1959～2013年长江河口南槽动力地貌演变过程

南槽作为长江口入海四口之一,是长江水沙输运向海的主要通道。在长江入海水沙急剧变化和长江口大型涉水工程的影响下,南槽的动力地貌过程成为当前长江河口研究的重点内容之一。分析和揭示近50年来南槽的动力地貌变化过程对理解长江河口响应人类活动和自然驱动作用的变化具有重要意义。基于此,本文通过1959~2013年长时间序列的南槽地形资料,研究长江入海水沙变化及南槽落潮分流分沙比影响下的南槽动力地貌演变过程。结果表明,南槽在1989年江亚南沙并滩前后呈现两种不同的地貌演化阶段:江亚南沙并滩前,南槽普遍发生淤积,两侧浅滩不断淤涨,河槽总体呈缩小态势,河槽拦门沙呈现"双峰"状态;江亚南沙并滩后,南槽呈现出"上段冲蚀加深、中段微冲、下段河槽束窄、两侧浅滩淤积"的状态,拦门沙向"单峰"发展。此外,周边涉水工程的实施对近期南槽地貌的冲淤演变过程有较大的影响。     

南沙头通道及横沙通道对长江口深水航道的影响分析

根据长江口南沙头通道、横沙通道和南北槽分汊口的断面水深变化及长江口南北港和南北槽的分流比变化实测资料,分析了长江口北槽深水航道淤积的原因。结果表明,北槽深水航道上段淤积受多种因素影响,其中,南沙头通道和横沙通道的发展对深水航道影响最大。南沙头通道的发展在加大落潮流量的同时,对南港南岸会产生一定的冲刷,后经沙洲的阻挡,把泥沙带向南港北岸,在北槽进口段处落淤,直接影响了进入深水航道的落潮量;横沙通道由于直接贯通了北港北槽的水沙交换,因而削弱了南港和北槽之间的水沙交换,促使北槽深水航道上段产生淤积,这也是南槽河道上段刷深的一个主要原因,而南槽河道的发展必然减少了进入北槽的落潮量,进一步加剧了北槽深水航道上段的淤积。同时,科氏力与北槽南导堤分流口鱼咀工程对深水航道也造成了一定的不可忽视的影响。研究成果对治理北槽深水航道淤积问题保障深水航道正常运行具有十分重要的科学实践意义。     

长江河口北港北汊河势演变及趋势分析

在分析长江口北港北汊河段实测水文资料及1977-2013年海图基础上,研究近30多年来该河段河势演变趋势及其影响因素。结果表明:(1)历史上,北港北汊河段经历了团结沙与北港北沙的交替更迭;(2)北港北汊是一个典型的复式河槽,其上段1995-2006年以冲刷为主,2006-2013年以淤积为主;中段1995-2013年均以冲刷为主;下段变化不大。(3)洪水导致了北港北汊复式河槽格局的形成,而北槽深水航道北导堤和横沙东滩促淤圈围工程限制了北港落潮水流通过横沙东滩串沟进入北槽,进而导致北港北汊分流增加,是北港北汊发展的重要因素。     

钱塘江河势变迁与径潮流相互作用研究

基于平面二维水沙床耦合地貌模型,反演了1958年1月至1964年12月连续枯水年期间钱塘江尖山河段的主槽摆动过程,揭示了河势由顺直到弯曲的主要演变规律和内在机制.结果表明,在低径流和强潮流作用下,丰水年形成的北部落潮槽逐渐淤积形成浅滩,南部涨潮槽冲刷发展形成南、北两支,两槽间江心滩发育壮大,形成弯曲河势.河床冲淤主要集中在前两年内,潮汐周期内涨潮初期冲刷、涨憩和落潮初期淤积,区域淤积泥沙主要来源于下游杭州湾,北槽前期淤积为落潮型淤积,后期为涨潮型淤积.河势变化使得区域潮差增大潮动力增强,南槽涨落潮流速显著增大.顺直河势下,江心滩南北两侧分流比差异不大,涨潮期间南侧略高、落潮期间北槽略高.弯曲河势下,南槽水深和纳潮量增加,涨、落潮分流比均显著增大至75％以上.     

长江口南北槽分流口洪季水沙变化过程研究

河口分流口的水沙变化过程是影响河口三角洲发育的核心环节,对下游河势的稳定起着关键性的作用。本文通过对北槽二、三期工程前后的南北槽分流口河段洪季大潮期间的同步水沙观测数据进行分析,以探讨长江口深水航道工程整治对分流口水沙过程的影响。结果表明:(1)北槽二期工程到三期工程后,分流口洪季以落潮优势流、优势沙为主的格局基本没有发生改变,但南槽优势流、优势沙出现略有变大,而北槽略有变小现象;(2)分流口洪季的水体输移主要受控于欧拉余流的变化,除北槽入口段水体净输移量一直较小外,其他河段在二、三期工程实施期间均有大幅提升,其中斯托克斯余流变化不大,拉格朗日余流与欧拉余流变化相一致,南槽呈波动状上升,北槽先增后减;(3)在二期到三期工程期间,北槽分流比明显减小,入口段落潮流速减小,含沙量较高,水体输移量降低,输沙强度减弱,由此导致二期工程以来北槽入口河段淤积强度加重。     

1997—2019年长江口北槽地形演化特征及驱动机制

河口拦门沙位于河流和海洋的交界,具有弱动力、易沉积、水深浅的环境特征。打通拦门沙,建设深水航道一直是海洋学和工程学的一个难题,目前深水航道工程已经深刻地改变了拦门沙河槽的演化格局。本文根据北槽三期航道工程建设时间节点,收集了 1997 年、2002年、2007 年和 2019 年北槽航道水下地形数据分析工程前后的地形演变特征,并结合航道工程建设、人为疏浚和外部环境变化等因素对北槽地形演变的驱动效应进行分析。结果表明：深水航道建设后长江口北槽主要出现了“槽冲滩淤”的河槽地形演化特征;空间上,北槽上段主要发生了北侧滩涂淤积,南侧航道侵蚀,而下段主要发生了南侧滩涂淤积,北侧航道侵蚀的演变格局。导堤和丁坝的建设是引起河槽“槽冲滩淤”的主要因素,而科氏力引起的涨、落潮流路变化也增加了河槽上下段的差异演化;深水航道工程建设是引起 1997—2007 年北槽淤积的主要驱动因素,而人为疏浚则是 2007—2019 年北槽侵蚀的主要影响因素;尽管人类活动已经成为北槽河槽演化的主要原因,但周围环境变化如流域来沙减少和海平面上升也加剧了近期的北槽侵蚀。     

长江口青草沙水库前沿河床演变与失稳风险研究

位于长江口南北港分流口的青草沙水库是上海市最大的城市供水水源地,开展该水库前沿河床稳定性和失稳风险研究具有重要的理论意义和工程指导价值。基于此,利用长江口南北港分流口2000年至2013年期间实测的高精度地形资料,分析青草沙水库前沿河床近期地貌变化特征,为水库库堤安全预警提供相关理论支撑。结果表明:青草沙水库前沿河床冲淤变化在建库前后有明显差异,建库前总体表现为河槽冲刷、沙洲淤积,呈现准冲-淤振荡的性质;建库后变为幅度逐渐减弱的持续冲刷;沿河床河槽形态由U型向U型与V型河槽叠加的复式河槽转变。青草沙水库前沿沙体沿落潮主流方向下移,成形沙体呈先增长、再减少,最后趋于平衡的态势,隐形沙体大体呈减少趋势。青草沙水库库堤前沿近600 m位置是河床失稳的重点风险区域,尤其是水库库堤中上部河床处于不稳定状态,如前沿边坡所在河槽进一步逼近水库前沿,则河床面临进一步冲刷的可能。     

基于GIS的长江口南支下段河势演变及稳定性分析

借助GIS技术,对1980年—2005年间的6幅海图进行数字化,建立DEM,并以0,-2,-5,-10 m等深线进行叠加,同时选取4个典型断面,从平面上和断面上对长江口南支下段河势变化及稳定性进行分析。结果表明:1)南支下段1980年—2005年间沙洲迁移、汊道消亡、汊道再生、冲淤交替,具体表现为:分流沙洲冲刷下移,通道淤废;分流口上游沙体新的通道产生,分流口上提。2)典型断面显示出下段河槽为复式河槽,尤其是位于中部的河槽断面变化最为剧烈,其上游和下游断面河槽多年来形态相对较为稳定。3)较大幅度的冲刷和淤积大都发生在滩槽交替变化且河床坡度较陡区段。4)径流输沙、特大洪水、潮流作用与科氏力一起,是影响南支下段河势变迁的主要因素。     

径流量变化对长江口水动力特性的影响

为了研究径流量变化对长江口水动力特性的影响,利用MIKE21建立长江口水动力数学模型,分别模拟计算长江口不同径流量影响的潮流场,统计分析不同径流量时各汊道涨落潮量和净泄量以及分配比例;统计分析不同径流量对各汊道潮位变化的影响;统计分析不同径流量对北槽中下段水动力特性的影响。得到如下结论:1)径流量的变化对于涨潮分流的影响显著,随着径流量的增加,更多的潮流从北支、北港、南槽进入长江口内。当上游的径流动力增强,外海潮流受上游径流的阻挡,难以继续上溯。2)越是靠近上游,径流量的变化对平均潮位的影响程度越高,入海口处受径流的影响微弱;上游径流量越大,潮波向内陆传播越受阻,能量消耗越大,致使其动力减弱。3)径流量的变化对平均流速的影响与上述潮位变化类似,上游径流量越大,各汊道流速越大;越靠近海洋,径流影响越小。4)长江口北槽中下段转流时刻会出现平面对流现象。横向方向上普遍存在越堤水流,且南北导堤均为北向越堤流占优势。     

长江河口北槽水沙过程对航道整治工程的响应

北槽大型航道整治工程确定了南北槽分汊口分流界线, 阻碍了北槽和邻近滩槽的水沙自由交换过程, 使北槽水沙动力过程发生调整。基于工程前后北槽主槽纵向同步水沙观测数据的统计分析表明:入口段落潮优势显著减弱;上段枯季时落潮优势显著减弱, 而洪季时落潮优势有所增强;中段(弯曲段拐点附近)落潮优势略有减弱;下段落潮优势明显加强。北槽主槽水沙纵向输移机制分析表明:欧拉余流、潮泵作用、斯托克斯效应和垂向环流为悬沙输移的主要驱动力, 其中欧拉余流输沙指向海, 斯托克斯输沙和垂向环流输沙指向陆, 而潮泵输沙随着季节而变化。洪季, 欧拉余流输沙和潮泵输沙在工程前后的变化使大潮期河床冲淤由中段和下段普遍落淤转化为中上段集中落淤。枯季, 工程前后稳定的潮流辐散输沙作用使大潮期河床以冲刷为主, 但工程后在入口段和上段潮泵的向上游输沙占优势, 使悬沙在入口段落淤。     

长江口北槽口外悬沙浓度垂线分布的数学模拟

利用垂向一维悬沙运动模型,对长江口北槽口外大、小潮悬沙浓度垂线分布进行模拟,模拟结果同“六点法”实测值拟合较好,表明影响悬沙浓度垂线分布的主要因素为悬沙垂向扩散及絮凝沉降作用。     

长江口扁担沙动力地貌变化过程研究

河口浅滩不仅为人类提供宝贵湿地资源,而且是调控河势演变的重要因素。研究河口浅滩动力地貌演变规律对航道整治、湿地生态开发及岸堤防护等具有重要价值。本文利用最近150多年的长江口历史海图资料、实测水深与水文泥沙数据,分析长江口南支最大的浅滩—扁担沙动力地貌演变格局及其变化机制。结果表明:(1) 1860?2016年期间,扁担沙反复历经淤积?冲刷?淤积,浅滩由最初水下阴滩发育出露而形成纺锤状沙体,随后演变为细长扁担状,沙尾切滩成爪状沙体,下扁担沙则伴随爪状缝隙被不断填充而淤长;(2)自1954年洪水到目前,扁担沙?2 m、?5 m等深线包络的面积与体积整体上均呈现增长态势,其中面积年均增长率分别为0.88 km2/a和0.81 km2/a,体积年均增长率分别为1.3×106 m3/a和5×106 m3/a;扁担沙浅滩在不同时期冲淤变化不同,其中1998年出现大幅度冲刷,平均冲刷厚度达到1.4 m;(3)扁担沙体积变化和长江入海泥沙的增减无直接联系,但与入海径流量的变化密切相关;(4)白茆沙“南强北弱”的河势、南北港分流工程以及东风西沙水库的建立导致扁担沙向北推移。     

长江口北槽黏性细颗粒泥沙特性的试验研究

选用长江口北槽黏性细颗粒泥沙,在不同盐度的人工海水中通过静水沉降、动水沉降等各种试验手段了解其基本特性。在静水沉降管中观测了胶粒的电化学絮凝过程和重力碰并过程,于不同盐度条件下找出最佳絮凝盐度;并通过黏性细颗粒泥沙在流动海水中絮凝的试验研究,揭示其在动水中絮凝的机理和规律,及不同条件下的起动流速、不淤流速、沉降速度等特征值,从而分析其落淤情况。研究结果表明,长江口北槽细颗粒黏性泥沙的最佳絮凝盐度约为15,起动流速为15~20 cm/s,这与泥沙的淤积固结时间有关,而不淤流速约为60 cm/s。并由试验得到了挟沙力与流速之间的经验关系,以及用于估算不同流速条件下泥沙沉降速度及淤积量的经验公式。这些结果可用于长江口航道的疏浚、整治工作中,具有一定的理论指导意义。     

长江口悬沙动力特征与输运模式

本项研究用ADCP在长江河口进行高频、高分辨率三维流速和声学浊度的定点观测,通过对定点站位潮周期内的悬沙浓度、流速和盐度的分析,计算悬沙输运率;悬沙输运机制分析表明平流作用、斯托克斯漂移效应在悬沙输运中占据主导地位.此外,从河口内向河口外,潮周期内的水动力特征与悬沙净输运具有明显的地域性差异,主要表现在悬沙输送的贡献因子、盐度的垂向混合和分布特征、垂向流速等方面.在拦门沙下游和口外地区,悬沙均向西、北方向输送,而拦门沙上游则向东、南方向输送.这种悬沙输运格局,对于长江口拦门沙及附近最大浑浊带的形成有着重要的作用.     

珠江黄茅海河口洪季侧向余环流与泥沙输移

2012年洪季对珠江黄茅海河口湾侧向动力结构与泥沙输移过程进行了系统观测,采用动量平衡和泥沙通量机制分解等方法,分析了河口流、温盐和泥沙侧向分布特征以及泥沙输移过程,探讨了侧向动量平衡与泥沙输移机制。洪季黄茅海河口存在明显的侧向流,西滩和北槽均形成表层向东、底层向西的两层侧向流,拦门沙滩顶呈现表、底层向西、中层向东的三层侧向流,而拦门沙前缘侧向流整体向西。河口湾纵向净泥沙通量表现为北槽向海、西滩向陆,拦门沙滩顶及其前缘均向海;侧向净泥沙通量表现为滩顶及其前缘均向西,西滩向东、北槽向西。这种侧向泥沙辐聚过程是高浓度悬沙聚集于滩槽界面的重要原因,向陆净通量是西滩回淤的重要原因。滩槽间侧向余环流动量平衡主要是侧向斜压梯度力、科氏力和侧向平流作用。欧拉平流输运在侧向泥沙输运中起主要作用,潮泵效应也起重要作用。     

近期长江河口冲淤演变过程及自动调整机理研究

基于长江河口1997年以来数字地形图和近期水文泥沙实测资料, 分析研究了近期长江河口大量人工整治工程和流域水库工程建造的影响下的河口河道自动调整过程。结果表明:1997年以来的16年中河口段中上游河道微冲刷、拦门沙滩顶仍保持淤积外移、口门外侧近海域冲刷的态势略有增强, 而其影响原因与历史时期的自然因素影响为主略有差异, 近期人类高强度活动的影响贡献率增大。首先, 南支至南港和北港中上游河段河床发生普遍冲刷, 河床沙活动较活跃, 床面微地貌沙波发育更明显, 而口门外侧海域地形略有冲刷蚀退, 这些变化与流域来沙锐减有直接关系;北支、北港口门、南槽和北槽河道拦门沙河段呈淤积, 尤其北槽主航道的拦门沙河段6m水深浚深为12.5m后回淤量很大, 这些与拦门沙河道动力结构环境、河口和海域再悬浮泥沙补给有关;局部河段出现强冲和强淤现象, 与近期河口工程建造有关。所以, 长江河口近期正处在对自然因素变化和人类活动增强的自我缓慢地自动调整和适应过程之中。故然, 开展此类研究有其重要的现实意义。     

长江河口航道拦门沙冲淤变化的数学模拟和预测

本文选用1975—1978年长江口南槽逐月水下地形图以及相应的大通站的流量和含沙量,中浚、横沙和高桥等站的潮位资料,应用数理统计理论和方法,对长江口南槽航道拦门沙的冲淤变化进行数学模拟。结果表明,多元回归数学模式能够客观地反映拦门沙变化的内在规律。且该模式的拟合计算值与实测值基本相符。因此所建模式可以预测三峡工程和上游调水后,因水沙改变而引起的拦门沙的变化趋势。     

长江河口水流输运时间研究

利用水龄理论的新方法,借助环境水动力学模型定量讨论了多年平均径流条件下长江河口径流和潮汐作用对河口水流输运时间的影响。研究给出了长江河口水流输运时间的时空格局:多年平均流量条件下,水流从徐六泾输出至河口(122.5°E)大约需要24d,南、北槽分流口以上河段水流输运时间主要由径流控制,水流输运时间为8d,向下至拦门沙滩顶水域由径流和潮汐共同控制,水龄为16d,说明最大浑浊带区域的水流输运速度较上下游为慢,从一个侧面阐述了最大浑浊带区域水动力的特征;长江河口水流输运时间存在明显的层化现象,表底层相差最大值可达6d。数值模拟试验结果表明长江河口的潮汐作用是影响河口水流输运时间的关键要素,河口巨大的进潮量增强河口水流交换能力并减小水流输运时间,从而显著影响随水体运动的物质输运格局。水流输运时间研究,不仅可以成功应用于河口水动力环境的量化研究,而且可以为泥沙输运及污染物输运等环境变化研究提供动力的基础。