枯季長(zhǎng)江口南槽懸沙輸運(yùn)過(guò)程和機(jī)制研究

施韓臻，李占海，汪亞平，賈建軍，常洋，陳雅望

(華東師范大學(xué) 河口海岸學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海200241)

河口是連接流域盆地與海洋的樞紐，在全球物質(zhì)、能量和信息交換中扮演著重要角色。河流攜帶的水體、沉積物、營(yíng)養(yǎng)鹽和有機(jī)物通過(guò)河口輸入海洋，在徑流、潮流、波浪等因素的共同作用下，河口區(qū)域的動(dòng)力泥沙過(guò)程與機(jī)理十分復(fù)雜，因而河口一直是沉積學(xué)、泥沙動(dòng)力學(xué)、生態(tài)學(xué)以及港口航道部門(mén)的重要關(guān)注對(duì)象。長(zhǎng)江流域受人類(lèi)活動(dòng)影響顯著，如受三峽大壩、水土保持和南水北調(diào)等工程影響，流域入海泥沙銳減。同時(shí)，大規(guī)模的促淤?lài)鷫üこ谈淖兞撕涌谛螒B(tài)，這些變化會(huì)對(duì)河口水沙輸運(yùn)和灘槽沖淤演變等產(chǎn)生重大影響。調(diào)查和研究當(dāng)前條件下的河口水沙輸運(yùn)過(guò)程，將有助于揭示流域來(lái)沙銳減和重大工程等對(duì)各種河口過(guò)程的影響。

懸沙輸運(yùn)在河口及臨近海域的生態(tài)環(huán)境和自然演化中扮演著重要角色（左書(shū)華，2006）。針對(duì)沉積物輸運(yùn)機(jī)理，國(guó)內(nèi)外學(xué)者開(kāi)展了大量研究工作。DeMaster 等（1985） 發(fā)現(xiàn)約50%的懸浮沉積物沉積在河口攔門(mén)沙以及水下三角洲前緣。Uncles 等（1986）發(fā)現(xiàn)潮泵作用在強(qiáng)潮河口處的沉積物縱向輸運(yùn)中扮演著重要作用。Uncles 等（1992）發(fā)現(xiàn)潮泵作用使河口最大渾濁帶出現(xiàn)在鹽水入侵的前緣部位。張迨等（2015）分析了洪枯季期間長(zhǎng)江口最大渾濁帶及鄰近海域的水沙空間分布特征，并計(jì)算了各測(cè)點(diǎn)的單寬懸沙通量。Li 等（2016）認(rèn)為懸沙濃度與懸沙輸運(yùn)受到多種因素的共同影響，比如流速和歷時(shí)的漲落潮不對(duì)稱(chēng)、徑流強(qiáng)度、水體層化、再懸浮的漲落潮變化等。陳斌等（2015）對(duì)南黃海輻射沙脊群地區(qū)的懸沙輸運(yùn)特點(diǎn)進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，該地區(qū)主要以平流輸移為主，潮汐捕獲與垂向凈環(huán)流項(xiàng)則表現(xiàn)出與潮汐系統(tǒng)特點(diǎn)相關(guān)的輻聚輻散現(xiàn)象。高建華等（2003）的研究表明平流、斯托克斯漂流以及水深和懸沙濃度的潮變化項(xiàng)是鴨綠江河口最主要的懸沙輸運(yùn)項(xiàng)。南槽是長(zhǎng)江口的重要組成部分，是長(zhǎng)江水沙向海輸運(yùn)的重要通道，且位于河口最大渾濁帶的核心區(qū)域。在流域來(lái)沙量減少的背景下，重新認(rèn)識(shí)長(zhǎng)江口的水沙輸運(yùn)機(jī)制是必要的。本文基于2018 年12 月在南槽三個(gè)站位的完整大小潮周期的水沙觀(guān)測(cè)資料，運(yùn)用通量機(jī)制分解法定量分析了不同物理過(guò)程對(duì)懸沙輸運(yùn)量的貢獻(xiàn)，探討了枯季期間南槽上、中、下段的動(dòng)力特點(diǎn)、輸沙機(jī)理及其主要因子，研究結(jié)果有助于加深對(duì)南槽懸沙輸運(yùn)格局的認(rèn)識(shí)，并為河槽治理、航道維護(hù)等提供科學(xué)參考。

1 研究區(qū)域概況

長(zhǎng)江口位于黃海與東海的交界處，屬于多級(jí)分汊的三角洲河口（陳吉余等，1988）。南槽是長(zhǎng)江入海四口之一，屬于長(zhǎng)江口的第三級(jí)分汊，北側(cè)是南北槽的分流沙洲——九段沙，南側(cè)為南匯邊灘。南槽屬于攔門(mén)沙河道，長(zhǎng)期處于淤積狀態(tài)，近百年來(lái)攔門(mén)沙淺灘頂部持續(xù)外移（和玉芳 等，2011）。受鹽淡水混合作用的影響，南槽內(nèi)發(fā)育的最大渾濁帶具有較高的懸沙濃度和強(qiáng)烈的沉積物運(yùn)移。南槽內(nèi)的底質(zhì)以粉砂為主，中值粒徑主要介于3～6 準(zhǔn)。南槽的潮汐性質(zhì)為非正規(guī)半日淺海潮，潮波具有明顯的前進(jìn)波性質(zhì)，潮流以往復(fù)流為主。受到長(zhǎng)江徑流下泄的影響，南槽內(nèi)主要以落潮流占優(yōu)勢(shì)，落潮流的平均歷時(shí)為7.2 h，漲潮流平均歷時(shí)則為5.1 h，平均潮差在2.5 m 左右（沈煥庭，2001）。近年來(lái)，在北槽深水航道建設(shè)和九段沙上部魚(yú)嘴工程的影響下，南槽上斷面分流比得到增強(qiáng)，約為59% （劉杰等，2005），這會(huì)進(jìn)一步增強(qiáng)南槽的水沙輸運(yùn)并影響最大渾濁帶的發(fā)育。

2 資料來(lái)源和研究方法

2.1 野外觀(guān)測(cè)采樣

2018 年12 月18 日（小潮）至25 日（大潮）在長(zhǎng)江口南槽S1、S2 和S3 三個(gè)站位（圖1）進(jìn)行了連續(xù)13 個(gè)潮周期的定點(diǎn)全潮觀(guān)測(cè)，獲取了水深、流速、流向、溫度、鹽度和濁度等數(shù)據(jù)。S1 位于南槽上部，S2 位于中部，S3 位于下部，各站位分別靠近主槽。觀(guān)測(cè)期間，使用ADCP（TRDI，600 kHz，流速分辨率為1 mm/s）進(jìn)行水深、流速和流向的觀(guān)測(cè)，使用光學(xué)后向散射濁度計(jì)OBS-3A（Campbell，NTU 量程0～4000，精度為1%）在每個(gè)整點(diǎn)時(shí)刻對(duì)水體濁度進(jìn)行垂線(xiàn)觀(guān)測(cè)，收集不同層位的溫度與濁度等數(shù)據(jù)，儀器觀(guān)測(cè)頻率為1 Hz。

圖1 研究區(qū)域概況圖

2.2 數(shù)據(jù)分析

2.2.1 室內(nèi)實(shí)驗(yàn) 由于各儀器的采樣頻率較高，數(shù)據(jù)量大，為消除高頻波動(dòng)的影響，所獲數(shù)據(jù)均按照采樣間隔進(jìn)行了平均化處理。OBS-3A 測(cè)得的濁度數(shù)據(jù)，需結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)采集的水樣和室內(nèi)沉積物濃度分析，建立起濁度與沉積物濃度的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系，以將濁度值轉(zhuǎn)換為水體的懸沙濃度。本文采用室內(nèi)標(biāo)定方法，以此建立濁度和懸沙濃度的線(xiàn)性關(guān)系，標(biāo)定結(jié)果如圖2 所示。

圖2 懸沙濃度與濁度的回歸關(guān)系

2.2.2 數(shù)據(jù)計(jì)算 通量是指單位時(shí)間內(nèi)流過(guò)某一給定面積（通常選定與流動(dòng)方向垂直的單位面積）的某種物理量的量值。通量機(jī)制分解法是將水流和懸沙通量分解成多個(gè)動(dòng)力項(xiàng)，并進(jìn)行內(nèi)在動(dòng)力要素的比較、分析和診斷的方法，以此探討不同動(dòng)力因子對(duì)總體物質(zhì)輸移的定量貢獻(xiàn)。目前通量機(jī)制分解法發(fā)展成熟，并多次用于長(zhǎng)江口水沙輸運(yùn)研究（沈健等，1995；陳煒等，2013；賀松林等，1996）。

本文采用Dyer（1974）提出的物質(zhì)輸運(yùn)通量機(jī)制分解法，主要研究觀(guān)測(cè)期間沿主槽方向上的縱向輸水輸沙過(guò)程。根據(jù)該方法，瞬時(shí)流速u(mài)（z，t）可分解為垂向平均項(xiàng)u 及其偏差項(xiàng)uv，即：

根據(jù)上式，瞬時(shí)流速u(mài)（z，t）可表達(dá)為

同理，瞬時(shí)懸沙濃度c（z，t）可分解為

水深h 可分解為潮周期平均項(xiàng)和變化項(xiàng)之和，即：

則潮周期平均的單寬縱向輸水量為：

根據(jù)水深、流速和懸沙濃度的分解方法，潮周期內(nèi)平均的單寬縱向輸沙量為：

式中，T1 表示平均流引起的輸運(yùn)項(xiàng)，即歐拉余流輸運(yùn)項(xiàng)；T2 表示潮汐與潮流相關(guān)項(xiàng)，即斯托克斯漂移輸運(yùn)項(xiàng)；T1+T2 為平流輸運(yùn)，即拉格朗日輸移，通常認(rèn)為是潮周期平均的單寬水體對(duì)懸沙濃度的輸運(yùn)；T3 表示潮汐與懸沙的潮變化相關(guān)項(xiàng)；T4表示潮位、流速和懸沙的潮變化相關(guān)項(xiàng)；T5 表示流速與懸沙的潮變化相關(guān)項(xiàng)，雖然ht、ct和ut各自的潮平均值為0，但它們的相關(guān)項(xiàng)會(huì)產(chǎn)生懸沙凈輸運(yùn)，即潮汐捕集。T3+T4+T5 又稱(chēng)為潮泵效應(yīng)輸運(yùn)項(xiàng)，表示由泥沙沉降、沖刷與流速的相位差所引起的輸移。T6 表示重力環(huán)流貢獻(xiàn)項(xiàng)，它是由近底床向陸輸運(yùn)和表層向海輸運(yùn)所導(dǎo)致；T7 是潮波變形下潮周期內(nèi)流速和懸沙濃度剖面變化相關(guān)項(xiàng)；T6+T7 是垂向環(huán)流輸運(yùn)項(xiàng)，表示流速垂向偏移分量對(duì)懸沙濃度垂向偏移分量的輸運(yùn)。

本次觀(guān)測(cè)過(guò)程從12 月18 日開(kāi)始，至當(dāng)月25日觀(guān)測(cè)結(jié)束，共13 個(gè)潮周期，其中將第2—3 個(gè)潮周期劃分為小潮，第11—12 個(gè)潮周期劃分為大潮。由于N3 站位尾段資料缺失，對(duì)該站位只討論前12個(gè)潮周期。根據(jù)上述研究方法本文對(duì)流速、懸沙和水深數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、處理，主要對(duì)縱向輸水輸沙特征和機(jī)理開(kāi)展研究。

3 結(jié)果

3.1 實(shí)測(cè)流速和懸沙濃度數(shù)據(jù)

3.1.1 流速和懸沙濃度時(shí)間序列特征 觀(guān)測(cè)期間三個(gè)站位平均水深分別約為10 m、9.7 m 和9 m。S1 站位漲潮流流向約為330毅，落潮流流向約為120毅，以往復(fù)流為主。受地形影響，S2 站位的漲潮流流向約為280毅，落潮流流向約為190毅。S3 位于南槽口門(mén)處，水域開(kāi)闊，漲潮流流向約290毅，落潮流流向約為130毅，以旋轉(zhuǎn)流為主。

各站位的流速和懸沙濃度的時(shí)間序列如圖3 所示。平均流速?gòu)男〕钡酱蟪敝饾u增加（圖4），大潮期間的平均流速約是小潮的1.3 倍。流速的漲落潮變化存在明顯的空間差異，S2 的漲潮流速明顯大于落潮，而在S1 和S3 站位，多數(shù)時(shí)間里漲落潮平均流速接近（圖4）。漲落潮最大流速的出現(xiàn)時(shí)間因站位而異，在下部的S3 站位，漲落潮最大流速常出現(xiàn)在最高和最低水位附近，表現(xiàn)出明顯的前進(jìn)波性質(zhì)，而在上部的S1 站位，漲落潮最大流速常出現(xiàn)在中水位附近，憩流出現(xiàn)在最高和最低水位附近，表現(xiàn)出明顯的駐波性質(zhì)，流速與水位相位關(guān)系的變化跟潮波在南槽內(nèi)傳播時(shí)的變形情況有關(guān)。各站位的落潮歷時(shí)明顯大于漲潮（圖4），隨著河道橫斷面積的增加，從南槽上部至下部漲落潮歷時(shí)之差不斷減小。徑流和潮波變形是導(dǎo)致漲落潮流速、歷時(shí)不對(duì)稱(chēng)的重要原因，而過(guò)水?dāng)嗝婷娣e的變化則影響著徑流流速和潮波變形程度。各站位懸沙濃度變化顯示，從小潮到大潮懸沙濃度不斷增加（圖3）。在S1 站近底部懸沙濃度在大潮階段有一個(gè)明顯的躍升過(guò)程，最高濃度值達(dá)1.8 kg/m3，這導(dǎo)致大潮階段的漲潮濃度顯著大于落潮。在S2 站，各潮周期的漲潮濃度都大于落潮。在S3 站位，小潮階段落潮濃度大于漲潮，大潮階段則正好相反，中潮期間二者接近。此外，懸沙濃度還具有明顯的空間變化。從南槽上部至下部，懸沙濃度呈現(xiàn)降低趨勢(shì)，這與上部的水動(dòng)力強(qiáng)于下部有一定關(guān)系，還跟底質(zhì)泥沙的粒級(jí)組成和固結(jié)程度的空間差異以及灘槽水沙交換作用有關(guān)。

圖3 各站位的流速和懸沙濃度的時(shí)間變化

圖4 潮差和歷時(shí)、懸沙濃度和流速的漲落潮變化

3.1.2 流速空間變化的影響因素 南槽流速具有明顯的空間變化，從南槽上段至下段流速?gòu)?qiáng)度逐漸降低。S1 靠近南槽上段，河道橫斷面較小，徑流流速較大，相較而言該站位的流速過(guò)程受徑流影響最大。S2 位于北槽中部，北側(cè)緊鄰九段沙淺灘，受周?chē)匦斡绊戇@里灘槽水體交換強(qiáng)烈，漲潮平均流向?yàn)?80毅，意味著有大量淺灘上的水體進(jìn)入主槽；落潮時(shí)主槽水位下降較快，淺灘上的水體以190毅的流向進(jìn)入主槽，并隨主槽流下泄，因此S2站位的流速過(guò)程受灘槽水體交換的影響強(qiáng)烈。S3靠近南槽口門(mén)，由于此處橫斷面很寬，徑流作用較弱，潮汐對(duì)流速過(guò)程的影響相對(duì)增強(qiáng)，這是造成該站位漲落潮歷時(shí)相差較小以及漲落潮平均流速在中大潮期間很接近的重要原因。南槽整體上呈漏斗形態(tài)，潮波在沿南槽向上傳播的過(guò)程中，河槽形態(tài)和底床摩擦作用使潮波不斷變形，M4潮流的強(qiáng)度及其與M2潮流的相位關(guān)系對(duì)南槽流速過(guò)程和漲落潮流速不對(duì)稱(chēng)程度的空間分布有重要影響。此外，重力環(huán)流、潮汐應(yīng)變引起的漲落潮混合不對(duì)稱(chēng)、側(cè)向環(huán)流等也會(huì)不同程度地影響南槽流速的時(shí)空分布。

3.1.3 懸沙濃度與流速的關(guān)系 流速是泥沙輸運(yùn)和懸沙濃度周期性變化的主要驅(qū)動(dòng)力，在本次觀(guān)測(cè)期間懸沙濃度隨著流速的增減而不斷調(diào)整和改變（圖3）。從圖5 可知，流速與懸沙濃度的關(guān)系具有明顯的空間差異。在S1 站位的中小潮期間，漲落潮平均流速與平均懸沙濃度的關(guān)系較為接近，而在流速較強(qiáng)的大潮期間，同等流速條件下的漲潮懸沙濃度則明顯高于落潮（圖5a）。漲潮期間出現(xiàn)的這些高濃度懸沙應(yīng)來(lái)自S1 下游部位，其泥沙來(lái)源可能跟下游河段在觀(guān)測(cè)期間向陸凈輸沙有關(guān)。在S2站位，平均流速與平均懸沙濃度的關(guān)系存在顯著的漲落潮差異（圖5b），在同等流速條件下漲潮濃度明顯高于落潮。S2 位于灘槽過(guò)渡地帶，其落潮水體來(lái)自九段沙的淺灘之上。受植被、底床摩擦等因素影響，淺灘部位的落潮歷時(shí)長(zhǎng)、流速相對(duì)較小，導(dǎo)致落潮水體的含沙量較低，這可能是造成S2 落潮濃度明顯小于漲潮的原因。S3 站位的觀(guān)測(cè)資料顯示，在一個(gè)大小潮過(guò)程中，流速與懸沙濃度的關(guān)系在漲落潮期間十分接近，兩條趨勢(shì)線(xiàn)基本重合（圖5c），這意味著在同等流速條件下漲落潮期間的再懸浮強(qiáng)度接近。

圖5 漲、落潮及潮周期平均流速與平均懸沙濃度的關(guān)系

從潮周期平均來(lái)看，在S3 站位上流速與懸沙濃度的趨勢(shì)線(xiàn)變化平緩，懸沙濃度對(duì)流速的響應(yīng)相對(duì)較弱，這意味著從小潮至大潮隨著流速的增強(qiáng)，該區(qū)域的再懸浮并沒(méi)有顯著增大。而在南槽上段的S1 站位，流速與懸沙濃度的趨勢(shì)線(xiàn)斜率較大，隨著流速增強(qiáng)懸沙濃度顯著增大，這意味著大潮的再懸浮強(qiáng)度明顯強(qiáng)于小潮，懸沙濃度對(duì)流速響應(yīng)顯著。在S2 站位上，流速與懸沙趨勢(shì)線(xiàn)的斜率介于S1 和S3 之間。當(dāng)潮周期平均流速大于0.7 m/s 時(shí)，對(duì)比S1 和S3 的趨勢(shì)線(xiàn)可知，S1 部位的懸沙濃度明顯高于S3，表明在同等流速條件下S1 的再懸浮更強(qiáng)。

底質(zhì)特性的空間差異應(yīng)該是造成流速-懸沙濃度關(guān)系在各站位存在明顯差異的重要原因。以往底質(zhì)調(diào)查結(jié)果表明（李一鳴等，2018），從南槽上部至下部底質(zhì)粒徑不斷減小，而黏性泥沙的含量則不斷增加。S1 部位的泥沙顆粒較粗，沉積物類(lèi)型為粉砂質(zhì)砂，這種泥沙在水動(dòng)力作用下易于懸浮，其再懸浮強(qiáng)度與流速?gòu)?qiáng)度呈正比。而S3 部位的泥沙顆粒較細(xì)，底質(zhì)中含有大量黏性泥沙，在活動(dòng)層以下底質(zhì)固結(jié)作用較強(qiáng)，臨界侵蝕切應(yīng)力向下顯著增大，這種底質(zhì)特性造成大潮期間的再懸浮作用并不顯著強(qiáng)于小潮。因此，底質(zhì)粒徑組成和固結(jié)程度是影響南槽各部位水沙關(guān)系以及懸沙時(shí)空分布的重要因素。另外，絮凝作用、底床易懸浮泥沙的厚度和空間分布、水體層化等也會(huì)對(duì)懸沙濃度和再懸浮強(qiáng)度的時(shí)空分布產(chǎn)生影響。

3.2 水體縱向輸移特征

歐拉余流（UE）是指去除潮周期性天文潮后的平均流引起的平均輸移，歐拉余流的強(qiáng)度和方向主要取決于漲落潮的流速?gòu)?qiáng)度和歷時(shí)的對(duì)比，各站位的落潮流速接近或略小于漲潮，但落潮歷時(shí)明顯大于漲潮，因而歐拉余流的方向一致向海。

斯托克斯余流（US）表征的是水體的漂移量，其強(qiáng)度大小體現(xiàn)了水位變化量與流速變化量的相關(guān)性，起到削弱歐拉余流向海輸水的作用。由表1 可知各站位斯托克斯余流方向均向陸，與漲潮流方向一致，并隨著潮差的增大由小潮向大潮增加，這種特點(diǎn)在S2 和S3 站位尤其明顯。S1 站位的斯托克斯余流比S2 和S3 小一個(gè)數(shù)量級(jí)，這跟S1 站位主要受駐波控制，而S2 和S3 站位主要受前進(jìn)波控制有關(guān)。就南槽而言，斯托克斯余流在上段較弱，在中下段較強(qiáng)。

拉格朗日余流（UL）為歐拉余流和斯托克斯余流之和，主要跟徑流流速有關(guān)。S1 的過(guò)水?dāng)嗝婷娣e明顯小于S3，這使得S1 的拉格朗日余流明顯強(qiáng)于S3。相較而言，S2 站位的拉格朗日余流明顯偏小，且在部分大潮和小潮出現(xiàn)向陸輸運(yùn)的特點(diǎn)，這與該站位受灘槽水體交換強(qiáng)烈有關(guān)，即較強(qiáng)的側(cè)向水流能夠調(diào)節(jié)徑流流速在橫斷面上的分布。

根據(jù)式7 可知，單寬凈輸水量由拉格朗日余流和潮平均水深共同決定。跟拉格朗日余流的空間分布特點(diǎn)相似，S1 站位的單寬輸水強(qiáng)度最大，S3 次之，S2 最小。在本次觀(guān)測(cè)期間，S1 和S3 站位各潮周期的凈輸水方向都向海，由于灘槽水體交換的影響，S2 站位在部分大小潮的輸水方向向陸，但觀(guān)測(cè)期間平均的輸水方向仍向海（表1）。另外，S1和S3 站位還具有大潮輸水量高于小潮的特點(diǎn)。

表1 觀(guān)測(cè)期間各潮周期的余流（m·s-1）和單寬凈輸水量（m3·s-1）

3.3 懸沙縱向輸移通量機(jī)制分解

觀(guān)測(cè)期間各站位的懸沙凈輸運(yùn)通量如圖6 所示，其中正值表示向海輸沙，負(fù)值表示向陸輸沙。在一個(gè)小潮至大潮過(guò)程中，S1 站位的輸沙方向先向海后轉(zhuǎn)向陸，大潮期間的輸沙強(qiáng)度明顯強(qiáng)于中小潮，觀(guān)測(cè)期間整體凈輸沙量為1.2伊105kg/m，方向向陸。S2 站位各潮周期的輸沙強(qiáng)度變幅較小，輸沙方向以向陸為主，觀(guān)測(cè)期間總的凈輸沙量為8伊104kg/m，方向向陸。S3 站位在第8—11 潮周期向陸輸沙，其余時(shí)段以向海輸沙為主，整個(gè)觀(guān)測(cè)期間的凈輸沙方向向海，凈輸沙量為3.5伊104kg/m。總體而言，南槽的單寬凈輸沙量由上部向下部減少，凈輸沙方向在中上部向陸、下部向海。

3.3.1 平流輸沙項(xiàng) 平流輸沙由歐拉余流輸運(yùn)項(xiàng)T1 和斯托克斯漂移輸運(yùn)項(xiàng)T2 構(gòu)成，其方向與拉格朗日余流方向一致。在S1 和S3 站位，平流輸沙項(xiàng)的方向向海，大潮期間的輸沙強(qiáng)度明顯強(qiáng)于中小潮，這與大潮期間的懸沙濃度和拉格朗日余流大于中小潮有關(guān)。在S2 站位平流輸沙方向具有較大的波動(dòng)性，在大潮和部分小潮向陸輸沙，其余潮周期則向海輸沙，總體上亦向海輸沙。就空間分布而言，平流輸沙強(qiáng)度S1 站最大，S2 站次之，S3 站最小。由圖6 可知，平流輸沙項(xiàng)是影響或控制單寬凈輸沙的重要因素，在部分潮周期里起主導(dǎo)作用。

3.3.2 潮泵輸沙項(xiàng)和垂向環(huán)流輸沙項(xiàng) 潮泵輸沙項(xiàng)的強(qiáng)度與再懸浮、沉降、灘槽泥沙交換以及流速-懸沙-水位之間的相位關(guān)系有關(guān)。從表2 可知，在潮泵輸沙項(xiàng)中，T3 和T4 的強(qiáng)度很小，T5 是主要的貢獻(xiàn)項(xiàng)，它控制潮泵輸沙的強(qiáng)度和方向。在S1 和S3 站位，潮泵輸運(yùn)方向具有明顯的大小潮變化特點(diǎn)，小潮期間向海輸沙，中潮和大潮期間向陸輸沙。在S2 站位潮泵輸沙方向非常穩(wěn)定，在整個(gè)觀(guān)測(cè)期間始終向陸輸沙。

從圖6 可知，潮泵輸沙項(xiàng)的強(qiáng)度及其對(duì)凈輸沙的貢獻(xiàn)存在復(fù)雜的時(shí)空變化特點(diǎn)。在S1 站位，小潮和中潮期間的潮泵輸沙很弱，大潮期間顯著增強(qiáng)，在大多數(shù)潮周期潮泵輸沙的方向與凈輸沙方向保持一致，且潮泵輸沙強(qiáng)度大于平流輸沙，是控制凈輸沙方向和強(qiáng)度的主要因素。在S2 站位，潮泵輸沙強(qiáng)度隨潮周期變化較小，其較大值出現(xiàn)在中小潮過(guò)渡階段，在大部分潮周期里與凈輸沙方向保持一致，是控制凈輸沙強(qiáng)度和方向的重要因素。在S3 站位，潮泵輸沙在小潮和大潮期間較強(qiáng)，在中潮期間很弱，對(duì)各潮周期的凈輸沙有重要影響。

圖6 機(jī)制分解法得到的潮周期輸沙通量的變化

垂向環(huán)流輸沙項(xiàng)主要與重力環(huán)流、水體層化以及流速和懸沙濃度的垂線(xiàn)分布情況有關(guān)，因此在多數(shù)情況下其小潮期間的輸沙強(qiáng)度相對(duì)較大。但與平流輸沙項(xiàng)和潮泵輸沙項(xiàng)相比，垂向環(huán)流輸沙項(xiàng)的強(qiáng)度及其對(duì)凈輸沙的貢獻(xiàn)都十分微弱（圖6，表2）。

表2 單寬總輸沙率和各輸沙項(xiàng)強(qiáng)度（kg·m-1·s-1）的大小潮變化

4 分析與討論

4.1 懸沙輸運(yùn)機(jī)理分析

4.1.1 枯季南槽的懸沙輸運(yùn)格局 本文對(duì)枯季期間南槽上中下三個(gè)站位連續(xù)13 個(gè)潮周期的觀(guān)測(cè)結(jié)果表明，南槽中上部的凈輸沙方向向陸（S1 和S2），下部的凈輸沙方向向海（S3），且在空間上單寬輸沙強(qiáng)度由上部至下部呈現(xiàn)減小趨勢(shì)。張釗等（2016）通過(guò)對(duì)枯季南槽中部固定站位多個(gè)潮周期的實(shí)測(cè)資料分析，發(fā)現(xiàn)在一個(gè)連續(xù)的大小潮周期過(guò)程中測(cè)站部位的凈輸沙方向向陸。國(guó)內(nèi)其他學(xué)者的觀(guān)測(cè)結(jié)果也表明，枯季期間南槽中上部向陸輸沙（Li et al，2018；左書(shū)華 等，2006），與本文的觀(guān)測(cè)結(jié)果相一致。此外，程海峰等（2014）通過(guò)對(duì)南槽地形沖淤的研究，發(fā)現(xiàn)枯季期間南槽上部淤積、下部沖刷，這種沖淤格局與本文所揭示的南槽泥沙輸運(yùn)格局相吻合。劉杰等（2017）的研究也表明枯季期間南槽攔門(mén)沙的灘頂和口外段發(fā)生沖刷。由于枯季長(zhǎng)江徑流量顯著減小，鹽水入侵強(qiáng)度加劇和最大渾濁帶上移可能是導(dǎo)致南槽中上部發(fā)生淤積以及泥沙向上輸運(yùn)的原因。在漲落潮過(guò)程中，南北槽的上段會(huì)發(fā)生一定的水體交換，漲潮時(shí)由南槽向上輸運(yùn)的泥沙在落潮時(shí)會(huì)部分進(jìn)入北槽。賀松林等（1996）的研究指出枯季期間存在著從南槽上段向北槽輸沙的現(xiàn)象。多個(gè)研究顯示，在枯季北槽內(nèi)上中下段的凈輸沙方向都向海（時(shí)偉榮等，1993；高敏，2015；王智罡等，2016）。通過(guò)分析和結(jié)合以往研究成果，本文認(rèn)為在枯季長(zhǎng)江徑流較弱的情況下，南槽河段存在如圖7 所示的泥沙空間輸運(yùn)格局。此外，受到洪季期間徑流量顯著增加影響，南槽各部位以向海輸沙為主，并且存在著上段沖刷、下段淤積的空間分布特點(diǎn)（Li et al，2018；程海峰等，2014；左書(shū)華等，2006），因此，南槽的輸沙和沖淤格局具有明顯的洪枯季差異。

圖7 枯季南槽懸沙輸運(yùn)模式示意圖

4.1.2 漲落潮輸沙不對(duì)稱(chēng)性 在河口地區(qū)影響懸沙輸運(yùn)的各種動(dòng)力泥沙因素通常都存在漲落潮不對(duì)稱(chēng)性，這些漲落潮不對(duì)稱(chēng)對(duì)潮周期凈輸沙的強(qiáng)度和方向會(huì)產(chǎn)生重要影響（Scully et al，2007）。從圖4可知，各站位的流速、歷時(shí)和懸沙濃度都存在漲落潮不對(duì)稱(chēng)性，并且其不對(duì)稱(chēng)強(qiáng)度具有明顯潮周期變化和空間變化。本文利用各因素的漲落潮平均值的比值來(lái)定量表達(dá)漲落潮不對(duì)稱(chēng)強(qiáng)度，當(dāng)比值大于1時(shí)，表示某因素的漲潮強(qiáng)度大于落潮，這種不對(duì)稱(chēng)有利于懸沙的向陸輸運(yùn)；當(dāng)比值小于1 時(shí)，表示某因素的漲潮強(qiáng)度小于落潮，該種不對(duì)稱(chēng)則有利于懸沙的向海輸運(yùn)。比值越大或者越小，意味著某因素的漲落潮不對(duì)稱(chēng)性對(duì)向陸或向海輸沙的貢獻(xiàn)越強(qiáng)。在一個(gè)潮周期里，通常一些因素屬于漲潮主導(dǎo)型不對(duì)稱(chēng)，另外一些因素屬于落潮主導(dǎo)型不對(duì)稱(chēng)，因而，潮周期凈輸沙是各種不對(duì)稱(chēng)相互聯(lián)合與競(jìng)爭(zhēng)的結(jié)果。

由圖4 和圖8 可知，在S1 站位的中小潮期間，流速和懸沙的漲落潮不對(duì)稱(chēng)強(qiáng)度都很弱，這導(dǎo)致該時(shí)段的凈輸沙強(qiáng)度較小，向海輸沙則與落潮歷時(shí)明顯長(zhǎng)于漲潮歷時(shí)有關(guān)。大潮期間，漲潮懸沙明顯高于落潮，懸沙的不對(duì)稱(chēng)程度比之前明顯增強(qiáng)，其他不對(duì)稱(chēng)則缺乏明顯變化，因而，懸沙不對(duì)稱(chēng)是造成大潮向陸輸沙且強(qiáng)度較大的重要原因。

圖8 漲/落潮歷時(shí)、漲/落潮平均懸沙濃度、漲/落潮平均流速與輸沙量關(guān)系圖

在S2 站位上，雖然歷時(shí)不對(duì)稱(chēng)有利于向海輸沙，但懸沙和流速都屬于漲潮主導(dǎo)型不對(duì)稱(chēng)，它們共同促進(jìn)懸沙的向陸輸運(yùn)，S2 在觀(guān)測(cè)期間總體向陸輸沙，這種輸沙特點(diǎn)顯然與懸沙和流速的漲落潮不對(duì)稱(chēng)特點(diǎn)密切有關(guān)。

在S3 站位上，小潮時(shí)流速、懸沙和歷時(shí)都屬于落潮主導(dǎo)型不對(duì)稱(chēng)，它們聯(lián)合促進(jìn)向海輸沙，是造成小潮較強(qiáng)的原因。中潮時(shí)懸沙與流速的不對(duì)稱(chēng)程度都很弱，導(dǎo)致該時(shí)段的凈輸沙強(qiáng)度明顯減弱。大潮時(shí)，流速的不對(duì)稱(chēng)強(qiáng)度依然很弱，懸沙的不對(duì)稱(chēng)性與歷時(shí)的不對(duì)稱(chēng)性相反，二者之間的競(jìng)爭(zhēng)導(dǎo)致該時(shí)段的凈輸沙強(qiáng)度和方向不斷變化。

5 結(jié)論

本文利用在長(zhǎng)江口南槽三個(gè)站位的枯季實(shí)測(cè)資料，分析了南槽上中下段的流速與懸沙濃度的時(shí)空變化特征，并運(yùn)用機(jī)制分解法研究了不同部位的懸沙輸運(yùn)機(jī)制，獲得以下認(rèn)識(shí)：

（1）南槽內(nèi)流速和懸沙濃度具有明顯的時(shí)空變化特點(diǎn)，從上段至下段流速和懸沙濃度逐漸降低，從小潮至大潮流速和懸沙濃度不斷增加。在各站位上平均流速與平均懸沙濃度都存在明顯的正線(xiàn)性關(guān)系，受底質(zhì)粒徑組合和固結(jié)程度的空間變化影響，懸沙濃度對(duì)流速的響應(yīng)程度存在顯著的空間差異，上部站位明顯強(qiáng)于下部站位。

（2）各站位的歐拉余流一致向海，斯托克斯余流一致向陸，南槽中下部的潮波以前進(jìn)波為主，上部以駐波為主，受其影響中下部的斯托克斯余流強(qiáng)度顯著大于上部。受地形和灘槽水體交換所影響，中部站位的拉格朗日余流強(qiáng)度明顯小于南槽上部和下部。觀(guān)測(cè)期間，各站位的凈輸水方向向海，強(qiáng)度則存在一定的潮周期變化和空間變化。

（3）枯季期間南槽存在著中上部向陸凈輸沙、下部向海凈輸沙的空間輸運(yùn)格局。平流輸沙和潮泵輸沙是控制各部位潮周期凈輸沙的關(guān)鍵因素，潮泵輸沙的強(qiáng)度和方向存在明顯的潮周期變化和空間變化，垂向環(huán)流輸沙因強(qiáng)度很弱，對(duì)各站位潮周期凈輸沙的貢獻(xiàn)很小。影響懸沙輸運(yùn)的流速、懸沙濃度和歷時(shí)都具有一定的漲落潮不對(duì)稱(chēng)性，這些因素的漲落潮不對(duì)稱(chēng)強(qiáng)度和方向共同調(diào)控著潮周期凈輸沙的強(qiáng)度、方向及時(shí)空變化。

致謝：盧婷、趙亞青、劉楨嶠、張麗芬、徐圣、梅亞萍、楊照祥、魏東運(yùn)、趙培培、薛成鳳和盛輝等參加了野外觀(guān)測(cè)，并在室內(nèi)實(shí)驗(yàn)中給予了幫助，謹(jǐn)致謝忱！