朱文武，李九發(fā)，LAWRENCE P. Sanford，王飛，張曉鶴

（1.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 200062；2.馬里蘭大學(xué)環(huán)境科學(xué)中心 角點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，馬里蘭 21613）

河口是河流搬運(yùn)物質(zhì)入海的必經(jīng)之地，是流域來(lái)沙的天然“過(guò)濾器”。流域來(lái)沙在河口區(qū)域潮流-徑流以及鹽水-淡水相互作用的影響下，將產(chǎn)生各種復(fù)雜的物理、化學(xué)、生物和沉積過(guò)程，在河口形成灘槽相間的地貌格局，并對(duì)入海泥沙通量產(chǎn)生影響。因此，流域來(lái)水來(lái)沙條件的變異必將在很大程度上改變河口泥沙輸移特性，并對(duì)河口泥沙的顆粒組成，含沙量的分布和變化，以及灘槽演變和三角洲沖淤進(jìn)退，甚至河口生態(tài)環(huán)境、港口航道工程等產(chǎn)生重大的影響（Milliman et al，1985）。

隨著流域人類活動(dòng)的增強(qiáng)，全球河流入海泥沙通量自20 世紀(jì)中后期開(kāi)始呈減少趨勢(shì)，如尼羅河（Stanley et al，1998），多瑙河（Walling et al，2003），密西西比河（Meade et al，1984），埃布羅河（Sánchez-Arcilla et al，1998） 和黃河（Chen et al，2002） 等。長(zhǎng)期河流輸沙量記錄表明，河流泥沙通量減少的人為影響因素主要有大壩建設(shè)，土地開(kāi)墾，水土保持和各種泥沙控制工程等，其中大壩建設(shè)截流了大量的河流泥沙被認(rèn)為是導(dǎo)致河流輸沙減少的最重要因素。長(zhǎng)江是我國(guó)第一大河，也是世界重要的河流之一。近年來(lái)，長(zhǎng)江流域的大壩建設(shè)，水土保持等人類活動(dòng)也導(dǎo)致其流域來(lái)沙明顯減少（杜景龍 等，2013）。尤其是2003年三峽大壩蓄水?dāng)r沙以來(lái)，大通站年輸沙量已降至1.43×108t（2003-2011 平均值），不及20 世紀(jì)70年代之前的三分之一。有研究表明，流域來(lái)沙銳減已導(dǎo)致長(zhǎng)江河口三角洲前緣由淤積轉(zhuǎn)為侵蝕（Yang et al，2011；杜景龍等，2012）。在流域來(lái)沙銳減的背景下，長(zhǎng)江河口區(qū)域內(nèi)的含沙量分布、泥沙顆粒沉速、泥沙顆粒組成和形態(tài)等特性必然會(huì)發(fā)生一定的響應(yīng)變化，而這些科學(xué)問(wèn)題仍值得深入研究。

南港上連南支，下接南北槽，是長(zhǎng)江口第二級(jí)分汊的重要河道，成為北槽深水航道向上延伸的必經(jīng)之地，同時(shí)也是上海外高橋港口及長(zhǎng)興造船廠所在區(qū)段（閆龍浩等，2010），見(jiàn)圖1。因此，在流域來(lái)沙銳減的背景下，研究南港河道泥沙特性的響應(yīng)變化，具有重要的理論和現(xiàn)實(shí)意義，可為南港港口航道工程的建設(shè)及維護(hù)提供科學(xué)參考。本文基于南港多年實(shí)測(cè)水文泥沙資料，結(jié)合實(shí)驗(yàn)室泥沙顆粒電鏡觀測(cè)數(shù)據(jù)，對(duì)近年來(lái)尤其是三峽大壩蓄水?dāng)r沙后南港河道泥沙特性的變化進(jìn)行分析研究。

圖1 研究區(qū)域及測(cè)站位置

1 數(shù)據(jù)和方法

2011年洪季（8月） 在南港上游河道A 和下游河道B 兩個(gè)站位（圖1） 進(jìn)行了連續(xù)8 d 的觀測(cè)。潮流流速和流向由多普勒流速剖面儀（ADCP）觀測(cè)；同時(shí)采用相對(duì)水深六點(diǎn)法（0.0H，0.2H，0.4H，0.6H，0.8H，1.0H） 在每小時(shí)整點(diǎn)時(shí)刻取水樣（在典型時(shí)刻取雙樣），以供實(shí)驗(yàn)室測(cè)量含沙量。分別在高流速和低流速的條件下取床面沉積物樣。沉積物樣和水樣經(jīng)過(guò)去除有機(jī)質(zhì)，分散，再用粒度分析儀（Mastersizer 2000） 測(cè)量泥沙粒徑大小。同時(shí)，取少量懸沙樣品放置于玻片上，經(jīng)過(guò)干燥，鍍膜，再用掃描電子顯微鏡（JSM-5610） 觀測(cè)泥沙的微觀形態(tài)和大小。此外，本文還收集了A、B 兩測(cè)站2002-2010年洪季（8月） 大潮（兩個(gè)潮周期） 的水沙數(shù)據(jù)，并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行了同化，利用加權(quán)平均法計(jì)算得到每小時(shí)垂線平均流速和垂線平均含沙量（張志林等，2010）?？紤]到資料的完整性和可比性，本文僅選取每年洪季大潮數(shù)據(jù)作為代表，分析南港河道泥沙特性的變化。

河口水體中懸沙的來(lái)源包括水平方向的輸送（平流作用） 和底部泥沙的再懸浮。實(shí)際上，平流挾帶的懸沙往往是異地再懸浮的泥沙隨潮搬運(yùn)而來(lái)（陳沈良等，2004）。下文所述的泥沙再懸浮包括本地再懸浮和異地再懸浮。為了研究泥沙的再懸浮作用，定義再懸浮率如下：

其中：F 是再懸浮率；Cmax為漲落急時(shí)刻最大含沙量平均值；Cb為漲落憩時(shí)刻最小含沙量平均值，即水體背景含沙量（Sanford et al，1991）；Cres為再懸浮產(chǎn)生的含沙量。

為了分析泥沙粒徑的變化，利用馮卡門-普朗特對(duì)數(shù)流速公式（Oertel，2004） 估算了剪切速度：

其中：u 為距床面z 處的流速；U*為剪切速度；κ為卡門常數(shù)，通常取0.41（Nowell，1983）；z0為粗糙度。對(duì)（3） 式進(jìn)行最小二乘法線性回歸分析，最后計(jì)算得到剪切速度U*。

利用Rouse 公式（Rouse，1937） 估算了Rouse數(shù)和泥沙沉速，其解析解通常表示為：

其中：C 和Ca分別為距床面z 和a 處的懸沙濃度；H 是總水深；ws是泥沙沉速；β 是泥沙和動(dòng)量湍流擴(kuò)散系數(shù)的比例常數(shù)，通常取1；P 即為Rouse 數(shù)，其值越小，懸沙垂線分布越均勻。對(duì)（4） 式兩邊求自然對(duì)數(shù)并進(jìn)行最小二乘法線性回歸分析，最后計(jì)算得到泥沙沉速ws（=κU*P）。

2 南港泥沙基本特性

南港是長(zhǎng)江口第二級(jí)分汊的重要河道之一，流域來(lái)水來(lái)沙近一半經(jīng)南港輸送入海。南港潮汐為非正規(guī)半日潮，月平均潮差2.52 m，多年平均漲落潮歷時(shí)分別為4.85 h 和7.53 h；漲落潮流向集中，屬典型的往復(fù)流；洪季平均流速大于枯季，落潮平均流速大于漲潮，南港主槽以落潮流為主（楊許侯等，1999）。多年統(tǒng)計(jì)資料表明，南港含沙量洪季大于枯季，洪枯季平均含沙量分別為0.41 kg/m3和0.34 kg/m3；大潮大于小潮，大小潮平均含少量分別為0.46 kg/m3和0.27 kg/m3；一般情況下落潮含沙量大于漲潮含沙量，但如果遇到風(fēng)浪天氣，也存在相反情況。在泥沙組分方面，懸沙平均中值粒徑為15 μm；床沙以細(xì)砂和粉砂為主，平均中值粒徑為150 μm（戚秀蓮 等，2000；Li et al，1998）。

3 含沙量的時(shí)空變化

3.1 含沙量的年際變化

含沙量是泥沙的重要特性之一，南港河道A和B 兩測(cè)站2002-2011年洪季（8月） 大潮（兩個(gè)潮周期） 平均含沙量的年際變化如圖2 所示。從圖2a 可以看出，2002-2009年南港上游河道含沙量變化不大，基本在0.40 kg/m3左右。只是2006年的含沙量稍微偏低，分析認(rèn)為與2006年流域的特枯水情有關(guān)。然而2009年以后，含沙量開(kāi)始明顯減少，2011年的含沙量?jī)H為0.25 kg/m3。這可能表明自2003年三峽大壩蓄水?dāng)r沙后，南港上游河道的含沙量響應(yīng)減少存在滯后現(xiàn)象。南港下游河道B測(cè)站的平均含沙量比A 測(cè)站小，約為0.30 kg/m3。圖2b 表明2002-2011年南港下游河道含沙量時(shí)高時(shí)低，變化范圍為0.23～0.34 kg/m3，但沒(méi)有明顯的趨勢(shì)變化，可能表明南港下游河道的含沙量對(duì)河流來(lái)沙銳減的響應(yīng)不大，這應(yīng)該與再懸浮作用產(chǎn)生的泥沙補(bǔ)給有關(guān)。有學(xué)者得出，河口經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期的沉積過(guò)程形成一個(gè)可侵蝕“泥庫(kù)”，只要“泥庫(kù)”能夠滿足河口系統(tǒng)再懸浮泥沙的能力，該河口水體含沙量可視為再懸浮控制。流域來(lái)沙的減少最終會(huì)導(dǎo)致可侵蝕“泥庫(kù)”耗盡，此時(shí)河口水體含沙量會(huì)從再懸浮控制轉(zhuǎn)變?yōu)榱饔蚬┥晨刂疲虼撕沉繒?huì)迅速減少（Schoellhamer，2011）。此外，研究表明由于受河流直接影響的程度不同，長(zhǎng)江河口上游河道含沙量對(duì)流域來(lái)沙變化的響應(yīng)比河口中下游更為敏感（Dai et al，2013；Li et al，2012）。因此，上面結(jié)果似乎表明南港上游河道含沙量于2009年從再懸浮控制轉(zhuǎn)變?yōu)榱饔蚬┥晨刂?，而下游河道含沙量仍然為再懸浮控制?/p>

圖2 A、B 兩測(cè)站洪季大潮平均含沙量的年際變化

3.2 流速和含沙量的潮周期變化

以三峽大壩蓄水?dāng)r沙之前的2002年和之后的2011年為例，分析流速和含沙量的潮周期變化過(guò)程。圖3 顯示了南港上游河道A 測(cè)站分別在2002年和2011年洪季大潮垂線平均流速和含沙量的變化過(guò)程。2002年潮流經(jīng)歷了漲憩-落急-落憩-漲急的循環(huán)過(guò)程（圖3a）。比較流速和含沙量的變化過(guò)程（圖3b），在漲憩之后出現(xiàn)一個(gè)低含沙量（背景含沙量） 時(shí)期，落憩時(shí)低含沙量滯后最小流速1 小時(shí)左右。由于流速變化較快，落憩之后的低含沙量往往高于漲憩時(shí)的低含沙量。隨著漲潮或落潮流速的增大，河床底部泥沙懸浮增強(qiáng)使得水體含沙量迅速增大。2011年流速和含沙量的變化過(guò)程幾乎完全一致，漲落憩時(shí)含沙量相對(duì)于流速并沒(méi)有明顯的時(shí)間滯后（圖3c 和3d）。這說(shuō)明2011年南港上游河道泥沙顆粒憩流時(shí)刻沉得較快，即泥沙顆粒相對(duì)變粗。

圖3 A 測(cè)站2002年（a，b） 和2011年（c，d） 洪季大潮流速和含沙量的潮周期變化

相對(duì)于A 測(cè)站，B 測(cè)站流速和含沙量的潮周期變化稍微不同（圖4）。2002年落憩時(shí)刻最低含沙量與最低流速同時(shí)出現(xiàn)并不存在時(shí)間滯后（圖4a 和4b）；而在漲憩時(shí)刻最低含沙量滯后最低流速大約1 小時(shí)。2011年流速和含沙量的變化過(guò)程與2002年基本一致（圖4c 和4d）。

圖4 B 測(cè)站2002年（a，b） 和2011年（c，d） 洪季大潮流速和含沙量的潮周期變化

總之，南港上、下游河道流速和含沙量的變化對(duì)流域來(lái)沙銳減及陸海動(dòng)力作用差異性的響應(yīng)存在不一致性。

根據(jù)前文公式1 和2 計(jì)算得到再懸浮產(chǎn)生的含沙量Cres以及再懸浮率F。表1 顯示了A、B 兩測(cè)站2002 和2011年洪季水體背景含沙量Cb，再懸浮量Cres以及再懸浮率F。和2002年相比，2011年兩測(cè)站背景含沙量均減小，且A 測(cè)站的背景含沙量減小了更多。雖然A 測(cè)站的再懸浮量減小而再懸浮率卻相對(duì)增大；B 測(cè)站的再懸浮量增大且再懸浮率也相對(duì)增大。計(jì)算結(jié)果表明，南港泥沙再懸浮作用2002 和2011年都很強(qiáng)，平均再懸浮量為0.232±0.021 kg/m3，達(dá)到了漲落急最大含沙量的一半以上；和2002年相比，兩測(cè)站2011年再懸浮率略增大，其中南港上游河道增大了1.6%，而南港下游河道增大了4.7%，這也是南港下游河道含沙量變化不大的原因所在。

表1 A、B 兩測(cè)站2002 和2011年洪季水體背景含沙量，再懸浮量及再懸浮率

3.3 流速和含沙量的垂向變化

分別對(duì)每層流速和含沙量進(jìn)行潮周期平均得到南港A、B 兩測(cè)站2002 和2011年洪季平均流速和含沙量的垂向分布圖（圖5）。如圖所示，流速?gòu)牡讓拥奖韺又饾u增大（圖5a 和5c），而含沙量從底層到表層卻逐漸減?。▓D5b 和5d）。相對(duì)2002年，2011年A 測(cè)站上層流速基本不變，而中下層流速變大（圖5a）；B 測(cè)站下層流速變大，而中上層流速變?。▓D5c），最大流速出現(xiàn)在0.2 層并非表層，這是由水面風(fēng)的作用引起的。與2002年相比，2011年兩測(cè)站中上層含沙量變小而下層含沙量變大（圖5b 和5d）。流速和含沙量的垂向分布均符合Rouse 剖面動(dòng)力學(xué)規(guī)律，即流速垂直梯度越小，含沙量垂直梯度越大。

4 泥沙顆粒沉速和粒徑的變化

圖5 A（a，b）、B（c，d） 兩測(cè)站2002 和2011年洪季大潮流速和含沙量的垂向變化

根據(jù)前文公式3-5 估算出Rouse 數(shù)P，剪切速度U*，泥沙沉速ws，并根據(jù)泥沙沉速和Stokes 沉降規(guī)律得到泥沙當(dāng)量粒徑De，見(jiàn)表2。相對(duì)于2002年，2011年兩測(cè)站的剪切速度變小而Rouse數(shù)變大。而剪切速度的變小是流速和含沙量垂向分布變化的主要原因，其次就是泥沙沉速增大的原因。2011年A 測(cè)站泥沙沉速（0.421 cm/s） 遠(yuǎn)大于2002年（0.240 cm/s），而B(niǎo) 測(cè)站2002 和2011年的泥沙沉速分別為0.708 cm/s 和0.709 cm/s，幾乎完全一致。南港區(qū)域鹽度通常很低并且垂向混合均勻（孔亞珍等，2004）。雖然泥沙沉速的影響因素有很多，但對(duì)于同一地點(diǎn)而言，更高的沉速通常意味著更粗的顆粒。當(dāng)量粒徑也表明，近年來(lái)A 測(cè)站的泥沙顆粒變大而B(niǎo) 測(cè)站的泥沙顆粒大小基本不變。

綜合上文對(duì)含沙量年際變化和潮周期變化的分析可以得出，近年來(lái)南港上游河道水體含沙量及背景含沙量變小，泥沙顆粒沉速變大，即泥沙粒徑變粗，細(xì)顆粒泥沙組分變少；而南港下游河道水體含沙量及背景含沙量、泥沙顆粒組分的變化均不明顯，表明在流域來(lái)沙銳減的背景下，南港泥沙細(xì)顆粒組分在時(shí)間和空間上呈現(xiàn)滯后減少的特點(diǎn)。

表2 A、B 兩測(cè)站不同年份Rouse 數(shù)，剪切速度，泥沙沉速和當(dāng)量粒徑

5 泥沙顆粒組成和形態(tài)的垂向變化

為研究南港懸沙和底沙的交換，對(duì)A 測(cè)站2011年洪季大潮期間懸沙和床沙的顆粒組成和形態(tài)進(jìn)行分析。如表3 所示，在高流速條件下水體中的泥沙顆粒較大，反之較小。總體上，粒徑由表層至底層逐漸增大。在大潮落急時(shí)刻，近底層（1.0H） 泥沙中值粒徑為43.28 μm，有些極值顆?？蛇_(dá)數(shù)百微米（圖6a）；中層（0.6H） 泥沙中值粒徑為23.73 μm，仍然有些極值顆?？蛇_(dá)數(shù)百微米（圖6b）；次表層（0.2H） 泥沙中值粒徑為11.96 μm，但也有些顆粒大于100 μm（圖6c），此時(shí)床面沉積物的中值粒徑為170 μm。在大潮漲憩時(shí)刻，各層流速和泥沙中值粒徑都很小并且變化不大，床面沉積物的中值粒徑只有6.30 μm，和水體中泥沙中值粒徑基本一致，電鏡照片顯示泥沙細(xì)小，單個(gè)顆粒不明顯（圖6d）。

表3 A 測(cè)站2011年洪季大潮期間中值粒徑和流速的垂向分布

泥沙顆粒組成和形態(tài)的垂向變化表明近期南港上游河道底沙運(yùn)動(dòng)活躍，懸沙和底沙的交換作用強(qiáng)烈（表3）。在漲落憩時(shí)刻，流速很小，懸沙會(huì)落淤河床，床面沉積物相對(duì)較細(xì)；在漲落急時(shí)刻，流速增大，沉積的泥沙又被再懸浮進(jìn)入水體，床面沉積物相對(duì)較粗。圖6b 中的泥沙顆粒較大且被磨圓拋光得很好，表明此類泥沙可能曾作為推移質(zhì)經(jīng)歷了長(zhǎng)期的滾動(dòng)過(guò)程；而圖6c 中的泥沙顆粒較小且表面很粗糙，表明此類泥沙可能并未經(jīng)歷長(zhǎng)期的滾動(dòng)過(guò)程而常懸浮在水中?？梢?jiàn)，由于泥沙再懸浮作用增強(qiáng)，近期南港上游河道底沙運(yùn)動(dòng)活躍，懸沙和底沙的交換作用強(qiáng)烈。

圖6 A 測(cè)站2011年洪季大潮期間泥沙掃描電鏡照片（圖中橫線為比例尺）

6 結(jié)論

近年來(lái)長(zhǎng)江口南港河道泥沙特性在三峽大壩蓄水?dāng)r沙后呈現(xiàn)一定的時(shí)間和空間變化規(guī)律。

（1） 南港上游河道含沙量在三峽大壩蓄水?dāng)r沙后的前幾年變化不大，但從2009年開(kāi)始顯著減少。南港下游河道含沙量到目前為止響應(yīng)變化較小。

（2） 南港兩測(cè)站流速和含沙量的潮周期變化表明，南港上、下游河道流速和含沙量的變化對(duì)流域來(lái)沙銳減及陸海動(dòng)力作用差異性的響應(yīng)存在不一致性。

（3） 泥沙再懸浮對(duì)南港含沙量的貢獻(xiàn)較大，再懸浮量可以達(dá)到最大含沙量的一半以上。并且，南港泥沙再懸浮作用相對(duì)三峽大壩蓄水?dāng)r沙之前有所增強(qiáng)。

（4） 泥沙顆粒組成和形態(tài)的垂向變化表明，由于泥沙再懸浮作用增強(qiáng)，近年來(lái)南港上游河道底沙運(yùn)動(dòng)活躍，懸沙和底沙的交換作用強(qiáng)烈。

（5） 在流域來(lái)沙銳減的背景下，南港泥沙特性最主要的變化是細(xì)顆粒泥沙組分的滯后減少。南港上游河道水體背景含沙量變小，泥沙顆粒沉速變大，即泥沙粒徑變粗，細(xì)顆粒泥沙組分變少；而南港下游河道水體背景含沙量、泥沙顆粒組分的變化均不明顯。可見(jiàn)，南港河道泥沙特性變化正處于對(duì)流域來(lái)沙銳減和陸海動(dòng)力相互作用的調(diào)整過(guò)程中。

致謝：華東師范大學(xué)河口海岸學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的戴志軍老師給本文提出了寶貴建議；電子顯微鏡中心的倪兵老師在電鏡觀測(cè)過(guò)程中給予了幫助；323 課題組成員參與了實(shí)地取樣工作，在此一并致謝！

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