采用示踪砂方法研究长江口北槽下航道南侧抛泥区泥沙运移趋势

张效龙，刘敦武，王慧艳，徐家声，王景川，李俊生

(1. 大连海事大学环境科学与工程学院，辽宁 大连116026；2. 国家海洋局第一海洋研究所，山东 青岛266061;3. 华为海洋网络有限公司，天津 塘沽300457)

采用示踪砂方法研究长江口北槽下航道南侧抛泥区泥沙运移趋势

张效龙1,2,3，刘敦武2，王慧艳2，徐家声2，王景川2，李俊生2

(1. 大连海事大学环境科学与工程学院，辽宁 大连116026；2. 国家海洋局第一海洋研究所，山东 青岛266061;3. 华为海洋网络有限公司，天津 塘沽300457)

采用中子活化示踪砂技术，对长江口北槽下航道南侧抛泥区泥沙运移趋势进行了现场示踪研究。研究结果表明：在航道南侧抛泥区抛泥，泥沙的运移扩散方向在导堤内基本与航道平行，近似长带形分布。出导堤后运移扩散的主导方向偏向东南。在导堤内进入或越过航道的泥沙量很少，出导堤后进入或越过航道的泥沙量更少。回槽率估算结果表明，在抛泥后第3 d，泥沙回槽率＜4.6%；抛泥后第4 d，泥沙回槽率＜5.6%；抛泥后第5 d，泥沙回槽率＜5.3%。由此得出泥沙回槽率不高，航道南部的抛泥区是较为理想的抛泥区。

长江口北槽下航道；抛泥区；泥沙运移；回槽率；示踪砂

在泥沙运移规律的研究中，可以通过追踪示踪砂来获得沉积物的运移方向、搬运速度及搬运速率等信息[1]。示踪砂技术主要有3种，分别为流明砂（荧光砂）技术、放射性示踪砂技术和中子活化示踪砂技术。到目前为止，示踪技术已被广泛应用于河流底质输沙、海岸带沿岸输沙[2,3]、河口水沙过程、潮汐叉道输沙过程、海岸工程的冲淤效应、港口底质活动性[4-6]、浅海表层沉积物运动、泥沙活动层的厚度、各种输沙公式的对比验证、污染物的运移和扩散过程、地下水的运移过程、微量元素的运移和自然环境修复过程等多种领域[7]。由于流明砂（荧光砂）和放射性示踪砂技术缺点较多，而中子活化示踪砂技术是采用非放射性同位素作为标示物，具有不污染环境，不危害操作人员健康，不改变泥沙的粒度组成和比重，可长期观察等优点，得到广泛的应用，并取得了良好应用效果[4-6,9-12]。中子活化示踪砂技术是采用非放射性同位素作为标示物，利用中子活化分析的方法监测泥沙中标示物的含量，依据其含量的大小，分析泥沙分布及运移趋势[8]。

长江口北槽航道位于长江入海口九段沙浅滩的北侧（见图1），是长江口的重要航道之一。泥沙运移研究一直是该地区倍受关注的问题。1994年李樟苏等利用放射性示踪砂定量研究了长江北槽航道抛泥区底沙的运动[13]。2003年吴加学等研究了长江口北槽抛泥流速和悬沙浓度时空分布及长江河口北槽抛泥作业状态下的悬沙浓度分布与扩散过程[14,15]。随着上海港集装箱吞吐量的快速增长，要求长江口北槽航道浚深至12.5 m，工程产生的大量疏浚泥沙需要倾倒处置。而目前长江口外的2号、3号抛泥区离疏浚现场远，抛泥成本太大，为降低疏浚成本，拟在整治段内选择合适的抛泥区。本文采用中子活化示踪技术对长江口北槽下航道南侧抛泥区泥沙运移趋势进行了现场示踪研究，探讨了拟选抛泥区抛泥后泥沙的运移趋势及回槽率状况，为整治区内抛泥区的选定提供技术资料。

1 示踪砂的制备

依据研究区泥沙的特点和示踪信号元素的选取原则，选用铱（Ir）元素作为示踪信号元素。根据文献[8]的制备方法，取金属铱（Ir）粉与氯化钠(NaCL)按1:3混合后装于长石英管中。将长石英管置于特制管状炉中加热，并连续通入氯气，使铱金属粉转化成可溶的铱盐(Na3IrCL6)。将反应物取出倒入塑料桶中加去离子水溶解，配制Ir标示溶液。本试验Ir用量为9.6 × 105mg。取研究区现场采集的泥沙3t，用去离子水反复洗涤，直至洗涤液中加入AgNO3溶液后不再出现白色沉淀为止。将配制的Ir标示溶液充分与现场采集的泥沙混合，使得每1 kg泥沙吸附320 mg的Ir元素，制备成示踪砂。

图1 研究区地理位置Fig. 1 Location of the research areas

示踪砂粒度组成如表1所示。据表1分析，示踪砂的平均粒径为0.046 2 mm，粘粒含量大于10%。根据文献[6]泥沙对Ir吸附试验结果，判断该泥沙对Ir的吸附率不会超过6%，说明用Ir作为示踪信号制备的示踪砂是适合本研究的。

表1 示踪砂粒度特征Tab. 1 Particle size character of the tracer sands

2 现场及室内试验

2.1 示踪砂的投放及采集

根据长江口北槽下航道的特征，示踪砂投放点选在S7、S8号丁坝中线航道以南预选抛泥区内的A点（122°10′17″E，31°09′53″N），水深8 m（见图2）。2005年7月22日13:00时高平潮时，将3 t制备好的示踪砂装船运往投放点，在离航道底面2.5 m高处将3 t示踪砂投放至海底面上。投放前在试验区的上、中、下3区内各采集1个泥沙本底样品。2005年7月24－26日分别在14:00时，15:00时和16:00时高平潮时，以投放点为中心，在下游方向和上游方向分别布设的6个和5个采样断面、67个采样点（见图2）采集表层泥沙样品。每个采样点采集泥沙的厚度为0 cm～5 cm，采样量均大于100 g，共采集样品204个。

图2 示踪沙投放及取样站位分布图Fig. 2 Distribution of tracer sands thrown and collected location

2.2 泥沙样品的室内分析[8]

因所取样品中标示物含量为超痕量（约在10-9g数量级），且在样品中分布不均，难以直接进行中子活化分析。为此，首先需将各站采集的泥沙样品干燥后，研磨成粉状，然后采用火试金法对样品中的Ir进行富集。具体步骤为：①配料：称取50 g泥沙样品，80 g碳酸钠，20 g硼砂，45 g碱式碳酸铅和5 g面粉混合均匀后倒入试金坩埚中。②熔融：把坩埚放入预热至1 000℃的试金炉中升温熔融，达1 100℃后再保持30 min，取出坩埚倒熔融体入铁模中，冷却后取出铅扣，砸去熔渣。③灰吹：把铅扣放入镁砂灰皿中灰吹至0.5 g，将灰皿放在水盘中冷却。随后打破灰皿，取出铅珠。④制样：将铅珠制成≤0.5 mm厚的铅片，再夹入Ir的标准铅片，制成原子反应堆照射靶样。

将活化靶样放入高能量研究型重水反应堆反射孔道内辐照10 h。从反应堆中取出样品冷却10 d，随后利用高纯锗 γ 射线探测器（相对效率为30%，对钻-60的1.33 kev的射线分辨率为1.9 kev）、S-40系列多道脉冲分析器及PDP-11计算机在线数据获取系统获得各个样品中Ir的含量（以Ir的316 kev特征峰为度量标准）。然后，利用求得的样品中Ir的含量来分析示踪砂的运移趋势。图3－图5为实测 γ 射线能谱图。表2为各站各次样品中Ir的含量结果统计表。

图3 本底样品γ能谱图Fig. 3 γ .energy spectrum of background sample

图4 76号站第三次样品γ.能谱图Fig. 4 .γ energy spectrum of the sample collected at the third time in the 76th position

图5 标准样品γ.能谱图Fig. 5 γ. energy spectrum of criterion sample

3 结果分析

3.1 示踪砂运移趋势分析

通过对表2试验数据的分析，绘制了不同采样期示踪砂扩散分布图，如图6、图7和图8所示（图中站位见图2）。通过分析每个采样断面的试验数据，绘制了3次采样各断面示踪砂的分布特点，如图9所示。根据图6、图7、图8和图9分析，示踪砂的运移存在如下特征：

a) 示踪砂在水流作用下运动，因导堤的作用使河道内的水体流动受到限制，因而造成示踪砂的主导运移扩散方向在导堤内基本上与航道平行，近似长带形分布，出导堤后泥沙运移扩散的主导方向偏向东南（见图6、图7和图8）。

b) 示踪砂主要分布在航道的西南，且在与航道平行的区域内运移扩散或沉积。在导堤内进入和越过航道的泥沙量很少（见图9），出导堤后因示踪砂在流的作用下向东南方向运移扩散，偏离航道愈来愈远，进入外航道的泥沙量亦愈来愈少。

图6 投放2天后示踪沙分布图（以Ir表示，单位：×10-9g）Fig. 6 Distribution of tracer sands diffusion after being thrown two days (shown by Ir , unit: ×10-9g)

图7 投放3天后示踪沙分布图（以Ir表示，单位：×10-9g）Fig. 7 Distribution of tracer sands after being thrown three days (shown by Ir , unit: ×10-9g)

图8 投放4天后示踪砂分布图（以Ir表示，单位：×10-9g）Fig. 8 Distribution of tracer sands after being thrown four days(shown by Ir , unit: ×10-9g)

c) 在航道以北有示踪砂检出（见表2和图9），说明有少量示踪砂以悬移质运移方式越过航道，部分泥沙可能在航道内沉积，对航道安全可能造成一定影响。但因检出示踪砂的量很少，因而在预选抛泥区抛沙对航道影响应不大。

表2 泥沙样品中Ir含量结果统计表（单位1×10-9）Tab. 2 Statistical results of Ir content in the sediment samples(unit: 1×10-9)

3.2 抛泥回槽率的估算及探讨

通过上述示踪砂运移扩散规律的研究可知，进入航槽的示踪砂有一定的含量，因此必须进行回槽率的估算及分析。本次试验要给出准确回槽率，存在诸多困难。因为，尽管中子活化示踪砂技术有诸多优点，且应用广泛，但其缺点是不能实施现场实时跟踪监测，必须在分析数据出来后，方能获知示踪砂的扩散范围及规律。因而，本文只能在试验的特定条件下，对示踪砂的回槽率进行估算。示踪砂回槽率估算采用的公式为：

式中：估为本次试验示踪砂回槽率的估算值；为本次试验检测到的示踪砂扩散区域内示踪砂总量，Q槽：槽内测区示踪砂的量。又：

上述式中：Q槽北为槽北测区内示踪砂的量；Q槽南为槽南Ir值为1×10-9g的等值线所围测区内的示踪砂的量（小于1 × 10-9g区域内示踪砂的量视为零）。、I槽北分别代表槽内、槽北单位面积示踪砂的含量；S槽、S槽北分别代表槽内、槽北示踪砂检出区的面积。IA为A点单位面积示踪砂的量；I20、I10、I5、I2、I1分别为Ir值为20 × 10-9g、10 × 10-9g、5 ×10-9g、2 × 10-9g 和1 × 10-9g的等值线处单位面积示踪砂的含量；S20、S10、S5、S2、S1分别为为Ir值为20 × 10-9g、10 × 10-9g、5 × 10-9g、2 × 10-9g 和1× 10-9g的等值线所围区域的面积。

通过上述计算公式结合试验数据，对示踪砂回槽率进行估算，结果列于表2。在回槽率估算中，因统计的示踪砂总量为扩散全域内绝大部分区域的示踪砂量（小于1 × 10-9g区域内示踪砂的量视为零），而非全域内示踪砂的量Q总，即所以实际回槽率实应小于计算的估计回槽率估。由表3的估算结果分析，若在S7、S8中线航道以南水深-8 m（A点）处抛泥，抛泥后第2天，泥沙回槽率应＜4.6%；抛泥后第3天，泥沙回槽率应＜5.6%；抛泥后第4天，泥沙回槽率应＜5.3%。因观测时间短，长期运移的回槽率不能准确确定。但因下航道流速较大，示踪砂运移扩散速度较快，且出导堤后泥沙主流向转向东南方向运动，而外航道则向东向伸展，由此推断，随着时间的推移泥沙回槽率只能越来越低。由于泥沙回槽率不高，因而本研究认为，在航道南侧-8 m水深处抛泥不会对航道造成影响，航道南部的抛泥区是较为理想抛泥区。

表3 相关参数及计算结果统计表Tab. 3 Calculation parameters and consequences statistic chart

图9 3次采样各断面示踪砂的分布特点Fig. 9 Distribution character of tracer sands in different sampling sections during three sample collecting

4 结 论

a）通过对长江口北槽下航道南侧预选抛泥区泥沙运移扩散规律的示踪砂研究，认为在抛泥区抛泥后，泥沙的运移扩散方向在导堤内基本上与航道平行，近似呈长带形分布，出导堤后运移扩散的主导方向偏向东南；泥沙运移主要在与航道平行的区域内运移扩散。在导堤内进入或越过航道的泥沙量很少，出导堤后进入或越过航道的泥沙量更少。

b）通过对回槽率的估算和探讨，在抛泥后第2 d，泥沙回槽率＜4.6%；抛泥后第3 d，泥沙回槽率＜5.6%；抛泥后第4 d，泥沙回槽率＜5.3%。同时，根据泥沙的运移扩散规律和航道的延伸方向等推断，随着时间的推移泥沙回槽率将越来越低。

[1] Sauzay G, Principles of tracer methods In: international Atomic Energy Agency. Technical Reports Series No 145: [R]. Tracer Techniques in Sediment Transport Vienna, 1973: 9-l2.

[2] 车越, 何青. 电站附近水域泥沙淤积的示踪研究 [J]. 海洋科学2002, 26(1): 64-67.

[3] 徐孝彬, 王建. 潮滩底移质泥沙运动磁性示踪试验及问题 [J].南京师大学报, 1996, 19(3): 85-87.

[4] 尹毅, 贾桂华. 淇澳岛东南抛泥区对珠海九洲港航道的影响 [J].海洋与湖沼, 1992, 23(3): 260-263.

[5] 尹毅, 常乃环. 天津港抛泥区泥沙运动规律的研究 [J]. 海洋与湖沼, 1992, 23(6): 647-650.

[6] 孙连成, 尹毅. 用中子活化示踪技术研究天津港抛泥地底沙运动[J]. 泥沙研究, 1994, (1): 72-77.

[7] 贾建军, 高舒, 汪亚萍. 人工示踪沙实验的原理与进展 [J]. 海洋通报, 2000,19(2): 80-89.

[8] 尹毅, 孙树正. 中子活化示踪沙技术的研究 [J]. 中国科学: A辑,1992, 00A(7): 781-784.

[9] 尹毅, 仲维妮. 中子活化示踪技术在环境科学中的应用方法 [J].环境科学学报, 1995, 15(3): 370-374.

[10] 尹毅, 仲维妮. 伶仃洋三角山以北抛泥区泥沙(推移质)运动及其对航道回淤影响的研究 [J]. 海洋学报, 1995,17(3), 122-126.

[11] 尹毅, 常乃环. 同位素技术在海洋倾废区选划中的应用 [J]. 黄渤海海洋, 1996, 14(1): 57-61.

[12] 尹毅, 仲维妮. 黄骅港抛泥区泥沙运动规律的研究 [J]. 港工技术, 1996, (4): 1-4,7.

[13] 李樟苏, 程和森, 曹更新. 利用放射性示踪沙定量观测长江口北槽航道抛泥区底沙运动 [J]. 泥沙研究, 1994(2): 59-67.

[14] 吴加学, 张叔英, 任来法. 长江口北槽抛泥流速和悬沙浓度时空分布观测 [J]. 海洋学报, 2003, 25(4): 91-103.

[15] 吴加学, 张叔英, 任来法. 长江河口北槽抛泥作业状态下的悬沙浓度分布与扩散过程 [J]. 海洋与湖沼, 2003, 34 (1): 83-93.

Sediment movement tendency investigated in the silt-thrown area in the southside of lower sea-route in the Yangzi estuary north trough using tracer technique

ZHANG Xiao-long1,2,3, LIU Dun-wu3, WANG Hui-yan2, XU Jia-sheng2, WANG Jing-chuan2, LI Jun-sheng2
(1. Environmental Science and Engineering College, Dalian Maritime University, Dalian 116026, China;2. First Institute of Oceanography, SOA, Qingdao 266061, China; 3. Huawei Marine Networks Limited Company, Tianjin 300457, China)

An on-site tracer test has been carried for the sediment movement tendency of the silt-thrown area in the southside of lower sea-route in the Yangzi estuary north trough. The result indicates that the sediment movement and diffusion main direction is parallel with the sea-route inside the guide levees. Its distribution is almost long-band shape.Out of the guide levees, the sediment movement and diffusion main directions deviate toward the southeast. Little sediment enters in or over the sea-route in the guide levees, loss out of the guide levees. Then, the sediment return-trough ratio is calculated and analyzed. The conclusion is that sediment return-trough ratio is ＜4.6% at the second day, ＜5.6% at the third day and ＜5.3% at the fourth day after sediment is thrown in the silt-thrown area. This research lays a scientific foundation for the silt-thrown area selected in southside of lower sea-route in the Yangzi estuary north trough.

Yangzi estuary north trough lower sea-route; silt-thrown area; neutron activation tracer technique;sediment movement; return-trough ratio

P737.12+1; TV148+.1

A

1001-6932(2010)03-0277-06

2009-03-18；

2009-09-27

国家自然科学基金资助（40572142）

张效龙（1975－），男，河南博爱人，副研究员，大连海事大学在读博士，主要从事海洋工程环境及海底光缆路由勘察方面的工作和研究。电子邮箱：zhangxiaolong@fio.org.cn或zhangxiaolong@huaweimarine.com