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长江河口北槽水沙过程和地貌演变对深水航道工程的响应

蒋陈娟  
【摘要】:北槽深水航道工程导堤和丁坝完全改变了北槽的边界,同时阻碍了北槽与邻近滩槽的水沙交换过程,使河槽地形和水沙动力过程发生调整。本文应用实测地形资料,通过建立数字高程模型分析近期北槽河道在工程影响下的地貌演变特征;基于工程前、后实测水文泥沙资料,应用统计学方法分析北槽主槽的水动力和泥沙运动特性变化,并将调和分析和理想模型相结合研究泥沙纵向输移机制及其变化;最后,通过建立垂向-纵向二维的水沙解析模型系统讨论三期工程后北槽最大浑浊带泥沙捕集的物理机制和航道回淤机理。 北槽导堤尤其丁坝工程引起了河道阻水效应,使南港分流北槽水量明显减小北槽分流口水流挟沙力下降,且向海余流减小导致向海输沙减弱,入口段发生淤积;丁坝坝田区域流态呈涡流结构,发生大幅淤积;北槽中段拦门沙滩顶发生持续淤积。导堤和丁坝的束水作用使主槽水动力增强,上段主槽在一期工程后明显冲刷,而下段主槽在二期工程后明显冲刷,上段和下段的主槽平均水深明显增大。 工程后,由于南港分流北槽落潮水量减小和涨潮期九段沙越堤流的影响,北槽入口段和上段的落潮优势减弱;同时,由于导堤和丁坝的束水作用,北槽下段落潮优势明显加强。中段CSW附近在工程后为主槽中落潮优势最弱的河段,枯季时涨潮量和落潮量相等。涨落潮动力的变化也引起涨落潮输沙的变化,入口段和上段的落潮优势沙明显减小,下段的落潮优势沙明显增加。工程前主槽输沙均为落潮优势沙,工程后由于落潮优势的减弱,洪季在CSW附近出现涨潮优势沙,枯季在入口段和上段出现涨潮优势沙。大潮期净输沙的沿程变化表明:洪季,工程前泥沙在中段和下段普遍落淤,而工程后在CS2-CSW段集中落淤;枯季,主槽以冲刷为主,工程后泥沙在入口段和下段出口处落淤。 北槽泥沙纵向输移机制分析表明:余流输沙、M2潮泵输沙和Stokes输沙在纵向泥沙输移中处于主导地位。余流输沙作用为:工程前,重力环流模式的余流结构使底层泥沙辐聚,表层泥沙向海输送;工程后,洪季一致向海的余流结构使大量泥沙向海输送,枯季余流保持了重力环流模式,但下层向陆输沙区域明显向上游移动。余流主要成份的输沙作用为:密度流产生向陆净输沙;径流和Stokes补偿流产生很强的向海输沙;潮动量对流作用在工程后产生较强的辐聚输沙。M2潮泵输沙作用为:在洪季,工程前为向中段辐聚的输沙模式,而工程后以向陆输沙为主;在枯季,呈现由中段向两边辐散的输沙模式。 北槽最大浑浊带高含沙量区在工程后明显向上游扩展,洪季的浑浊带核心区明显上移且底层含沙量最大值加倍。洪季,工程后含沙量的增大与主槽潮流流速加大使床沙的再悬浮加强有关;高含沙区向上游扩展与径流在上段的向海输沙减弱有关;核心区的上移与M2潮泵产生很强的向陆输沙有关。枯季,工程后高含沙量区向上游扩展主要与上段底层径流输沙减弱,重力环流的向陆输沙占优势有大。 根据对工程后北槽在多年平均流量和平均潮差条件下泥沙捕集的模型分析,结果表明:(1)重力环流使泥沙在北槽上段聚集,形成最大浑浊带。(2)潮流的非线性作用使泥沙向海输送,最大浑浊带核心区略向海移动。潮流的非线性作用引起的余流中,Stokes补偿流使泥沙大幅向海输送,而潮周期内不均匀混合使泥沙向陆输运,且前者略大于后者。(3)M2潮泵作用使大量泥沙向陆抽吸,最大浑浊带核心区向陆移动。M:潮泵输沙中,时间沉降滞后作用使泥沙大幅向陆输送;空间沉降滞后作用使泥沙向陆输送的同时使泥沙的纵向扩散增强,使最大浑浊带核心区展宽。各种物理机制的综合作用最终使泥沙在北槽上段捕集。 不同流量条件下,北槽深水航道回淤强度沿程分布与悬沙浓度沿程分布*致,最大浑浊带核心区回淤量大,故最大浑浊带泥沙聚集是航槽中泥沙集中回淤的重要原因。枯季,泥沙在入口段的聚集主要由重力环流、M2潮泵和潮周期内不均匀混合的向陆输沙所致,最大浑浊带核心区较平水期上移主要与空间沉降滞后作用向陆输沙作用大幅增强有关,也与径流作用减弱和盐水入侵锋面上移有一定关系。洪季,泥沙在中段的聚集由重力环流和M2潮泵的时间沉降滞后的向陆输沙所致,最大浑浊带核心区较平水期的下移主要与径流的向海输沙作用加强和M2潮泵作用在入口段和上段的向海输沙作用增强有关。


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