特大洪水期间长江口浑浊带分粒级输沙特征

基于2020年7月特大洪水期间长江口浑浊带南槽、北槽和北港多站位同步实测水沙动力数据,研究了河口浑浊带分粒级输沙时空特征及其对泥沙来源响应的指示意义,结果表明:(1)北港和北槽是流域泥沙净向口外输移的主要输沙通道,南槽是海域泥沙净向口内输移的主要输沙通道,主槽内粉砂是主要输沙组分,占比63.2%,口外粉砂和黏土是主要输沙组分,分别占比43.2%、40.9%;(2)大潮粉砂输运占比高于小潮,黏土输运占比低于小潮,口外测站砂组分在大小潮期间于横沙浅滩和九段沙间沿岸输移,横沙浅滩附近大、小潮离岸输沙分别是北港口外的1.7倍和8倍,不利于横沙浅滩淤涨;(3)当前流域减沙高达70%,此次特大洪水期间黏土、粉砂和砂三组分近底净向口内输移为减沙背景下的口外供沙提供了有力的佐证。

长江河口潮波时空特征再分析

长江河口的潮波传播受到近岸及河口浅水地形及长江径流的显著影响,表现出很强的时空变化特征。已有相关研究主要关注徐六泾以下的河口段,还缺少对河口系统的潮波特征分析。本文基于大通、南京、徐六泾和牛皮礁4站的年内连续潮位资料,分析了主要天文分潮和浅水分潮的振幅沿程变化、季节变化特征和规律,认识到洪季大径流对江阴以上的近口段潮汐衰减作用显著大于枯季,而河口段的平均潮差有一定的半年周期变化,年内秋季最大。口内高频浅水分潮振幅在河口下段最大,且洪季大于枯季,低频浅水分潮则在河口上游振幅最大,由此反应径流对潮汐改造的非线性作用。这些认识可为水道航运及相关河口研究提供基础认识。最后本文也指出关于长江河口潮汐特征尚需进一步研究的若干问题,以期下一步工作取得相应进展。

紊动对黏性细颗粒泥沙絮凝沉降影响的试验研究

利用室内环形水槽及高倍摄像设备,定量研究了不同悬沙浓度及紊动剪切对黏性细颗粒泥沙絮凝沉降特性的影响。试验中观测到的絮团粒径为分散颗粒的几倍到几十倍,絮团中值粒径随着水体紊动剪切的增大呈先增大后减小的变化趋势,最大的中值粒径约为150μm,出现在紊动剪切为30 1/s条件下。悬沙浓度的增大促进絮团的发育,在350 mg/L条件下形成的絮团整体粒径比150 mg/L条件下的更大。絮团中值沉降速度在0.7～3.4 mm/s之间,絮团最大的中值沉速出现在紊动强度最大时65 1/s,此时所形成的絮团结构密实,有效密度较大。絮团有效密度随着粒径的增大而减小,研究表明,采用变分形维数方法,对有效密度随粒径变化的模拟结果与试验结果吻合较好。

长江河口控制站泥沙絮凝特性研究

基于2008-2014年逐月现场激光粒度仪(LISST)在长江口徐六泾的定点观测数据,分析了河口控制站徐六泾的悬沙絮凝特性,研究给出絮团粒径与有效密度及沉速的关系。统计表明絮团平均粒径变化范围20~120μm,比分散颗粒中值粒径(平均5.3μm)大一到两个数量级。絮团的分形维数主要在1.8~2.4,有效密度变化范围70~600kg/m^3,其随絮团增大呈减小趋势。洪枯季对比表明,洪季絮团沉降速度比枯季大18%,平均沉速分别为0.26mm/s和0.22mm/s,比以往估算得到的长江口浑浊带絮团沉速小。由此说明为更好认识流域到河口的泥沙输运过程,有必要针对长江河口不同区域进行分段的研究。

潮沟系统水沙输运研究——以长江口崇明东滩为例

本研究以崇明东滩2015年4月实测潮间带水沙数据为基础,分析了潮沟、盐沼及光滩的水沙特征,重点研究了潮沟系统及邻近潮滩潮周期内悬沙通量情况。结果表明:(1)潮沟表层沉积物比潮滩细,二者平均中值粒径分别为21.7μm和33.0μm,悬沙粒径由海向陆逐渐变小;(2)大、小潮沟潮周期内潮流均以往复流为主,垂向平均流速分别为15.4cm/s和34.6cm/s;盐沼界和光滩则以旋转流为主,平均流速分别为11.3cm/s和28.9cm/s;(3)潮沟中的高悬沙浓度出现在涨潮初期,最大可达7.5kg/m^3,而潮滩高悬沙浓度则出现在潮落潮中期和高水位时刻;大、小潮沟和盐沼界站涨潮阶段平均悬沙浓度大于落潮阶段,光滩站则相反。潮沟悬沙主要来自邻近水域,而潮滩悬沙则与滩面表层沉积物密切相关;(4)潮沟在潮周期内净输沙方向均指向滩地,大潮沟潮周期单宽净输沙量可达4.0t/m;盐沼界处垂直岸线和沿岸输沙强度相近,净输沙由海向陆,潮周期离岸输沙强度为1.0t/m;光滩沿岸输沙强度远大于垂直岸线输沙,光滩净输沙由陆向海。研究揭示了潮间带潮沟系统的强供沙能力以及研究区域光滩冲蚀,盐沼植被带淤积的动力地貌过程。

长江口北槽柱状沉积物粒度分布特征及沉积环境指示意义

为了研究长江口北槽深水航道的泥沙回淤机制及来源,通过对长江口北槽深水航道中部南、北导堤两侧坝田区域所采浅钻柱状样的沉积物特征、粒度参数特征、粒度成分和沉积速率特征等的分析,探讨北槽深水航道水动力条件和泥沙沉积环境。结果显示,柱状样以黏土质粉砂为主,受径流和潮汐作用,分选性都较差,偏态均为正偏,北导堤和南导堤两侧柱状样的分选系数、偏态和峰态在同一侧相互之间的特征较一致,且三组分组成接近;南北导堤异侧之间的粒度特征差异较为明显,北导堤一侧的平均粒度比南导堤的小,北导堤坝田附近的柱状样粒级百分比在垂向上波动变化较大,南导堤则表现的较为单一;南北导堤的敏感组分主要集中在粒级100μm部分。结合资料和测年数据,综合得出,由于北导堤和南导堤的涨落潮不对称,导致了其粒度特征上的不同;北槽淤积中的流域供沙逐渐减少,泥沙来源逐渐转变为滩槽交换供沙为主;北槽受深水航道工程影响巨大,泥沙沉积过程复杂,还需深入研究。

长江悬浮物絮凝特征

河流淡水环境的实有絮凝特征及变化过程长期以来缺乏观测和研究。本文利用现场激光粒度仪(LISST-100)实测得到长江流域干流4 050km,13个主要站位的絮团大小、分布和沿程变化特征,对比分散粒径和悬浮物浓度,得到认识:长江干流水体的现场悬浮物絮团粒径平均为35μm(洪季),泥沙中值粒径平均为5μm,絮团粒径比泥沙中值粒径大一个量级,证明了长江干流絮凝现象的普遍存在。上游石鼓至万州,絮团粒径平均为17μm,明显小于中下游絮团粒径,为47μm。上游与中下游絮团粒径的差别,主要是受水动力条件的影响。三峡水库蓄水对于絮凝过程有一定的影响,水库以上缓流区水体滞留时间长,有利于絮团成长;库区絮团经过大坝,被水流打散而破碎,产生解絮过程。絮团在长江干流水体中已经形成,季节性变化不明显,其粒径要比河口絮团粒径小。河口环境下,絮团可以增长数倍。联系已有长江河口絮凝现象的观测研究,河流淡水环境的絮团可作为河口盐淡水环境絮团的背景絮团。全文提示了在研究河流泥沙输运、水库泥沙淤积和河流污染物输送等方面应该充分考虑絮凝的影响。

长江口特大洪水浑浊带悬沙粒度分布特征

2020年长江流域发生了历史第二大洪水,大通站洪峰流量达到84500 m^(3)/s。本文基于2020年7月长江口特大洪水期间最大浑浊带多站位的水沙观测数据,重点分析了悬沙粒度组分的时空分布特征,并与常态水文条件下的粒度数据进行对比。结果表明:(1)最大浑浊带悬沙垂向平均中值粒径为10.4μm,变化范围为6~27μm,以黏性细颗粒泥沙为主;其中核心区南槽、北槽及北港的中值粒径分别为8.4μm、7.6μm和8.5μm,过渡区分别为7.2μm、16.4μm和14.5μm。(2)悬沙中值粒径垂向分布受不同组分影响,核心区底层中值粒径为8.8~9.6μm;底层黏土含量在28%~31%之间,粉砂含量在61%~64%之间,中值粒径主要受黏土及粉砂组分影响;过渡区北港和北槽垂向平均砂组分高达19%,南槽砂组分平均仅占5%,中值粒径主要受砂组分影响。(3)对比2013年洪季浑浊带数据,2020年粒径整体增大5.4μm,核心区黏土含量相较2013年减少12.7%,砂增加6.3%;过渡区北槽与北港平均粒径增大10μm。

河口潮滩地貌和沉积物对人类工程的响应特征

河口潮滩受径潮流的共同作用,在自然环境与人类活动的影响下处于不断的动态调整中,其中大型人类工程往往对其短期地貌变化和沉积物特征产生巨大影响。2013年底至2014年5月,长江口崇明东滩北部开展大规模互花米草治理工程,本文基于地面三维激光扫描技术、植被点云数据滤除算法、沉积物取样以及室内粒度分析等手段,对比了工程前后潮滩地貌与沉积物特征。研究发现:(1)完工后研究区域靠海及南侧区域出现明显冲刷,北侧虽出现淤积,但整个区域平均冲刷幅度仍达4 cm;(2)工程前研究区域沉积物平均中值粒径为29μm,工程完工后沉积物平均中值粒径则增大到38μm;(3)工程完工后沉积物靠海及南侧区域明显粗化,北侧沉积物则变细。结果表明,围垦工程会造成邻近潮滩大幅冲刷以及表层沉积物粗化,但潮滩不同区域地貌和沉积物特征对工程的响应仍存在空间差异性。研究揭示尽管河口潮滩长期演变过程受流域来沙条件影响,但围垦工程等局部影响因素会短期内显著改变潮滩动力地貌过程。

ASM在近底泥沙浓度剖面观测中的应用研究

ASM是现场悬浮物浓度的高分辨率剖面观测仪,在测量悬沙浓度方面具有多点同步的优点。将ASM应用于长江口北槽近底三脚架观测系统,观测近底1m的泥沙浓度剖面。结合同步的OBS实测数据,对比分析了ASM所测浊度数据的可靠性及敏感度。通过对ASM的浊度参数进行含沙量转换的室内标定实验,分析了水体浊度、悬浮物颗粒和浓度间的关系,讨论了泥沙颗粒大小及级配差对ASM观测的影响。结合近底层水沙观测系统,给出了ASM的应用前景,可为基于该仪器的河口海岸滩槽水沙观测及相关研究提供科学依据。

大坝影响下长江干流悬沙粒度变化特征

大坝运行显著改变河流泥沙通量及组成,收集并分析了长江干流石鼓至徐六泾河段多年悬沙粒度资料(1987-2019年),并重点分析了宜昌、九江和徐六泾代表站悬沙组分变化规律。发现2003年长江干流水库群陆续投入运行以来,长江上游悬沙多年平均中值粒径从20μm减小到10μm;而中下游悬沙多年平均中值粒径从10μm增至15μm,且存在空间差异,最大增幅达2003年前的3倍。洪季悬沙粗化更显著,10~100μm的悬沙体积百分含量增加。通过对泥沙的平衡概算耦合分析,发现中下游泥沙粗化主要受河床侵蚀加剧、三峡下泄泥沙粒度改变、洞庭湖和鄱阳湖出湖泥沙粗化等多因素的综合影响。

长江口航道柱样沉积物特征及泥沙来源

根据2014年1月北槽航道坝田区采集的13组浅钻柱状样（柱长为19~107cm）,着重分析了浅钻柱状样沉积物的粒度特性。研究结果表明：北槽上段和中段呈南粗北细的沉积物分布格局,南北侧沉积物中值粒径分别为29~40和14~18μm;北槽下段南北两侧沉积物粗细差异趋同,中值粒径范围为23~27μm。沿北槽纵向,南侧沉积物中值粒径和砂的含量自口内向口外呈减小趋势,而北侧正好与此相反,表明北槽内涨落潮流路分歧影响泥沙的沉积和分选。北槽柱状沉积物大多存在三组关键组分,即细组分7.8~26.3μm、粗组分37.4~126.0μm及更粗组分〉193.5μm,分别代表流域及海域来沙中的悬沙沉积、周围浅滩越堤供沙及风暴作用所致的泥沙沉积。其中粗组分37.4~126.0μm为北槽坝田区沉积物的环境敏感组分。相关成果,从沉积的角度可以为深化研究长江口北槽深水航道的泥沙来源和淤积原因提供依据。

河口航道治理中导堤丁坝工程措施的影响探讨

长江口北槽深水航道治理采用了双导堤加丁坝的工程措施,取得了显著的航运经济效益,但还面临疏浚量偏大的问题,为此还需探讨导堤丁坝工程在潮汐河口航道治理应用中可能的问题。首先认识到潮汐动力的重要性及可塑性,工程约束下的河道进潮量减小,会减弱径潮相互作用及其向海的净输沙;其次治理分汊河口的单一汊道,将改变汊道间的动力平衡,致使治理汊道的分流比减小;再者高导堤减弱滩槽间的横向环流,加强河口纵向密度环流,或不利于向海净输沙。考虑到潮汐河口与河流及弱潮河口的差异,在潮汐分汊河口的层化环境下采用导堤丁坝这样的工程措施来治理航道需要更谨慎的选择。

远区台风“三巴”对长江口波浪动力场的作用机制

针对远区台风对河口波浪动力场的影响问题,利用第三代波浪模式SWAN计算了远区台风"三巴"期间长江口波浪动力场分布,分析了陆架至河口区的波浪能量耗散和波致泥沙侵蚀的时空分布,发现波浪由外海向近岸传播过程中,波-波相互作用导致能量由高频向低频转换,周期和波长逐渐增大,近底层轨道流速增大,能量密度增高;阐明白帽破碎是维持深水区波浪能量平衡和限制波高成长的主要机制,底摩擦耗能和水深诱导的破碎耗能是长江口横沙东滩和崇明东滩邻近海域波高衰减的主要原因;提出波浪产生的底部切应力与相对水深有关,当波浪传播到浅水区时,波长和周期越大,波浪切应力越大。研究揭示了与河口相距数百公里的远区台风能够对长江口波浪动力场产生明显影响,河口水下三角洲前缘是最容易受到波浪侵蚀的区域,研究成果弥补了目前关于陆架远区台风对河口波浪动力场影响研究的不足,对深化认识远区台风对长江口动力环境、地貌演变、航运安全和滩涂保护等有重要科学意义。

空心块体水沙动力及泥沙淤积特性研究

空心块体具有良好的阻水和促淤功能,近年来被广泛用于生态修复工程。本文结合水槽试验及Flow-3D数值模拟,分析了开敞型和半封闭型空心块体的阻水效应和泥沙淤积特性。结果表明:空心块体的开孔率对内部水流流速、紊动强度起主导作用,开孔率较小的半开敞型空心块体减速、制紊效果更强;开敞型和半封闭型空心块体近底层悬沙浓度分别增大56%和75%,两者均有利于促进泥沙在块体内部淤积,近底层水流紊动越强,泥沙淤积形态差异越大;空心块体所营造的低流速、泥沙微淤、内外连通的水沙环境是大型底栖生物的生境需求,半封闭型空心块体内部的低紊动水流结构更有利于大型底栖生物的栖息、繁衍。

2020年特大洪水作用下长江口南槽水沙输移特征

径流是影响河口水沙输运的关键动力之一。以长江口为例,历史最大洪水为1954年的92600 m^(3)/s,但以往洪枯季水沙观测期间的大通流量多数小于60000 m^(3)/s,对于特大流量情况下的河口水沙输移特征还缺少观测资料和相关研究报道。2020年长江发生了流域性大洪水,大通洪峰流量高达84500 m^(3)/s。为认识特大流量情况下的河口水沙输移格局特征,文章基于2020年7月78300 m^(3)/s流量期间南槽中下段大小潮水沙盐定点观测资料,分析认识到大洪水期间南槽下段水体垂向混合良好,层化发生位置向海外移,表明大流量抑制了盐水入侵。对比分析历史不同流量情况下的南槽区域水沙资料,表明在特大径流作用下,南槽中下段区域盐度和悬沙浓度整体减小,相比在9900 m^(3)/s(2014年)、17637 m^(3)/s(2003年2月)和41450 m^(3)/s(2013)流量下,南槽下段大潮平均盐度分别减小75%、82%和82%,小潮分别减小80%、89%和91%;全潮悬沙浓度分别比9345 m^(3)/s(2004)、17637 m^(3)/s(2003)、41450 m^(3)/s(2013)、60877 m^(3)/s(2003)情况下减少63%、62%、70%、73%。悬沙浓度减小的原因可能包括河流减沙的长期影响以及大流量情况下的水体稀释作用。这一研究丰富了特大径流情况下的河口水沙输移特征的认识,可为航道和河口治理提供认知基础。

黄河口潮滩泥沙絮凝研究

本文基于现场观测的絮团粒径、悬沙浓度及水动力数据,研究了黄河口南部潮滩泥沙絮凝特征。研究发现,黄河口潮滩絮团粒径在25.42~264.44μm之间,平均为95.20μm。水体紊动对黄河口潮滩絮凝的影响存在差异,紊动对絮凝促进作用的上限约为G=3.76 s。紊动强度低于G时,紊动促进泥沙絮凝,絮团粒径随紊动加强而增大;反之水体紊动对絮凝主要起抑制作用,絮团粒径随紊动强度增大而减小。悬沙浓度对黄河口潮滩泥沙絮凝起抑制作用,同等紊动条件下高悬沙浓度对应的絮团粒径更小。黄河口潮滩絮团有效密度与粒径呈现负相关关系,沉速主要受粒径影响。本研究补充了对弱潮河口潮滩泥沙絮凝特性的认识。

三峡工程后长江口徐六泾入海水沙特征变化研究

基于2004-2019年长江口徐六泾断面观测数据,分析了三峡工程修建以来长江入海水沙特征和变化过程。结果表明,三峡水库修建后入海流量年内分配在2010年后出现显著改变,洪季期间的7月流量增大17%,9月减小22%,枯季各月流量升高15%以上。徐六泾多年垂线平均含沙量为0.09 g/L;2010年是徐六泾表层含沙量减少的拐点,减少幅度达50%。2014年以后,徐六泾表中层含沙量呈新一轮下降进一步减少,底层含沙量从2016年开始有所升高,入海含沙量减少趋势放缓。入海泥沙多年平均中值粒径为6.5μm,2016年以前黏土与粉砂含量之比约为4∶6,砂含量低,之后含砂量平均占比由2%上升到10%,入海悬沙粗化。建坝对入海水通量的年内分配有重要影响,入海泥沙特征变化则受建坝与中下游河流自适应调整的双重影响。

远区台风“三巴”对河口波浪增水和波生流影响数值模拟研究

波浪增水和波生流是河口泥沙输运、地貌演变和污染物扩散的重要动力之一,但目前关于远区台风影响下长江口波浪增水和波生流的研究比较缺乏。本文建立了覆盖东中国海的台风-天文潮-波浪耦合三维数值模型,研究了远区台风"三巴"对长江口波浪增水和波生流的影响。结果表明:波浪从台风中心向近岸传播过程中,能量耗散引起波浪作用力的衰减和辐射应力的增大,产生波浪增水,长江口波浪增水在0.05~0.20 m之间,占台风总增水值的15%~22%。从NW向入射的台风浪产生自北向南的波生沿岸流,垂向上呈现三维结构,平均流速在0.05~0.20 m/s之间,占风暴潮流的15%~50%,充分说明了远区台风可以对长江口波浪增水和波生流产生明显影响,研究成果可以为河口极值水位和流速计算、泥沙输运、水下三角洲地貌演变等研究提供参考。

长江河口潮波特征的年内变化分析

对于径流变化明显的大型河口,其入射潮波受到径流季节性变化的显著影响。以往研究多关注洪枯季的特征对比,对年内变化过程的讨论还不充分。本文以长江河口潮波为例,基于潮区界以下多站位年内连续的实测逐时潮位资料,分析了潮差、分潮振幅及其衰减速率、涨落潮历时等参数的时空变化特征,认识到长江河口潮波沿程特征除洪枯季差异外,还存在显著的逐月变化差异,重点关注镇江到江阴的过渡段,认识到三江营到魏村闸段在低径流月份的平均潮差衰减速率远低于其相邻上下段,仅为其三分之一。涨潮历时从河口段向近口段的递减存在拐点,到了江阴附近后,不再线性减小。从典型径流量、沿程差异、河宽束窄等角度分析了原因。