指向上游(负值),而急流时刻含沙量c4为正(图7(a),此处急流时刻以半日分潮界定),憩流时刻M4分潮输沙方向正好相反,因此M4分潮输沙量T4在整个河段为负值,指向河槽上游。
北港主槽河道横断面总输沙量(T)空间结构中(图8(d)),河道断面北侧大部分水体的输沙量为正,指向外海,河床近底层区域输沙量值最大,达到200 g/(m2·s),河道南侧部分水体泥沙输运方向为负,指向上游,最大输沙量约50 g/(m2·s),整个断面海向输沙强度显著大于陆向输沙。对比图8中各部分输沙空间分布特征可以发现,构成断面北侧区域海向总输沙量的主要因子为余流输沙量(T0),半日潮流输沙(T2)贡献其次。断面南侧区域陆向输沙主要由半日潮流输沙和M4潮流输沙组成,其中半日潮流输沙(T2)贡献最大,M4潮流输沙(T4)贡献其次。
北港作为长江口的二级入海汊道之一,其河道地形特征和冲淤演变趋势与断面悬沙分布特征和输运结构密切相关。根据2009年和2016年长江口北港水下地貌实测数据绘制的北港及周边河槽的地形特征和冲淤演变趋势如图9所示,其中图9(a)为2016年河道水深图,反映河道水下地貌特征;图9(b)为2009~2016年间北港河槽冲淤分布图,正值表示淤积,负值表示冲刷。图9(a)所示近年来北港处于微弯型河势,其河道中央深槽主要分布在中偏南侧。在此微弯河道横断面上形成逆时针环流结构中近底层水体从南侧向北侧输运(图4(b)),导致泥沙大量分布在河槽北岸(图6)。从输沙结构特征上来说(图8(d)),北港主槽河道北侧大部分水体总输沙方向向海、南侧小部分输沙方向与涨潮流方向一致,上溯泥沙在北港上段遇落潮流而落淤,将进一步冲刷河槽北岸,导致微弯趋势逐渐增强。2009年南北港分汊口控制工程以及青草沙水库等大型工程修建后,北港上口通道演变得以控制,河道束窄,河道的弯曲程度呈增大的趋势。此外,横沙通道的河道走向致使涨潮流直指崇明岛南岸,也是本研究断面南侧深槽形成原因之一。由此可见,北港主槽横断面泥沙分布特征和输沙结构特征与河势演变趋势是基本一致的。图9(b)所示的近年北港冲淤趋势主要呈“主槽冲刷,两岸淤积”的特点,一方面可归因于北港微弯河势进一步加强,主槽区域进一步刷深;另一方面与泥沙自身运动特征中的空间滞后效应相关。河口地貌处于上游水沙条件及大型工程影响下的自适应调整中,动力较强的深槽区域泥沙易于侵蚀难以沉降,而动力较弱的浅滩区域泥沙易于沉降难以侵蚀[25-26],导致“滩淤槽冲”的现象出现,这种现象在其他入海汊道如南港也有观测到[21]。对比北港主槽横断面输沙结构图(图8(d)),同样可以发现其深槽区域输沙强度最大,而两岸浅滩输沙强度较弱。
图9 2016年水深图及2009~2016年北港河床冲淤分布Fig.9 The water depth map over 2016 and the scouring-deposition map from 2009 to 2016 over the north channel
为研究大潮期间长江口北港主槽横断面含沙量分布和输运的空间结构特征及各动力因子的贡献机制,通过断面上多个站点的水动力及含沙量实测资料,在准调和分析等方法辅助下,将实测水沙资料分解成潮平均量和多个随潮波动量,并分别计算分析各动力因子的悬沙输移空间结构,研究主要获得如下结论。
(1) 长江口北港半日潮流显著大于余流,为北港主要水动力,涨急时刻纵向半日潮流最大值区域在柯氏力和横沙通道影响下偏向北侧,同时导致整个断面侧向半日潮流指向南侧。北港整个断面纵向余流指向外海,主要由径流驱动,流速最大值在北港微弯河势作用下偏向河槽北部。
(2) 北港潮平均含沙量断面空间结构特征与河床底部潮平均切应力及横断面流速特征紧密相关,呈“近底层高于表层,中央深槽高于浅滩,北侧高于南侧”的分布模式。半日潮流驱动的含沙量在涨急和涨憩时刻空间结构一致,数值相反。半日潮流和余流共同驱动的含沙量在河道北侧由于径流削弱涨潮流等原因而呈负值,在河道南侧由于微弯河势等原因而呈正值。
(3) 大潮期间北港主槽输沙主要由余流输沙(T0)、半日潮流输沙(T2)和M4潮流输沙(T4)构成,且各水动力因子驱动下的输沙量横断面空间结构差异显著。在北港微弯河势影响下,强劲的径流使河道北侧落潮流输沙显著强于涨潮流输沙,故北侧半日潮流输沙量(T2)为正值,而南侧河道因径流影响较小,则T2为负值。北港余流主要受海向径流驱动,故余流输沙(T0)在整个断面内均指向外海。北港河道整个断面M4潮流输沙量(T4)指向上游。在北港河槽总输沙量(T)的空间结构中,河槽北侧海向输沙显著大于南侧陆向输沙,海向输沙主要由余流输沙(T0)和半日潮流输沙(T2)组成,其中余流输沙(T0)为主要贡献因子。陆向输沙主要由半日潮流输沙(T2)和M4潮流输沙量(T4)组成,其中半日潮流输沙(T2)贡献最大。
(4) 北港水下地貌结构和冲淤演变趋势与断面含沙量分布特征和输运结构密切相关。北港水下地貌特征显示其河道中央深槽主要分布在中偏南侧,与其微弯型河势相关;北港冲淤演变趋势呈“主槽冲刷,两岸淤积”的特点,可能与近年来流域来水来沙条件不断变化下河道自适应调整中的空间滞后效应相关。