长江口主要水道洪季悬沙有效沉速分布研究

泥沙研究

2011年4月Journal of Sediment Research第2期长江口主要水道洪季悬沙有效沉速分布研究

张飞1，王义刚2，黄惠明2，王玉滴3

（1.中交水运规划设计院有限公司，北京100007； 2.河海大学海岸灾害及防护教育部重点实验室，江苏南京210098；

3.交通运输部科学研究院，北京100029）

摘要：通过对长江口六条主要水道洪季泥沙实测资料的分析整理，得出含沙量垂向分布近似呈指数分布，同时

含沙量在平面上呈现出区域性变化的特点。由此，运用Rouse公式分别计算长江口各主要水道的悬沙有效沉

速，结果表明，悬沙有效沉速基本在2.00 9.00mm/s之间变化。

关键词：长江口；悬沙分布；Rouse公式；悬沙沉速

中图分类号：TV142文献标识码：A文章编号：0468-155X（2011）02-0060-05

1引言

长江口是典型的三级分汊四口入海的中等潮汐河口，同时亦是我国第一大港———上海港的门户，作为我国经济社会发展最快的区域之一，其重要性不言而喻。以往的资料表明，长江大通站（1950－2006）多年平均径流量8996亿m3，输沙量为4.108亿t［1］。有研究表明［2］，每年由上游携带的泥沙大约有50%在长江口水下三角洲地区沉积下来。长江口的这些岛屿和沙滩就是由长江径流带来的泥沙淤积而成的，由此可见长江口泥沙沉降的显著作用。因此，就长江口主要水道悬沙沉速进行计算分析，对于研究长江口水域泥沙运动及滩、槽演变都具有重要意义。

水流作为泥沙的载体，其对悬沙运动有着至关重要的影响，而河口为陆海过渡区域，同时受径流及外海潮波共同作用，水流呈明显的周期性往复运动型态，此外，还受到风、浪、密度梯度等众多外在因素的影响，在这种复杂水流条件下，河口泥沙的悬浮、沉降及起动过程极为复杂，这给相应河口泥沙问题的研究带来了众多困难。目前，研究细颗粒悬浮泥沙有效沉速的方法主要有室内试验法［3，4］、现场试验法［5，6］、声学悬浮泥观测系统［7］，Rouse公式拟合法［8－12］等。本文利用洪季长江口38个测站一个潮周期内的逐时水文泥沙观测资料，运用Rouse公式拟合法对长江口六条主要水道的悬沙有效沉速进行统计分析。由于如此大范围的同步水文泥沙资料的收集难度较大，故其中北支、南支及北港主要采用2002年洪季的实测数据，南港、北槽及南槽则采用2007年的洪季实测数据。

2长江口主要水道泥沙特性分析

长江口形势及各测站位置见图1。

实测资料统计结果表明，长江口主要水道悬沙中值粒径较小，基本在0.01mm以下，颗粒较细，且粒径随涨落潮无明显变化。而床面泥沙中值粒径则相对较大，最大可达0.1mm以上。六条主要水道悬沙中值粒径及床面泥沙中值粒径统计结果如表1所示。水流紊动作用和泥沙颗粒自身的重量决定了悬沙垂向分布。在相同的水流条件下，细颗粒泥沙往往更易上扬到水流的表层，粗颗粒泥沙则易沉降到底

收稿日期：2009-08-04

基金项目：海岸灾害及防护教育部重点实验室开发研究基金“长江口北槽深水航道整治工程对盐水入侵影响研究”

作者简介：张飞（1985－），男，安徽合肥人，硕士研究生，从事港口工程设计工作。

床。故整体来看床面泥沙颗粒粒径大于表层。

图1长江口主要水道及泥沙测站位置图

Fig.1Main outlets in Changjiang Estuary and position of measurement points

表1各主要水道悬沙中值粒径及床面泥沙粒径统计结果（mm）

Table1Satistical results of median diameters of suspended sediment and bed material in each main outlet（mm）

长江口主要水道

南支北支南港北港南槽北槽悬沙粒径0.00810.00640.00930.00730.00880.0079床面泥沙粒径0.10040.03290.04930.02910.00900.0309

统计结果显示，绝大多数测站在潮周期中垂线平均含沙量的最大值是最小值的2 6倍，个别测站可达到几十倍。通过对各测站洪季大潮含沙量实测值的分析，表明大潮平均含沙量呈现明显的区域性分布，其中有三条水道的大潮平均含沙量较大，分别为北支（0.613kg/m3 1.498kg/m3），北槽（0.475kg/m3 1.568kg/m3），南槽（0.539kg/m3 1.509kg/m3）。其他三条水道含沙量则大致在0.2kg/m3 0.4kg/m3之间变化。

含沙量区域性分布与长江口最大浑浊带之间有密切关系。李九发等［10］通过对不同河段的泥沙特性和输移规律的对比分析，认为长江河口来沙丰富，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，最大浑浊带含沙量高，泥沙絮凝沉速快，长江口最大浑浊带包括了北支，北槽，南槽。这与上述大潮平均含沙量的统计结果较为吻合。

泥沙的沉降速度受多因素的共同影响，过程复杂。长江口泥沙主要为细颗粒，这也决定了发生沉降时不是以单颗粒单独沉降，而是以泥沙团为单位进行絮凝沉降。影响细颗粒泥沙絮凝沉降的因素很多，其中主要影响因素按影响程度大小依次为水温、沉降历时、盐度、粒度、含沙量和流速等［13］。众多的影响因素给研究带来了困难，但通常认为悬沙垂线分布是决定有效沉速的关键，由此，可从分层悬沙含量实测数据反推各垂线相应的悬沙有效沉速。Rouse公式拟合法就是目前广泛运用的此类算法之一。但考虑到Rouse公式是在二维恒定流平衡输沙条件下导出的悬沙浓度分布公式，故还需就Rouse公式在长江口区域的适用性进行讨论。

将部分测站实测资料（采用六点法施测）进行整理，以每层的大潮潮平均含沙量为纵坐标，以相对水深为横坐标，绘制含沙量随相对水深变化的曲线图，如图2所示。由图可知，各主要水道实测大潮平均含沙量垂线分布近似呈指数分布，这和二维恒定流在平衡输沙条件下的悬沙垂向浓度分布呈指数分布的规律相符，亦与Rouse公式的推导条件吻合，由此表明，可以采用Rouse公式拟合法对长江口各主要水道悬沙有效沉速进行研究。