雷　蕾,周志敏,李江文

(1.溫州市水鄉(xiāng)建設(shè)促進(jìn)中心，浙江　溫州　325000；2.溫州市水文站，浙江　溫州　325000；3.中交水運(yùn)規(guī)劃設(shè)計(jì)院深圳有限公司,廣東　深圳　518067)

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臨界沖刷切應(yīng)力對(duì)最大渾濁帶的影響及其敏感性數(shù)值分析

雷蕾1,周志敏2,李江文3

(1.溫州市水鄉(xiāng)建設(shè)促進(jìn)中心，浙江溫州325000；2.溫州市水文站，浙江溫州325000；3.中交水運(yùn)規(guī)劃設(shè)計(jì)院深圳有限公司,廣東深圳518067)

受水沙動(dòng)力和地貌多種因素的影響，河口最大渾濁帶內(nèi)的泥沙處于動(dòng)態(tài)懸浮狀態(tài)。強(qiáng)切應(yīng)力場(chǎng)與最大渾濁帶相吻合，臨界沖刷切應(yīng)力有規(guī)律地先沿程增大而后遞減是造成最大渾濁帶含沙濃度高的重要原因。為驗(yàn)證臨界沖刷切應(yīng)力對(duì)最大渾濁帶的位置、分布范圍以及懸沙濃度變化有重要的影響，以長(zhǎng)江口北槽為例，通過模擬不同臨界沖刷切應(yīng)力下的最大渾濁帶懸沙分布，討論最大渾濁帶與臨界沖刷切應(yīng)力的響應(yīng)關(guān)系。研究還進(jìn)一步表明，灘槽泥沙交換、槽間泥沙交換和底沙再懸浮是北槽最大渾濁帶發(fā)育與變化的重要原因。

最大渾濁帶；臨界沖刷切應(yīng)力；懸沙濃度；數(shù)值模擬；長(zhǎng)江口北槽

1　問題的提出

由于徑流、潮流的相互作用以及鹽水入侵等因素的影響，河口區(qū)懸沙濃度在縱向分布上往往會(huì)出現(xiàn)“上下低，中間泥沙富集”的現(xiàn)象，即存在最大渾濁帶[1]。最大渾濁帶在河口沉積過程中對(duì)泥沙特別是細(xì)顆粒泥沙的聚集和沉降起著十分重要的作用，對(duì)于潮汐河口而言，最大淤積部位往往取決于最大渾濁帶的位置。所以該區(qū)段最易出現(xiàn)攔門沙，對(duì)入海航道產(chǎn)生明顯的影響。

最大渾濁帶作為河口地區(qū)動(dòng)力作用最為復(fù)雜的區(qū)域，許多研究者就其成因、時(shí)空變化規(guī)律以及對(duì)河口淤積的影響等方面開展了大量的工作并取得了一系列有價(jià)值的成果。沈煥庭等[2]依據(jù)多年的實(shí)測(cè)資料和數(shù)值模擬方法，從徑流動(dòng)力、潮流動(dòng)力、鹽水入侵、懸沙來源和集聚機(jī)制等方面對(duì)我國(guó)一些大型河口的最大渾濁帶進(jìn)行了多角度系統(tǒng)地研究；付德健等[3]通過構(gòu)建不同形狀理想河口的數(shù)學(xué)模型，研究了河口形狀對(duì)最大渾濁帶的影響；龐重光等[4]探討了黃河口最大渾濁帶的形成機(jī)制，指出其形成主要受入海泥沙、泥沙異重流、河口密度環(huán)流及湍流的作用；Festa等[5]建立了河口垂向二維數(shù)值模型，通過數(shù)值計(jì)算證實(shí)最大渾濁帶懸沙濃度位置與水動(dòng)力條件、泥沙沉降速度、上下游泥沙來源有密切關(guān)系；楊云平等[6]基于長(zhǎng)江河口1959—2011年實(shí)測(cè)懸沙濃度數(shù)據(jù)，研究了長(zhǎng)江口最大渾濁帶懸沙濃度變化趨勢(shì)及成因；張文祥等[7]在長(zhǎng)江口南槽最大渾濁帶地區(qū)進(jìn)行了大、小潮水文泥沙定點(diǎn)連續(xù)觀測(cè)，對(duì)長(zhǎng)江口南槽九段沙附近最大渾濁帶的形成機(jī)制進(jìn)行了初步探討。研究表明，最大渾濁帶懸沙濃度變化具有一定的周期性和規(guī)律性。

已有的研究成果表明，河口最大渾濁帶內(nèi)的泥沙處于動(dòng)態(tài)懸浮狀態(tài)。在該區(qū)段存在強(qiáng)切應(yīng)力場(chǎng)，臨界沖刷切應(yīng)力有規(guī)律地先沿程增大而后遞減是造成最大渾濁帶含沙濃度高的重要原因[8]。臨界沖刷切應(yīng)力通過改變底床的固結(jié)程度改變底床泥沙的再懸浮。因此，當(dāng)改變臨界沖刷切應(yīng)力時(shí)，最大渾濁帶的懸沙濃度發(fā)生改變，進(jìn)而改變最大渾濁帶的時(shí)空分布。而目前國(guó)內(nèi)外關(guān)于臨界沖刷切應(yīng)力對(duì)最大渾濁帶影響的研究尚不多見。數(shù)值模擬方法作為研究水流泥沙問題的重要手段，已經(jīng)成熟地運(yùn)用于最大渾濁帶的研究中。但由于泥沙運(yùn)動(dòng)過程極其復(fù)雜，在構(gòu)建數(shù)學(xué)模型時(shí)，臨界沖刷切應(yīng)力作為控制泥沙沖刷的關(guān)鍵參數(shù)，目前仍需要依靠經(jīng)驗(yàn)選取[9]，這對(duì)數(shù)值模擬工作帶來不便。若能尋找出臨界沖刷切應(yīng)力與懸沙濃度的響應(yīng)規(guī)律，對(duì)于準(zhǔn)確模擬最大渾濁帶能夠提供重要依據(jù)。

基于此，本文結(jié)合實(shí)測(cè)資料建立長(zhǎng)江口大范圍平面二維水流、泥沙數(shù)學(xué)模型，研究最大渾濁帶懸沙濃度變化及發(fā)育機(jī)制，揭示最大渾濁帶與臨界沖刷切應(yīng)力的響應(yīng)關(guān)系，進(jìn)一步闡明最大渾濁帶的形成機(jī)理及變化規(guī)律。

2　長(zhǎng)江口二維水流泥沙數(shù)學(xué)模型

在長(zhǎng)江口深水航道二期工程實(shí)施后，位于北槽的深水航道回淤量增大且集中于中段，自北港中下段至南北槽淺灘段形成了縱向延伸距離約25～40 km的最大渾濁帶，其含沙濃度表層變化在0.1～0.7 kg/m3，底層變化在l.0～8.0 kg/m3，其最大渾濁帶特征明顯[10]，歷史資料豐富，對(duì)開展研究帶來了便利。

2.1基本方程

2.1.1水流控制方程

根據(jù)Boussinesq 渦黏假定和流體靜壓假定，建立平面二維水動(dòng)力數(shù)值模型[11]，模型控制方程如下：

連續(xù)性方程：

(1)

動(dòng)量方程：

(2)

(3)

2.1.2泥沙控制方程

懸移質(zhì)輸移擴(kuò)散方程：

(4)

式中：S為垂線平均含沙量(kg/m3)；Dx、Dy分別為x、y方向的泥沙擴(kuò)散系數(shù)(m2/s)；FS為泥沙源匯函數(shù)或床面沖淤函數(shù)(kg·m-2s-1)，按式(5)確定：

中國(guó)英語學(xué)習(xí)者的實(shí)驗(yàn)在被試所在中學(xué)或大學(xué)的教師辦公室進(jìn)行，英語母語者分別在各自所在大學(xué)的圖書館中進(jìn)行，一次僅有一個(gè)被試在房間中接受測(cè)試。被試首先閱讀實(shí)驗(yàn)要求，然后開始測(cè)試。在電腦的自測(cè)步速閱讀完成后，被試還要做二語水平測(cè)試，并填個(gè)人語言背景表。二語水平測(cè)試題選自O(shè)xford Proficiency Test，共50道語法選擇題，用以檢測(cè)學(xué)生的二語語法水平。所有學(xué)生均未在之前做過這一測(cè)試。語法選擇題每題1分，小于30分被界定為低水平;30～35分為低到中等水平;35分以上為中等以上水平。

FS=αω(S-S*)

(5)

式中：S*為水體的挾沙力(kg/m3)，一般采用根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)資料的經(jīng)驗(yàn)公式法或半理論方法確定；ω為泥沙沉降速度(m/s)；α為泥沙沉降幾率。

2.2模型建立

模型覆蓋長(zhǎng)江河口區(qū)下段至鄰近的外海區(qū)域：上游西邊界至徐六涇，北邊界至北緯32.05°，南邊界至北緯30.87°，東邊界至外海30～35 m等深線處，經(jīng)度約為122.68°。計(jì)算域采用不規(guī)則三角形網(wǎng)格剖分，網(wǎng)格在深水航道工程、主槽深泓線處適當(dāng)加密，最小空間步長(zhǎng)為30 m，三角形網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)36 438個(gè)，三角形單元71 406個(gè)(見圖1)。

圖1　計(jì)算域網(wǎng)格示意圖

數(shù)學(xué)模型的外海開邊界從中國(guó)近海潮波模型中提取[12]；上游邊界徐六涇，給定2002年2—3月的實(shí)測(cè)水位變化過程；泥沙邊界根據(jù)水流飽和挾沙能力公式[13]計(jì)算得出。

2.3模型驗(yàn)證

2.3.1水流模型的驗(yàn)證

模型采用2002年2—3月的水文、泥沙實(shí)測(cè)資料對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證。潮位站和流速測(cè)點(diǎn)位置見圖2，驗(yàn)證點(diǎn)基本涵括了長(zhǎng)江口南支、北支，具有較好的代表性。驗(yàn)證結(jié)果表明，數(shù)學(xué)模型計(jì)算結(jié)果與實(shí)測(cè)資料吻合較好，符合精度要求，可以利用此模型開展進(jìn)一步的研究。部分驗(yàn)證結(jié)果見圖3～5。

圖2　驗(yàn)證測(cè)站站點(diǎn)分布圖

圖3　潮位過程驗(yàn)證圖

圖4　測(cè)站大中小潮流速流向過程驗(yàn)證圖

圖5　測(cè)站懸沙濃度驗(yàn)證圖

3　北槽最大渾濁帶的特征

3.1北槽最大渾濁帶平面特征

圖6為模型計(jì)算的懸沙分布結(jié)果圖，直觀地反映了北槽最大渾濁帶的平面特征，結(jié)合已有的研究成果[14]進(jìn)行分析，北槽枯季懸沙場(chǎng)的平面分布具有以下幾個(gè)特征：

(1)北槽最大渾濁帶位于深水航道工程中下段，其內(nèi)平均懸沙濃度約為1.0～1.4 kg/ m3；最大渾濁帶上游側(cè)落潮懸沙濃度大于漲潮懸沙濃度，下游反之；

(2)在一個(gè)潮周期過程中，北槽最大渾濁帶的位置隨漲落潮的變化而周期性地移動(dòng)：漲潮時(shí)退向口內(nèi)，落潮時(shí)向東南方向延展。在落急、落轉(zhuǎn)漲、漲急、漲轉(zhuǎn)落4個(gè)時(shí)刻及其附近分別存在懸沙濃度Ⅰ類峰值和Ⅱ類峰值[15]；

(3)在攔門沙段以及進(jìn)口段，最大渾濁帶呈“舌狀”分布；在口門外懸沙濃度梯度隨水深增大而減小，平均懸沙濃度約為0.20～0.40 kg/ m3。

3.2北槽最大渾濁帶與懸沙濃度縱向分布特征

根據(jù)北槽2007—2009年懸沙濃度的實(shí)測(cè)資料，統(tǒng)計(jì)分析了北槽12個(gè)站點(diǎn)NG3～CS5(見圖7)的洪枯季大潮潮周期垂線平均含沙濃度以及潮周期臨底平均含沙濃度(見圖8)。從圖8可以看出，北槽各個(gè)站點(diǎn)的懸沙濃度縱向上具有“低—高—低”的分布特點(diǎn)，最大渾濁帶位于北槽中段的CS6、CSW、CS3之間。洪季大潮時(shí)最大渾濁帶內(nèi)的懸沙濃度高于枯季大潮，洪季大潮的底層懸沙濃度和垂線平均濃度相差較大，底層的懸沙濃度達(dá)到了垂向平均濃度的5倍以上(200708的CSW站以及200708的CS6站)。相比較而言，枯季大潮的底層懸沙濃度和垂線平均濃度的差值相對(duì)較小，枯季大潮實(shí)測(cè)最大懸沙濃度介于1.0～1.5 kg/m3，與前面的分析結(jié)果相吻合。此外，由于洪季大潮是流域的集中輸沙期，輸沙量占全年的87%，因此導(dǎo)致最大渾濁帶呈現(xiàn)縱向范圍向上下游延伸，核心下移的特點(diǎn)[16]。

圖7　長(zhǎng)江口北槽水文泥沙測(cè)站分布示意圖

4　臨界沖刷切應(yīng)力與北槽最大渾濁帶敏感性分析

4.1臨界沖刷切應(yīng)力場(chǎng)概化

由于受到泥沙粒徑、鹽度、流速以及水深等因素的影響，臨界沖刷切應(yīng)力是一個(gè)非常復(fù)雜的參數(shù)。部分長(zhǎng)江口深水航道泥沙試驗(yàn)的結(jié)果[17]表明，長(zhǎng)江口臨界沖刷切應(yīng)力在口內(nèi)約為0.3 N/m2，向外海逐漸增大,其中北槽深水航道治理工程導(dǎo)堤、潛堤以及壩田的臨界沖刷切應(yīng)力大致為3.0 N/m2[18]。筆者依據(jù)此就其分布取值情況進(jìn)行了大量的試驗(yàn)，雖然分布取值后模型計(jì)算結(jié)果總體較好，但局部結(jié)果仍不盡如人意，故本文對(duì)臨界沖刷切應(yīng)力場(chǎng)進(jìn)行了概化：將北槽深水航道治理工程導(dǎo)堤、潛堤以及壩田的臨界沖刷切應(yīng)力取固定值3.0 N/ m2；其他區(qū)域取統(tǒng)一值，分4種假定，分別為0.3，0.5，1.0，2.0 N/m2。在其他參數(shù)不變的前提下，通過改變臨界沖刷切應(yīng)力，討論其對(duì)北槽最大渾濁帶的影響程度。

4.2敏感性分析

為精確分析臨界沖刷切應(yīng)力對(duì)長(zhǎng)江口北槽最大渾濁帶的影響程度，從長(zhǎng)興島尾部至深水航道末端，沿深水航道的主槽，每隔2 500 m布置一采樣點(diǎn)，共計(jì)28個(gè)點(diǎn)(見圖9)。根據(jù)枯季大潮的模擬結(jié)果，提取4種假定下采樣點(diǎn)的懸沙濃度，進(jìn)行潮周期平均計(jì)算，計(jì)算結(jié)果見圖10。

圖9　懸沙濃度分析點(diǎn)位置示意圖

圖10　4種假定下北槽懸沙濃度縱向分布圖

由圖10可見：假定1(0.3 N/m2)：臨界沖刷切應(yīng)力較小時(shí)，床沙較容易懸浮，甚至在水動(dòng)力較弱的憩流時(shí)刻泥沙仍可以較容易地保持懸浮狀態(tài)，因此懸沙濃度相對(duì)較高。北槽最大渾濁帶位于距長(zhǎng)興島尾部40.0～47.5 km段(采樣點(diǎn)17～20)，最大渾濁帶縱向分布相對(duì)集中，潮周期最大懸沙濃度達(dá)到1.33 kg/m3；

假定2(0.5 N/m2)：當(dāng)臨界沖刷切應(yīng)力增大時(shí)，懸沙濃度總體下降，最大渾濁帶位于距長(zhǎng)興島尾部37.5～47.5 km段(采樣點(diǎn)16～20)，最大渾濁帶縱向分布相對(duì)集中，但較假定1，位置向上游移動(dòng)。在最大渾濁帶內(nèi)，潮周期最大懸沙濃度減小至1.17 kg/m3；

假定3(1.0 N/m2)：當(dāng)臨界沖刷切應(yīng)力持續(xù)增大后，懸沙濃度相比前兩者下降較多，最大渾濁帶的縱向分布范圍變廣，最大渾濁帶位置向上游移動(dòng)，大致位于距長(zhǎng)興島尾部32.5～45.0 km段(采樣點(diǎn)14～19)，其潮周期懸沙濃度最大已降至0.84 kg/m3；

假定4(2.0 N/m2)：當(dāng)臨界沖刷切應(yīng)力設(shè)定較大值時(shí)，床沙相對(duì)較難進(jìn)入懸浮狀態(tài)，懸沙濃度進(jìn)一步降低。最大渾濁帶的縱向分布范圍相比前三者變得更廣，最大渾濁帶位置向上游移動(dòng)，大致分布在距長(zhǎng)興島尾部25.0～45.0 km段(采樣點(diǎn)11～19)。最大渾濁帶內(nèi)懸沙潮周期平均濃度最大僅為0.43 kg/m3。

最大渾濁帶的變化表現(xiàn)在其含沙濃度、位置和范圍的時(shí)空變異[19]。從圖10可以看出，臨界沖刷切應(yīng)力對(duì)于最大渾濁帶的模擬結(jié)果影響總體較為敏感，尤以最大渾濁帶核心部位最為強(qiáng)烈。在不同臨界切應(yīng)力設(shè)定下，核心區(qū)上游側(cè)懸沙濃度變幅較大，而核心區(qū)下游側(cè)至外海的懸沙濃度變化較小，說明在枯季大潮時(shí)北槽最大渾濁帶的發(fā)育和變化過程中，上游側(cè)泥沙輸移和底沙再懸浮的貢獻(xiàn)大于海相來沙。造成這種現(xiàn)象的原因有2個(gè)：一是枯季北槽最大渾濁帶具有上游側(cè)落潮懸沙濃度大于漲潮懸沙濃度，下游側(cè)漲潮懸沙濃度大于落潮懸沙濃度的性質(zhì)。當(dāng)臨界沖刷切應(yīng)力增大時(shí)，床沙再懸浮的動(dòng)力減弱，北槽整體懸沙濃度減小，上游側(cè)向下輸沙和下游側(cè)向上輸沙量都減少，削弱了懸沙在高濃度懸沙帶的富集，導(dǎo)致核心部位懸沙濃度降幅大于其他部位，最大渾濁帶分布范圍擴(kuò)大并且向上游移動(dòng)，形成了縱向上“低—中—低”的變化趨勢(shì)；二是南北槽間的九段沙、北槽與北港間的橫沙東灘等淺灘發(fā)育于汊道間，作為流域來沙堆積的產(chǎn)物和場(chǎng)所，在水動(dòng)力作用下，其部分沉積物又會(huì)發(fā)生再懸浮，再搬運(yùn)和重新分配，成為最大渾濁帶次生的補(bǔ)給源。綜上說明：枯季大潮時(shí)，灘槽泥沙交換、槽間泥沙交換和底沙再懸浮對(duì)于長(zhǎng)江口北槽最大渾濁帶發(fā)育與變化的貢獻(xiàn)大于海相來沙。

臨界沖刷切應(yīng)力與床沙顆粒組成、鹽度、床沙密度以及固結(jié)程度等都有直接關(guān)系，其應(yīng)當(dāng)隨位置、水深、床沙組成的變化而改變。雖然，對(duì)大范圍臨界切應(yīng)力給以固定值的處理方法，會(huì)帶來一定的模擬誤差，但觀測(cè)資料表明，4種假定中，假定1和假定2較接近實(shí)際情況[20]。說明本文的研究仍然較為可靠地反映出臨界切應(yīng)力對(duì)北槽最大渾濁帶的影響，為今后最大渾濁帶的模擬及率定提供較好的經(jīng)驗(yàn)和思路。

5　結(jié)　語

本文建立長(zhǎng)江口二維水流、泥沙數(shù)學(xué)模型，模擬了不同臨界沖刷切應(yīng)力下的最大渾濁帶懸沙分布。模擬結(jié)果顯示：臨界沖刷切應(yīng)力作為判別泥沙沖淤的重要因素，對(duì)最大渾濁帶的位置、分布范圍以及懸沙濃度高低都有重要的影響，尤以最大渾濁帶核心部位對(duì)于臨界沖刷切應(yīng)力的變化最為敏感。通過對(duì)北槽最大渾濁帶的形成機(jī)理及變化規(guī)律的進(jìn)一步研究還表明：在枯季大潮時(shí)期長(zhǎng)江口北槽最大渾濁帶發(fā)育與變化的過程中，灘槽泥沙交換、槽間泥沙交換和底沙再懸浮的貢獻(xiàn)大于海相來沙。本項(xiàng)研究對(duì)于認(rèn)識(shí)河口最大渾濁帶泥沙輸運(yùn)及解決航道攔門沙回淤等問題有積極意義。

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(責(zé)任編輯郎忘憂)

Influence of Critical Erosion Shear Stress on Turbidity Maximum Zone and its Sensitivity Numerical Analysis

LEI Lei1，ZHOU Zhi-min2，LI Jiang-wen3

(1.Wenzhou Water Construction Promotion Center,Wenzhou 325000,Zhejiang,China; 2.Wenzhou Hydrological Station,Wenzhou 325000,Zhejiang,China; 3.Shenzhen Branch of CCCC Water Transportation Consultants Co.Ltd.,Shenzhen 518067,Guangdong,China)

Affected by various factors of water and sediment dynamics,and geomorphology,sediment in estuarine turbidity maximum zone keeps in dynamic suspension state.Because the strong shear stress field is in conformity with the turbidity maximum zone,critical erosion shear stress first increases and then descends along the way regularly,which is an important reason for the high suspended sediment concentration in the turbidity maximum zone.To verify the significant impact of critical erosion shear stress on the position of turbidity maximum,distribution range and changes of suspended sediment concentration,north passage of Yangtze River estuary was taken as an example,by simulating the suspended sediment distribution in turbidity maximum zone under different critical erosion shear stresses to discuss the response relationship between turbidity maximum zone and critical erosion shear stress.The study further explained that sediment exchange between channel and shoal,sediment exchange between grooves,and bottom sediment re-suspension are the important reasons for developing and changes of turbidity maximum zone.

turbidity maximum zone;critical erosion shear stress;suspended sediment concentration;numerical simulation;North Passage of Yangtze River estuary

2015-11-12

雷蕾(1988-)，女，助理工程師，碩士，主要從事港口、海岸及近海工程研究工作。

TV131

A

1008-701X(2016)03-0010-06

10.13641/j.cnki.33-1162/tv.2016.03.003