楊 忠 勇，任 鵬，錢 門 亮，羅 鈴，范 中 亞

(1.三峽大學(xué) 水利與環(huán)境學(xué)院，湖北 宜昌 443002； 2.生態(tài)環(huán)境部 華南環(huán)境科學(xué)研究所,廣東 廣州 510655)

長江口為多級(jí)分汊型中等潮汐河口，入?？跀r門沙區(qū)域深槽與淺灘相間，明暗沙交錯(cuò)，水下沙壩眾多[1]。河口水體在徑流潮流、咸淡水交匯、流域和外海大型人類工程以及水下地形等諸多因素的影響下，流場(chǎng)結(jié)構(gòu)及懸沙輸運(yùn)特征復(fù)雜多變[2]。泥沙是河口三角洲發(fā)育的物質(zhì)來源，泥沙的輸運(yùn)與沉積過程直接影響河口的河槽演變、岸灘發(fā)育和生境分布等，對(duì)河口海岸的水利工程建設(shè)、資源開發(fā)及生態(tài)環(huán)境保護(hù)等都具有十分重要的作用，因此對(duì)河口懸沙輸運(yùn)特征開展研究有重要科學(xué)意義。

懸沙輸運(yùn)過程一直是河口海岸學(xué)的重點(diǎn)研究領(lǐng)域，也取得了不少成果。從斷面實(shí)測(cè)水沙資料通量計(jì)算的角度，張志林等[3]以長江口外洋山海域?yàn)槔?，通過計(jì)算潮周期內(nèi)不同汊道斷面懸沙輸運(yùn)凈通量，分析了該海域內(nèi)各汊口在不同水動(dòng)力條件下的懸沙輸運(yùn)規(guī)律?；跀?shù)值模擬方法分析河口海岸動(dòng)力特征和泥沙輸運(yùn)機(jī)理也是該領(lǐng)域的重要研究手段，王道生[4]通過建立波、流共同作用下的渤海灣懸沙輸運(yùn)模型，模擬和分析了渤海灣懸沙輸運(yùn)的季節(jié)性變化特性。部分學(xué)者采用的通量機(jī)制分解法可將河口的水、沙分別分解開來，從而計(jì)算各部分水動(dòng)力因子的輸沙強(qiáng)度，進(jìn)一步討論各動(dòng)力因子的輸沙貢獻(xiàn)機(jī)制。早期研究中，F(xiàn)ischer[5]和Dyer[6]等將斷面物質(zhì)輸運(yùn)分解為潮平均和隨潮波動(dòng)兩部分。王康墡等[7]在此基礎(chǔ)上根據(jù)河口觀測(cè)資料推導(dǎo)出了各相對(duì)觀測(cè)層次上的斷面物質(zhì)輸運(yùn)公式，并將其應(yīng)用于長江口南港環(huán)流及懸移物質(zhì)輸運(yùn)研究中。陳煒等[8]應(yīng)用上述方法討論了長江口北支各余流驅(qū)動(dòng)因子的懸沙輸運(yùn)貢獻(xiàn)機(jī)制，發(fā)現(xiàn)北支懸沙輸移以平流輸移與潮泵輸移為主。為了進(jìn)一步討論各部分潮流在懸沙輸運(yùn)中的貢獻(xiàn)機(jī)理，Jiang等[9]采用調(diào)和分析方法將北槽水沙觀測(cè)數(shù)據(jù)分解成平均項(xiàng)和隨各主要分潮波動(dòng)項(xiàng)，分析各動(dòng)力因子作用下北槽懸沙縱向輸移中物理機(jī)制變化情況。馮凌旋等[10]通過機(jī)制分解法分析各項(xiàng)機(jī)制對(duì)不同粒徑組的懸沙縱向凈輸移通量的貢獻(xiàn)，發(fā)現(xiàn)南匯潮灘細(xì)顆粒泥沙輸運(yùn)主要受平均流項(xiàng)和潮泵項(xiàng)控制。此前研究中，多重點(diǎn)關(guān)注單個(gè)站點(diǎn)的懸沙輸運(yùn)模式或是懸沙的縱向輸運(yùn)結(jié)構(gòu)特征，針對(duì)長江河口橫斷面上的懸沙輸運(yùn)空間結(jié)構(gòu)特征有待進(jìn)一步研究。

北港是長江口的二級(jí)入海汊道，由于其優(yōu)越的水沙條件，北港被規(guī)劃為長江口的重要通航水道[11]。但南北港分汊口河勢(shì)變化頻繁，且在北港河段多個(gè)大型工程(如青草沙水庫、跨港大橋等)的影響下，河勢(shì)控制及航道資源開發(fā)工作仍然面臨眾多困難。本文將根據(jù)北港主槽橫斷面實(shí)測(cè)水動(dòng)力及含沙量資料，通過準(zhǔn)調(diào)和分析計(jì)算大潮期間北港主槽各動(dòng)力因子的橫斷面懸沙輸運(yùn)結(jié)構(gòu)特征，進(jìn)一步討論各動(dòng)力因子的貢獻(xiàn)機(jī)制，為北港的開發(fā)利用提供參考依據(jù)。

1 研究區(qū)域概況及研究方法

1.1 研究區(qū)域概況

長江是我國徑流量最大的河流，據(jù)《長江泥沙公報(bào)》[12]大通站實(shí)測(cè)徑流數(shù)據(jù)，多年平均徑流量達(dá)8.93億m3(1950～2018年)。長江口潮汐強(qiáng)度中等，口門附近中浚站多年平均潮差約2.66 m[2]，在潮流和徑流共同作用下，長江口陸海作用異常復(fù)雜。長江巨大的徑流挾帶大量泥沙下泄，據(jù)《長江泥沙公報(bào)》[12]大通站輸沙量實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，長江口多年平均輸沙量達(dá)3.68億t(1951～2018年)，但近年來長江上游攔河水利工程、水土保持工程等使長江口來沙量顯著減少，2007年以來，年平均輸沙量僅1.30億t(2007～2016年)。

長江河口在多年持續(xù)自然演變作用及人類活動(dòng)影響下，逐步形成了如今穩(wěn)定的“三級(jí)分汊，四口入海”格局。如圖1(a)所示，北港(NC)位于長興島(CX)、橫沙島(HS)與崇明島(CM)之間，屬河口攔門沙附近區(qū)[13]。根據(jù)地理形態(tài),北港又可分為上口通道、主槽河段與攔門沙河段。北港上口分流通道與新橋水道相連，并通過新橋通道與南支相通。近年來,北港上游新瀏河沙和中央沙的護(hù)灘圈圍工程以及青草沙水源地工程的實(shí)施對(duì)北港河勢(shì)穩(wěn)定起到了重要作用，但同時(shí)也導(dǎo)致上段河道束窄，南北港分流口下移，北港分流比加大，上口通道呈逆時(shí)針偏轉(zhuǎn)態(tài)勢(shì)[14]。由于橫沙通道和柯氏力作用,主槽河段深泓線向橫沙通道一側(cè)偏移，河槽曲率加大，逐漸形成“上段深槽偏北、下段深槽偏南”的微彎型河道[15]。

1.2 數(shù)據(jù)來源

本次觀測(cè)斷面位置及各測(cè)點(diǎn)分布如圖1所示。為分析長江口北港橫斷面懸沙輸運(yùn)空間結(jié)構(gòu)特征，于2011年8月15日19：00至8月16日23：00的大潮期間(農(nóng)歷七月十六至十七)在北港主槽河段(圖1(a))均勻選取5個(gè)站點(diǎn)(圖1(b))，進(jìn)行了為期28 h的水動(dòng)力和懸沙同步觀測(cè)，觀測(cè)頻率為1 h。圖1(a)中，虛線代表0 m等深線(淺灘)，從外海向內(nèi)陸看，5個(gè)測(cè)站點(diǎn)由右(北)至左(南)編號(hào)依次為bg1，bg2，bg3，bg4，bg5(圖1(b))。各觀測(cè)點(diǎn)水動(dòng)力觀測(cè)數(shù)據(jù)來自聲學(xué)多普勒流速剖面儀(ADCP，頻率300 kHz，垂向分辨率0.2 m)。如圖1(b)圓圈所示，各站點(diǎn)相對(duì)水深0(水面)，0.2H，0.4H，0.6H，0.8H和1.0H(H為站點(diǎn)水深)上的含沙量數(shù)據(jù)采用現(xiàn)場(chǎng)采樣、室內(nèi)測(cè)量的方式獲取。

圖1 長江口北港觀測(cè)斷面及各測(cè)站點(diǎn)示意Fig.1 The location of observation section and distribution of in-situ stations in the north channel of Yangtze Estuary，China

1.3 數(shù)據(jù)處理

采用準(zhǔn)調(diào)和分析方法將流速和含沙量分別分解至各個(gè)頻率，包括潮平均量和隨潮波動(dòng)量[16]。對(duì)水動(dòng)力而言，參照河道主流方向，首先將流速分解為縱向流速u(主流方向)和側(cè)向流速v(垂直于主流方向)。然后，通過準(zhǔn)調(diào)和分析方法將u和v分別進(jìn)行分解，各水流成份中分解獲得的平均值部分即余流(u0&v0)，波動(dòng)頻率在半日潮附近(ω=1.4×10-4s-1)的部分統(tǒng)稱為M2潮流流速(u2&v2)，波動(dòng)頻率在倍潮附近(2ω)的部分統(tǒng)稱為M4分潮流速(u4&v4)。類似地，可通過準(zhǔn)調(diào)和分析將含沙量分解為潮平均含沙量(c0)和隨潮波動(dòng)量(c2&c4)。由于北港主槽潮流中半日分潮占主導(dǎo)[16]，故文中僅考慮余流和M2潮流的驅(qū)動(dòng)作用。由M2潮流驅(qū)動(dòng)的含沙量在漲落急時(shí)刻均達(dá)到最大值，漲憩和落憩時(shí)刻均降低至最小值，其驅(qū)動(dòng)的含沙量包括平均部分(c0)和波動(dòng)部分，其中波動(dòng)部分頻率是半日潮波動(dòng)頻率的2倍，本文稱為M4含沙量(c4)。類似地，余流和M2潮流共同驅(qū)動(dòng)的含沙量的波動(dòng)頻率與半日潮波動(dòng)頻率一致，本文稱為M2含沙量(c2)[17]；準(zhǔn)調(diào)和分析表達(dá)式如下(僅考慮至M4倍潮)：

χ4acos2ωt+χ4p

(1)

式中：ω為半日潮流波動(dòng)頻率；t為時(shí)間；χ=(u，v，c)為縱橫向流速或含沙量數(shù)據(jù)；n=0，2，4分別為潮平均量、半日分潮、M4倍潮；χ2a和χ4a分別為半日分潮和M4倍潮的振幅；χ2p和χ4p分別為半日分潮和M4倍潮的相位。潮周期內(nèi)的懸沙輸運(yùn)總量(T)為各部分輸沙量之和，即：

(2)

式中：T0，T2，T4分別為余流輸沙、半日潮輸沙和M4分潮輸沙。式(2)各部分輸沙量計(jì)算公式如下：

(3)

2 研究結(jié)果

2.1 水動(dòng)力與含沙量時(shí)間變化特征

2.1.1流速時(shí)間變化特征

圖2反映了北港河道主槽橫斷面5個(gè)站點(diǎn)流速垂向結(jié)構(gòu)隨時(shí)間變化特征，圖2橫坐標(biāo)為觀測(cè)時(shí)間(28 h)，縱坐標(biāo)為站點(diǎn)水深。由于ADCP觀測(cè)數(shù)據(jù)在水體表層和底層各有一個(gè)盲區(qū)，故圖中水面和河床底部附近約1.5 m范圍內(nèi)缺乏數(shù)據(jù)。圖中落潮流速值為正，漲潮流速值為負(fù)，各站點(diǎn)流速值范圍大致為-200～200 cm/s。對(duì)比5個(gè)站點(diǎn)流速時(shí)間變化特征圖，可以發(fā)現(xiàn)靠近北岸的站點(diǎn)bg1和bg2由于離岸灘較近，水深較小，其漲落潮最大流速均顯著小于其他站點(diǎn)。對(duì)于單個(gè)站點(diǎn)流速時(shí)間變化特征圖，5個(gè)站點(diǎn)水位的漲落循環(huán)大致都經(jīng)歷了2個(gè)周期，每個(gè)潮周期約12.5 h，潮汐性質(zhì)以半日潮為主。各站點(diǎn)的漲落潮時(shí)間基本一致，第一次漲潮為8月15日22：00至8月16日2：00，第二次漲潮為8月16日11：00至14：00，落潮歷時(shí)顯著長于漲潮歷時(shí)，且漲潮流速顯著小于落潮流速，其主要原因是北港河道下泄的巨量徑流增強(qiáng)落潮流所致。從垂向分布結(jié)構(gòu)來看，靠近河床底部的水體受床底摩擦力的作用，底層流速顯著小于表層流速。值得注意的是，大部分站點(diǎn)斷面最大流速并非出現(xiàn)在表層，而出現(xiàn)在中上層區(qū)域，且漲潮期間這一現(xiàn)象較落潮更加顯著。該現(xiàn)象可能由河口漲、落潮期間的垂向混合不對(duì)稱引起的垂向渦動(dòng)粘滯系數(shù)斷面分布不均勻所致[18]。

圖2 主槽橫斷面5個(gè)站點(diǎn)流速時(shí)間變化特征Fig.2 Time-space variation of flow velocity at five stations over the north channel transverse section of Yangtze Estuary，China

2.1.2含沙量時(shí)間變化特征

圖3反映了北港主槽橫斷面上5個(gè)站點(diǎn)的含沙量垂向結(jié)構(gòu)隨時(shí)間變化特征，其橫、縱坐標(biāo)分別表示時(shí)間和水深。河口區(qū)域含沙量主要受床底切應(yīng)力、泥沙沉降速度和水體擴(kuò)散系數(shù)等影響。由于水體在漲急和落急時(shí)處于最大流速階段，水流切應(yīng)力最大，含沙量也越大，因此含沙量的波動(dòng)頻率約為北港主要潮流(半日潮流)波動(dòng)頻率的兩倍(即2ω)。從垂向分布結(jié)構(gòu)看，在重力作用和紊動(dòng)擴(kuò)散作用的影響下，表層含沙量明顯低于底層含沙量。對(duì)比5個(gè)站點(diǎn)的含沙量時(shí)間變化特征發(fā)現(xiàn)，靠近河槽北岸淺灘的bg1和bg2站點(diǎn)由于水深較小，垂向摻混均勻，而位于中央深槽的bg3和bg5站點(diǎn)水深較大，含沙量垂向梯度大。bg3和bg5站點(diǎn)河床底部含沙量明顯高于bg1和bg2站點(diǎn)，產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因可能是由于在流速較大的站點(diǎn)，較高的紊流強(qiáng)度驅(qū)動(dòng)河床表層泥沙起懸，位于河槽中央最深處的bg4河床表層沖刷嚴(yán)重，含沙量較小。

圖3 北港主槽橫斷面5個(gè)站點(diǎn)含沙量時(shí)間變化特征Fig.3 Time-space variation of sediment concentration at five stations over the north channel transverse section of Yangtze Estuary，China

2.2 水動(dòng)力及含沙量空間結(jié)構(gòu)特征

2.2.1余流空間結(jié)構(gòu)特征

圖4顯示了北港主槽河段橫斷面余流空間分布結(jié)構(gòu)特征，包括縱向流速u0(圖4(a))和側(cè)向流速v0(圖4(b))結(jié)構(gòu)特征，其中正值表示落潮方向(指向外海)，負(fù)值代表漲潮方向(指向內(nèi)陸)。如圖4(a)所示，整個(gè)北港主槽橫斷面的縱向余流流速(u0)為15～45 cm/s，表明北港余流主要由徑流驅(qū)動(dòng)。在近底摩擦作用影響下，河道中央主槽流速較兩側(cè)大，表層流速較底層大，流速等值線圖與河槽等深線基本平行。由于北港上口通道逆時(shí)針偏轉(zhuǎn)(彎道效應(yīng))，上段深槽偏向河槽北側(cè)，導(dǎo)致縱向余流最大流速區(qū)域北偏。如圖4(b)所示，北港主槽橫斷面大部分區(qū)域側(cè)向余流流速(v0)為正，即指向河槽北側(cè)(右側(cè))，北側(cè)河岸表層水體流速為負(fù)，指向南側(cè)(左側(cè))，故河槽北側(cè)水體在空間上呈逆時(shí)針(從外海朝內(nèi)陸看)環(huán)流模式。由于該斷面水體鹽度較低(冬季大潮漲憩時(shí)刻小于5‰)，密度梯度小[19-20]，故側(cè)向環(huán)流的驅(qū)動(dòng)力很可能與柯氏力相關(guān)。根據(jù)長江口南港的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)分析研究[17]和解析模型研究[21]，這種柯氏力驅(qū)動(dòng)的環(huán)流在低鹽度河口區(qū)域占有重要地位。在柯氏力作用下，徑流驅(qū)動(dòng)下的余流水體大量堆積于斷面南側(cè)，并且在重力作用下南側(cè)水體由底部向北側(cè)輸運(yùn)，表層水體由北側(cè)向南側(cè)補(bǔ)償輸運(yùn)，故北側(cè)河槽余流側(cè)向流速(圖4(b))呈逆時(shí)針環(huán)流結(jié)構(gòu)。

圖4 北港主槽余流流速橫斷面結(jié)構(gòu)特征Fig.4 The cross-sectional structural characteristics of residual flow velocity over the north channel

2.2.2潮流空間結(jié)構(gòu)特征

北港潮流以半日分潮為主，圖5中分別顯示了北港縱向(u2)和側(cè)向(v2)M2潮流流速在漲急和漲憩時(shí)段的橫斷面結(jié)構(gòu)特征。整個(gè)北港橫斷面縱向半日潮流(u2)漲急時(shí)刻(圖5(a))流速值范圍為-50～-150 cm/s，方向指向河口上游，顯著大于余流縱向流速(u0)。漲急時(shí)刻縱向潮流最大流速在河槽北側(cè)表層區(qū)域，產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因可能是北港河槽主泓逐漸向橫沙通道偏移，導(dǎo)致漲潮時(shí)北槽部分水體通過橫沙通道直接流向北港河槽北側(cè)，且M2漲潮流受柯氏力作用北偏，故研究斷面北側(cè)水體流速比南側(cè)大。同樣，受橫沙通道和柯氏力的影響，漲急時(shí)刻整個(gè)斷面?zhèn)认蛄魉?v2)為負(fù)值，即水體由北向南輸運(yùn)(圖5(c))。漲憩時(shí)刻，縱向半日潮流在，河道中央仍為漲潮流，但流速顯著降低，兩側(cè)水體已率先轉(zhuǎn)為落潮流(圖5(b))。側(cè)向流速在漲憩時(shí)刻表層為正(由南至北)，底層水體為負(fù)(由北至南)(圖5(d))，該順時(shí)針環(huán)流主要是由于柯氏力對(duì)潮流的偏轉(zhuǎn)作用形成。落急和落憩時(shí)刻，水流橫斷面空間分布特征與漲急和漲憩的流速大小一致，但方向相反。

圖5 M2分潮橫斷面流速分布特征Fig.5 The cross-sectional structure of M2 tide flow over the north channel

2.2.3潮平均含沙量空間結(jié)構(gòu)特征

圖6顯示了北港主槽橫斷面潮平均含沙量(c0)的空間結(jié)構(gòu)特征，在垂向空間結(jié)構(gòu)上，表層水體含沙量較低，近底層水體含沙量較高，含沙量從底層向表層以指數(shù)形式降低。Huijts等[22]研究認(rèn)為，其降幅與泥沙的沉降速度(ws)和垂向擴(kuò)散系數(shù)(Kz)的比值相關(guān)。圖6中潮平均含沙量(c0)最大值達(dá)700 mg/L，出現(xiàn)在河槽中央及北側(cè)(右側(cè))底部，該最大值的分布模式主要與河床底部潮平均切應(yīng)力及橫斷面流速特征相關(guān)。北側(cè)水體含沙量較高，可能有兩個(gè)原因：① 青草沙水庫工程的興建使得河道束窄，主流偏向河槽北側(cè)，致使北側(cè)流速增加，含沙濃度升高；② 柯氏力作用下落潮方向的徑流產(chǎn)生的斷面逆時(shí)針環(huán)流結(jié)構(gòu)(漲潮流方向)導(dǎo)致水體底部懸浮泥沙由南至北輸運(yùn)，故北側(cè)水體的含沙量高于南側(cè)。類似的高含沙量北偏現(xiàn)象在長江口南港也有觀測(cè)到，根據(jù)楊忠勇等[21]研究，徑流引起的側(cè)向環(huán)流結(jié)構(gòu)(即原因二)可能是其主要原因。

圖6 潮平均含沙量橫斷面空間分布特征Fig.6 The cross-sectional structure of mean sediment concentration over the north channel

2.2.4隨潮波動(dòng)含沙量空間結(jié)構(gòu)特征

潮流作用下含沙量在平均含沙量基礎(chǔ)上不斷波動(dòng)，隨M2分潮波動(dòng)的含沙量在漲急和落急的時(shí)候，流速最大，驅(qū)動(dòng)含沙量達(dá)到最大值。在漲憩和落憩的時(shí)刻，流速最小，含沙量也會(huì)隨之減小，故產(chǎn)生的含沙量的波動(dòng)頻率兩倍于半日分潮(2ω)，其橫斷面空間分布模式如圖7(a)和7(b)所示。圖中含沙量為負(fù)值表明期間含沙量低于平均含沙量，反之表示含沙量高于平均含沙量。c4含沙量在急流時(shí)刻(圖7(a))流速大，故在斷面內(nèi)大部分區(qū)域內(nèi)的值均為正，最大值達(dá)到150 mg/L，僅在表層小部分水體的含沙量為負(fù)，主要是由于泥沙的時(shí)間滯后效應(yīng)所導(dǎo)致，表現(xiàn)為水體含沙量的波動(dòng)顯著滯后于流速，且距離床底越高，滯后現(xiàn)象越顯著[23]。憩流時(shí)刻(圖7(b))相差1/4半日潮周期，對(duì)波動(dòng)頻率加倍的c4來說，其數(shù)值應(yīng)與急流時(shí)刻相反，但空間結(jié)構(gòu)一致。

圖7 北港c2，c4含沙量橫斷面空間分布特征Fig.7 The cross-sectional structure of c2，c4 sediment concentration over the north channel

余流與M2潮流相互作用下產(chǎn)生頻率為ω的含沙量c2[17]。由于余流可能加強(qiáng)或削弱了半日潮流，導(dǎo)致含沙量在漲急或落急時(shí)刻相應(yīng)的升高或降低，因此其波動(dòng)頻率與半日潮流一致，故稱為含沙量c2，其橫斷面空間結(jié)構(gòu)分布模式如圖7(c)和7(d)所示。含沙量c2在漲急時(shí)刻出現(xiàn)明顯南北差異(圖7(c))，北側(cè)(右側(cè))水體含沙量為負(fù)值，南側(cè)(左側(cè))水體含沙量為正值。主要原因是在北港微彎河勢(shì)的影響下，流入北側(cè)河槽的徑流削弱漲潮流，導(dǎo)致北港主槽橫斷面北側(cè)水體含沙量低于平均含沙量，可以想象，落急時(shí)刻含沙量c2北側(cè)水體為正(與漲急時(shí)刻數(shù)值相反)，主要是由于徑流加強(qiáng)落潮流所致；在北港主要?jiǎng)恿?半日潮流)驅(qū)動(dòng)下河槽南側(cè)水體含沙量高于潮平均含沙量。在漲憩時(shí)刻(圖7(d))，M2潮流最弱，河槽水動(dòng)力以強(qiáng)勁的徑流為主，致河床大部分水體的含沙量c2高于潮平均含沙量，河床底部水體的含沙量達(dá)到200 mg/L。

3 懸沙輸運(yùn)空間結(jié)構(gòu)特征討論

3.1 懸沙輸運(yùn)空間結(jié)構(gòu)特征

圖8顯示了大潮期間北港主槽河道橫斷面上的總輸沙結(jié)構(gòu)及各驅(qū)動(dòng)因子的貢獻(xiàn)量，圖中輸沙方向的規(guī)定與水流一致，即海向輸運(yùn)為正值，陸向輸運(yùn)為負(fù)值。圖8(a)～(c)分別為余流輸沙(T0)、M2潮流輸沙(T2)和M4潮流輸沙(T4)空間結(jié)構(gòu)分布圖，圖8(d)為準(zhǔn)調(diào)和分析計(jì)算所得各部分動(dòng)力因子驅(qū)動(dòng)的輸沙量之和(T=T0+T2+T4)，圖8(e)為根據(jù)斷面實(shí)測(cè)水沙資料計(jì)算所得總輸沙量(Tobs)，二者的空間結(jié)構(gòu)及量值基本一致，且差值T-Tobs較小(圖8(f))，表明橫斷面輸沙主要由余流輸沙(T0)、M2潮流輸沙(T2)和M4潮流輸沙(T4)構(gòu)成。

圖8 北港主槽橫斷面輸沙結(jié)構(gòu)分布特征Fig.8 The cross-sectional structure of sediment discharge over the north channel

由于余流主要為海向徑流(圖4(a))，因此在余流輸沙(T0)空間結(jié)構(gòu)中(圖8(a))整個(gè)橫斷面均為海向，且近底層輸沙強(qiáng)度顯著高于表層。M2潮流輸沙量(T2)分布中右側(cè)水體為正值，即凈輸沙方向指向外海；左側(cè)水體為負(fù)值，即凈輸沙方向指向上游(圖8(b))。主要原因是漲急時(shí)刻M2潮流的縱向流速u2(圖5(a))與右側(cè)水體含沙量c2在數(shù)值上均為負(fù)值(圖7(c))，而與左側(cè)水體含沙量c2異號(hào)；相應(yīng)的，落急時(shí)刻M2潮流的縱向流速u2與右側(cè)水體含沙量c2均為正值，與左側(cè)水體含沙量c2異號(hào)，故半日潮輸沙量T2在空間結(jié)構(gòu)上右側(cè)為正值，左側(cè)為負(fù)值。這種半日潮流輸沙量空間結(jié)構(gòu)南北差異性的深層原因可歸結(jié)為，研究斷面附近河槽呈微彎河勢(shì)，在強(qiáng)徑流影響下，北港北側(cè)河道海向的落潮流輸沙遠(yuǎn)大于漲潮流輸沙，因此河槽北側(cè)懸沙輸運(yùn)方向與落潮流一致，指向外海。北港南側(cè)水體徑流強(qiáng)度較小，漲潮流輸沙強(qiáng)度大于落潮流輸沙強(qiáng)度，故北港南側(cè)泥沙輸運(yùn)方向與漲潮流方向一致，指向上游。M4潮流輸沙量(T4)分布中大部分水體輸沙量為負(fù)，指向河槽上游(圖8(c))。Yang等[17]在臨近長江口南港水動(dòng)力學(xué)研究以及Friedrichs等[24]在河口水動(dòng)力的解析解研究中認(rèn)為，由于河道形狀在內(nèi)陸方向逐漸縮窄，傳入河道的M4潮流在急流時(shí)刻為負(fù)值，指向上游(負(fù)值)，而急流時(shí)刻含沙量c4為正(圖7(a)，此處急流時(shí)刻以半日分潮界定)，憩流時(shí)刻M4分潮輸沙方向正好相反，因此M4分潮輸沙量T4在整個(gè)河段為負(fù)值，指向河槽上游。

北港主槽河道橫斷面總輸沙量(T)空間結(jié)構(gòu)中(圖8(d))，河道斷面北側(cè)大部分水體的輸沙量為正，指向外海，河床近底層區(qū)域輸沙量值最大，達(dá)到200 g/(m2·s)，河道南側(cè)部分水體泥沙輸運(yùn)方向?yàn)樨?fù)，指向上游，最大輸沙量約50 g/(m2·s)，整個(gè)斷面海向輸沙強(qiáng)度顯著大于陸向輸沙。對(duì)比圖8中各部分輸沙空間分布特征可以發(fā)現(xiàn)，構(gòu)成斷面北側(cè)區(qū)域海向總輸沙量的主要因子為余流輸沙量(T0)，半日潮流輸沙(T2)貢獻(xiàn)其次。斷面南側(cè)區(qū)域陸向輸沙主要由半日潮流輸沙和M4潮流輸沙組成，其中半日潮流輸沙(T2)貢獻(xiàn)最大，M4潮流輸沙(T4)貢獻(xiàn)其次。

3.2 水下地貌及演變趨勢(shì)與泥沙分布及輸運(yùn)特征的關(guān)系

北港作為長江口的二級(jí)入海汊道之一，其河道地形特征和沖淤演變趨勢(shì)與斷面懸沙分布特征和輸運(yùn)結(jié)構(gòu)密切相關(guān)。根據(jù)2009年和2016年長江口北港水下地貌實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)繪制的北港及周邊河槽的地形特征和沖淤演變趨勢(shì)如圖9所示，其中圖9(a)為2016年河道水深圖，反映河道水下地貌特征；圖9(b)為2009～2016年間北港河槽沖淤分布圖，正值表示淤積，負(fù)值表示沖刷。圖9(a)所示近年來北港處于微彎型河勢(shì)，其河道中央深槽主要分布在中偏南側(cè)。在此微彎河道橫斷面上形成逆時(shí)針環(huán)流結(jié)構(gòu)中近底層水體從南側(cè)向北側(cè)輸運(yùn)(圖4(b))，導(dǎo)致泥沙大量分布在河槽北岸(圖6)。從輸沙結(jié)構(gòu)特征上來說(圖8(d))，北港主槽河道北側(cè)大部分水體總輸沙方向向海、南側(cè)小部分輸沙方向與漲潮流方向一致，上溯泥沙在北港上段遇落潮流而落淤，將進(jìn)一步?jīng)_刷河槽北岸，導(dǎo)致微彎趨勢(shì)逐漸增強(qiáng)。2009年南北港分汊口控制工程以及青草沙水庫等大型工程修建后，北港上口通道演變得以控制，河道束窄，河道的彎曲程度呈增大的趨勢(shì)。此外，橫沙通道的河道走向致使?jié)q潮流直指崇明島南岸，也是本研究斷面南側(cè)深槽形成原因之一。由此可見，北港主槽橫斷面泥沙分布特征和輸沙結(jié)構(gòu)特征與河勢(shì)演變趨勢(shì)是基本一致的。圖9(b)所示的近年北港沖淤趨勢(shì)主要呈“主槽沖刷，兩岸淤積”的特點(diǎn)，一方面可歸因于北港微彎河勢(shì)進(jìn)一步加強(qiáng)，主槽區(qū)域進(jìn)一步刷深；另一方面與泥沙自身運(yùn)動(dòng)特征中的空間滯后效應(yīng)相關(guān)。河口地貌處于上游水沙條件及大型工程影響下的自適應(yīng)調(diào)整中，動(dòng)力較強(qiáng)的深槽區(qū)域泥沙易于侵蝕難以沉降，而動(dòng)力較弱的淺灘區(qū)域泥沙易于沉降難以侵蝕[25-26]，導(dǎo)致“灘淤槽沖”的現(xiàn)象出現(xiàn)，這種現(xiàn)象在其他入海汊道如南港也有觀測(cè)到[21]。對(duì)比北港主槽橫斷面輸沙結(jié)構(gòu)圖(圖8(d))，同樣可以發(fā)現(xiàn)其深槽區(qū)域輸沙強(qiáng)度最大，而兩岸淺灘輸沙強(qiáng)度較弱。

圖9 2016年水深圖及2009～2016年北港河床沖淤分布Fig.9 The water depth map over 2016 and the scouring-deposition map from 2009 to 2016 over the north channel

4 結(jié) 論

為研究大潮期間長江口北港主槽橫斷面含沙量分布和輸運(yùn)的空間結(jié)構(gòu)特征及各動(dòng)力因子的貢獻(xiàn)機(jī)制，通過斷面上多個(gè)站點(diǎn)的水動(dòng)力及含沙量實(shí)測(cè)資料，在準(zhǔn)調(diào)和分析等方法輔助下，將實(shí)測(cè)水沙資料分解成潮平均量和多個(gè)隨潮波動(dòng)量，并分別計(jì)算分析各動(dòng)力因子的懸沙輸移空間結(jié)構(gòu)，研究主要獲得如下結(jié)論。

(1) 長江口北港半日潮流顯著大于余流，為北港主要水動(dòng)力，漲急時(shí)刻縱向半日潮流最大值區(qū)域在柯氏力和橫沙通道影響下偏向北側(cè)，同時(shí)導(dǎo)致整個(gè)斷面?zhèn)认虬肴粘绷髦赶蚰蟼?cè)。北港整個(gè)斷面縱向余流指向外海，主要由徑流驅(qū)動(dòng)，流速最大值在北港微彎河勢(shì)作用下偏向河槽北部。

(2) 北港潮平均含沙量斷面空間結(jié)構(gòu)特征與河床底部潮平均切應(yīng)力及橫斷面流速特征緊密相關(guān)，呈“近底層高于表層，中央深槽高于淺灘，北側(cè)高于南側(cè)”的分布模式。半日潮流驅(qū)動(dòng)的含沙量在漲急和漲憩時(shí)刻空間結(jié)構(gòu)一致，數(shù)值相反。半日潮流和余流共同驅(qū)動(dòng)的含沙量在河道北側(cè)由于徑流削弱漲潮流等原因而呈負(fù)值，在河道南側(cè)由于微彎河勢(shì)等原因而呈正值。

(3) 大潮期間北港主槽輸沙主要由余流輸沙(T0)、半日潮流輸沙(T2)和M4潮流輸沙(T4)構(gòu)成，且各水動(dòng)力因子驅(qū)動(dòng)下的輸沙量橫斷面空間結(jié)構(gòu)差異顯著。在北港微彎河勢(shì)影響下，強(qiáng)勁的徑流使河道北側(cè)落潮流輸沙顯著強(qiáng)于漲潮流輸沙，故北側(cè)半日潮流輸沙量(T2)為正值，而南側(cè)河道因徑流影響較小，則T2為負(fù)值。北港余流主要受海向徑流驅(qū)動(dòng)，故余流輸沙(T0)在整個(gè)斷面內(nèi)均指向外海。北港河道整個(gè)斷面M4潮流輸沙量(T4)指向上游。在北港河槽總輸沙量(T)的空間結(jié)構(gòu)中，河槽北側(cè)海向輸沙顯著大于南側(cè)陸向輸沙，海向輸沙主要由余流輸沙(T0)和半日潮流輸沙(T2)組成，其中余流輸沙(T0)為主要貢獻(xiàn)因子。陸向輸沙主要由半日潮流輸沙(T2)和M4潮流輸沙量(T4)組成，其中半日潮流輸沙(T2)貢獻(xiàn)最大。

(4) 北港水下地貌結(jié)構(gòu)和沖淤演變趨勢(shì)與斷面含沙量分布特征和輸運(yùn)結(jié)構(gòu)密切相關(guān)。北港水下地貌特征顯示其河道中央深槽主要分布在中偏南側(cè)，與其微彎型河勢(shì)相關(guān)；北港沖淤演變趨勢(shì)呈“主槽沖刷，兩岸淤積”的特點(diǎn)，可能與近年來流域來水來沙條件不斷變化下河道自適應(yīng)調(diào)整中的空間滯后效應(yīng)相關(guān)。