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《南京大学》 2014年
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建闸河口闸下沉积动力过程及冲淤趋势

李明亮  
【摘要】:河口海岸往往是人类活动密集、经济发达、资源开发利用程度较高的区域,其地貌环境演变显著地受到人类的影响。在入海河口附近建闸,可改变原有的河流与海洋动力格局,以及沉积物输运、地貌演化趋势等。本文以江苏北部平原海岸的新洋港河口为例,重点研究中小型建闸河口闸下的沉积动力过程及冲淤趋势。新洋港河位于江苏省盐城市,是里下河地区向东排水入海的主要出口之一,河口附近挡潮闸建于1957年,具有调控上游径流和防止海水入侵的双重作用。2012年8月和12月,分别在新洋港河闸下河道进行了三站同步的锚系大、小潮沉积动力学观测,并将采集的底质与悬沙样品带回实验室进行粒度测试。根据现场实测数据分析了潮周期内水体流速、流向、悬沙浓度、底质粒度、水体悬沙粒度、盐度等的变化规律;水体边界层参数变化特征及水体层化特征;研究了再悬浮通量的变化规律,结合水体悬沙粒度参数分析了悬沙对再悬浮作用的响应;计算断面水、沙通量,分析了开闸放水对于港道冲淤的效果,同时根据该区域沉积动力特征提出了减淤建议。研究结果表明,建闸后闸下潮波显著变形,表现在涨潮历时比落潮历时短1.5-3.0个小时左右,涨潮平均流速大于落潮,涨潮平均流速介于0.17-0.62 ms-1,落潮流速平均值介于0.14-0.38 ms-1涨潮期间实测最大流速为2.05 m s-1,最大悬沙浓度为4.70 g L-1;大潮平均流速大于小潮。在河闸开闸放水期间,河道水体流速与悬沙浓度均较大,实测平均流速介于0.49-1.18 ms-1,实测平均悬沙浓度介于0.21-1.60 g L-1。从入海口门向上游至闸下,实测流速、水体悬沙浓度均表现出逐渐减小的趋势。在没有陆地径流影响(关闭河闸)的情况下,河道内的盐度值介于12.48-24.32,涨落潮期间表、底层存在着垂向盐度梯度,开闸放水对河道盐度有极大影响,开闸期间的河道实测盐度介于0.48-5.25,越靠近闸门,淡水径流影响越显著。河道内水温较为恒定,无明显垂向梯度,表、底层温差不超过1℃,夏季实测水温介于22-32℃,冬季实测水温介于3-9℃,受到观测期间天气影响,夏、冬大潮水温均大于小潮。采用流速对数剖面模型,估算了底部边界层参数摩阻流速及粗糙长度等。研究发现,随流速增大,底部摩阻流速逐渐变大,最大达0.061 m s-1,粗糙长度逐渐变小;流速减小则摩阻流速减小,粗糙长度则增大,最大达140 mm。以河道中部站位为例,冬季小潮涨潮期间平均摩阻流速为0.018ms-1,平均粗糙长度为120 mm,开闸放水期间摩阻流速在0.019-0.061 ms-1之间,粗糙长度较小,平均8.5 mm。计算表明河道底部沉积物临界起动切应力介于0.095-0.11 Nm-2,在涨、落潮及开闸放水期间,当近底部切应力大于临界切应力时,使底部沉积物发生再悬浮现象。根据计算,在涨急、落急及开闸放水阶段,再悬浮通量较大,数量级为10-4-10-3 kgm-2s-1,最大再悬浮通量为0.0025-0.0071 kgm-2s-1,其它时段再悬浮通量较小,为10-5-10-4 kgm-2s-1.从时空变化来看,越靠近口门底部沉积物活动时间越长,再悬浮通量有逐渐增大趋势,大潮期间的平均再悬浮通量大于小潮期间。由于温、盐、悬沙、流速的梯度变化使得水体层化特征明显,落潮期的层化时间要长于涨潮期,层化能够抑制水体垂向悬沙、盐分交换,也能够抑制底部沉积物再悬浮,使得水体侵蚀底部沉积物能力降低,表现在悬沙浓度变小,水流输沙能力下降,不利于落潮期间沉积物向口门输运。在夏、冬观测期间尤其是落潮时,河道具备细颗粒悬沙絮凝沉降的条件,夏季由于温度较高,絮凝沉降的强度相对冬季较强,落潮期的絮凝沉降使悬沙落淤于底床;由于层化效应影响,使之难以被输运出河口,造成了河道的淤积。层化效应及悬沙絮凝沉降的影响可能是造成落潮期悬沙浓度相对涨潮期小的因素之一底质及悬沙的粒度测试结果表明,新洋港河道底质类型属于粘土质粉砂,平均粒径介于13.30-23.46μm,粉砂含量介于65.50-72.60%,粘土含量介于14.26-19.15%,砂含量介于8.26-19.36%,越靠近口门砂含量越高,粘土含量越低。悬沙粒径较小,大部分介于7-9μm,砂含量极低,平均约1.49%,粉砂平均约75%,粘土约23.51%。根据水体悬沙粒径对再悬浮的响应及近底部悬沙浓度和流速变化分析,底质再悬浮期间,近闸处站位(S1)、河口处站位(S3)站位底、中层悬沙粒径对再悬浮响应明显,底质再悬浮引起悬沙浓度及再悬浮通量的增大:河道中部站位(S2)站位由于潮流动力及底质的综合影响,在底质再悬浮期间底层悬沙粒径对再悬浮作用响应不明显,而是通过平流输运的沉积物引起悬沙浓度及再悬浮通量的增大。在开闸放水期间,水体悬沙粒径并没有出现持续粗化现象,一方面可能是近底部的“屏蔽效应”影响了底床沉积物的进一步侵蚀,另外一方面可能是在此期间现场采样层位没有在底质再悬浮所发生的高度范围内,使得采集的悬沙多来源于平流输运。断面水沙通量计算可用于评估不同潮周期内河道内的冲淤趋势。分析发现,在河闸关闭的情况下,典型断面的水通量在潮周期内能够维持进出平衡,但沙净通量方向向陆。总的来看,近闸处(闸下至S1站)以及河道中部向下(S2站至口门)淤积较多,淤积总量分别为2.34×106kg、2.52×106kg(冬季大潮),两断面之间淤积相对较小,径流量及开闸时机选择直接影响冲刷的效果。总体来看,开闸对于河道中上部(闸下至中部S2站)具有较好的冲刷效果。由于新洋港地处南黄海淤涨型海岸,岸线逐年向外淤涨,同时河流径流量季节变化显著,而海洋动力相对保持稳定,本文提出在丰水期应以径流冲淤占主导、枯水期可将纳潮冲淤与径流冲淤相结合,同时在重点淤积河段采用机械清淤的方法来整治河道淤积。未来应重点研究的内容有:(1)应用现场悬沙粒径及沉降速度观测仪器,观测潮周期内水体悬沙的粒径及沉速变化规律,定量研究絮凝沉降的强度及其对于悬沙浓度变化的贡献,这对于开闸冲淤的时间选择具有重要的指导意义;(2),获取河道的三维地形数据,结合现场实测的沉积动力学资料建立三维模型,进一步模拟河道内的冲淤状况,根据模拟结果找到冲刷区、淤积区和冲淤平衡区,作为河闸管理部门在河道内开展定点的机械清淤的依据,降低河道管理成本。
【学位授予单位】:南京大学
【学位级别】:硕士
【学位授予年份】:2014
【分类号】:P737.1

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