钱塘江河口细颗粒泥沙絮凝沉降特性研究

钱塘江口河口上游河流和海域来沙多为细颗粒泥沙,粘性细颗粒泥沙由于其特殊的表面电化学性质遇到强电解质海水而产生絮凝沉降,是形成河口淤积的原因之一。影响絮凝的因素很多,除了电解质,还有泥沙粒径的大小、盐度、含沙量、PH值、温度、有机质含量、矿物成分、水流速度及紊动情况等。本文通过粒度分析、静水沉降、动水沉降等各种实验手段分析钱塘江口泥沙的基本特性,找出最佳絮凝盐度以及泥沙不淤流速等值,初步探讨了细颗粒泥沙的絮凝机理,为治理钱塘江口提供科学依据。     

长江口细颗粒泥沙絮凝沉降影响因素分析

根据静水和动水条件下的细颗粒泥沙沉降试验结果,应用灰色模型分析中的关联度分析理论,分析了影响细颗粒泥沙絮凝沉降的主要因素.根据关联度的大小指出,影响细颗粒泥沙絮凝沉降的主要因素依次为水温、沉降历时、盐度、粒度、含沙量和流速,其中盐度和粒度是阈值型影响因素,沉降历时、含沙量和流速是连续型影响因素,水温是具有阈值型和连续型双重特性的影响因素.只要阈值型影响因素达到或超过了阈值,细颗粒泥沙就发生絮凝作用,因素值的变化对沉降强度影响不大.连续型影响因素对细颗粒泥沙絮凝沉降的影响是连续的,它们不仅影响絮凝作用发生,而且影响絮凝沉降强度.     

长江口泥沙絮凝静水沉降动力学模式的试验研究

细颗粒泥沙在咸水中的絮凝沉降是河流泥沙向海输送过程中在河口区发生的重要现象，是河口拦门沙形成与发育的主要原因之一。本文根据室内模拟试验研究，提出长江口泥沙絮凝静水沉降的二级动力学模式，通过该式求得不同泥沙含量和盐度情况下絮凝沉降的衰减系数，半衰期和平均沉降速率等动力学参数，定量地分析泥沙含量和盐度对泥沙絮凝沉降过程的影响。     

长江口洪季北槽深水航道区域悬沙沉降速度估算

根据北槽深水航道区域洪季多年固定测点的水文泥沙资料,综合利用Rouse公式及霍夫变换方法,估算了深水航道工程下洪季北槽悬沙沉降速度。从悬沙沉降速度角度探讨了北槽深水航道区域泥沙高回淤的基本原因。研究结果表明:航道回淤与悬沙沉降速度有十分密切的关系;洪季条件下,北槽悬沙沉降速度在2～8 mm/s之间,其悬沙沉降速度随盐度变化有先增大后变小的特点,在7‰左右时悬沙沉降速度最大;结合洪季北槽航道回淤分布,在深水航道CSW～CS3测点附近泥沙回淤量较高,该处航道高回淤是由于该区域具有较好的泥沙絮凝条件(盐度)及较高的水体含沙量致使该区域悬沙沉降速度较大造成的。     

长江口悬沙沉速室内试验研究

在充分认识传统沉降筒缺陷的基础上提出了"大型可温控自动搅拌沉降试验筒"。通过室内系列试验发现:(1)含沙量对长江口细颗粒沉降速度影响最大;(2)温度上升,沉速增加,但不同阶段影响程度有所不同;(3)含沙量越高,盐度对沉速的影响越小,含沙量相同情况下,长江口北槽悬沙枯季水温下盐度对沉速的影响在1.8~5.7倍左右;洪季水温下盐度对沉速的影响在1.5~2.2倍左右。(4)枯季最佳絮凝盐度在7左右,最佳絮凝含沙量为7 kg/m3;洪季最佳絮凝盐度在10~12左右,最佳絮凝含沙量为4.5kg/m3。本研究成果可望加深我们对细颗粒泥沙动力过程相关机理的认识,同时可为相关港口、航道的淤积机理分析,数学模型、物理模型研究工作提供一定技术参考。     

长江口阳离子浓度与细颗粒泥沙絮凝沉积

本文根据长江口细颗粒泥沙絮凝沉积试验和长江口一年的实测阳离子浓度资料,分析了阳离子浓度对细颗粒泥沙动水絮凝沉积的影响。文章指出,细颗粒泥沙动水絮凝存在絮凝最佳离子浓度,对长江口悬浮泥沙,该浓度约为170×10(-3)mo1/dm3;在阳离子浓度相同的水体中,高价离子比低价离子更能促进细颗粒泥沙的动水絮凝沉积。文章分析了长江口阳离子浓度变化及其与细颗粒泥沙絮凝沉积的关系后指出,长江口南槽阳离子浓度受径流影响,洪季浓度低,枯季浓度高,但8～9月高温高盐的台湾暖流逼近长江口时,口门附近的阳离子浓度明显升高。文章指出,长江口细颗粒泥沙絮凝最佳阳离子浓度恰好位于拦门沙滩顶,170×l0(-3)mol/dm3阳离子浓度等值线通过最大浑浊带的核心。文章认为,长江口阳离子浓度的时空变化,影响细颗粒泥沙絮凝沉积强度和沉积部位,对拦门沙的发育及冲淤变化有重要影响。     

长江口粘性泥沙在流动盐水中的沉降速度

本文报道了粘性泥沙在流动盐水中的沉降试验,计算了衰减系数、沉降速度。试验结果表明,粘性泥沙的动水絮凝沉速与静水絮凝沉速相比,前者要此后者小得多。本文的结论对长江口工程规划、设计及环境评价等均有参考价值。     

粘性泥沙在流动盐水中的沉降试验研究

介绍了粘性泥沙在流动盐水中的沉降试验，计算了沉降速度。试验结果表明，粘性泥沙的动水絮凝沉速与静水絮凝沉速相比，前者比后者小得多。     

细颗粒泥沙动水絮凝沉降的基本特性

以流速为主要参变量,在长度为339.3m的往复式直水槽中进行细颗粒泥沙絮凝沉降试验,试验得到了垂线平均含沙量、絮凝现象、垂线含沙量梯度、泥沙粒度四方面的沿程变化规律。通过对以上四方面变化分析,细颗粒泥沙动水絮凝沉降的基本特性是:动水絮凝沉降速率和沉降量受碰撞絮凝概率与剪切破碎概率、絮凝体所受外力与本身抗力两大关系的制约,而流速又通过制约以上两大因素的变化,成为制约絮凝沉降速率和沉降量的主要因素。     

长江河口北槽河道悬沙絮团特性及其影响因素研究

利用多种先进室内外测量仪器进行河口现场观测和室内电镜扫描获得相关资料,对长江河口北槽河道细颗粒泥沙絮凝的水沙环境、絮团的微观形态结构、絮团的粒径组成及其主要影响因素进行了综合分析和讨论。结果表明,北槽河道具有非常适宜细颗粒泥沙絮凝的潮流、盐度、含沙量和悬沙颗粒粒径等基本环境条件。北槽河道悬沙絮团形态多样,主要包括松散状絮团、蜂窝状絮团和密实状絮团。絮团主要由细粉砂和黏土类细颗粒泥沙组成,表面多粗糙不平,结构或密或疏。絮团粒径变化与潮周期动力过程密切相关,具有周期性变化特征。涨、落憩时絮团粒径较大,涨、落急时絮团粒径较小。絮团粒径涨憩大于落憩,小潮大于大潮。垂向上,絮团粒径由表层至底层逐渐增大。周期性潮流流速对北槽河道悬沙絮团粒径变化起到了控制作用。北槽细颗粒泥沙絮凝作用,是导致疏浚航道发生回淤的主要原因之一。     

长江口南槽最大浑浊带枯季大小潮悬沙峰特征及其动力机制

长江口最大浑浊带是陆海交汇的核心区域,其航槽是扼海-河联运的咽喉,悬沙峰的涨落潮周期变化深刻影响航槽的稳定性。本文利用长江口南槽上、中、下段3个站点枯季小潮和大潮的流速、盐度、悬沙平均粒径和悬沙浓度的实测资料,分析最大浑浊带悬沙峰特征及其动力机制。发现:流速和滩槽交换增强导致大潮平均悬沙浓度比小潮增加了0.78—1.97倍,絮凝也导致憩流底层悬沙浓度增加8%左右,但流速和絮凝与悬沙浓度的关系均非线性。大小潮盐度梯度与底层悬沙浓度关系呈现高线性相关关系,表明盐度梯度强化或突变是泥沙再悬浮形成悬沙峰的主要动力。     

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。     

1982和2012年枯季长江口最大浑浊带悬浮泥沙和盐度垂向剖面特征对比

2012年1月在长江口北港、北槽和南槽水域纵断面开展枯季多船准同步观测,将获得的大小潮悬浮泥沙和盐度数据与1982年12月同水域调查结果进行对比分析。结果表明:2012年长江口最大浑浊带枯季悬沙浓度比1982年减小了约50%;北港、北槽、南槽相近测点的大潮垂向平均悬沙浓度相较于1982年分别减小了43%、60%和40%,2012年长江口表层平均悬沙浓度与1982年相比减少了约53%。北港断面浑浊带核心与1982年浑浊带核心位置相近;北槽浑浊带核心向内迁移;南槽浑浊带核心位置向外迁移。2012年与1982年枯季遥感反演的长江口同水域表层悬浮泥沙浓度也明显降低。在30年来入海泥沙持续减少背景下,长江口3条入海主汊的最大浑浊带特征依旧显著,径流与潮流的此消彼长、径流的季节分配不同以及口内汊道分流分沙比的变化影响了长江口最大浑浊带核心的移动,浑浊带悬沙浓度最高的地段也是盐度梯度最高的地区。     

长江口沉积物中重金属的含量分布及其与环境因素的关系

长江是我国最大的河流,全长6,300公里,径流量每年达1万亿立方米,同时,携带着5亿吨的泥沙和溶解矿物进入东海水域.长江入海处有中国最大的城市上海,每年有大量的工业和生活污水流入长江口.因此,研究长江口沉积物中重金属的含量分布,对于环境污染和河口沉积过程的研究是有意义的.     

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。     

近年来人类活动影响下长江河口的变化模式

To evaluate the controlling factors for coastline change of the Changjiang(Yangtze River) Estuary since 1974,we extracted the mean high tide line from multi-temporal remote sensing images that span from 1974 to 2014 at 2-year intervals.We chose 42 scenes to constrain the changing pattern of the Changjiang Estuary coastline,and implemented GIS technology to analyze the area change of the Changjiang(Yangtze) Subaerial Delta.Runoff,sediment discharge and coastal engineering were withal considered in the analysis of the coastline changes.The coastline has transgressed seaward since 1974,and a part of it presents inter-annual variations.The area of the Changjiang Subaerial Delta increased by 871 km2,with a net accretion rate of 21.8 km2/a.Based on the change of sediment discharge due to the major projects in the Changjiang River Basin,we divided the changing pattern of the coastline into three stages:the slow accretion stage(1974–1986),the moderate accretion stage(1987–2002),and the rapid accretion stage(2003–2014).Liner regression analysis illustrated that there is a significantly positive correlation between the area changes and sediment discharge in the Chongming Eastern Shoal and Jiuduansha.This suggested that sediment load has a fundamental effect on the evolution of the Changjiang Estuary.Construction of Deep Waterway in the North Passage of the Changjiang River(1998–2010) led to a rapid accretion in the Hengsha Eastern Shoal and Jiuduansha by influencing the hydrodynamics in North Passage.Coastal engineering such as reclamation and harbor construction can also change the morphology of the Changjiang Estuary.We defined a contribution rate of area change to assess the impact of reclamation on the evolution of Changjiang Estuary.It turned out that more than 45.3% of area increment of the Changjiang Estuary was attributed to reclamation.     

Grain size composition and transport of sedimentary organic carbon in the Changjiang River (Yangtze River) Estuary and Hangzhou Bay and their adjacent waters

Surface sediments from the Changjiang River(Yangtze River) Estuary,Hangzhou Bay,and their adjacent waters were analyzed for their grain size distribution,organic carbon(OC) concentration,and stable carbon isotope composition(δ13C).Based on this analysis,about 36 surface sediment samples were selected from various environments and separated into sand(0.250 mm,0.125–0.250 mm,0.063–0.125 mm) and silt(0.025–0.063 mm)fractions by wet-sieving fractionation methods,and further into silt-(0.004–0.025 mm) and clay-sized(0.004mm) fractions by centrifugal fractionation.Sediments of six grain size categories were analyzed for their OC andδ13C contents to explore the grain size composition and transport paths of sedimentary OC in the study area.From fine to coarse fractions,the OC content was 1.18%,0.51%,0.46%,0.42%,0.99%,and 0.48%,respectively,while theδ13C was –21.64‰,–22.03‰,–22.52‰,–22.46‰,–22.36‰,and –22.28‰,respectively.In each size category,the OC contribution was 42.96%,26.06%,9.82%,5.75%,7.09%,and 8.33%,respectively.The OC content in clay and fine silt fractions(0.025 mm) was about 69.02%.High OC concentrations were mainly found in offshore modern sediments in the northeast of the Changjiang River Estuary,in modern sediments in the lower estuary of the Changjiang River and Hangzhou Bay,and in Cyclonic Eddy modern sediments to the southwest of the Cheju Island.Integrating the distribution of terrestrial OC content of each grain size category with the δ13C of the bulk sediment indicated that the terrestrial organic material in the Changjiang River Estuary was transported seaward and dispersed to the Cyclonic Eddy modern sediments to the southwest of the Cheju Island via two pathways:one was a result of the Changjiang River Diluted Water(CDW) northeastward extending branch driven by the North Jiangsu Coastal Current and the Yellow Sea Coastal Current,while the other one was the result of the CDW southward extending branch driven by the Taiwan Warm Current.     

垂向二维潮流数值模型及其在长江口北槽的应用

应用变网格有限元方法，采用任意四边形等参单元，离散横向积分的Navier—Stokes方程，建立河口潮流垂向二维数学模型。应用此模型，对长江口北槽水域两个观测站的潮流水位、流速垂线分布和整个北槽潮流流速纵向分布进行了模拟。潮流水位、流速垂线分布的模拟值分别与观测站的实测值可以较为吻合，证明了本文模型的实用有效。模拟得到的涨急、落急时刻整个北槽潮流流速纵向分布给出了定性的结果。