陸雪駿，程和琴，胡浩，郭興杰，劉高偉，吳帥虎

（華東師范大學(xué) 河口海岸學(xué)國家重點(diǎn)實驗室，上海 200062）

推移質(zhì)運(yùn)動是河流中泥沙運(yùn)動的普遍形式之一，對地貌演變有重要影響，所以理解推移質(zhì)運(yùn)動對實際生產(chǎn)有著重要的理論指導(dǎo)意義。由于推移質(zhì)運(yùn)動處于水底床面附近，以往受限于觀測方法和儀器條件，觀測難度較大、耗資巨大，成為人類工程建設(shè)的一個技術(shù)難點(diǎn)。

傳統(tǒng)推移質(zhì)觀測由于采樣器的阻水作用，改變了床面運(yùn)行的推移泥沙的水力條件，造成偏差（張瑞瑾等，1998），隨著測量技術(shù)的發(fā)展，利用新型的測量儀器嘗試觀測推移質(zhì)運(yùn)動成為可能。國外Rennie 等（2002） 首先利用ADCP（聲學(xué)多普勒流速剖面儀） 的底跟蹤（Bottom Track） 功能觀測河床推移質(zhì)視速度（va），發(fā)現(xiàn)與傳統(tǒng)采樣器測的推移質(zhì)輸沙率有高度相關(guān)性，確認(rèn)ADCP 觀測推移質(zhì)運(yùn)動的可行性（Colin，2002；Colin，2004）；國內(nèi)吳中等（2002） 建立ADCP 的底跟蹤和GPS 信號的聯(lián)系，證實了利用ADCP 底跟蹤與GPS 定位差距分析底沙運(yùn)動的理論正確、方法可行（吳中等，2002）。ADCP 觀測推移質(zhì)方法優(yōu)于傳統(tǒng)采砂器測量方法，采用非侵入式手段，不破壞現(xiàn)場水流結(jié)構(gòu)。在實際測量應(yīng)用中，把ADCP 測得推移質(zhì)運(yùn)動視速度近似看作推移質(zhì)運(yùn)動速度（Kostaschuk，2005），對了解和掌握長江口推移質(zhì)運(yùn)動規(guī)律有重要意義。

本文采用定點(diǎn)測量方法，利用ADCP 對長江口砂質(zhì)河床推移質(zhì)運(yùn)動進(jìn)行觀測，分析了推移質(zhì)運(yùn)動在漲、落潮周期內(nèi)的變化情況。

1 數(shù)據(jù)采集

ADCP 的實測資料來自筆者所在課題組在長江口S1（長興島北側(cè)）、S2（南北槽分流口）、S3（崇明東灘南側(cè)）、S4（橫沙島北側(cè)）、S5（南匯南灘） 和S6（橫沙通道北側(cè)） 共6 個測點(diǎn)的定點(diǎn)水文觀測（圖1） 資料，時間尺度為二個潮周期。S1、S3、S4、S5 測點(diǎn)于2012年6月6-7日測量，S2 測點(diǎn)于2013年7月10-11日測量，S6 測點(diǎn)于2013年7月1-2日測量。

此次數(shù)據(jù)采集使用的是美國RDI 公司生產(chǎn)的600 kHz 型ADCP，具體由WinRiver 軟件對ADCP的換能器實現(xiàn)操控和采樣，采樣時間間隔設(shè)置為5 s，換能器入水深度為1 m。同時，采用高精度差分GPS 和外部GPS 羅經(jīng)進(jìn)行定位。

底層泥樣采集采用帽式采集器，并用聚乙烯塑料袋密封存放。在實驗室內(nèi)，用超聲波震蕩分散，使用MASTER SIZER 2000 型激光粒度分析儀經(jīng)行粒度分析。

圖1 長江口自然地理概況及測站位置

2 觀測原理

ADCP 是目前世界上先進(jìn)的流速流量測量設(shè)備，其利用多普勒原理探測水體中微顆粒的運(yùn)動速度而推測水體流速。ADCP 提供兩種方法測量安裝平臺的速度：一是“底跟蹤”技術(shù)，ADCP 通過接收和處理來自水底的回波信號而計算得到ADCP 的安裝平臺與底床的相對速度（vBT）；二是利用GPS全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)測量安裝平臺的速度（vDGPS）（趙勝凱 等，2007；楊俊輝，2009）。在測量時，如果床面沒有推移質(zhì)運(yùn)動，那么ADCP 的安裝平臺相對于底床的速度等于安裝平臺參照GPS 得到的速度，即：

圖2 各測點(diǎn)漲落急階段航跡圖（底跟蹤航跡為三角形，GPS航跡為正方形）

如果是存在推移質(zhì)運(yùn)動的情況下，那么ADCP的安裝平臺相對于水底的速度和安裝平臺參照GPS得到的速度之間存在偏差，差值就是推移質(zhì)運(yùn)動速度（va） （Colin D，2002），即：

ADCP 所提供的測量速度有東西（ve）、南北（vn） 方向上的分量，利用公式計算出速度（Colin，2007）：

3 結(jié)果

3.1 各測點(diǎn)航跡圖

通過ADCP 數(shù)據(jù)處理軟件WinRiver 查看航跡圖，筆者選取了各站點(diǎn)觀測期間漲、落急時段的航跡圖（圖3），三角形代表測量船參考底跟蹤的航跡，正方形代表測量船參考GPS 定位的航跡。通過航跡圖，能夠觀察到，底跟蹤的航跡與GPS的航跡有明顯的偏移，且各測點(diǎn)落潮與漲潮時刻的偏移方向是相反的。S1 測點(diǎn)落急時段，GPS 航跡基本不變，符合定點(diǎn)測量的事實；底跟蹤航跡持續(xù)向西北方向延伸了一段距離，起點(diǎn)為（0，0），終點(diǎn)為（-256，230），航跡向西北方向移動了344 m，歷時為2 400 s，由此可算出船的平均相對運(yùn)動速度為0.51 m/s，即底床相對于測量船的運(yùn)動平均速度為0.51 m/s。由此說明底床存在推移質(zhì)運(yùn)動。同樣，S1 漲急時段和S2、S3、S4、S5、S6 漲、落急時段都存在推移質(zhì)運(yùn)動。

可見，在漲、落急時段流速較強(qiáng)、推移質(zhì)運(yùn)動速度較大時，ADCP 可以直觀地觀測到推移質(zhì)運(yùn)動速度變化，且通過觀察水流流向（表1） 和底跟蹤航跡偏移方向，可得出推移質(zhì)運(yùn)動方向和水流流向基本一致。

3.2 各測點(diǎn)潮流特征

S1、S2、S3、S4、S5、S6 測點(diǎn)處的潮流性質(zhì)屬于非正規(guī)半日淺海潮流，水流運(yùn)動形式為往復(fù)流，漲落潮流向相反（沈煥庭等，1979）。觀測數(shù)據(jù)顯示（表1），受長江徑流量及測點(diǎn)位置的影響，S1、S2、S3、S4 和S6 測點(diǎn)落潮平均流速一般比漲潮平均流速大；因S5 測點(diǎn)位于最大渾濁帶的攔門沙區(qū)域，潮流和徑流動力條件相當(dāng)，故漲、落潮平均流速差別不大。S1、S2、S4 和S6 測點(diǎn)落潮最大流速與漲潮最大流速，分別相差0.56 m/s、0.12 m/s、0.29 m/s、0.16 m/s；S3 和S5 測點(diǎn)情況相反，漲潮最大流速比落潮分別大了0.11 m/s 和0.82 m/s。

表1 各測點(diǎn)落潮、漲潮流速對比單位：m/s

S1、S2、S3 和S4 的流速過程線存在著明顯的不對稱現(xiàn)象，落潮流速過程線相對平緩且持續(xù)時間較長；漲潮流速過程線的頂峰明顯且持續(xù)時間短，落潮流的強(qiáng)度超過漲潮流，落潮歷時長于漲潮歷時，強(qiáng)流速時間持續(xù)3～4 小時。漲、落潮流流向基本上與河槽主軸線平行。S5 和S6 測點(diǎn)漲、落潮流速過程線基本上對稱，漲落潮峰值和持續(xù)時間都相近。

3.3 各測點(diǎn)床沙粒徑

各測點(diǎn)床沙粒徑統(tǒng)計如表2，S1 測點(diǎn)的中值粒徑最大，D50=0.094 mm，為極細(xì)砂質(zhì)。S6 測點(diǎn)的中值粒徑最小，D50=0.010 mm，為中黏土質(zhì)。所以此次研究討論范圍在粗粉砂至極細(xì)砂質(zhì)河床。

表2 各測點(diǎn)河床粒徑統(tǒng)計表

4 討論

4.1 推移質(zhì)運(yùn)動速度隨流速變化過程

圖3 各測點(diǎn)垂線平均流速（實線）、平均流向（虛線） 和推移質(zhì)運(yùn)動速度

通過公式（2） 和公式（3） 可計算出推移質(zhì)運(yùn)動速度，可以直觀地看到推移質(zhì)運(yùn)動速度在潮周期內(nèi)的變化過程（圖3）。觀察推移質(zhì)運(yùn)動速度變化過程曲線和潮流流速變化過程曲線，我們可以發(fā)現(xiàn)兩者呈現(xiàn)“對應(yīng)、不對稱”的特征。

“對應(yīng)”指在觀測的二個潮周期內(nèi)，各測點(diǎn)的推移質(zhì)運(yùn)動速度變化都與垂線平均流速變化一致，即在落急和漲急時段，推移質(zhì)運(yùn)動速度會達(dá)到最大值。但在S1（10 ∶25-15 ∶25）、S2（10 ∶25-15 ∶25） 測點(diǎn)的一次漲潮過程中和S3（7 ∶45-22 ∶45）測點(diǎn)的一次漲潮至落潮的變化過程中，推移質(zhì)運(yùn)動速度并沒有明顯的增大后又減小的變化過程，這與潮流流速和底質(zhì)粒徑大小有關(guān)，過小的流速不能使該測點(diǎn)底質(zhì)發(fā)生推移質(zhì)運(yùn)動（錢寧等，1983）。

“不對稱”現(xiàn)象指推移質(zhì)運(yùn)動速度變化歷時比潮流流速變化歷時短（表3），推移質(zhì)運(yùn)動速度變化過程曲線與潮流流速變化曲線比較，其峰值較尖。以泥沙起動流速為臨界劃分推移質(zhì)運(yùn)動狀態(tài)（胡浩等，2014），當(dāng)流速達(dá)到臨界流速時，明顯的推移質(zhì)運(yùn)動才會發(fā)生，這與測點(diǎn)的底質(zhì)粒徑大小有關(guān)（圖4）。

各測點(diǎn)底質(zhì)粒徑與推移質(zhì)運(yùn)動起動臨界速度形成反比趨勢，受細(xì)顆粒泥沙之間的粘結(jié)力的影響，隨著粒徑的減小，也變得越來越不容易起動。

表3 各測點(diǎn)潮流、推移質(zhì)運(yùn)動速度變化歷時單位：h

圖4 各測點(diǎn)臨界流速和中值粒徑關(guān)系

4.2 推移質(zhì)運(yùn)動速度變化特征

表4 為各測點(diǎn)推移質(zhì)運(yùn)動速度的統(tǒng)計，S1、S2、S3、S4 和S6 測點(diǎn)落急的推移質(zhì)運(yùn)動速度均大于漲急的推移質(zhì)運(yùn)動速度，且落潮階段推移質(zhì)運(yùn)動持續(xù)時間大于漲潮階段（圖3）；S5 測點(diǎn)的推移質(zhì)運(yùn)動漲、落潮時段沒有明顯的差別，這與當(dāng)?shù)氐某绷魈卣鞅３忠恢隆?/p>

S1、S2、S3、S4、S5、S6 各測點(diǎn)受淺海、河口水下地形、徑流等影響，潮流變化均有顯著的潮汐不等特征，相鄰的二次落潮或（漲潮） 的流速不等，導(dǎo)致了各測點(diǎn)相鄰的二次落急（或漲急） 的推移質(zhì)運(yùn)動速度不等。這種不等在S1 和S3 測點(diǎn)體現(xiàn)得尤為明顯，S1 測點(diǎn)第一次落潮推移質(zhì)運(yùn)動速度比第二次落潮推移質(zhì)運(yùn)動速度大了一個數(shù)量級（表4）；在S3 測點(diǎn)，第一次漲落潮推移質(zhì)運(yùn)動速度明顯大于第二次落潮推移質(zhì)運(yùn)動速度，甚至在第二次落潮和漲潮之間的推移質(zhì)運(yùn)動速度始終保持在一個較小的值，沒有發(fā)生明顯起伏變化（圖3）；同樣，在S2 的兩次漲潮時段和S4、S6 的兩次落潮時段都出現(xiàn)了推移質(zhì)運(yùn)動速度日變化不相等的情況。在各測點(diǎn)，潮汐不等現(xiàn)象導(dǎo)致了推移質(zhì)運(yùn)動速度的日變化不等，又因為臨界起動速度的存在，使推移質(zhì)運(yùn)動速度的變化不等現(xiàn)象比潮汐日不等現(xiàn)象更加顯著，說明在較長時間尺度下，長江河口凈推移質(zhì)輸沙方向與落潮流方向一致。

表4 各測點(diǎn)漲、落急時段推移質(zhì)運(yùn)動速度單位：m/s

4.3 誤差分析

基于ADCP 測量推移質(zhì)運(yùn)動的誤差主要由DGPS 系統(tǒng)誤差、船體晃動產(chǎn)生的傾斜誤差和ADCP 自身噪聲組成。

在潮流轉(zhuǎn)流時段，因為流速變小，甚至為零，所以實際推移質(zhì)運(yùn)動速度為零。但在圖3 中我們可以看到，在各測點(diǎn)轉(zhuǎn)流時段，推移質(zhì)運(yùn)動速度雖然小但不為零，這是因為GPS 存在誤差，無法與底跟蹤完全同步?？梢哉J(rèn)為在潮流轉(zhuǎn)流時段，流速條件不足以發(fā)生推移質(zhì)運(yùn)動，而此時推算出的推移質(zhì)運(yùn)動速度就是絕對誤差的下限，對實際推移質(zhì)運(yùn)動速度存在高估，通過計算高估值范圍在0.016-0.038 m/s 之間（表4）?？梢?，S1 落急1，S2 落急1、漲急1、落急2 和S6 落急2 計算得出的推移質(zhì)運(yùn)動速度比高估值大了一個量級，具有較高的可信度。

5 結(jié)語

（1） 通過ADCP 多普勒流速剖面儀觀測，在漲急、落急時段有明顯的推移質(zhì)運(yùn)動，能直觀體現(xiàn)半日潮對底沙運(yùn)動的周期性影響。

（2） 推移質(zhì)運(yùn)動速度變化過程曲線和潮流流速變化過程曲線呈現(xiàn)“對應(yīng)、不對稱”的特征。

（3） 推移質(zhì)運(yùn)動速度的日不等現(xiàn)象比潮流流速日不等現(xiàn)象更加顯著。

（4） 通過轉(zhuǎn)流時段推移質(zhì)運(yùn)動不存在的特征，計算出使用ADCP 觀測推移質(zhì)運(yùn)動速度的高估范圍為0.016-0.038 m/s。

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