劉 傳 杰，朱 巧 云

(長(zhǎng)江水利委員會(huì)水文局 長(zhǎng)江口水文水資源勘測(cè)局，上海 200136)

0 引 言

長(zhǎng)江口為中等強(qiáng)度的潮汐河口，在徑流、潮流、波浪、鹽水楔以及增減水等多種變化的動(dòng)力因素作用下，河口的泥沙運(yùn)動(dòng)規(guī)律及其分布較為復(fù)雜[1]。而近底懸沙濃度主要反映水體懸沙和河床床面泥沙的交換及與水動(dòng)力的關(guān)系，研究其較為真實(shí)的分布及運(yùn)動(dòng)規(guī)律，不僅直接關(guān)系到取、排水，防、排沙工程的規(guī)劃設(shè)計(jì)，而且也是泥沙研究的重要方面。常規(guī)水文觀測(cè)方法測(cè)得的底部含沙量一般只相當(dāng)于距底70～120 cm高度含沙量，為了有效解決這個(gè)問(wèn)題，多年來(lái)許多專家和學(xué)者對(duì)此做了大量的工作，如方鐸和王貴道[2-3]研制了NBS-84型臨底懸沙采樣器，主要應(yīng)用于5 m以下水深的河道測(cè)驗(yàn)。近年來(lái)，以華東師范大學(xué)何青等為代表的專家學(xué)者利用先進(jìn)的聲學(xué)和光學(xué)儀器組建四角架近底觀測(cè)系統(tǒng)，在長(zhǎng)江口南、北槽河段進(jìn)行了應(yīng)用研究[4-8]。此系統(tǒng)雖然可獲取常規(guī)水文觀測(cè)難以獲取的近底溫鹽沙資料，但沒(méi)有自動(dòng)采水系統(tǒng)，不能同步采集同高度的懸沙水樣，近底懸沙濃度是采用上層水樣與濁度計(jì)(OBS)獲取的水體中懸浮物濁度率定推求，可OBS的率定曲線很大程度上依賴采樣的環(huán)境，如懸浮水體的粒徑、水溫等，尤其是懸浮水體的粒徑[9-10]，所以采用上層水樣與近底層濁度率定曲線推求出的近底懸沙濃度存在一定的誤差。

本次研究是在洪、枯季同步水文測(cè)驗(yàn)期間，應(yīng)用一種新型的近底懸沙采樣系統(tǒng)——雙尾翼近底懸沙采樣系統(tǒng)，在長(zhǎng)江口徐六涇斷面的淺灘和深槽的代表垂線上同步采集距河底50 cm和10 cm的近底水樣；并根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)資料分析含沙量垂向分布規(guī)律，以及近底懸沙濃度對(duì)測(cè)驗(yàn)成果精度的影響程度。

1 研究區(qū)域概況

徐六涇斷面位于長(zhǎng)江口徐六涇節(jié)點(diǎn)段，位置如圖1 所示。所在河段上承澄通河段通州沙汊道段，下連長(zhǎng)江口北支和白茆沙汊道段。通州沙汊道段上起十三圩，下至徐六涇，全長(zhǎng)約39.0 km，為多灘多分汊河道。白茆沙汊道段上起白茆河口，下至七丫口，全長(zhǎng)35.5 km，大部分徑流從白茆沙水道下泄至南支主槽，小部分徑流分流北支，該河段同樣是復(fù)雜的多汊分流河段。

徐六涇節(jié)點(diǎn)段進(jìn)口河寬約4.6 km(2011年新通海沙圍墾前為5.7 km)，斷面形狀呈不對(duì)稱“W”形(見(jiàn)圖2)，主槽寬約2.35 km(-10 m等高線間距，1985國(guó)家高程基準(zhǔn))[11]，主流偏南，斷面主槽多年來(lái)基本保持穩(wěn)定。根據(jù)以往的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)分析：徐六涇斷面主槽以南底質(zhì)為淤泥質(zhì)亞黏土，抗沖擊性較強(qiáng)；主槽以北為粉砂，易起動(dòng)[12]。懸沙以細(xì)粒組分為主，多為極細(xì)粉砂和黏土；枯季懸沙中值粒徑粗于洪季；洪季懸移質(zhì)含沙量高于枯季[13]。

2 現(xiàn)場(chǎng)測(cè)驗(yàn)及方法

2.1 近底懸沙采樣系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及工作原理

為了能在徐六涇斷面獲取近底懸沙含沙量，采用了新型雙尾翼近底懸沙采樣系統(tǒng)(見(jiàn)圖3)。受船舶中的雙舵設(shè)計(jì)啟發(fā)，該采樣系統(tǒng)采用雙尾翼設(shè)計(jì)，在高流速的紊流中，采樣系統(tǒng)縱向穩(wěn)定性極好，不左右擺動(dòng)，原地不旋轉(zhuǎn)、不轉(zhuǎn)圈，采用流線型雙尾翼設(shè)計(jì)，由上、下2個(gè)橫式采樣器組成，上層采樣器距離底部垂直距離為50 cm，下層采樣器距離底部10 cm，利用自重為動(dòng)力，在底部裝有觸底關(guān)閉裝置，采用精密軸承傳動(dòng)將水樣容積倉(cāng)自動(dòng)關(guān)閉。

現(xiàn)場(chǎng)取樣時(shí)，以開(kāi)艙的狀態(tài)入水，當(dāng)采樣器下放到河底時(shí)，底部托盤受到重力的反作用力，向上頂開(kāi)容積倉(cāng)門的鎖緊裝置，在彈簧的拉力作用下，同步一次性關(guān)閉上下兩層橫式采樣器。此采樣系統(tǒng)優(yōu)點(diǎn)是：提高倉(cāng)門關(guān)閉的成功率，同時(shí)確保了水樣采集位置的準(zhǔn)確性，保證了水樣的代表性；缺點(diǎn)是系統(tǒng)自身重量較重，測(cè)船必須安裝有專用絞車才能使用。

2.2 測(cè)驗(yàn)方法

雙尾翼近底懸沙采樣系統(tǒng)于2019年6月開(kāi)始在徐六涇斷面進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試(見(jiàn)圖4)。首次使用時(shí)，由于近底采樣系統(tǒng)底盤較小，配重不夠，河床底質(zhì)較松軟等原因，在斷面深槽處出現(xiàn)多次觸底不能閉合的情況[14]。經(jīng)過(guò)多次改進(jìn)，新型雙尾翼近底懸沙采樣系統(tǒng)可成功運(yùn)用于徐六涇斷面的近底懸沙取樣。

為了研究徐六涇斷面淺灘和深槽不同位置懸移質(zhì)含沙量沿垂線分布規(guī)律，現(xiàn)場(chǎng)測(cè)驗(yàn)時(shí)在斷面上選取1號(hào)(平均水深約15 m)和4號(hào)(平均水深約45 m)，這兩條垂線分別代表淺灘和深槽，具體位置見(jiàn)圖2。現(xiàn)場(chǎng)測(cè)驗(yàn)時(shí)，采用常規(guī)六點(diǎn)法與近底兩點(diǎn)相結(jié)合采樣，每條垂線沿垂線取8層水樣，分別為水下0.5 m、相對(duì)水深0.2H層、0.4H層、0.6H層、0.8H層、水深H-0.7 m層(常規(guī)法的底層)、水深H-0.5 m層和水深H-0.1 m層。采用焙干稱重法直接得出各分層含沙量。

2.3 測(cè)驗(yàn)實(shí)施

徐六涇斷面具有雙向水沙運(yùn)動(dòng)特性，懸移質(zhì)含沙量有明顯的漲落潮、大小潮等的潮相變化，還有洪季與枯季季節(jié)性的變化，考慮到分析樣本的代表性，安排在洪季、枯季各進(jìn)行一次全潮測(cè)驗(yàn)?，F(xiàn)場(chǎng)具體測(cè)驗(yàn)實(shí)施如下：在淺灘1號(hào)垂線處，利用常規(guī)法與近底懸沙采樣系統(tǒng)進(jìn)行了洪季和枯季2次測(cè)驗(yàn)；在深槽4號(hào)垂線處，利用常規(guī)法進(jìn)行了洪、枯季2次測(cè)驗(yàn)，近底懸沙采樣系統(tǒng)只在枯季進(jìn)行了1次測(cè)驗(yàn)。洪、枯季均開(kāi)展大、中、小潮完整潮周期的測(cè)驗(yàn)。具體測(cè)驗(yàn)時(shí)間見(jiàn)表1。

表1 測(cè)驗(yàn)時(shí)間Tab.1 The timetable of the observations

3 測(cè)驗(yàn)成果分析

3.1 懸移質(zhì)顆粒級(jí)配分析

3.1.1洪、枯季

洪、枯季期間，淺灘1號(hào)和深槽4號(hào)垂線懸移質(zhì)顆粒特征值見(jiàn)表2～3。由表2～3可見(jiàn)：1號(hào)垂線懸移質(zhì)顆粒粒徑沿垂線分布，枯季較洪季存在明顯的粗細(xì)變化，洪季4種流態(tài)下，顆粒粒徑沿垂線分布變化不明顯，中值粒徑基本在8～12 μm之間；枯季急流時(shí)，中上層的泥沙中值粒徑變化不明顯，而越靠近河床泥沙粒徑越粗，近底層粗顆粒泥沙(中值粒徑0.062 mm以上)比重達(dá)70%以上，中值粒徑為0.121 mm，約是表層中值粒徑的8倍多；憩流時(shí)由于水流動(dòng)力減弱，粒徑粗細(xì)變化較急流時(shí)減小，近底層中值粒徑約為表層的1.5～3.5倍。深槽處4號(hào)垂線與淺灘1號(hào)垂線不同，洪、枯季粒徑粗細(xì)差異不大，整個(gè)剖面分布較均勻，洪季中值粒徑基本在10～12 μm之間，沿垂線分布粗細(xì)變化不明顯；枯季粒徑較洪季粗一些，中值粒徑基本在12～19 μm之間，近底層顆粒較粗。

表2 淺灘1號(hào)垂線懸移質(zhì)顆粒特征值Tab.2 Characteristic values of the suspended sediment in profile 1 on the shoal

表3 深槽4號(hào)垂線懸移質(zhì)顆粒特征值Tab.3 Characteristic values of the suspended sediment in profile 4 in the deep channel

3.1.2不同潮型

表4和表5分別為1號(hào)和4號(hào)垂線懸移質(zhì)顆粒大、中、小潮期表層和近底層(4種流態(tài))的顆粒特征值。由表可見(jiàn)：1號(hào)垂線大潮和中潮期，顆粒粒徑沿垂線分布存在明顯的粗細(xì)變化，即越靠近河床泥沙粒徑越粗；而小潮期顆粒粒徑沿垂線分布粗細(xì)比較均勻，中值粒徑基本在9～20 μm之間。深槽處4號(hào)垂線，大、中、小潮期，顆粒粒徑沿垂線分布粗細(xì)均比較均勻，中值粒徑基本在10～19 μm之間。淺灘與深槽處對(duì)于不同潮型，總體上都是小潮期粒徑最細(xì)，大潮期粒徑較粗；4種流態(tài)比較，急流時(shí)粒徑較憩流時(shí)粒徑粗。

表4 不同潮型下淺灘1號(hào)垂線懸移質(zhì)顆粒特征值Tab.4 Characteristic values of the suspended sediment in profile 1 on the shoal under different tidal types

表5 不同潮型下深槽4號(hào)垂線懸移質(zhì)顆粒特征值Tab.5 Characteristic values of the suspended sediment in profile 4 in the deep channel under different tidal types

3.2 含沙量剖面分析

3.2.1洪、枯季

圖5為1號(hào)垂線洪季(2020年7月)、枯季(2021年3月)含沙量剖面圖(z為距河底距離，下同)。從圖5可知：含沙量沿垂線分布基本上與顆粒粒徑一致，中上層區(qū)域含沙量變化比較小，越靠近河床含沙量越大，使得整個(gè)含沙量剖面形成“L”形分布，漲、落急時(shí)更顯著。通過(guò)懸沙顆粒粒徑分析可知，急流時(shí)刻的泥沙粒徑要明顯粗于憩流時(shí)刻，急流時(shí)粗顆粒泥沙集中于近河底部分，但是由于水體紊動(dòng)強(qiáng)度不足，部分粗粒徑級(jí)泥沙只能懸浮到某一高度，根本到不了上層區(qū)域，從而造成了含沙量剖面形成“L”形分布，同時(shí)當(dāng)水流動(dòng)力逐步減弱至憩流時(shí)刻，底層較粗、沉降速度大的泥沙重新落淤到床面，造成近底層含沙量迅速減少，上層區(qū)域由于泥沙粒徑細(xì)沉降速度小含沙量變化不大。洪、枯季規(guī)律相似。

3.2.2不同潮型

圖6和圖7分別為1號(hào)和4號(hào)垂線枯季(2021年3月)大、中、小潮期4種不同流態(tài)下含沙量剖面圖。由圖6～7可知：不同潮型含沙量剖面分布規(guī)律與上述分析一致。大、中潮期，1號(hào)垂線漲、落急含沙量沿垂線分布存在明顯的梯度，憩流時(shí)含沙量沿垂線變化比較小；小潮期，由于動(dòng)力較弱，泥沙粒徑進(jìn)一步細(xì)化，含沙量比較小，使得含沙量沿垂線分布更加趨于均勻。4號(hào)垂線含沙量明顯小于1號(hào)，尤其在近底層，無(wú)論是急流時(shí)刻還是憩流時(shí)刻都遠(yuǎn)小于1號(hào)垂線，且無(wú)論大、中、小潮期含沙量沿垂線分布均比較均勻。

3.3 近底懸沙影響分析

3.3.1垂線平均含沙量計(jì)算方法

(1) 常規(guī)六點(diǎn)法。垂線平均含沙量通常采用垂線上各分層流速加權(quán)計(jì)算[15]，計(jì)算公式如下：

(1)

(2) 加入近底2點(diǎn)(H-0.5 m、H-0.1 m)懸沙的垂線平均含沙量按平均流量法計(jì)算。沿水深方向?qū)⒋咕€離散為m個(gè)微小單寬面積，根據(jù)垂線流速分布曲線、含沙量分布曲線，分別計(jì)算出q和qs。計(jì)算公式如下：

(2)

式中：q為垂線單寬流量；qs為垂線單寬輸沙率。

3.3.2誤差統(tǒng)計(jì)方法

相對(duì)誤差：

(3)

系統(tǒng)誤差：

(4)

標(biāo)準(zhǔn)差：

(5)

3.3.3垂線平均含沙量誤差分析

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)資料，用常規(guī)六點(diǎn)法計(jì)算值與計(jì)入近底懸沙后計(jì)算的垂線平均含沙量擬合關(guān)系曲線，如圖8～9所示。淺灘1號(hào)垂線關(guān)系點(diǎn)成散射狀，含沙量越大，偏離相對(duì)越大(見(jiàn)圖8)，但總體上兩者呈高度顯著相關(guān)。相比較而言，在含沙量及含沙量垂向分布梯度均較小的深槽4號(hào)垂線(見(jiàn)圖9)，無(wú)論漲、落潮，相關(guān)系數(shù)均達(dá)0.99以上，即計(jì)入近底懸沙后計(jì)算的垂線平均含沙量與常規(guī)六點(diǎn)法的計(jì)算值基本相當(dāng)。

根據(jù)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析可知：常規(guī)法計(jì)算的垂線平均含沙量偏小，尤其在淺灘處，相對(duì)誤差大于10%的樣本數(shù)中漲潮為26.3%、落潮為28.6%，漲、落系統(tǒng)誤差潮分別為-6.50%，-5.63%，標(biāo)準(zhǔn)差在10%左右，即常規(guī)法計(jì)算的垂線平均含沙量無(wú)論漲、落潮時(shí)均偏小。深槽處，由于泥沙粒徑比較細(xì)，含沙量垂向分布比較均勻，80%以上的樣本數(shù)相對(duì)誤差小于5%，系統(tǒng)誤差基本為0，標(biāo)準(zhǔn)差在3%以內(nèi)，即深槽處近底懸沙對(duì)垂線平均含沙量影響比較小。

3.3.4潮平均含沙量誤差分析

表6～7分別為淺灘1號(hào)和深槽4號(hào)垂線潮平均含沙量及誤差統(tǒng)計(jì)，表中以計(jì)入近底懸沙后的值為“真值”。根據(jù)表中的結(jié)果分析可知：計(jì)入近底懸沙后，垂線潮平均含沙量將增大，增大幅度與含沙量垂向分布密切相關(guān)，根據(jù)前述章節(jié)分析，淺灘1號(hào)垂線處含沙量垂向梯度大，且枯季比洪季大，則枯季相應(yīng)的增大幅度較洪季大，洪、枯季增幅平均分別為5.65%，9.08%；落潮增幅大于漲潮；大、中潮比小潮垂向梯度大，則相應(yīng)的增幅也大。深槽4號(hào)垂線處無(wú)論大、中、小潮期，含沙量沿水深的分布均相對(duì)較均勻，計(jì)入近底懸沙后，漲、落潮潮平均含沙量增幅基本在1%以內(nèi)，即深槽處近底懸沙對(duì)潮平均含沙量影響也比較小。

表6 淺灘1號(hào)垂線潮平均含沙量及誤差統(tǒng)計(jì)Tab.6 Vertical tide-averaged suspended sediment concentration and the error statistics in profile 1 on the shoal

表7 深槽4號(hào)垂線平均含沙量及誤差統(tǒng)計(jì)Tab.7 Vertical tide-averaged suspended sediment concentration and the error statistics in profile 4 in the deep channel

4 結(jié)果討論

在懸移質(zhì)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，貫穿著重力作用與紊動(dòng)擴(kuò)散作用的矛盾統(tǒng)一。根據(jù)Rouse方程，懸移質(zhì)泥沙垂向分布的不均勻程度取決于Z值[16](Z=w/(ku*)，w為泥沙沉降速度，u*為摩阻流速，k為卡門常數(shù))。在一定時(shí)間內(nèi)水力條件變化不大的情況下，Z值與顆粒的沉速成正比。細(xì)顆粒的Z值小，含沙量沿水深的分布相對(duì)較均勻；粗顆粒的Z值大，泥沙將集中于近河底部分，部分粗粒徑級(jí)泥沙只能懸浮到某一高度，到不了上層區(qū)域，也就是說(shuō)，在河底各粒徑級(jí)的泥沙都存在，且較粗粒徑級(jí)含量大，故含沙量大；在上層，只有部分細(xì)顆粒徑級(jí)的懸浮泥沙，故含沙量比較小。

通過(guò)上文比較分析，徐六涇斷面淺灘和深槽含沙量垂向分布規(guī)律不同。淺灘漲落急流時(shí)刻的泥沙粒徑要明顯大于憩流時(shí)刻，越靠近河床泥沙粒徑越大，其中近底70 cm處的泥沙要明顯比近底50 cm處的細(xì)，而中上層的泥沙中值粒徑變化則不再明顯，這一現(xiàn)象說(shuō)明在徐六涇斷面泥沙從床面泥沙受到急流侵蝕進(jìn)入水體后，在70 cm以內(nèi)形成比較顯著的含沙量梯度，但是由于水體紊動(dòng)強(qiáng)度不足，占比較大的粗顆粒泥沙往往無(wú)法進(jìn)入床面1 m以上的水體中，從而造成了整個(gè)含沙量剖面呈現(xiàn)出“L”形分布，同時(shí)當(dāng)水流動(dòng)力逐步減弱至憩流時(shí)刻，底層較粗、沉降速度大的泥沙重新落淤到床面，造成近底層70 cm以內(nèi)的含沙量迅速減少，不過(guò)床面1 m以上的水體由于泥沙粒徑細(xì)，沉降速度小含沙量變化不大。深槽含沙量垂向分布比較均勻，深槽泥沙粒徑在15 μm左右且變化比較小，這與淺灘上下層粒徑存在明顯梯度是不同的，這些都表明深槽的床沙與懸沙交換不多，此處的懸沙主要以過(guò)境泥沙為主。含沙量垂向分布規(guī)律不同對(duì)測(cè)驗(yàn)成果影響程度也不同，淺灘近底層含沙量大，對(duì)測(cè)驗(yàn)成果的影響就比較大；而深槽近底層含沙量與中上層水體相當(dāng)，對(duì)測(cè)驗(yàn)成果的基本沒(méi)有影響。洪、枯季含沙量垂向分布均符合于上述規(guī)律和特點(diǎn)。

5 結(jié) 論

本文采用雙尾翼近底懸沙采樣系統(tǒng)，觀測(cè)得到了徐六涇斷面淺灘和深槽的洪、枯季全潮實(shí)測(cè)資料，并通過(guò)計(jì)算、分析得出如下幾點(diǎn)結(jié)論。

(1) 雙尾翼近底懸沙采樣系統(tǒng)，采用雙尾翼設(shè)計(jì)，在長(zhǎng)江口河段往復(fù)流的復(fù)雜水流條件下縱向穩(wěn)定性好，確保了采樣位置的準(zhǔn)確性，為測(cè)驗(yàn)成果精度提供了重要支撐。

(2) 徐六涇斷面淺灘和深槽含沙量垂向分布規(guī)律不同。含沙量垂向分布的不均勻程度取決于泥沙顆粒特性，淺灘泥沙粒徑較粗且越靠近河床泥沙粒徑越粗，含沙量沿垂線分布基本上與顆粒粒徑一致，中上層水體含沙量變化較小，越靠近河床含沙量越大，含沙量剖面呈“L”形分布。深槽泥沙粒徑比較細(xì)，含沙量垂向變化比較小，含沙量剖面分布比較均勻。

(3) 近底懸沙對(duì)測(cè)驗(yàn)成果的影響程度與取樣位置有關(guān)。計(jì)入近底懸沙后，淺灘處平均增幅為7.37%，深槽處平均增幅小于1%，淺灘處影響程度明顯大于深槽。

(4) 近底懸沙對(duì)測(cè)驗(yàn)成果的影響程度在各個(gè)時(shí)間尺度上有差異。計(jì)入近底懸沙后，含沙量一般情況下是增大的，但增幅不同，枯季大于洪季，落潮大于漲潮，大潮大于小潮。如淺灘處平均含沙量在洪、枯季增幅分別為5.65%，9.08%，枯季是洪季的1.6倍；2021年3月枯季淺灘處漲、落潮平均含沙量增幅分別為8.98%，9.19%。