金镠,虞志英,何青
(1.交通運輸部長江口航道管理局,上海 200003;2.華東師范大學河口海岸學國家重點實驗室,上海 200062)
長江口深水航道治理一期工程,1998年1月開工,2002年初完成(包括完善段工程)。二期工程2002年開工,提前于2005年3月竣工。2006年9月開工建設三期工程。
一、二期工程的建成投產,為我國河口治理提供了許多經驗[1-7]。三期工程為疏浚加深航槽的工程,2006年9月開工,設計基建土方量1.7億m3,設計通航水深12.5 m,要求于2009年9月完成。施工過程中回淤量大且集中分布。為此,先后采取加長丁壩等措施 (表1),同時加大疏浚強度。三期工程于2010年3月挖通12.5 m航道。交工驗收后進入試通航,于2011年5月通過竣工驗收。
表1 減淤工程丁壩接長一覽表m
關于長江口河勢,已有許多論述。通過深水航道治理認識有所深化。
1) 長江口是多級分汊的大型河口,歷史上的稀遇洪水塑造了河口基本的地貌格局。徑流維持了河口的生命。輸沙平衡關系決定河槽性質。
①徑流在維持河口及河口汊道長期穩(wěn)定中起到關鍵作用。
潮汐河道維持穩(wěn)定的機制是輸沙平衡,即漲、落潮的凈輸沙指向下游且≥上口的流域來沙。滿足此條件的為落潮輸沙優(yōu)勢河槽,即落潮槽;否則為漲潮槽,是趨于萎縮的河槽。
河槽阻力使潮波在推進過程中發(fā)生變形、落潮流輸沙能力低于漲潮流。為達到輸沙平衡,必須要有徑流加入。因此說,徑流是河口的生命?;诖?,通常取河口的多年平均落潮流量為河口的造床流量。
②通過分流口通道水、沙交換的調節(jié)提高了主汊的穩(wěn)定性。
河口汊道的穩(wěn)定性受到分流口沙洲沖淤和進流進沙條件變化的影響,而這種影響往往通過分流口通道及串溝的消長得到調節(jié),從而提高了主汊的穩(wěn)定性。
③人類活動對汊道穩(wěn)定有時會起到決定性的影響。
洲灘的圍墾和邊界固定,堵塞串溝,岸線開發(fā),通過整治建筑物調節(jié)水、沙動態(tài)等,均有可能對汊道的穩(wěn)定發(fā)生重大、快速的影響。
2) 河口河槽形態(tài)具有平面上向下游放寬和縱斷面上出現攔門沙地形的特點。
①河槽阻力使?jié)q潮潮量向上游沿程遞減,斷面面積亦相應縮小。河相關系[8]顯示,斷面積的變化主要體現在河寬的變化上。由于落潮流量向下游沿程增大,河寬具有向下游放寬的特點。
從能量觀點看,在一定的來水來沙條件下,河槽力圖達到的平衡斷面是符合能耗最小的斷面(楊志達),或是具有最小活動性的斷面(竇國仁)。此時,河床的沿程沖淤最小,漲潮及落潮的單寬輸沙率qs沿程基本無變化,即?qs?x→0。
考慮落潮輸沙,連續(xù)方程為[9]:
式中:h為河床床面高程;B為半潮槽寬。
上式可寫成:
由?qs/?x→ 0,得:
式中:Bo為起始斷面半潮槽寬。
故設計一條平衡的潮汐水道,其河槽的平面形態(tài)需符合按指數關系向下游放寬的規(guī)律。合理的放寬率應使單寬輸沙率沿程保持基本不變。
②長江口下段發(fā)育有巨大的攔門沙系,主汊中的攔門沙長達40~60 km。
攔門沙形成機制可概括表述如下:潮汐河口,一方面由于向下游展寬,水深變淺,為維持縱向單寬輸沙率不變,要求水動力增強,從而增大了床面泥沙的再懸浮,使下層水體含沙量增高;另一方面,咸淡水交匯形成鋒面,鋒面在一定范圍內擺動,在其擺動范圍內,出現豎向密度環(huán)流和較長的憩流、轉流歷時,有利于再懸浮的泥沙向床面集聚;近床面較高含沙量的“制紊作用”又使泥沙向床面的集聚加速(“雪球效應”[10]),從而造成近床面的高濃度泥沙層。于是在鋒面擺蕩的范圍內,出現以較淺的平衡水深地形、較強的近底水動力、較高的下層水體含沙量為特征的河段,即攔門沙河段。該河段與鋒面擺動范圍一致。因具有較強的再懸浮和較高的近底含沙量,故又是河口最大渾濁帶所在。在自然狀態(tài)下,攔門沙河段單寬輸沙率沿程基本不變。
3) 長江口河勢符合平原沖積河流感潮河段河床演變的一般規(guī)律,它們是:
①海洋動力具有準定常性,因此主流在平面上也具有彎直相間的蜿蜒形態(tài)并自上游向下游遷移;彎道導流對主流的穩(wěn)定起主要作用。
②灘槽水沙交換對河槽穩(wěn)定起著重要作用,主要表現在具有大水趨直、小水坐彎的“寬河行洪”特性,灘面洪淤枯沖、主槽洪沖枯淤的季節(jié)性沖淤調節(jié)機制,以及河口下段主槽出沙,灘地進沙的泥沙環(huán)流特性等方面。固定河槽邊界、堵塞串溝、截斷灘槽泥沙交換以及大量圍灘,減少了濱海沙洲淤漲的物質來源,增加了主槽輸沙的負擔,有可能削弱主槽的落潮流輸沙優(yōu)勢。
彎直相間的主流平面形態(tài)和“寬河行洪”的泄洪要求,決定了北槽雙導堤必須采用寬堤距布置。
③在寬淺河道上修筑導堤和丁壩群調整河床地形,除了要確定合理的放寬率外,丁壩的數量和長度對河槽的穩(wěn)定性也起重要作用,表現在寬深比的調整和河槽性質的轉化上。北槽大量丁壩的修建,短期內產生了巨大的滯沙容沙效果。隨著壩田逐步充填,主槽的輸沙負擔逐步增加;隨著丁壩總長度增加,北槽自然深泓尺度經歷了先增后減的轉變,轉折發(fā)生在丁壩總長約30 km時,相當于二期整治建筑物工程完成(圖1)。
對汊道型潮汐河口航道的整治往往是整治汊道中的一支。以北槽為例,采用魚咀、導堤固定邊界,用丁壩群束窄河槽,形成導治線。丁壩增加了河槽阻力,從而使分流、分沙比減小。整治前,北槽是落潮流輸沙優(yōu)勢明顯的汊道,整治工程應以保持北槽落潮槽性質不變?yōu)榍疤帷?/p>
圖1 北槽等深線平均間距與丁壩總長度關系
治理工程的實施,使北槽落潮流分流比減少(圖2),其中,一期期間即1998-06—2001-02,分流比從67%持續(xù)下降至48%(上斷面);二期期間,即2002-08—2006-08,為二期丁壩建設及之后的河床調整期,分流比從48%降至40%(上斷面),2009-02—04實施了三期減淤工程,加長多條丁壩,使分流比出現新的下降,上斷面分流比降至38%左右。
圖2 北槽落潮流分流比逐年變化
北槽分流比減少的同時,中水位以下河槽容積的變化如圖3[7],容積的減少主要發(fā)生在二期整治建筑物開工之后,減少約2.8億m3,減幅達9%。中水河槽容積的變化包括丁壩壩田的淤積和主槽的沖淤。一期及完善段工程,在壩田淤積的同時,主槽沖刷,二者相抵,總容積基本不變,主槽河槽斷面趨于窄深。而從2002年2月起至2006年11月統計得壩田淤積2.9億m3,與中水河槽容積的減少量2.8億m3相當,表明主槽容積不再增加。
圖3 北槽中水河槽容積歷年變化
分沙比與分流比同步減小,二者的比值穩(wěn)定在0.98左右,變幅不大。
對一條潮汐水道,其保持穩(wěn)定或發(fā)展的基本條件是:在一個代表性水文年內,平均的潮周期內凈輸沙指向下游,且下口的凈輸沙≥上口來沙量,即習慣所說的要有一定的落潮流輸沙優(yōu)勢。
記北槽落潮流分沙比與漲潮流分沙比為:
式中:We,N和 We,S為北槽(N)和南槽(S)的落潮流輸沙量(e代表落潮);Wf,N和 Wf,S為北槽(N)和南槽(S)的漲潮流輸沙量(f代表漲潮)。
故北槽的落潮流輸沙量與漲潮流輸沙量之比(簡稱“落漲比”)為:
對河口下段,南北槽合計的落潮比(式(2)右端),可以認為是與一汊整治關系不大的略大于1的數,所以可用“落漲分沙比之比”λe,N/λf,N近似代表“落漲比”,即河槽性質的變化。
圖4為北槽下斷面(分流比測驗斷面中的下斷面)λe,N/λf,N的逐年變化。由圖可知,一期工程整治建筑物使落潮流輸沙優(yōu)勢一度下降至1.4左右,完善段工程使這一優(yōu)勢提升至1.7以上。但隨著二期整治建筑物的修建,北槽落潮流輸沙優(yōu)勢大幅降低至1.2~1.15,且仍有下降趨勢。表明北槽河槽性質已從明顯的落潮槽向漲、落潮輸沙均勢轉變。
圖4 北槽下斷面落漲分沙比的比值的逐年變化
圖5給出了南槽的落潮流分沙比與漲潮流分沙比的比值的逐年變化??芍?,南槽在長江口二期工程前還是漲潮流輸沙占優(yōu)勢,二期之后也趨向漲、落潮輸沙均勢。
圖5 南槽落潮分沙比/漲潮分沙比逐年變化
如前所述,可以將北槽落漲分沙比的比值 λe,N/λf,N≈1近似代表河性轉化的臨界點。由實測資料統計發(fā)現,一期工程實施以來,北槽的漲潮流分沙比λf,N穩(wěn)定少變,約為0.36(圖6)。
圖6 北槽漲潮流分沙比逐年變化
因此,對北槽,可將落潮流分沙比λe,N=0.36作為河性轉化的閾值。一期工程后,北槽的落潮分流比與落潮分沙比基本相等 (比值 λe,N/λf,N≈0.98),所以,也可以將北槽落潮流分流比≈0.36作為河性轉化的閾值。
北槽河性在三期減淤工程后繼續(xù)退化,使流域來沙更不易輸送出海,同時海域來沙和臺風驟淤對深水航道的影響加大,這也可能是三期減淤工程后北槽航道回淤集中區(qū)段上移的重要原因。
據前,天然平衡的潮汐水道,其平面形態(tài)符合按指數關系向下游放寬,且單寬輸沙率沿程基本不變。因此,設計一條潮汐河道的合理平面形態(tài),應使水流動力、含沙量、水深沿縱向基本上均勻分布。
工程前,受橫沙東灘串溝、江亞北槽、九段沙串溝等分、匯流影響,北槽潮量的沿程分布很不均勻。一期工程消弱了北槽上段與北港和南槽經由串溝的水沙交換,使潮量的沿程分布減少了大的起伏,但中段潮量較大;二期工程后,串溝的橫向水沙交換進一步被攔截,潮量的沿程分布向下游單調增加,趨于合理(圖7)。總體說來,潮量的向下游遞增,也與河寬向下游逐步放寬相一致,但是否符合合理的放寬率要求,還需進一步從水動力等的沿程分布是否基本均勻去判斷。
圖7 北槽整治前后落潮潮量沿程分布
上海河口海岸研究中心提出用北槽槽中1 600 m范圍落潮潮量來近似代表主槽落潮單寬流量即水流動力。比較情況見圖8、圖9。
圖8 一、二期工程前后北槽主槽(1 600 m)落潮潮量沿程變化
由圖8可知,一期工程前,槽中1 600 m落潮潮量沿程分布很不均勻,橫向的分、匯流造成落潮潮量縱向分布出現明顯的谷和峰。一期和完善段工程后,上述谷和峰趨于均勻,但中段W3以下水動力沿程遞降的狀況未有改善,這與北槽下段河槽邊界尚未控制有關。二期工程后,主槽落潮潮量沿程分布大幅度起伏的情況明顯得到改善,但S2N2以下出現了沿程遞增的趨勢,說明工程對流場的調整仍不理想。應考慮適當縮短部分丁壩長度,減少北槽河床阻力,又使主槽單寬流量沿程分布進一步趨于均衡,但三期減淤工程后,主槽落潮潮量的縱向分布又出現大的起伏。
放寬率外形的形成依靠一系列丁壩。以丁壩頭連線構成北槽的導治線,以導治線間距代表河寬來計算放寬率。
北槽丁壩壩頭水深0 m,導治線寬度B的變化按式(1),可寫成:
式中:α為放寬率,1/m。
不同的放寬率,主槽流速調整結果不同。以一期工程后的流場作為本底,得到不同放寬率條件下,北槽主槽落急流速的變化即圖10所示的關系。
上述結果表明,在一期及完善段工程形成的流場基礎上,進一步修建丁壩,北槽上段,隨著放寬率的減小,主槽落急流速減小而下段主槽落急流速增大。因此,潮汐河道的放寬率對流場的總體分布狀態(tài)而言是敏感因子,其對北槽主槽單寬潮量和流速的調整,在北槽的上、下段是不同的。二期丁壩,使北槽導治線放寬率減小過多,三期減淤工程則放棄了設計合理放寬率的要求。
圖10 北槽主槽落急流速與放寬率關系
地形的調整主要反映為主槽容積、斷面形態(tài)(寬深比)和灘槽高差的變化。從航道減淤的角度,要求寬深比和灘槽高差較小,以形成上下貫通、覆蓋航槽,有一定寬深尺度的自然深泓。
4.1.1 河槽容積、寬深比
河槽容積,取兩種指標:從河相關系的角度,取中水河槽容積;從航道灘槽關系角度,取-5 m以下河槽容積。
前述圖3表示中水河槽容積在二期工程期間減少了2.8億m3,約減9%,低于同期北槽落潮分流比的減幅(上斷面減14%,下斷面減10%),表明二期工程后北槽的造床動力總體上趨于減弱。
2004年2月以前,-5 m以下容積基本保持不變;之后,北槽上段(W3以上)容積減少,下段(W3以下)容積增加,與前述圖7相一致。平均水深和斷面寬深比變化見表2。從一、二期工程總的治理效果來看,一期丁壩上游段(以B10為代表),寬深比有所加大,平均水深減小;一期丁壩段(以B25為代表),整治前為攔門沙灘頂所在河段,工程使灘頂高程明顯降低,河段平均水深明顯增加,寬深比降低且趨于與上下游相接近;北槽中段(W3前后,以B40為代表),河段平均水深和寬深比均有所改善;北槽下段(以B55為代表),平均水深明顯增深,寬深比顯著減小。
表2 工程前和二期工程后北槽平均水深和寬深比變化[11]
上述一期丁壩上游段在整治工程后平均水深減小、寬深比加大,與南港下段和瑞豐沙沖刷下移泥沙在北槽上口淤積有關。
2008—2009年實施的三期減淤工程并未實現進一步減少寬深比的要求,見表3。
可知,-5 m以下河槽斷面,寬深比基本未有改善,而與航道回淤關系最為密切的-8 m以下主槽斷面,則寬深比向相對寬淺逆轉,對航道維護甚為不利。
4.1.2 等深線間距與灘槽高差
二期工程以來,航道外-8 m線寬度的變化見圖11。
表3 三期減淤工程前后寬深比變化
圖11 二期工程后-8 m線沿航道底邊線的分布
圖11 顯示:-8 m線在北槽下段展寬明顯,灘槽高差較小,而中段(G—J)間距最小,灘槽高差最大;2008—2009年實施加長丁壩的減淤工程后(2009-05),上段北側-8 m線北移改善,但下段(J—S)-8 m線未有展寬,且南側-8 m線更加貼近航道,灘槽高差明顯增大。航道軸線明顯偏離-8 m自然深泓線走向。
北槽整治前,以旋轉流為主,一期工程后轉變?yōu)橥鶑土鳌?/p>
完善段工程后(2002),北槽沿航道摩阻流速峰值的沿程分布見圖12??芍?,落潮流動力(摩阻流速),北槽中段(Cs2—Cs4)較高,尤其在Cs3附近。
圖12 完善段工程后,北槽漲、落急垂線平均流速和漲、落急峰值摩阻流速分布
二期整治建筑物建成后,中段摩阻流速亦較高(圖13)。
圖13 2004-05(大潮)北槽主槽峰值摩阻流速沿程變化
摩阻流速或床面水流切應力τb是表征水流動力的確切指標。摩阻流速的大小直接影響床面泥沙再懸浮的強度,因此對含沙量及其垂線分布形態(tài)產生明顯影響,圖14為二期工程后(2007-08) 水文測驗得到的垂線平均含沙量沿程分布和近底含沙量的沿程分布,可以看出它們與摩阻流速分布之間有明顯的相應性。
圖14 2007-08北槽垂線平均含沙量和近底含沙量沿程分布
2009年2月—4月實施加長丁壩的減淤工程后,北槽航道軸線的漲、落急流速與減淤工程前(本底)相比(圖15),航道中段(W3前后),落急流速Ve,o大幅增加(增量達0.4 m/s),漲急流速Vf,o也有一定增加。含沙量的縱向變化,北槽中段漲潮平均含沙量Sf較高,而落潮含沙量高值段下移(圖16)。
圖15 2009年減淤工程前后北槽漲、落急流速沿程分布
圖16 2009年北槽大潮垂線平均含沙量沿程分布
二期工程后,北槽漲、落潮輸沙量的沿程分布,是流速、水深和泥沙的再懸浮等綜合作用的結果,圖17為2007年8月的北槽縱向各垂線漲、落潮輸沙量和全潮凈輸沙分布。
圖17 2007-08實測北槽各垂線漲、落潮輸沙量及全潮凈輸沙量
可知中段(Cs6—Cs3)具有顯著為高的漲潮及落潮輸沙能力,這是由于該區(qū)段具有較大的摩阻流速、活躍的再懸浮導致較高的含沙量特別是近底含沙量的緣故。高輸沙率區(qū)段,航槽能獲得更為豐富的回淤泥沙來源。從這個角度講,整治工程不希望出現局部很高的流速和輸沙量。
圖17還顯示全潮凈輸沙量的沿程分布基本均勻,即凈單寬輸沙率Δqs沿程不變。表明二期工程后地形較快調整達到了基本平衡,即出現了沿程分布均勻的指向下游的平衡輸沙量。因此人為增大落潮輸沙能力的同時漲潮輸沙亦將增加。
4.4.1 近底含沙量的現場觀測和近底高含沙量生成機理
利用三角架近底邊界層水沙觀測系統(一般由光學后向散射儀(OBS)、聲學多普勒流速儀(ADV、PCADV)、浪潮儀等組成)獲取現場距底1 m以內的水沙運動過程和床面沖淤過程。在中段航道兩側,進行了包括洪、枯季的3次觀測[7,12]。
測驗結果表明:
1) 落潮流速>漲潮流速;小潮近底流速一般<0.4 m/s(枯季)、0.5 m/s(洪季)。
2) 大于10 kg/m3的近底含沙量,均出現在小潮漲潮后期流速較小時,最大含沙量超過20 kg/m3。
3) 近底高含沙量一般在漲憩時段出現,持續(xù)到落急時刻結束,持續(xù)時間達4~5 h。
4)漲潮流轉落潮流期間(漲憩時段),床面淤積達3~5 cm;漲、落急時段沖刷。
5) 近底水流紊動強度和床面水流切應力τb均洪季高于枯季。
床面水流切應力與近底含沙量的關系,可歸納為三類[7]:
1) 高底切力引起近底高含沙量。當τb>0.4 N/m2時,床面泥沙起動,引起底床泥沙再懸浮,此種情況形成的近底沙峰一般為4~8 kg/m3。
2) 高底切力未引起近底高含沙量??赡芘c底部床面活動層已經懸浮有關。
3) 低底切力相當于高含沙量。此時底切力τb往往小于0.3 N/m2。但近底含沙量出現高的峰值,一般可達15 kg/m3以上,系泥沙沉降所致。
近底高含沙量生成機理可概括如下:
長江口北槽中段,水流動力較強。強紊動的出現使床面泥沙大量懸揚,形成向上的泥沙凈通量。泥沙的再懸浮,加大泥沙濃度的垂向梯度,造成“層化”。層化對紊動的抑制(“層化制紊”),限制了泥沙向上的紊動擴散,導致泥沙的沉降并聚集形成近底高濃度泥沙層。這種過程在漲憩時段尤為明顯。同時,較長的憩流時段又使這種效應有充足的時間得以維持[10]。
因此可以說,高床面切力引起的強再懸浮和后續(xù)低床面切力階段泥沙沉降形成的高濃度近底含沙量,是造成北槽中段航道集中回淤的重要原因[7]。
4.4.2 近底泥沙輸運
根據上述近底水沙觀測可進一步計算近底余流和余沙(凈輸沙)。計算結果表明:
1)航道彎段上游,余流及凈輸沙順向平行指向下游。
2) 彎段及下游,凈輸沙大部指向航道,說明近底高含沙水體有向航道匯聚的趨勢;部分指向灘地,使灘地抬高,亦對航道減淤不利。
綜上所述,根據近底泥沙運動的觀測、分析,從航道減淤要求,可形成如下主要認識:
1) 根據中段近底高濃度水體形成機理的分析,可認為過份加大該段水動力對減淤不一定有利;
2) 局部流場的調整,需盡量消除漲、落潮主流流路的不一致,以縮短憩流時段;
3) 流場調整還應注意削弱指向航槽的凈輸沙,使凈輸沙方向盡可能平行航道并指向下游。
上述認識可為利用數、物模進行方案比選提供評價依據。
長江口深水航道治理工程的航道疏浚及維護狀況,分期列于表4及表5。
表4 航道疏浚情況
表5 一期航道維護情況
由表4和表5可知,一期疏浚工程(1999-07-15—2000-03-22) 階段,施工期回淤強度93.1萬m3/月,這遠低于建成后的維護強度150.9萬m3/月(以2001年為例為),二者之比為1.62。主要是由于基建疏浚強度相對較高(388.12萬m3/月)、擾動減淤效應明顯。另一個特點是回淤強度沿程分布基本均勻。
二期疏浚工程(2004-01—12;2005-03交工驗收) 階段,2005、2006、2007、2008年回淤量逐年由3 500萬m3增至5 000萬m3左右,說明二期丁壩布置不盡合理,同時也與主槽內大量拋泥有關。另一個顯著特點是回淤量分布不均勻,中段回淤量占回淤總量的70%以上。
三期工程于2006年9月30日開工,由于施工期回淤嚴重,實施了減淤工程。減淤工程采用了加長丁壩的方案(表2),2009年2—4月施工完畢。2009年以高強度疏浚取得較高的成槽率。2010年3月達到12.5 m全槽貫通,通過交工驗收。
統計表明,2009年施工期回淤量5 228萬m3。綜合考慮施工強度和基礎水深,可認為減淤工程的實際效果不明顯;三期航道按12.5 m挖通后,2010年實際年維護量達到7 000萬m3以上。同時,回淤量沿程分布嚴重不均的情況改善不多,重點回淤區(qū)段有上移趨勢。
1)保持北槽落潮流輸沙優(yōu)勢是北槽整治的基本要求。北槽從落潮槽向漲潮槽轉化的閾值為落潮分沙比或分流比36%;三期減淤工程,進一步加大了北槽河槽阻力,使北槽落潮分流比和分沙比出現第三次下降過程,目前的分流比已接近河性轉化的臨界點。為確保北槽河勢安全,應研究減少北槽河槽阻力,使落潮分流比有所恢復。
2) 河道自然演變具有使水流能耗或河床活動性最小的普遍規(guī)律。因此,潮汐河道有平面上向下游逐漸放寬,使單寬輸沙率沿程保持基本不變的自然特性。整治工程應力爭做到水動力和含沙量沿程均勻分布。三期減淤工程含沙量和單寬輸沙率沿程分布的不均勻程度增大,是造成減淤效果不明顯的重要原因。
3) 三期工程的疏浚施工狀況表明,減淤工程并未取得預期的航道減淤效果;漲潮輸沙影響加大使重點回淤區(qū)段有所上移,回淤量沿程集中分布的狀況亦未明顯改善。進一步研究有效的減淤工程措施是必要的。
4) 工程后,河床發(fā)生調整,很快達到新的平衡斷面形態(tài),縱向凈輸沙沿程不變。因此,加大局部區(qū)段的落潮流輸沙動力,必然伴隨漲潮流輸沙的同步增加,在某種情況下,還將使區(qū)段平衡水深減小,灘槽高差加大。這些,均對航道減淤不利。
5) 近底高濃度含沙水體和指向航道的凈輸沙,是回淤集中分布的重要原因。為消除回淤量高度集中的狀況,應進一步調整流場,減少漲落潮流路分歧,縮短憩流時段。
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