长江口北港水沙特性及河床演变分析
发布时间：2020-03-20
摘要：本文重点分析长江口北港水域水文泥沙特征，主要对潮汐、潮流、含沙量及河床冲淤变化等实测数据进行了分析。研究成果可为业主单位、施工建设单位研究立项提供参考，为该水域的综合开发及管理提供科学依据。
关键词：北港;潮汐潮流;含沙量;冲淤变化
一、引言长江口为巨型多沙河口，径潮流动力强劲，滩槽演变复杂。近期长江口河床演变的边界条件，如流域来沙出现了明显的减小趋势，长江口区域内的人类活动如采砂、滩涂圈围和岸线开发等也有所加强。在自然演变和人类活动的双重影响下，长江口河势出现了新的变化。
长江口形成“三级分汊、四口入海”河势格局，北港为第二级分汊。北港拦门沙水道以横沙东滩窜沟为界分为上、下二段。北港上段在进北港的分流口通道变化时，会产生落潮主槽北、南易位的变化。在拦门沙上段深泓南移期间，经横沙东滩及窜沟泄入北槽的落潮流大增，滩面剥蚀，窜沟下切，大量底沙淤入北槽下段[1-3]。近十年来受南北港分汊口下扁担沙南沿、新桥沙等局部沙体不利变化、河段自身演变传递效应等影响，北港局部河床仍发生明显的冲淤变化，对北港河势及航道的稳定不利。
二、研究思路及方法
本文利用历史研究成果和水、沙及地形监测资料，系统对比分析和总结长江口北港水沙特性和河势变化规律，预测河床演变趋势，为长江口深水航道维护、长江口航道后续治理开发、河势控制以及其他水资源开发利用等涉水工程决策提供科学依据。具体分别以2014年7月洪季和2015年2月和11月枯季在北港实测的水文资料为依据，分析北港水域的水流动力、泥沙特性等;利用北港1973~2016年的地形数据，统计北港河道各时段的冲淤变化情况[4]。
三、北港水沙环境
长江口为中等强度的陆海双向河口，水流既受来自内陆的径流支配，又受外海潮汐侵入的影响，是非常复杂的周期性不恒定的往复流动。在北港水域河床冲淤主要决定于进出北港的径流与潮流两种势力的组合与对比。
1.潮汐及涨落潮历时
统计成果显示，无论是洪季还是枯季，从上游至下游，同步观测期间各站的平均潮位基本上呈逐渐降低的趋势，越往上游各站的平均潮位越高;各站的平均潮差从上游至下游，呈逐渐递增的趋势。各个站的平均落潮历时都长于平均涨潮历时，各站涨潮历时愈向上游愈短，而落潮历时则为愈向上游愈长，涨落潮历时之差愈向上游愈明显。这是由于口外潮波传入长江口后逐渐发生变形，潮波变形程度越向上游越大，导致长江口潮位、潮差和潮时沿程发生变化，潮时自河口愈向上游，涨潮历时愈短，落潮历时愈长。
横沙潮位站在2014年7月2日~2014年8月2日洪季测验期间，该站平均潮位为0.67m，平均潮差为2.57m，平均涨潮历时为4：58，平均落潮历时为7：26;在2015年1月24日~2015年2月24日枯季测验期间，该站平均潮位为0.26m，平均潮差为2.49m，平均涨潮历时为5：08，平均落潮历时为7：18。
2.潮流速
资料显示：北港口门外(5m等深线外，如BG3′处)潮流呈旋转流，由口外往口内，受河床地形约束，潮流逐渐呈往复流形态。从北港大桥下游(BG4)至北港口外(BG3’)，各垂线的涨、落潮动力沿程分布呈两头低中间高的态势。
洪季北港水域各垂线涨潮测点最大流速为2.20m/s，落潮测点最大流速为3.17m/s，涨、落潮测点最大流速分别出现在佘山至横沙浅滩之间的拦门沙水域(BG6和BG2’垂线处)，测区各垂线除BG5垂线涨潮测点最大流速略大于落潮外，其余各垂线均为落潮测点最大流速大于涨潮。从各线的垂线平均最大流速统计看，测验期间涨、落潮垂线平均最大流速分别为1.86m/s和2.61m/s，均出现在BG2’垂线处。
枯季北港水域，涨潮测点最大流速为2.08m/s，落潮测点最大流速为2.21m/s，分别出现在BG5和BG4垂线处。测验期间各垂线涨、落潮垂线平均最大流速分别为1.78m/s和1.61m/s，分别出现在BG5垂线和BG2’垂线处。
从落潮和涨潮垂线平均流速的落/涨比值看，洪季北港水域各垂线潮平均流速的落/涨比值在1.16~2.00之间;枯季各垂线潮平均流速(大潮)的落/涨比值在1.16~1.44之间。可见，无论是洪季还是枯季，北港水域各垂线均为落潮潮平均流速大于涨潮潮平均流速，测验区域以落潮流为主，落潮流动力强于涨潮。
2015年11月横沙浅滩附近实测资料显示：从测点最大流速看，枯季大潮期，除HS4垂线外，涨、落潮期垂线测点最大流速极值均出现在水体近表层，一定程度上体现出区域上部水流流速较快;除HS1外，其余各垂线表现为落潮期最大流速大于涨潮期，测点最大流速极值涨潮期为1.87m/s，落潮期为1.80m/s。
从各测线单宽潮平均流速看，涨潮潮平均流速最大值均出现在HS1垂线，为0.96m/s;落潮潮平均流速最大值均出现在HS4垂线，为0.79m/s。
3.潮平均含沙量
洪季，2014年7月实测资料表明：(1)北港水域，除BG2'垂线涨潮平均含沙量稍大于落潮外，其余各垂线均为落潮平均含沙量大于涨潮。其中涨潮潮平均含沙量最大值1.120kg/m3，落潮潮平均含沙量最大值0.935kg/m3，涨潮平均含沙量最大值出现在BG2'垂线处，落潮平均含沙量最大值出现在BG2'和BG6垂线处;涨、落潮潮平均含沙量最小值分别为0.063kg/m3和0.141kg/m3，均出现在最外侧的BG3'垂线处。(2)北港水域水体的含沙量浓度相差不大，涨、落潮平均含沙量基本上在1.00kg/m3以下。测区内，高含沙量区出现在测区中部的BG5至BG6垂线处，亦即为北港浑浊带区域。北港各垂线呈现为两头低，中部高的特点。
枯季2015年2月实测资料表明：(1)北港水域，大潮期，涨潮潮平均含沙量最大值1.06kg/m3，落潮潮平均含沙量最大值0.971kg/m3，涨、落潮平均含沙量最大值均出现在BG2’垂线处;小潮期，涨潮潮平均含沙量最大值0.179kg/m3，落潮潮平均含沙量最大值0.123kg/m3，分别出现在BG6和BG2’垂线处;(2)测验期间水体的含沙量浓度相差不大，涨、落潮平均含沙量均在1.00kg/m3以下。测区内，高含沙量区出现在测区中下部的BG5至BG6垂线处，呈现为两头低，中部高的特点。
横沙浅滩附近2015年11月各垂线测点最大含沙量及平均含沙量统计数据显示，大潮涨潮期测点最大含沙量为3.90kg/m3，位于HS3垂线的底层，落潮期测点最大含沙量为3.89kg/m3，亦出现于HS3垂线的底层。大潮涨潮期最大含沙量为1.11kg/m3，出现在HS3垂线;落潮期最大含沙量为1.41kg/m3，出现在HS4垂线。
四、河床冲淤变化
为较全面地掌握北港河道各时段的冲淤变化情况，分段统计了不同时段河道不同水深下的容积，其中上段计算范围为中央沙头~团结沙港，下段计算范围为团结沙港~佘山。
1.北港上段
北港上段5、10m水深下河槽容积呈增大之势，与1973年相比，2016年5、10m水深下容积累积分别增大了3.0、2.5亿m3，平均增大速度分别是0.070、0.058亿m3/a;0m水深下河槽容积，1973~2007年呈增大之势，2007年以后，受高滩圈围尤其是青草沙水库建设的影响0m以下河槽容积有所减少，2010年以后又呈增大之势。总体看，1973~2016年间，北港上段各水深下冲、淤速度分别为：0~5m平均淤积速度为0.90亿m3/a，5~10m平均冲刷速度为0.50亿m3/a，10m以下平均冲刷速度为2.5亿m3/a。
北港上段河床在1973~2016年期间，主要表现为淤滩冲槽，淤积主要发生在0~5m水深之间，而冲刷发生在5m水深以下;2016年长江大洪水期间，5m以下河床冲刷强度达到了0.30亿m3/a，为历年来最大值。
2.北港下段
北港下段上起团结沙港，下至佘山，长约42km，5m等深线的平均宽度约6.6km。该段为北港入海主槽，中间为拦门沙河段。
北港下段0、5、10m水深下河槽容积均呈震荡增大之势，与1973年相比，2016年0、5、10m水深下容积累积分别增大了4.53、2.72和0.51亿m3，平均增大速度分别是0.105、0.063和0.012亿m3/a。就各时段不同水深下河床冲淤情况来看，近期0~5m和5~10m区间河床冲淤互现，但总体以刷深为主，平均刷深的速度分别为0.042和0.051亿m3/a。表明，随着北港上段河道整治及圈围工程的实施，以及长江口深水航道治理工程和横沙东滩促淤圈围工程的建设，下段拦门沙河段的水深条件有逐步改善之势。
3.横沙浅滩
为了解横沙浅滩水域河床的冲淤变化情况，以目前的2m串沟中心线为界分为东北部分(N23下-北计算区域)和西南部分(N23下-南计算区域)两个区域，计算区域最大长度为28.2km，其中东北部分偏半圆形，面积约239.4km2;西南部分偏三角形，面积约102.3km2。
近期，横沙浅滩2m串沟中心线东北区域沙体在1997年12月~2015年8月期间呈持续淤积之势，沙体平均淤厚了约0.985m;2015年8月之后转为冲刷状态，至2016年10月河床平均冲刷厚度在0.428m左右。横沙浅滩2m串沟中心线西南区域至北导堤之间三角形地带沙体虽冲淤互现，但刷深时段远大于淤积时段，累积河床以刷深为主。其中，2002年9月~2007年8月，该区域沙体以淤积为主，平均淤厚了约0.414m，期间有关部门实施了N23护滩潜堤工程、横沙东滩一期和二期促淤工程等，表明上述工程实施以后，计算区域河床出现了短暂的淤积状态，随后在横沙五期大道和横沙东滩六~八期圈围工程实施以后河床又转为刷深态势。2010年长江口深水航道开通以来，该区域河床平均刷深了约0.809m，平均刷深速度为0.135m/a;2016年长江大洪水期间该区域河床刷深强度明显加大，达到了0.645m/a。
4.河床冲淤变化特征
南、北港分汊口有关整治工程实施以后，分流状态初步得到了控制，其下游附近的滩槽由自然演变状态转入有界条件下的可控状态。总体上，北港近年呈现“滩淤槽冲”的特性。北港上段深泓偏北;青草沙水库外沙“上冲下淤”，堡镇沙上段受到较为严重的冲刷，其下段沙体不断淤涨下延，并被水流切割下移，迫使北港下段主槽南偏，北港河段形成微弯型走势。北港下段拦门沙区段“北淤南冲”，入海主河槽的水深条件有逐步改善之势。
五、结论
(1)北港平均潮位基本上呈逐渐降低的趋势，越往上游各站的平均潮位越高;北港水域洪季平均潮位、潮差和落潮历时均大于枯季，而枯季涨潮历时大于洪季。北港涨、落潮动力沿程分布呈两头低中间高的态势;北港水域各垂线均为落潮潮平均流速大于涨潮潮平均流速，测验区域以落潮流为主，落潮流动力强于涨潮。北港水域水体的含沙量浓度相差不大，各垂线呈现为两头低，中部高的特点。
(2)北港上段河床在1973~2016年期间，主要表现为淤滩冲槽，淤积主要发生在0~5m水深之间，而冲刷发生在5m水深以下;北港下段0、5、10m水深下河槽容积均呈震荡增大之势;横沙浅滩2m串沟中心线东北区域沙体在1997年12月~2015年8月期间呈持续淤积之势，沙体平均淤厚了约0.985m;横沙浅滩2m串沟中心线西南区域至北导堤之间三角形地带沙体虽冲淤互现，但刷深时段远大于淤积时段，累积河床以刷深为主。
(3)南、北港分汊口有关整治工程实施以后，分流状态初步得到了控制，其下游附近的滩槽由自然演变状态转入有界条件下的可控状态。总体上，北港近年呈现“滩淤槽冲”的特性。北港上段深泓偏北;青草沙水库外沙“上冲下淤”，堡镇沙上段受到较为严重的冲刷，其下段沙体不断淤涨下延，并被水流切割下移，迫使北港下段主槽南偏，北港河段形成微弯型走势。北港下段拦门沙区段“北淤南冲”，入海主河槽的水深条件有逐步改善之势。
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