长江口北支强潮河道悬沙运动及输移机制

长江口北支强潮河道悬沙运动及输移机制
陈炜;李九发;李占海;戴志军;闫虹;徐敏;赵军凯
【摘要】随着崇明北侧岸滩的自然淤涨和人工圈围,北支河道显著束窄,“喇叭口”顶点位置下移.在新的地形及流域来水来沙变异背景下,作为长江河口的分支强潮汊道,其悬沙运动与输移特点值得探讨.根据2010年4月小潮至大潮连续8d的半个半月潮水沙观测,结合多年不同河段水沙观测数据得到的含沙量过程曲线显示:整个河道潮流强、含沙量高,含沙量过程曲线呈“单峰-双峰-单峰”的变化特点；河道悬沙的输移以平流输移和“潮泵输移”为主,以“喇叭口”顶点为界,上游段河道平流输移占主导地位,“潮泵输移”次之；下游段“潮泵输移”占主导,平流输移次之.净输沙总量呈:上段河道向海,下段河道向陆,在“喇叭口”顶点附近存在一个泥沙汇聚的最大浑浊带区域.%As the effect of natural accreting processes and artificial reclamation, the river channel of the North Branch in the Changjiang Estuary has narrowed significantly, and the position of summit of the funnel-shape has moved down. As an important strong tidal bifurcation of the Changjiang Estuary, the transport characteristics of suspended sediment in the North Branch is deserving of further discussion and research by considering the changes in river morphology and sediment load from the Changjiang drainage are-a. According to the continuousl observation of flow and sediment during one spring-neap tide cycle in A-pril 2010, together with historical data from different locations, the obtained results are as follows- the current is strong and suspended sediment content (SSC) comparatively high in the North Branch, the process curve of the SSC shows a pattern of "unimodal- bimodal-
unimodal"in a half 14 d cycel. Lagrang-ian advection and tidal pumping effect are two main constituents of sediment transport in the North Branch, with spatial variations. Touxing Port can be considered as a transition, where Lagrangian sediment transport dominantes in the upper mouth and the tidal pumping in the lower section. As for the net sediment transport flux, it moved seaward in upper mouth and landward in the lower section. The result suggests a turbidity maximum due to sediment accumulation around the summit.
【期刊名称】《海洋学报（中文版）》
【年(卷),期】2012(034)002
【总页数】8页(P84-91)
【关键词】长江口北支河道;含沙量;悬沙输运;潮流;机制分析
【作者】陈炜;李九发;李占海;戴志军;闫虹;徐敏;赵军凯
【作者单位】华东师范大学河口海岸学国家重点实验室,上海200062;华东师范大学河口海岸学国家重点实验室,上海200062;华东师范大学河口海岸学国家重点实验室,上海200062;华东师范大学河口海岸学国家重点实验室,上海200062;荷兰代尔夫特理工大学,代尔夫特2628CN;华东师范大学河口海岸学国家重点实验室,上海200062;华东师范大学河口海岸学国家重点实验室,上海200062
【正文语种】中文
【中图分类】P333.4
1 引言
长江口北支河道西起崇头，东至连兴港，属长江河口“三级分汊、四口入海”中的第一级汊道，同时也是“四口”中最北端的入海口，全长约80km。

历史上北支河道曾是长江主要的入海水道，但随着长江河口的自然演变以及人类活动的影响，尤其自20世纪50年代以来北支河道南北岸沙洲围垦，使北支的河道形貌发生了很
大的变化，北支河道逐渐萎缩为以潮流作用为主的潮汐通道［1－4］。

目前北支
分流量仅占长江径流量的3%左右［5］，河槽容积不断减小，海图水深5m等深
线目前已基本退出该河段。

北支河道的演变对淡水资源安全、后备土地圈围和海岸开发等均具有不可忽视的影响［6－9］。

结合北支河道水沙输运特征及自然演变
趋势，针对治理并合理开发利用北支河道问题，诸多研究者作过大量的分析研究［4，9－15］。

通过实施一些工程，北支河势得到了一定程度的改善。

随着兴隆沙、崇明北湖相继完成圈围，北支中段河道河槽已明显束窄，中上河段河宽相对均匀，北支“喇叭口”顶点位置现已下移至头兴港至三条港附近河段（图1）。

图1 北支河势及水沙观测站位
北支悬沙以粉砂和黏土为主，床沙以粉砂和细沙为主［7］，在涨潮流作用下河床与水体泥沙交换频繁，并在涨落潮流交替作用下做往复运动。

受科氏力影响，涨潮泥沙靠北输运，落潮时则走崇明一侧。

从总体上看泥沙在青龙港以下向上运输，以上向下运输［16］。

北支在一定条件下存在涌潮现象，期间水体含沙量极高，这
也是造成北支泥沙输运的重要方式之一［17］。

径流挟带的泥沙与南支扩散入海
泥沙随涨潮回流入北支，这是在北支河道内淤积泥沙的两个主要来源，除此之外，苏北南下的沿岸流挟带的泥沙也有少量进入北支［18］。

在河槽显著束窄的新地形条件及流域水沙变异以及强潮河道性质没有改变的背景下，北支河道悬沙运动与输移特点、河道未来的发展与演变趋势及其对河道整治、滩地
资源的开发利用产生的影响需引起必要的重视。

2 现场观测资料
2002，2003和2010年分别对北支不同河段进行水文测验，共设7个站位（见图1），其中S1，S2和 S7测站观测时段为2002年9月22－23日大潮、26－27
日中潮、29－30日小潮。

期间平均风速3m／s左右，风向为270°～0°；2003
年7月15－16日大潮对S3和S5站实施观测，20－21日小潮对S3和S4站实
施观测。

平均风速为3～4m／s，风向为90°～180°；2010年4月23－30日对
新“喇叭口”顶点附近的S6站进行8d连续观测。

其间4月25日白天至26日，实测平均风速约9m／s，风向130°，在27日夜至28日夜风向转为300°，风速
为10～12m／s，最大瞬时风速为12.5m／s，浪高1m左右，至29日风力减弱。

大通站的水情（3d前）见表1。

3 悬沙运动过程及其垂向分布规律
3.1 潮流速度与含沙量过程线特征
长江口为中等强度潮汐河口，口内潮型属浅海不规则半日潮。

由于受到河槽形态的影响，北支河道潮波发生强烈变形［19］，形成以驻波为主的变态潮波并在上溯
过程中形变逐渐增大，平均半日潮潮周期为12.5h左右，潮流运动从低流速时刻（天文小潮）到最大流速时刻（天文大潮）或最大流速时刻到低流速时刻的半个半月潮周期约为7.5～8d。

表1 水文测验期间大通站水情统计平均2002－09－19—测验时段逐日流量／
×103 m3·s－1 26 39.6 39.2 38.7 38.1 36.9 36.2 35.8 34.8 37.4 2003－07－13—20 53.1 57.4 57.7 58.0 60.0 58.2 58.1 58.9 57.5 2010－04－20—27 36.8 37.6 38.6 38.2 39.6 40.5 41.8 41.6 39.0
北支河道含沙量随低流速到最大流速过程逐渐增加，含沙量峰值出现在涨落急附近，涨潮平均流速和含沙量均大于落潮。

从小潮至大潮的潮周期过程中，含沙量过程可
分为3个阶段（见图2a）：第一阶段为小潮阶段（NTP），初始时刻后48h内，其间平均含沙量相对较低，含沙量曲线波动幅度小，一个周期（两个相邻涨憩之间）内只出现一个波峰；第二阶段为寻常潮阶段（MTP），属第49～158h时段，水
体含沙量明显增加，在含沙量曲线出现双峰，前峰高度小于后峰高度，含沙量随时间增加使双峰明显变化不一；第三阶段为大潮阶段（STP），属第159小时以后
至流速最大时刻，平均含沙量进一步增高，前后峰靠近致双峰特征反而不显著，或形成单峰。

在北支上口段和下口段河道，虽然是从大潮到小潮含沙量变化存在一定差别，观测时段也不同步，但不同潮型含沙量过程曲线的峰值特征与S6测站的基本类似（图
2b，c），即半个半月潮周期的小潮—中潮—大潮的含沙量峰值为“单峰—双峰—单峰”的变化过程，表明这一特征在北支具有普遍性。

3.2 含沙量垂向分布
3.2.1 大小潮变化
观测站S6地处北支最大浑浊带区域内，小潮期虽然水动力较弱，但河道水体含沙量较高（见表2）。

涨落急垂线平均含沙量分别为0.83和0.48kg／m3，落憩至
初涨时刻近底层出现含沙量峰值，表层含沙量仅为0.2kg／m3左右，对应近底层含沙量最大值为1.7～3.2kg／m3，中层含沙量在1.0kg／m3左右（见图3a），这与初涨水流将落潮过程下沉泥沙重新掀起有关，说明强潮河道初涨水流来潮快且迅速将落憩下沉泥沙再次扰动悬浮是引起落憩至初涨时刻含沙量垂向分布不均匀的主要原因，而其他时刻含沙量垂向差异不大，一般在0.2～0.6kg／m3，悬沙垂向混合较均匀。

图2 含沙量（cs）、流速（v）随时间变化过程a，b，c分别代表S6，S1和S7
站的垂线平均水沙过程曲线。

黑色曲线为含沙量过程线近似平滑曲线。

a以农历初九24：00记为初始时刻，即0h，b和c以农历十六第一次进入涨潮记为初始时
刻
表2 S6观测站各涨落潮周期水沙特征统计值注：表内统计均为垂线平均值。

周期指相邻两个涨憩之间的一个涨落潮时段。

NTP MTP 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 v／m·s－1 涨急 1.09 1.36 1.29 1.36 1.62 1.70 1.75 1.73 1.75 1.7 STP周期6 1.78
落急 1.02 1.14 1.10 1.17 1.20 1.35 1.26 1.33 1.36 1.6 0 4.17 4 1.35 cs／kg·m
－3 涨急 0.83 1.57 2.10 3.35 3.11 3.35 3.19 2.91 3.80 2.44 3.79落急 0.48 1.39 1.88 2.69 2.85 3.63 3.58 2.84 3.75 3.22 3.47涨憩 0.51 0.76 1.23 1.90 1.43
1.69 1.26
2.20 1.49 1.59 1.74落憩 0.98 1.30 1.20 1.77 1.17 2.70 2.22 2.73
2.12 2.0
在寻常潮时期，随潮流流速增大，水体含沙量明显升高（表2）。

从中潮含沙量垂线剖面随时间分布看（图3b），在落急（8h）和涨急（15h）时刻，近底层含沙
量最大，可达3.48和6.11kg／m3，含沙量垂向分布呈“斜线型”（见图4），
说明涨落急水流对河床冲刷造成泥沙再悬浮，而中下层水流强度有限，较高含沙量难以扩散到上层。

涨落憇时刻流速小，含沙量垂向分布呈“直线型”。

在大潮汛期流速进一步增大（表2），在汹涌的潮流作用下泥沙再悬浮更加明显，水体含沙量持续升高，近底层从落急到涨急整个时段内都维持在3.0～7.0kg／m3以上（见图3c），而在大潮阶段的强水动力作用下，较高含沙量可以扩散到上层，表层最大可在3.0kg／m3以上（图3c，15～16h）。

在落急和涨急时刻含沙量垂向分布呈斜度较大的“斜线型”（见图4），在涨憇时刻流速低，含沙量垂向分布呈“直线型”。

落憩转流时间短，转为涨流后流速迅速增大，落潮期间大量下沉的泥沙和河床泥沙又被涨潮流顶托、冲起，造成落憩初涨时刻含沙量迅速升高，如第11个潮周期，落憩初涨时刻近底含沙量达到7.1kg／m3（图3c）。

因此，含沙
量垂向亦呈“L型”（图4）。

3.2.2 涨落潮变化
在涨潮与落潮垂向上存在明显区别（图4）：（1）在涨潮阶段，上下层含沙量分
布均匀，在涨急时刻不仅近底高，而且中上层含沙量也较高，而落潮过程较长，并且受径流低含沙量影响，落急含沙量垂向上出现分层现象，落潮含沙量梯度明显大于涨潮。

（2）含沙量垂向梯度从小潮到大潮不断增大。

如在中潮落急（图3b，
8h），表层含沙量不到0.6kg／m3，与底层含沙量相差6倍。

大潮期间（图3c，20～22h），落潮表层含沙量约为0.3kg／m3，近底层含沙量超过6kg／m3，表底层悬沙含量相差高达20倍。

图3 S6测站含沙量随时间变化剖面图
3.2.3 纵向变化
从纵向上看由于在涨潮槽河道不同河段海陆两股水流相互作用强度不一致，导致不同河段水流挟沙能力和输沙过程存在差异。

在S1测站（图5a）存在悬沙三层分
布的现象，近底层在整个潮周期含沙量均维持在0.9kg／m3以上，中层含沙量为0.6～0.9kg／m3，而在表层一般不到0.6kg／m3。

涨落急时刻近底层含沙量增加，为2kg／m3左右，但与中段河道S6测站相比，含沙量明显偏小，垂向分层现象
亦不如S6测站显著。

北支下口河道S7测站含沙量垂向分布（见图5b）与S6测
站有类似之处，高含沙量主要集中在近底层，但浓度并不大，一般不超过3.0kg／m3，与表层的含沙量相差一般不超过10倍。

北支河道流速与含沙量沿程分布特征表明（图6），S6测站的含沙量最高，但S6测站的潮平均流速并非全河段最大，故此处的高悬沙含量并不全部由当时本地河床泥沙冲起造成，与S6测站处在海陆两股水流相互作用的动力平衡带区域、来自上下河道泥沙在此汇集，形成最大浑浊带有关。

图4 S6测站涨落潮含沙量垂线分布
4 悬沙输移机制
入海河口地带海陆相互作用激烈，物质输运的影响因子众多。

通过对泥沙输运机制
分解统计，可以定量研究各项动力因子对输运量的贡献，对长江口地区，尤其对南北槽最大浑浊带应用广泛［20－25］。

1986年王康墡、苏纪兰采用相对水深推导分解得到物质沿断面法向的潮周期平均输运量公式［20］：
式中，T1为平均流引起的输运项，也称为欧拉余流输移项，T2为潮汐与潮流相关项，即斯托克斯漂移，反映潮波前进波性质的强弱，T1＋T2即平流输移，也称拉格朗日输移；T3为潮汐与悬沙的潮变动相关项；T4为悬沙与流的潮变动相关项；T5为潮汐、潮流和悬沙的三阶相互关系项；T3＋T4＋T5为“潮泵效应（tidal pumping）”项，主要是由于潮汐涨落过程中水位、流速的周期性变化与床面表
层泥沙再悬浮和沉降引起的水体含沙量规律性变化之间存在相位差而产生的输移；T6和T7分别为横向和垂向环流的贡献项；T8－T13因为量级很小［20］，在此
不加讨论。

图5 S1和S7测站含沙量随时间变化剖面图
图6 北支流速、含沙量沿程分布图
记，代表潮周期时间平均；，代表断面面积平均；X为式（1）中任意变量；T为
潮周期；a为瞬时断面面积；B为断面水面宽度。

任意时刻的流速，其中为断面平均流速的潮平均；Ua为断面平均流速的潮变化；分别为断面横向和垂向环流；Uv 和Ut分别为横向与垂向潮振荡切变；类似于流速，悬沙含量也可写成。

断面面积。

对于计算定点单宽输运情况，则断面面积a简化为水深h，因而所有横向变化的贡献（T6，T8，T10，t12）皆为零。

机制分析法的计算结果（表3）表明：（1）总输沙和各因子（或其绝对值）均表
现为随潮周期逐渐增大，但各站、各项的变化幅度不一。

拉格朗日输移主要来自水体净输移对悬沙输运的贡献，其中T1增大与径流量增加有关。

“潮泵”项及其各项（或其绝对值）增大趋势来自于河槽和水流泥沙交换强度不断增强。

垂向环流主
要跟悬沙垂线梯度分布不均匀的特点有关。

小潮汛期，潮流作用较弱，水体含沙量相对较低且较均匀，垂向净环流输沙小。

（2）输沙总量（F）在S1至S5测站基
本为正，而在S6和S7测站为负，表明在洪季崇头至头兴港以上河段悬沙净向海
输移，在头兴港以下至口门河段，悬沙净向陆输移。

净输沙在头兴港附近存在一个过渡地带，接近河道地貌形态上新“喇叭口”顶点位置，悬沙在该位置附近汇集，同时解释了含沙量在S6测站最大的缘由。

（3）平流输移和“潮泵输移”是北支
悬沙输运的主要因子，但不同河段悬沙输运的各项因子的贡献不同。

在S1测站至
S5测站，平流输移一般起主导作用，潮泵输移次之；在S6测站和S7测站潮泵输移是悬沙的主要输运方式，但是当径流量很大（大通流量大于40 000 m3／s）时，S6测站和S7测站大潮期间平流输移就变得相当重要。

垂向环流对悬沙输运的贡
献在小潮时很小，但在中到大潮期间影响较大，而且在中下河段影响较上口段更大。

（4）就“潮泵”项本身来说，各项的贡献不一，其中T4的贡献最大，是“潮泵”输移的主要因子，T5次之，T3最小。

T4的变化与滩槽泥沙交换、底层泥沙再悬
浮以及潮周期不对称输沙等诸多因素有关［25］。

对于北支而言，床沙的再悬浮
以及不对称输沙是主要原因。

表3 单宽悬沙输运因子及主要输沙项对总量的贡献注：负值表示向陆输运。

T1／kg·T2／kg·T3／kg·T4／kg·T5／kg·T7／kg·T1＋T2T3＋T4＋T5F站位潮型m－1· s－1 m－1· s－1 m－1· s－1 m－1· s－1 m－1· s－1 m－1· s kg·m－1·－1s
－1（%）kg·m－1· s－1（%）kg·m－1· s－1（%）S1 小 0.63 －0.04 0.00 0.13 －0.01 －0.02 0.59 86 0.12 180.68 100中 1.44 －0.32 0.02 －0.81 －0.03 －0.13 1.12 412 －0.82 －302 0.27 100大 1.19 －0.95 0.02 －2.14 －0.06 －
0.13 0.24 12 －2.18－83 －0.18 －100－106 －2.05 －100 S2 小 0.23 －0.05 0.00 0.05 －0.02 0.00 0.19 84 0.03 13 0.22 100中 1.46 －0.69 0.05 －0.29 －0.06 －0.01 0.77 142 －0.30 －55 0.54 100 S3 小 3.10 －0.18－0.05 0.75 0.01
－0.06 2.92 81 0.71 20 3.60 100大 6.16 －0.72 0.04 0.35 －0.04 －0.15 5.44 98 0.35 6 5.57 100 S4 小 1.41 －0.07－0.02 0.38 0.01 －0.01 1.33 79 0.37 22 1.69 100 S5 大 5.05 －2.22－0.12 0.80 －0.49 －0.58 2.84 115 0.20 8 2.46
100 S6 小 0.39 －0.38－0.01 －0.80 －0.10 －0.07 0.01 1 －0.91 －100 －0.91 －100中 3.06 －1.96－0.07 －0.61 －0.44 －0.26 1.10 377 －1.11 －382 －
0.29 －100大 4.19 －1.97－0.20 1.87 －0.30 －0.35 2.22 76 1.38 47 2.92 100 S7 小 0.03 －0.03 0.00 －0.16 －0.01 －0.03 0.00 －1 －0.17 －87 －0.20 －100中 0.07 －0.09 0.00 －0.73 －0.10 －0.01－0.02 －2 －0.84 －103 －0.81 －100大 1.08 －0.95－0.04 0.03 －0.13 －0.25 0.13 75 －0.15
5 结论
（1）在半个半月潮周期内，含沙量存在明显的周期性变化规律，含沙量过程曲线呈“单峰—双峰—单峰”周期性变化特点。

小潮期单峰出现在落憩时刻；寻常潮
双峰来自于涨落急引起的泥沙再悬浮，落潮流速小于涨急，故前峰比后峰矮；大潮期单峰同样出现在落憇附近，为落潮悬沙下沉转流时又受涨潮流的冲起、顶托造成。

（2）不同潮型、不同河段河道含沙量垂向分布有明显区别。

在小潮阶段悬沙垂向分布均匀，一个潮周期内仅落憩时近底层出现高含沙量；在中潮期一个潮周期内涨落急时刻，含沙量垂向分布呈“斜线型”，落、涨憇时刻呈“直线型”；大潮期一个潮周期内落、涨急和落憩时刻，含沙量垂向分布呈大倾斜的“斜线型”，涨憇时刻呈“直线型”。

小潮阶段含沙量无明显分层，中到大潮悬沙分层明显，在不同河段均有层化现象发生，而且程度不一，在“喇叭口”顶点位置最明显。

（3）在陆海两股水动力相互作用控制下悬沙输运规律的分段性特征在北支河道表现非常突出。

崇头至头兴港的上段河道，在洪季悬沙净向海输移，在悬沙净输运的主要控制因子中，平流输移占主导地位，“潮泵输移”次之；在头兴港至河道口门河道，悬沙净向陆输移，“潮泵输移”占主导地位，其次为平流输移，这充分显示
出强潮河道的输沙特点。

小潮时垂向环流贡献很小，大潮时在北支下段河段有一定贡献。

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