长江口粗粉砂和极细砂输移特性研究

长江口粗粉砂和极细砂输移特性研究——幕式再悬浮和底形运动

基金项目：国家自然科学基金(49571007)、上海市科学技术委员会青年科技启明星计划(97QA14026)上海市教委青年教师基金(95QA04)的资助。

作者简介：程和琴(1962-)，女，华东师范大学副教授。

1 引言

　　与波流共同作用下的砂质河口^[1～3]相比，长江河口是一个悬沙浓度较高、底质分布较复杂的潮汐河口，有泥、粉砂、极细砂和浮泥、细砂等，且各河槽底床表层泥沙的平面分布存在较大差异(图1)^[4]。中值粒径d₅₀在0.125～0.03mm的粗粉砂和极细砂在长江河口区分布广，如南支下游、南港、北港，北支及滩槽交界处，水深均在10～15m左右^[5]。根据现代普遍采用的美国地球物理学会(AGU)泥沙分类标准^[6]和国际沉积学会(SEPM)的底形分类标准^[7]，粒级为0.03～0.125mm的粗粉砂至极细砂由于其粒度太细，粘滞力较大，一般以冲泻质、平床方式运动，仅低流速时有波高0.03mm的沙纹运动，与悬浮泥沙基本无交换^[8]。甚至在Komar and Reiners (1978)的图解中被归到了粘性斯托克斯域(viscous Stokes regime)^[9]内，亦无大尺度底形发育。

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图1 长江口底质沉积物类型分布图
Distribution of bed sediment types in the Changjiang Estuary

　　周程熹等曾报道在长江口该粒径分布区洪季有大尺度底形(bedform)沙波运动^[10～12]，因而多年来一直为人们所关注，但由于受观测方法和仪器条件的限制，迄今为止其存在的可能性仍受到怀疑^[13～15]。而且粗粉砂至极细砂被认为因颗粒间的粘滞力明显增大，泥沙颗粒所受到的起动切力大，只有在足够大的涨急和落急水流条件下，细颗粒周围的粘土被悬浮后才能以跳跃或半悬浮形式在近床面上运动^[12，16]。作者于1997年12月3日至5日沿长江口南支下游至南港上游河段进行了走航式旁侧声纳、热敏式双频测深仪、Geo chirp浅地层剖面仪测量，并在14小时的一个连续涨、落潮过程中进行了连续定点悬沙剖面(ASSM)、ENDCO海流计、悬沙含量等新仪器的测量，获得了清晰、完整、系统的高分辨率三维底形沙波和实时同步高分辨率底流速实测资料、14小时连续时间序列的底沙变化运动全过程的数据和可视图象。这些研究成果证实了长江口粗粉砂至极细砂在洪、枯季都有底形运动的发育，对长江口泥沙的全沙输移模型、港口航道的疏浚等研究将具有重要意义，填补了国际沉积学界关于粗粉砂至极细砂粒级范围内大尺度底形运动研究的空白。本文特向同行报道这一研究成果，并对长江口粗粉砂至极细砂的输移模式作一初步探讨。

2 研究区域

　　长江是流域面积达1.8×10⁶km²，年平均流量29300m³/s，最大流量可达92600m³/s，最小流量4620m³/s，平均潮差3.12m，每年向东海输送4.78×10⁸t的泥沙，其中有0.8×10⁸t的较粗颗粒的泥沙沉积在河口段^[7]，与外海输入泥沙一起组成河口区底沙(bed material)。长江出徐六泾节点之后，首先被崇明岛分隔为南北两支，继而南支又被长兴、横沙岛分隔为南北两港，节点到口门的距离和口门的宽度相当，均为90km。长江口的平均粒径为0.16～0.002mm，中值粒径d₅₀=0.17～0.002mm，即从细砂到粘土均有。

平均而言，长江口水域沉积物较潮滩粗，水域中，口内河道较口外海滨粗；河道中，南支粗于北支，北港粗于南港。河道呈现从上游向下游变细的趋势：如北支上、下段Mz平均为0.06和0.045mm。由于水下地形滩槽交错，沉积物横向变化频繁剧烈，一般规律是自深槽向浅滩变细。考虑到南支对下游南、北港和南、北槽发育的控制性影响和前人的双频测深资料^[2，3]，研究者选择了床面泥沙平均粒径在0.177mm～0.031mm之间的南支下段至南港上段，展开了由吴淞口至下游(剖面AA’、测线长18km)和由下游南港至上游南支(剖面BB’、测线长21.07km)等两条剖面的实测工作(图2)，并在南支下游宝山河段选择一个实测点进行定点定位测量(DZ1站)。在南支与南港两河段之间有黄浦江自吴淞入海口，吴淞年平均净径流量约345mm³/s，最大进潮流量可达12100m³/s，最大落潮流量为6000m³/s，最大涨潮平均流速1.8m/s，最大落潮平均流速1.5m/s，涨潮流时间约5小时，落潮流时间约7小时。

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图2 长江口中的测线和测站
Detected line and station of bed configuration in the Changgjiang Estuary

3 研究方法

　　调查时使用80t木质渔船，船速3节，所有观测仪器除了探测器外，其它设备均安装在船舱内。航线和测点定位采用美国Del Norte Inc.公司的1008/586 D.GPS(实时定位)。河槽床面形态的纵剖面特征由测深仪和浅地层剖面仪获得，前者为美国Inner space Inc.公司的热敏式测深仪(449M Thermal Depth Sounder Recorder)沿两条测线(剖面AA’、BB’)展开，后者为英国Geo Acoustics Limited公司的Geo Chirp Sub Bottom Profiler System沿测线2展开，这两种仪器的探测器垂直悬挂在船右舷水面以下1m处。河槽床面形态的平面分布则利用英国Ultra Electronics公司的旁侧声纳(3050L W scan Side scan Sonar)进行测量，拖鱼状探测器放置在船尾水面漂浮。

　　1997年12月4日至5日14小时连续定点定位测量主要有两项内容：一为底沙输移随时间的变化过程；二为底沙上部水体流速流向随时间的变化过程。底沙随时间的输移变化过程采用中国科学院东海研究站设计出品的ACP 1声学浓度剖面仪测定，探测器(发射/接收共用换能器)与加重铅鱼垂直悬挂在船右舷水面以下6m。底沙上部水体随时间的变化(流速、流向)过程则利用美国Endeco/YSI Inc公司的流速仪(174SSM Currernt Meter)进行测量，将其垂直悬挂在调查船左舷离水面以下1m处；同时进行的传统流速、流向测量仪与加重铅鱼垂直悬挂在左舷床面以上1m。水样的采集点为0.6H，0.8H，1.0H(H为水体深度)，采集时间间隔为30min,其将作为悬浮物的浓度和粒度分析之用，前者采用0.45μm定性滤纸过滤法，后者采用TAⅡ Coulter计数器分析。底质粒度分析采用标准筛析法。

4 结果

4.1 底沙粒径组成

　　根据粒度分析结果，本次调查区域的底沙在枯季为粉砂至细砂，以粗粉砂至极细砂为主(图3)，Mz=0.125mm～0.031mm，部分采样点则以细砂为主，Mz=0.083mm，且粗粉砂至极细砂中仍含有20～30%的细砂。因此长江口南支南港沉积物粒度组成有较宽的粒度分布区间。

表1 长江口南支-南港底沙沉积物粒度参数
Grain size parameters of bed sediment in South Branch and South Channel in the Changjiang Estuary

分级名称	粒度区间(mm)	比例(%)	比例(%)

中砂	0.5～0.25	0.05	0.25
细砂	0.25～0.125	4.00	20.50
极细砂	0.125～0.06	32.64	51.52
粗粉砂	0.06～0.03	32.32	16.17
中粉砂	0.03～0.016	9.13	2.72
细粉砂	0.016～0.008	9.88	4.52
极细粉砂	0.008～0.004	5.07	2.11
粘土	＞0.004	6.91	2.21

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图3 长江口南支粗粉砂和极细砂质底沙的累计频率曲线(a)和频率曲线(b)
Accumulative (a) and frequency (b) curves of bed sediment composed of coarse silt and very fine sand in South Branch in the Changjiang Estuary

4.2 底形特征

　　本区测线水深在10～17m，两条测线上绝大部分声纳图像均显现出河床表面呈波状起伏的韵律形态。根据双频测深图谱上的波长、波高大小和声纳图谱上沙波脊的宽度、形态、连续性等(图4、5，表2)可将本区沙波划分为以下几种类型：

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图4 长江口南支——南港粗粉砂和极细砂质分布区底形沙波的热敏式测深仪记录
(测量时间：1997年12月3日至5日)
其中A：小型对称和不对称沙波，波长5～10m;B：对称沙波，波长10～15m；C：不对称和叠置波波，前者波长10～15m，后者波长小于5m；D：大型孤立沙波，波长大于30m
PThermal Depth Recorder records of bed forms composed of coarese silt and very fine sand in South Channel and South Branch, Changjiang Estuary during December 3 5, 1997

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图5 长江口粗粉砂和极细砂质底沙大尺度底形动波的旁侧声纳记录(测量时间1997年12月3日至5日)
A：直脊状小型沙波 B：弯曲小型沙波 C：新月型沙波 D：左弯曲沙波；右新月型沙波
Widescan Sonar Sidescan records of bed forms composed of coarse silt and very fine sand in the Changjiang Estuary durng December 3 5, 1997

表2 长江口高分辨率底形沙波双频测深和旁侧声纳记录
The Thermal Depth Recorder and Sonar Sidescan records of high resolution bedforms in the Changjiang Estuary

名称	波长(m)	波高(m)	波/高比	陡坡(角度和方向)	双频测深、声纳图像	百分比(%)

直脊状小型对称沙波	5～10	0.2～0.5	25～30	3°～5°下游	直脊线状脊、谷密集均匀图4A、5A	26.97
直脊状小型不对称沙波	5～12	0.1～0.4	50～80	3°～11°下游为主	直脊线状脊、谷不均匀图4A、5A	34.25
弯曲型对称沙波	10～15	0.3～0.7	21～40	5°～7°，下游为主	脊弯曲或分叉，图4B、5B	5.60
弯曲型不对称沙波	10～15	0.2～0.7	50～100	7°～12°，下游为主	脊线断续，图4C、5B、5D左	10.32
新月型对称沙波	15～20	0.4～1.0	20～40	5°～6°，下游为主	脊线断续、呈新月型图4C、5C、5D右	11.36
新月型不对称沙波	＞15	0.5～1.2	30～50	5°～12°，下游为主	同上图4C、5C、5D右	11.00
孤立状沙丘	＞30	＞1.0	＞30		图4D	0.5

4.3 高分辨率流速、流向与悬浮物浓度变化过程

　　定点定位流速、流向和ASSM悬浮物浓度剖面仪测量图像和结果(图6、7和表3)显示：研究区内落潮历时大于涨潮历时约2小时，落潮流速大于涨潮流速，落潮最大流速达137cm/s，涨潮最大流速达113cm/s，落急(流速＞100cm/s)历时(3小时16分)亦长于涨急(流速＞100cm/s)历时(仅约40分钟，图6)；流速可分成以下几个区间，且长江南支南港由粗粉砂极细砂细砂组成的河槽床面形态和床沙的再悬浮等特征与流速的变化直接相关：U＜50cm/s时，床面基本保持平整，无床沙起、悬扬；50＜U＜60cm/s时，床面稍有侵蚀和堆积地貌，床沙有掀动，起扬高程达6～40cm，仅有波长为数cm的沙纹；60cm/s＜U＜100cm/s时，床沙再悬浮(或喷发，ejection)作用加强，形成大型沙纹和和小尺度沙丘，持续时间较短；100＜U＜110cm/s时，底沙再悬浮作用急剧加强，持续时间长且喷发高度大；U＞110cm/s时，底沙再悬浮作用很强，且能形成大尺度沙丘(图7和表3)。

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图6 长江口南支1998年12月4日至5日连续14小时流速和流向变化过程
Fluctuation of current velocity and direction in continuous 14 hours in South Branch in the Changjiang Estuary during December 4 5, 1997

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图7 长江口粗粉砂和极细砂质底沙随涨落潮的流速变化周期发生底形运动和再悬浮输移变化过程的声学悬浮物浓度剖面仪(ACP)记录(测量时间1997年12月4日至5日)
A：伴随着沙纹的运动细颗粒的中等强度再悬浮(黄色)和粗颗粒的弱再悬浮(红紫色) B：伴随着小尺度沙波运动细颗粒的强再悬浮和粗颗粒的中等强度再悬浮 C：伴随着中等尺度沙波运动粗细颗粒均有强再悬浮 D：伴随着大尺度沙波运动粗细颗粒均亦有很强的再悬浮
Acoustic Suspended Concentration Profile records composed of coarse silt and very fine sand with the current velocity fluctuation of ebb and flood in the Changjiang Estuary during December 4 5， 1997

表3 1997年12月4至5日长江口南支南港枯季流速、流向和再悬浮变化特征(图6、7)
Current Velocity, direction and re suspension change in South Branch and South Channel in the Changjiang Estuary in dry season during December 4 5, 1997

时间	流速(cm/s)	流向	床面形态特征	再悬浮特征(起扬高程和持续宽度)

16∶14～16∶30	54.0～63.8	303～319	少量掀沙和微量冲淤	6～60cm∶1～30s
16∶31～17∶12	48.7～17.6	301～321	平整	无
17∶13～17∶45	3.3～19.6	159～311，方向经常变化	大型沙波	无
17∶46～18∶09	17.8～49.2	183～151	平整	无
18∶10～19∶00	50.99～97.96	137～149	少量掀沙、微量冲淤	6～40cm∶1～15s
19∶01～19∶06	100.2～107.5	144～148	较大掀沙和冲淤	2～600cm∶1～60s
19∶07～20∶20	73.6～98.5	139～142	同上	同上
20∶21～23∶37	100～137	138～151	大强度掀沙和冲淤	同上
23∶38～0∶03	99.2～53.8	141～151	中等强度掀沙和冲淤	6～600cm∶1～30s
0∶04～0∶25	44.2～16.3	106～186	平整	无
0∶26～1∶02	9.0～62.3	203～310，方向经常变化	大型沙波	无
1∶03～2∶00	63.8～98.7	311～329	少量掀沙和冲淤	2～40cm∶1～15s
2∶01～2∶37	100.2～113.5	314～319	较大掀沙和冲淤	6～60cm∶1～30s
2∶38～4∶04	52.0～96.2	312～317	中等强度掀沙和冲淤	2～400cm∶1～60s
4∶05～4∶44	13.6～49.2	300～332	平整	无
4∶45～	0.5～50	168～326，方向经常变化	大型沙波	无

5 长江口粗粉砂至极细砂输移模式讨论

　　通过上述对长江河口南支下游——南港上游主槽及其附近的粗粉砂和极细砂质底床床面形态以及其上部水体运动进行三维立体观测时所获得大量可靠底沙再悬浮和大尺度底形沙波数据和图像资料研究结果，可以提出这样一个关于长江口粉砂和极细砂的输移模式(图8)，即在涨落潮流的作用下，呈现静止——细颗粒泥沙起、悬扬——粗颗粒喷发运移的。同时进行大尺度底形运动—细颗粒起扬、悬扬—静止的输移循环模式，即当U＜50cm/s，泥沙在底床上基本不运动；50cm/s＜U＜65cm/s，微观紊流猝发(microturbulent burst)发生，泥沙开始小尺度起扬，并有幕式猝发现象；65cm/s＜U＜100cm／s时，小尺度紊流猝发强度和持续宽度急剧增大，床面细颗粒泥沙开始喷发(ejection)导致床面开始冲淤，形成中小尺度沙波；100cm/s＜U＜110cm/s时，大尺度紊流形成，床面粗颗粒泥沙开始喷发(ejection or kolks)；到了U＞110cm/s时，大尺度紊流规模更大，床面粗颗粒泥沙的喷发强度和持续宽度急剧增大，导致床面形成大尺度沙波运动。

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图8 长江口粗粉砂和极细砂输移概化模式
Conceptual model of coarse silt and very fine sand transport in the Changjiang Estuary

表4 底流速(U)、再悬浮和底形特征(图6、7)
Current velocity (U), re suspension and bed form characteristics

底流速(cm/s)	再悬浮特征(浓度，持续时间和喷发高度)	底形	ACP图像特征(图7)

Ｕ＜50	无	无
50＜Ｕ＜60	少而低	沙纹	A
60＜Ｕ＜100	较多而高	大型沙纹和小型沙波	B
100＜Ｕ＜110	较强，持续时间长且高	中等尺度沙波	C
110＜Ｕ＜140	很强，长且高	大尺度沙波	D

　　由于U＞110cm/s的落潮流速远远大于涨潮流速，且落潮最大流速达137cm/s，落急(流速＞100cm/s)历时(3小时16分)长，因而发育了大量陡坡朝向下游的大尺度底形沙波，尤其是波长＞10m的大尺度沙波都是朝向落潮流方向；而涨潮最大流速仅113cm/s，涨急(流速＞100cm/s)历时仅约40分钟，因而没有发育朝向上游方向的沙波。显然上述有关粗粉砂至极细砂质大尺度沙波形成和运动成因机制与目前地学界一般看法很不一致，后者认为大尺度底形沙波是由细砂级以上的泥沙颗粒作推移质运动而成，成因假说有四种：①从局部扰动引起的近壁层流层的紊动特性出发^[17～18]；②从床面表面作用力的平衡条件考虑床面的不稳定性和水面波的诱导^[19]；③前两者的结合^[20]；④从水流底部的紊动结构出发，结合运动底沙摆动特点的“准共振界面波”^[21]。由于这四种假说针对细砂级以上粒径而言，均不能解释本文对长江口粗粉砂至极细砂分布区所开展的野外水体底部小尺度紊流和泥沙运动显影观测结果。

　　大量实验室水槽中的水流显影研究(如Rao^[22]，Sumer等^[23])将紊动结构和猝发特征与床面附近的泥沙运动联系起来，获得了一些有意义的结论，即当紊动猝发自床面附近上升时，也夹带了那里的泥沙，如果泥沙的沉速较大，则在抬升过程中会很快回到河床床面，这样的泥沙就属于跃移质或推移质。若泥沙沉速较小，则进入悬浮状态，在悬移质和床面泥沙或推移质之间存在着不断的交换(Offen, 1975)^[24]。Heathershaw and Thorne(1985)^[25]、Thorne等(1989)^[26]和Lapointe(1992)^[27]曾通过安置在河流和海洋环境中近底床含砾砂的流速仪观测到了“象猝发那样的信号”。而作者在世界上第一次利用声学悬浮泥沙浓度测定系统和流速仪获得了河口区连续时间序列的可视“紊流猝发”(图7)，表明长江口区水深较小，大尺度底形沙波与高流速和含沙量条件下，大、小尺度紊流的猝发特征(时间间隔和历时、频率和强度)及其对粗粉砂和极细砂的泥沙特性(起扬速度和临界运动)直接相关，可能与细砂级大尺度底形沙波与大尺度紊流的关系^[28]相反。

致谢：本文曾得到陈吉余院士、王宝灿教授的指导和帮助，还得到李九发教授、何青讲师的帮助，在此一并致谢。

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