長江下游通州區(qū)沙河段近底水沙運動規(guī)律研究

長江下游通州區(qū)沙河段近底水沙運動規(guī)律研究

長江口12.5m深水運河開通后，長江太倉以下河段實現(xiàn)了5噸以上貨物的全球潮汐航行，10萬噸以上貨物的潮汐航行和減少載貨量。航行的流動性和便利性為該海岸的經(jīng)濟發(fā)展提供了巨大動力。為滿足長三角地區(qū)的生產力發(fā)展要求,全面實現(xiàn)《長江三角洲地區(qū)區(qū)域規(guī)劃》,交通運輸部和江蘇省決定聯(lián)合組織實施長江南京以下12.5m深水航道建設工程,擬分為3個階段開展實施。其中一期工程位于長江太倉—南通河段,該河段同時受徑潮流作用,區(qū)域內分布有通州沙、狼山沙、新開沙、白茆沙等多個沙體,是長江南京以下河段的重要礙航區(qū)段。本研究首次在長江下游河段引入坐底式綜合觀測系統(tǒng),通過各型自動水沙觀測儀器獲取通州沙河段洲灘及主槽的洪枯季近底層水沙運動過程,實測資料的分析有助于增進對這一河段暗沙、淺灘灘面水沙特性及近底泥沙運移現(xiàn)狀的認識,對工程方案的設計、優(yōu)化及施工組織設計具有重要的借鑒意義。1現(xiàn)場觀測和現(xiàn)場評估1.1水沙條件分析本研究在通州沙河段共布置3套坐底式觀測系統(tǒng),其中ZT1位于一期工程擬建通州沙整治工程頭部附近的高灘,ZT3位于狼山沙沙頭左沿、通州沙東水道至中水道入口處,ZT4位于通州沙東水道主槽及新開沙之間的深槽段,以3個站點的觀測數(shù)據(jù)分別表征工程段高灘、低灘及深槽的水沙條件(圖1)?，F(xiàn)場觀測分洪枯季開展,每次觀測均從大潮開始連續(xù)觀測至小潮,其中枯季觀測于2012年3月8日—17日期間實施,洪季觀測于2012年9月2日—10日期間實施。1.2全深水文化觀測為適應現(xiàn)場觀測需要,本研究采用坐底式觀測系統(tǒng)開展。坐底觀測系統(tǒng)為一套集成了水流、泥沙、溫鹽深等儀器的綜合觀測系統(tǒng)(圖2),觀測期間拋設于水底、無需人工干預,可實現(xiàn)不同水深條件下的連續(xù)自動觀測,無論觀測精度或觀測數(shù)據(jù)的時空分辨率均明顯優(yōu)于傳統(tǒng)船載式水文測量,現(xiàn)已廣泛應用于河口、沿海地區(qū)的全水深水文觀測及近底邊界層觀測研究。觀測系統(tǒng)架體統(tǒng)一采用不銹鋼建造以防止干擾測流儀器內的羅盤,同時在架體底部設置不銹鋼底板及配重鉛塊,從而增加架體的穩(wěn)定性。系統(tǒng)采用聲學多普勒流速儀觀測水流,具體為:采用NortekAWAC1MHz觀測坐底系統(tǒng)三腳架上部水流剖面,觀測單元分層厚度為0.5m;采用NortekAquaProHR2MHz觀測坐底系統(tǒng)三腳架下部近底高分辨率水流剖面,單元分層厚度為0.01~0.02m。并采用OBS3+或OBS5+光學濁度計觀測近底區(qū)域分層含沙量,具體測點位置為:各站點床面以上0.25,0.5,1.2m處。同時,由各儀器內置三軸姿態(tài)感應器及壓力感應器測量坐底系統(tǒng)穩(wěn)定性及水深過程。各數(shù)據(jù)采樣間隔設為2min。2在干旱和旱季2.1流速清理的范圍和方法現(xiàn)場各站點全水深水流觀測由觀測上部水體的NortekAWAC及觀測下部水體的NortekAquaProHR同步觀測得到。由于聲學測流儀器存在一定的近場盲區(qū),故床面以上0.6~1.4m存在一個高度約0.8m的測量盲區(qū),同時水表面附近由于介質界面效應亦存在0.5~1.0m的測量盲區(qū)(圖3左側);盡管如此,坐底系統(tǒng)測量流速的盲區(qū)亦明顯優(yōu)于船載聲學多普勒剖面流速儀(ADCP)測量時存在的上下各1.5~2.0m盲區(qū),且實測流速垂向分辨率優(yōu)于船載ADCP及傳統(tǒng)6點法流速計測量(圖3右側),使用坐底系統(tǒng)還可獲得較長時段內高時間分辨率的水流數(shù)據(jù),綜合優(yōu)勢明顯。流速整編中首先需將兩臺儀器觀測數(shù)據(jù)拼合并補全盲區(qū)數(shù)據(jù),補全方法主要為:使用線性內插法補全床面以上0.6~1.4m區(qū)域的測量盲區(qū),并使用最靠近水面的實測流速補全表面盲區(qū)(圖3)。得到補全的全水深流速數(shù)據(jù)后,根據(jù)需要整編為6點法數(shù)據(jù)或其他分層方式的流速成果。2.2潮動力和流態(tài)為比較洪、枯季水動力異同,結合農歷日期對應并利用長江口地區(qū)不規(guī)則半日潮的特性,根據(jù)潮差過程將洪、枯季垂線平均流速過程準確對應。數(shù)據(jù)表明各站水流特征存在以下的共性規(guī)律(圖4):1)水流動力時間分布方面。除ZT1站點大潮期間漲潮動力大于落潮外,各站漲潮動力均明顯弱于落潮,總體來說該河段主要受落潮動力控制;從大潮至小潮過程中由于潮流動力減弱,各站水動力特別是漲潮動力呈現(xiàn)明顯下降趨勢,即水動力:大潮>中潮>小潮。2)水流動力空間分布方面。水深較深的站點水動力總體上強于水深較淺的站點,漲潮時段ZT1和ZT4動力較為接近,且大于ZT3站點,即漲潮動力:深槽≥高灘>低灘;落潮時段ZT4大于或與ZT3動力相當、ZT1動力最弱,即落潮動力,深槽≥低灘>高灘。3)水流流態(tài)方面。ZT1和ZT3位于較淺的高灘、低灘水域,受水流漫灘的影響其平面流態(tài)均為具有一定的旋轉流特性的往復流;ZT4位于較深的深槽水域,其流動受主流影響,平面流態(tài)呈明顯的往復流特性,旋轉性質不明顯,即各站水流旋轉性:低灘>高灘>深槽。2.3洪枯季潮差-漲潮關系統(tǒng)計各站洪枯季、漲落潮期的潮平均流速及其對應的潮差大小,分別點繪成圖并進行線性擬合,數(shù)據(jù)表明研究區(qū)域內水動力與潮差呈現(xiàn)良好的線性相關關系,各擬合方程的相關系數(shù)R基本大于0.9(表1)。通過一系列數(shù)據(jù)可得到以下幾點認識:1)前文已述各站落潮動力普遍大于漲潮,這一性質在水動力與潮差的關系中亦有體現(xiàn),即各站同一時期內的潮差-落潮數(shù)據(jù)點均位于潮差-漲潮數(shù)據(jù)點以上(圖5)。2)受洪季徑流流量增大的影響,灘面各站洪季潮差-落潮數(shù)據(jù)均高于枯季數(shù)據(jù),即同樣潮差條件下,徑流量越大則落潮動力越強;灘面站點的洪枯季潮差-漲潮關系亦存在一定差異,但無明顯的規(guī)律性。另一方面,深槽站點潮差-落潮、潮差-漲潮的差異并不明顯。3在干旱和干燥時期，沉積物的性質接近地面3.1懸沙樣品室內率定試驗現(xiàn)場觀測采用OBS光學濁度計開展含沙量觀測。該型儀器觀測數(shù)據(jù)實際為水體濁度信息,需要利用濁度與含沙量率定關系反算含沙量,故需利用現(xiàn)場懸沙樣品開展室內率定試驗?？紤]到該型儀器的濁度與含沙量率定關系受現(xiàn)場泥沙性狀(主要為粒徑、礦物成分等)影響較大,觀測期間同步采集現(xiàn)場水樣及對應的濁度值從而得到現(xiàn)場率定關系,以校核室內率定的成果(圖6)。實測資料表明室內率定成果較為可靠,利用該成果計算各站點OBS濁度計實測含沙量數(shù)據(jù),并根據(jù)需要整編為6點法數(shù)據(jù)或其他分層方式的含沙量成果。3.2底層泥沙時間與空間分布與水流數(shù)據(jù)類似地,將洪枯季近底區(qū)域(床面以上1.2m范圍內)平均含沙量過程繪制成圖(圖7),可見研究區(qū)域各站點洪枯季近底層泥沙時間分布與水動力分布特性較為一致,即各站落潮含沙量>漲潮含沙量,大潮含沙量>中潮含沙量>小潮含沙量;而空間分布總體表現(xiàn)為深槽(ZT4)含沙量>低灘(ZT3)含沙量>高灘(ZT1)含沙量,與落潮動力分布情況類似。由于洪季河段水動力的增強,各站洪季近底區(qū)域的水體懸沙濃度均有明顯的增大,量級從0.1~0.15kg/m3增至0.2~0.45kg/m3,增幅在1.5~2倍。3.3輸沙能力回歸分析國內外的懸移質泥沙輸沙能力研究中,常使用現(xiàn)場觀測數(shù)據(jù)建立研究區(qū)域近地層懸移質含沙量S與無因次水動力因子v2/(gh)的線性關系,即可得到反映該河段的懸移質泥沙輸沙能力公式:式中的系數(shù)A,B利用實測數(shù)據(jù)進行回歸分析得到。根據(jù)現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)得到本研究河段各代表站點的洪枯季懸移質泥沙輸沙能力(表2,圖7),可見各站洪枯季公式的系數(shù)明顯不同,洪季期間公式斜率及截距(截距可認為是水體的背景含沙量)均大于枯季,此現(xiàn)象同樣表明在水動力相同的條件下洪季含沙量會明顯高于枯季。另一方面,枯季期間回歸公式的相關系數(shù)為0.5左右,洪季期間的相關性好于枯季,相關系數(shù)在0.6~0.7,總體來說回歸公式具有一定的可信度,可用于該河段淺灘及深槽的輸沙能力推算。4河段水動力分布及泥沙分布特性分析本研究采用現(xiàn)代化儀器和科學的坐底觀測方案,觀測得到了長江下游通州沙河段暗沙、淺灘及深槽位置的洪枯季水沙等實測資料。通過計算、分析,得到了以下幾點結論:1)本研究中采用的坐底觀測方案克服了傳統(tǒng)水文測量手段的種種不足,首次獲得了研究區(qū)域灘槽河床枯季、洪季高時、空分辨率的近底水流、泥沙等定量數(shù)據(jù)成果,填補了該區(qū)域的觀測空白,為工程設計優(yōu)化、建設施工提供了重要支撐。2)研究河段水動力分布情況表現(xiàn)為落潮>漲潮;漲潮動力深槽≥高灘>低灘;落潮動力深槽≥低灘>高灘,大潮>中潮>小潮;水流旋轉性則表現(xiàn)為低灘>高灘>深槽。分析表明各站水動力與潮差呈現(xiàn)良好的線性相關關系,各擬合方程的相關系數(shù)R基本大于0.9;該關系曲線表明淺灘位置受徑流影響洪季落潮動力大于枯季,但漲潮動力洪枯季差異無明顯的規(guī)律性,而深槽洪枯季漲潮、落潮動力的差異不明顯。3)各站近底層泥沙分布規(guī)律與水動力分布特性較為