長江口北港主槽河道懸沙輸運空間結(jié)構(gòu)特征分析

楊 忠 勇，任 鵬，錢 門 亮，羅 鈴，范 中 亞

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

長江口為多級分汊型中等潮汐河口，入海口攔門沙區(qū)域深槽與淺灘相間，明暗沙交錯，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，流場結(jié)構(gòu)及懸沙輸運特征復雜多變[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)境保護等都具有十分重要的作用，因此對河口懸沙輸運特征開展研究有重要科學意義。

懸沙輸運過程一直是河口海岸學的重點研究領(lǐng)域，也取得了不少成果。從斷面實測水沙資料通量計算的角度，張志林等[3]以長江口外洋山海域為例，通過計算潮周期內(nèi)不同汊道斷面懸沙輸運凈通量，分析了該海域內(nèi)各汊口在不同水動力條件下的懸沙輸運規(guī)律。基于數(shù)值模擬方法分析河口海岸動力特征和泥沙輸運機理也是該領(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模型，模擬和分析了渤海灣懸沙輸運的季節(jié)性變化特性。部分學者采用的通量機制分解法可將河口的水、沙分別分解開來，從而計算各部分水動力因子的輸沙強度，進一步討論各動力因子的輸沙貢獻機制。早期研究中，F(xiàn)ischer[5]和Dyer[6]等將斷面物質(zhì)輸運分解為潮平均和隨潮波動兩部分。王康墡等[7]在此基礎(chǔ)上根據(jù)河口觀測資料推導出了各相對觀測層次上的斷面物質(zhì)輸運公式，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)動因子的懸沙輸運貢獻機制，發(fā)現(xiàn)北支懸沙輸移以平流輸移與潮泵輸移為主。為了進一步討論各部分潮流在懸沙輸運中的貢獻機理，Jiang等[9]采用調(diào)和分析方法將北槽水沙觀測數(shù)據(jù)分解成平均項和隨各主要分潮波動項，分析各動力因子作用下北槽懸沙縱向輸移中物理機制變化情況。馮凌旋等[10]通過機制分解法分析各項機制對不同粒徑組的懸沙縱向凈輸移通量的貢獻，發(fā)現(xiàn)南匯潮灘細顆粒泥沙輸運主要受平均流項和潮泵項控制。此前研究中，多重點關(guān)注單個站點的懸沙輸運模式或是懸沙的縱向輸運結(jié)構(gòu)特征，針對長江河口橫斷面上的懸沙輸運空間結(jié)構(gòu)特征有待進一步研究。

北港是長江口的二級入海汊道，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變化頻繁，且在北港河段多個大型工程(如青草沙水庫、跨港大橋等)的影響下，河勢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)北港主槽橫斷面實測水動力及含沙量資料，通過準調(diào)和分析計算大潮期間北港主槽各動力因子的橫斷面懸沙輸運結(jié)構(gòu)特征，進一步討論各動力因子的貢獻機制，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》[12]大通站實測徑流數(shù)據(jù)，多年平均徑流量達8.93億m3(1950～2018年)。長江口潮汐強度中等，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雜。長江巨大的徑流挾帶大量泥沙下泄，據(jù)《長江泥沙公報》[12]大通站輸沙量實測數(shù)據(jù)，長江口多年平均輸沙量達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影響下，逐步形成了如今穩(wěn)定的“三級分汊，四口入?！备窬?。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灘圈圍工程以及青草沙水源地工程的實施對北港河勢穩(wěn)定起到了重要作用，但同時也導致上段河道束窄，南北港分流口下移，北港分流比加大，上口通道呈逆時針偏轉(zhuǎn)態(tài)勢[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

本次觀測斷面位置及各測點分布如圖1所示。為分析長江口北港橫斷面懸沙輸運空間結(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個站點(圖1(b))，進行了為期28 h的水動力和懸沙同步觀測，觀測頻率為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個測站點由右(北)至左(南)編號依次為bg1，bg2，bg3，bg4，bg5(圖1(b))。各觀測點水動力觀測數(shù)據(jù)來自聲學多普勒流速剖面儀(ADCP，頻率300 kHz，垂向分辨率0.2 m)。如圖1(b)圓圈所示，各站點相對水深0(水面)，0.2H，0.4H，0.6H，0.8H和1.0H(H為站點水深)上的含沙量數(shù)據(jù)采用現(xiàn)場采樣、室內(nèi)測量的方式獲取。

圖1 長江口北港觀測斷面及各測站點示意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

采用準調(diào)和分析方法將流速和含沙量分別分解至各個頻率，包括潮平均量和隨潮波動量[16]。對水動力而言，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，通過準調(diào)和分析方法將u和v分別進行分解，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，可通過準調(diào)和分析將含沙量分解為潮平均含沙量(c0)和隨潮波動量(c2&c4)。由于北港主槽潮流中半日分潮占主導[16]，故文中僅考慮余流和M2潮流的驅(qū)動作用。由M2潮流驅(qū)動的含沙量在漲落急時刻均達到最大值，漲憩和落憩時刻均降低至最小值，其驅(qū)動的含沙量包括平均部分(c0)和波動部分，其中波動部分頻率是半日潮波動頻率的2倍，本文稱為M4含沙量(c4)。類似地，余流和M2潮流共同驅(qū)動的含沙量的波動頻率與半日潮波動頻率一致，本文稱為M2含沙量(c2)[17]；準調(diào)和分析表達式如下(僅考慮至M4倍潮)：

χ4acos2ωt+χ4p

(1)

式中：ω為半日潮流波動頻率；t為時間；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)各部分輸沙量計算公式如下：

(3)

2 研究結(jié)果

2.1 水動力與含沙量時間變化特征

2.1.1流速時間變化特征

圖2反映了北港河道主槽橫斷面5個站點流速垂向結(jié)構(gòu)隨時間變化特征，圖2橫坐標為觀測時間(28 h)，縱坐標為站點水深。由于ADCP觀測數(shù)據(jù)在水體表層和底層各有一個盲區(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，各站點流速值范圍大致為-200～200 cm/s。對比5個站點流速時間變化特征圖，可以發(fā)現(xiàn)靠近北岸的站點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。對于單個站點流速時間變化特征圖，5個站點水位的漲落循環(huán)大致都經(jīng)歷了2個周期，每個潮周期約12.5 h，潮汐性質(zhì)以半日潮為主。各站點的漲落潮時間基本一致，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，落潮歷時顯著長于漲潮歷時，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稱引起的垂向渦動粘滯系數(shù)斷面分布不均勻所致[18]。

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

2.1.2含沙量時間變化特征

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

圖3 北港主槽橫斷面5個站點含沙量時間變化特征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)，負值代表漲潮方向(指向內(nèi)陸)。如圖4(a)所示，整個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。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針偏轉(zhuǎn)(彎道效應(yīng))，上段深槽偏向河槽北側(cè)，導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，指向南側(cè)(左側(cè))，故河槽北側(cè)水體在空間上呈逆時針(從外海朝內(nèi)陸看)環(huán)流模式。由于該斷面水體鹽度較低(冬季大潮漲憩時刻小于5‰)，密度梯度小[19-20]，故側(cè)向環(huán)流的驅(qū)動力很可能與柯氏力相關(guān)。根據(jù)長江口南港的實測數(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，表層水體由北側(cè)向南側(cè)補償輸運，故北側(cè)河槽余流側(cè)向流速(圖4(b))呈逆時針環(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段的橫斷面結(jié)構(gòu)特征。整個北港橫斷面縱向半日潮流(u2)漲急時刻(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，導致漲潮時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，漲急時刻整個斷面?zhèn)认蛄魉?v2)為負值，即水體由北向南輸運(圖5(c))。漲憩時刻，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)向流速在漲憩時刻表層為正(由南至北)，底層水體為負(由北至南)(圖5(d))，該順時針環(huán)流主要是由于柯氏力對潮流的偏轉(zhuǎn)作用形成。落急和落憩時刻，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]研究認為，其降幅與泥沙的沉降速度(ws)和垂向擴散系數(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)生的斷面逆時針環(huán)流結(jié)構(gòu)(漲潮流方向)導致水體底部懸浮泥沙由南至北輸運，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，隨M2分潮波動的含沙量在漲急和落急的時候，流速最大，驅(qū)動含沙量達到最大值。在漲憩和落憩的時刻，流速最小，含沙量也會隨之減小，故產(chǎn)生的含沙量的波動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，最大值達到150 mg/L，僅在表層小部分水體的含沙量為負，主要是由于泥沙的時間滯后效應(yīng)所導致，表現(xiàn)為水體含沙量的波動顯著滯后于流速，且距離床底越高，滯后現(xiàn)象越顯著[23]。憩流時刻(圖7(b))相差1/4半日潮周期，對波動頻率加倍的c4來說，其數(shù)值應(yīng)與急流時刻相反，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]。由于余流可能加強或削弱了半日潮流，導致含沙量在漲急或落急時刻相應(yīng)的升高或降低，因此其波動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的影響下，流入北側(cè)河槽的徑流削弱漲潮流，導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，落急時刻含沙量c2北側(cè)水體為正(與漲急時刻數(shù)值相反)，主要是由于徑流加強落潮流所致；在北港主要動力(半日潮流)驅(qū)動下河槽南側(cè)水體含沙量高于潮平均含沙量。在漲憩時刻(圖7(d))，M2潮流最弱，河槽水動力以強勁的徑流為主，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到200 mg/L。

3 懸沙輸運空間結(jié)構(gòu)特征討論

3.1 懸沙輸運空間結(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)動因子的貢獻量，圖中輸沙方向的規(guī)定與水流一致，即海向輸運為正值，陸向輸運為負值。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)為準調(diào)和分析計算所得各部分動力因子驅(qū)動的輸沙量之和(T=T0+T2+T4)，圖8(e)為根據(jù)斷面實測水沙資料計算所得總輸沙量(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))整個橫斷面均為海向，且近底層輸沙強度顯著高于表層。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)水體為負值，即凈輸沙方向指向上游(圖8(b))。主要原因是漲急時刻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)值上均為負值(圖7(c))，而與左側(cè)水體含沙量c2異號；相應(yīng)的，落急時刻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，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，在強徑流影響下，北港北側(cè)河道海向的落潮流輸沙遠大于漲潮流輸沙，因此河槽北側(cè)懸沙輸運方向與落潮流一致，指向外海。北港南側(cè)水體徑流強度較小，漲潮流輸沙強度大于落潮流輸沙強度，故北港南側(cè)泥沙輸運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，指向河槽上游(圖8(c))。Yang等[17]在臨近長江口南港水動力學研究以及Friedrichs等[24]在河口水動力的解析解研究中認為，由于河道形狀在內(nèi)陸方向逐漸縮窄，傳入河道的M4潮流在急流時刻為負值，指向上游(負值)，而急流時刻含沙量c4為正(圖7(a)，此處急流時刻以半日分潮界定)，憩流時刻M4分潮輸沙方向正好相反，因此M4分潮輸沙量T4在整個河段為負值，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，達到200 g/(m2·s)，河道南側(cè)部分水體泥沙輸運方向為負，指向上游，最大輸沙量約50 g/(m2·s)，整個斷面海向輸沙強度顯著大于陸向輸沙。對比圖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)貢獻最大，M4潮流輸沙(T4)貢獻其次。

3.2 水下地貌及演變趨勢與泥沙分布及輸運特征的關(guān)系

北港作為長江口的二級入海汊道之一，其河道地形特征和沖淤演變趨勢與斷面懸沙分布特征和輸運結(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測數(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，負值表示沖刷。圖9(a)所示近年來北港處于微彎型河勢，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針環(huán)流結(jié)構(gòu)中近底層水體從南側(cè)向北側(cè)輸運(圖4(b))，導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，將進一步?jīng)_刷河槽北岸，導致微彎趨勢逐漸增強。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。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)特征與河勢演變趨勢是基本一致的。圖9(b)所示的近年北港沖淤趨勢主要呈“主槽沖刷，兩岸淤積”的特點，一方面可歸因于北港微彎河勢進一步加強，主槽區(qū)域進一步刷深；另一方面與泥沙自身運動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，動力較強的深槽區(qū)域泥沙易于侵蝕難以沉降，而動力較弱的淺灘區(qū)域泥沙易于沉降難以侵蝕[25-26]，導致“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到[21]。對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)域輸沙強度最大，而兩岸淺灘輸沙強度較弱。

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的空間結(jié)構(gòu)特征及各動力因子的貢獻機制，通過斷面上多個站點的水動力及含沙量實測資料，在準調(diào)和分析等方法輔助下，將實測水沙資料分解成潮平均量和多個隨潮波動量，并分別計算分析各動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，為北港主要水動力，漲急時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)，同時導致整個斷面?zhèn)认虬肴粘绷髦赶蚰蟼?cè)。北港整個斷面縱向余流指向外海，主要由徑流驅(qū)動，流速最大值在北港微彎河勢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)動的含沙量在漲急和漲憩時刻空間結(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值，在河道南側(cè)由于微彎河勢等原因而呈正值。

(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，且各水動力因子驅(qū)動下的輸沙量橫斷面空間結(jié)構(gòu)差異顯著。在北港微彎河勢影響下，強勁的徑流使河道北側(cè)落潮流輸沙顯著強于漲潮流輸沙，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為負值。北港余流主要受海向徑流驅(qū)動，故余流輸沙(T0)在整個斷面內(nèi)均指向外海。北港河道整個斷面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)貢獻最大。

(4) 北港水下地貌結(jié)構(gòu)和沖淤演變趨勢與斷面含沙量分布特征和輸運結(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)，與其微彎型河勢相關(guān)；北港沖淤演變趨勢呈“主槽沖刷，兩岸淤積”的特點，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)。