水利工程論文-黃茅海河口灣泥沙輸移研究.doc

水利工程論文-黃茅海河口灣泥沙輸移研究摘要：以珠江黃茅海河口為例，使用1988年4月、1992年洪、枯季表層沉積物顆粒分析成果，根據(jù)泥沙粒徑統(tǒng)計特征值，運用McLaren模型分析河口泥沙輸移趨勢，并結(jié)合水動力及水下地形進行綜合分析，確定泥沙來源、搬運方向，探討泥沙輸移機制。為進一步研究河口泥沙運動規(guī)律及泥沙通量提供背景，同時為研究河口灣出海航道、港口泥沙淤積及河口污染物輸移擴散提供一條新途徑。關(guān)鍵詞：黃茅海河口泥沙輸移趨勢McLaren模型1前言泥沙粒徑的空間分布是由各種動力、沉積過程綜合作用產(chǎn)生的，它反映了這些過程的長周期和累積效應(yīng)。通過對泥沙粒徑空間分布的結(jié)構(gòu)特征(如空間相關(guān)性、方向性等)進行研究，有助于對產(chǎn)生該結(jié)構(gòu)的各種原因進行深入探討，從而提高對泥沙運動的各種過程的認識。泥沙輸移受顆粒的粒徑、形狀和密度等多種特性的影響，其中粒徑的影響最重要(RobertLarson等，1997)。因此許多研究者試圖通過分析泥沙粒徑統(tǒng)計特征的空間變化即粒徑趨勢來確定凈泥沙輸運方向。如McLaren(1981，1985)提出依據(jù)輸運中的泥沙粒徑三個主要特征值(均值、分選系數(shù)和偏度)的空間變化來判斷泥沙輸運凈方向(稱為McLaren模型)。該模型已廣泛應(yīng)用于工程項目(McLaren和Powys,1989)、污染物質(zhì)的輸移(McLaren和Little，1987)和沉積物搬運方式及穩(wěn)定性研究(McLaren和Collins，1989)。McLaren模型是在設(shè)定方向上來判斷泥沙輸移方向的概率大小，對于單一泥沙來源的輸移趨勢的判斷的確是成功的，但對于有多種泥沙來源尤其是對多汊河口區(qū)的輸移趨勢的判斷存在人為的隨意性，在某些環(huán)境中不能成功地確定搬運泥沙輸移路徑(如Masselink,1992)。其原因主要是：泥沙搬運路徑的確定存在隨意性；使用不恰當?shù)内厔莘治龇椒?。為此Gao和Collins(1991，1992，1994)基于粒徑趨勢沿沉積物搬運方向比其相反方向發(fā)生的頻率高的假設(shè)，建立了在半定量濾波技術(shù)基礎(chǔ)上的粒徑趨勢分析方法。從表層沉積物樣品網(wǎng)格確定粒徑趨勢，然后通過濾波得到代表沉積物搬運路徑的“余方式”(Residualpatterns)。因此該方法的可行性依賴于恰當?shù)剡x擇粒徑趨勢和分析方法。上述兩種方法均不考慮水下地形對泥沙輸移路徑的影響，而底床的形態(tài)方向、水動力特征等對泥沙的輸移都產(chǎn)生直接的影響。實際上這兩種方法都是通過粒徑趨勢的線狀(Linebyline)檢驗來確定相關(guān)的搬運方式(McLarenandBowles,1991)。本文以珠江黃茅海河口為例，運用McLaren模型分析河口泥沙輸移趨勢，并結(jié)合水下地形及水動力進行綜合分析，確定河口泥沙來源、搬運方向，探討泥沙輸移機制。為進一步研究河口泥沙運動規(guī)律及泥沙通量提供背景，同時為研究河口海灣出海航道及港口的泥沙來源和輸運及河口污染物輸移擴散提供一條新途徑。2黃茅海河口灣概況黃茅海位于珠江口西部，是一個喇叭形溺谷河口灣(圖1)。在北部灣頂，通過崖門和虎跳門水道與珠江水系和潭江水系溝通，匯集了潭江的全部徑流和西江的部分徑流。在南部灣口有兩列東東北西西南向島鏈，內(nèi)側(cè)島鏈為南水、三角山、大芒和大襟諸島；外側(cè)島鏈是高欄、荷包和畜諸島。島間峽口形成黃茅海河口灣三大出口：大襟以西水道稱為西口，大襟至荷包之間為中口，荷包至高欄為東口。2.1水下地形根據(jù)動力地貌學觀點，可將黃茅海水下地形劃分為幾個單元：(1)落潮沖刷槽，又稱主槽。位于三虎以北的海灣北半部，長20km，寬300900m，深512.4m。(2)漲潮沖刷槽，包括東槽和西槽，分布在荷包島的東側(cè)和西側(cè)。(3)攔門淺灘。位于海灣中部寬展部位，頂部水深2.43.0m，灘頂位置偏北，形成內(nèi)坡陡，外坡緩的形態(tài)。(4)潮坪。水深小于2.0m的潮坪主要有三片：主槽以東的稱東灘，以西的稱西灘，第三片為南水島以北的大海環(huán)淺灘。圖1黃茅海河口地形及沉積物采樣點分布（等深線以米為單位，小襟島位于大襟島的西南）Location,morphologicalstructuresandbathymetricfeaturesofHuangmaohaiEstuaryshowingsamplingsitesforbottomsedimentandlocationsofcurrentmeters.Contoursareinmeter.XiaoIslandsituiatedHebaoIslandbeyond(5)環(huán)島淺灘。分布在口門島嶼的周圍，水深小于5.0m，最淺處不足2.0m。(6)波成沙脊。零星分布在攔門沙頂部和西灘南緣，是波浪造成的較小的地貌單元。2.2水動力環(huán)境據(jù)李紹寧等(1984)計算，黃茅海及其上游河段進潮量約每年4608億m3，而年徑流量僅是進潮量的7%，因此黃茅海為弱徑流、強潮流并以潮流作用為主的河口灣。依據(jù)羅斯貝數(shù)*110、艾克曼數(shù)*103104，WuandWu(1994)系統(tǒng)地提出了控制河口泥沙輸移和沉積過程的小尺度動力結(jié)構(gòu)(SSDS)體系。在黃茅海河口灣縱向上分別有以下幾個小尺度動力結(jié)構(gòu)：(1)雙向射流系統(tǒng)在黃茅海作為一個主要的動力結(jié)構(gòu)它分布于喇叭形河口灣頂基巖峽口。(2)垂直密度環(huán)流隨徑流洪、枯季，潮汐的大、小潮等強度的時空變化，在黃茅海河口中部上下遷移，但它的分布范圍明顯受控于上、下射流系統(tǒng)控制范圍的強度。垂直密度環(huán)流是洪季泥沙大量淤積的主要動力結(jié)構(gòu)。(3)潮汐射流系統(tǒng)發(fā)育河口口門附近大芒和三角山島之間峽口，它是東槽主要的動力結(jié)構(gòu)。(4)水平余環(huán)流分布于河口灣下段口門附近，在河口右側(cè)(面向陸)呈逆時針環(huán)流。它可能是河口開爾文波、渦度變化、地形作用及廣東西沿岸流綜合作用形成的。水平余環(huán)流對河口下段水體和泥沙輸移產(chǎn)生一定影響。2.3泥沙運動應(yīng)強等(1997)根據(jù)底沙樣品的中子活化分析示蹤泥沙的原始數(shù)據(jù)，采用模糊數(shù)學聚類分析方法得出了泥沙輸移的主要路線。同時通過選取沙源泥沙樣本，采用均方差最小的方法，計算各沙源對海域內(nèi)各樣本點的貢獻，確認各沙源的淤積范圍。洪季時海域內(nèi)主要以上游徑流挾沙和高欄島附近區(qū)域內(nèi)的泥沙為主，其它沙源則相對較弱，而徑流來沙主要淤積在崖門與三虎之間的區(qū)域。泥沙的輸移路線主要有三條，泥沙主要來源于高欄島附近淺灘，沿東槽向黃茅海腹地的攔門淺灘輸送?？菁竞Ｓ騼?nèi)以上游徑流和大襟島附近區(qū)域的泥沙為主，其它沙源輸移量則較少。徑流挾沙與大襟島西側(cè)沙源對攔門淺灘及西灘的泥沙淤積起主要作用，而中口沙源主要淤積在西槽內(nèi)。泥沙的主要輸移路線有兩條：西槽是主要輸沙路線，大襟島西側(cè)的西口也有一定的泥沙輸移。3資料及模型簡介3.1資料本文使用的資料主要是1988年4月1625日采集的表層沉積物樣品，室內(nèi)顆粒分析共107個，另外還收集到1992年洪季(7、8月)和枯季(11月)共計113個顆粒分析成果。顆粒分析以1為間距從-2到10按重量百分比進行，計算出粒徑特征值如：均值(MD)、分選系數(shù)(QD)和偏態(tài)(SK)。表層沉積物采樣點在河口三槽、三灘和灣內(nèi)潮溝、島間深槽等水下地形單元均有分布(圖1)。3.2McLaren模型簡介關(guān)于McLaren模型的詳細內(nèi)容可參閱有關(guān)文獻(McLaren,P.1981,1985,1991)。3.2.1McLaren模型幾個假設(shè)1)僅考慮唯一的泥沙來源和單向泥沙輸運，如弧形海灣中的侵蝕崖未固結(jié)泥沙在穩(wěn)定波浪作用下運動，狹長單一河流上游徑流來沙或下游海域來沙。2)細顆粒較粗顆粒更容易啟動和搬運或有更大的概率。3)任何粒徑泥沙的起動和搬運具有獨立性，即不受其它粒徑泥沙的影響。4)搬運任何粒徑泥沙的概率隨流速的增加而增加。3.2.2模型的計算方法設(shè)有n個樣品序列，存在N=n(n-1)/2個方向?qū)?，代表某一方向輸運趨勢或同等數(shù)目反方向的輸運趨勢。兩個樣品若分別從它們的均值(MD)、分選系數(shù)(QD)和偏態(tài)(SK)三個統(tǒng)計特征值進行比較，則共存在八種可能的事件：更細(F)、分選更好(B)和更加負偏(-)；更粗(C)、分選更差(P)和更加正偏(+)；C、B、-；F、P、-；C、P、-；F、B、+；C、B、+；F、P、+。其中僅兩種事件表示輸移趨勢，即F、B、-(事件B)和C、B+(事件C)。事件B和C均代表沿搬運方向序列沉積物的轉(zhuǎn)換函數(shù)由高能到低能減小，但事件B代表低能搬運轉(zhuǎn)換過程，事件C代表高能搬運轉(zhuǎn)換過程。由此任一隨機事件發(fā)生的概率為p=1/8=0.125。為了確定特定事件發(fā)生的概率是否超過0.125，提出下面兩個假設(shè)條件：H0：p0.125，不存在選擇的輸移方向；H1：p0.125，存在選擇的輸移方向。使用單尾(邊)Z得分檢驗(Spiegel,1961),如果(0.05置信水平)或2.326(0.01置信水平)則H1可接收。其中x:兩相反方向中某一方向特定事件(B或C)發(fā)生的樣品對數(shù)目；N：可能的某方向樣品對總數(shù)，N=n(n-1)/2；n:序列沉積物樣品數(shù)；p=0.125,q=1-p=0.875.一般，當N30時，Z統(tǒng)計才認為有效。因此恰當估計一個輸移趨勢，至少需要8個或9個樣品。4計算結(jié)果討論根據(jù)黃茅海水下地形單元分布，分別從北部主槽、東槽、西槽、大襟島西口、西灘潮溝、大海環(huán)淺灘等六個區(qū)域選點計算泥沙輸移趨勢。計算結(jié)果見表1，從表中可見：1.北部主槽南向泥沙輸移趨勢顯著，同時還顯示，搬運過程表現(xiàn)為一個高能轉(zhuǎn)換函數(shù)，能量沿搬運方向遞減(事件C)。主槽受灣頂射流和側(cè)向摻混動力結(jié)構(gòu)控制，射流中心線速度和動能隨離灣頂射流口距離增加而減小。從實測最大流速矢量圖(圖2)看出：本區(qū)為整個河口灣動力最強勁的區(qū)域，漲落潮流向與主槽走向基本一致；無論大潮或小潮，落潮流速明顯大于漲潮流速；垂向上各層流向基本一致，流束相對集中；單寬輸水計算結(jié)果(楊干然，1988)表表1黃茅海河口六個區(qū)域泥沙輸移趨勢計算結(jié)果CalculatedtrendsofsedimenttransportinsixregionsoftheHuangmaohaiestuaryNorthTrendSouthTrendNo.1*CaseBN=78x=13Z=1.11N=78x=10Z=0.09CaseCN=78x=7Z=-0.94N=78x=20Z=3.51No.2CaseBN=45x=12Z=2.87N=45x=9Z=1.52CaseCN=45x=10Z=1.97N=45x=3Z=-1.18No.3CaseBN=36x=3Z=-0.76N=36x=8Z=1.76CaseCN=36x=9Z=2.27N=36x=1Z=-1.76No.4CaseBN=36x=13Z=1.76N=36x=7Z=1.26CaseCN=36x=7Z=0.76N=36x=0Z=-2.27No.5CaseBN=45x=1Z=-2.08N=45x=9Z=6.03CaseCN=45x=7Z=0.62N=45x=1Z=-2.08No.6CaseBN=36x=8Z=1.76N=36x=6Z=0.76CaseCN=36x=6Z=1.76N=36x=3Z=-0.76*No.1北槽No.2東槽No.3西槽明，不論大潮或小潮，主槽中的測點均表現(xiàn)為向海輸水為主，可見主槽有較強的下泄流存在，受下泄流控制泥沙自北向南輸運。因此泥沙輸移趨勢預測與通過水沙實測資料得到的一致。2.東槽西北向泥沙