黄浦江河口水沙输运机制研究

宋永港， 卢永金， 刘新成

（1.上海市水利工程设计研究院有限公司，上海 200061 2.上海围海工程技术研究中心，上海 200061）

黄浦江河口水沙输运机制研究

宋永港1，2， 卢永金1，2， 刘新成1，2

（1.上海市水利工程设计研究院有限公司，上海 200061 2.上海围海工程技术研究中心，上海 200061）

受潮汐影响的弯道泥沙输运表现出与径流弯道不一样的现象.本文运用通量分解机制法，以黄浦江河口大潮期间实测水文资料为基础，对黄浦江河口受潮汐影响的弯曲河道水沙输运进行机制分析.结果表明，黄浦江河口水沙输运受弯道环流影响可分为纵向输运和横向输运.纵向水体潮周期净输运因径流作用指向口外，泥沙潮周期净输运因潮泵输运大于平流输运指向口内.潮周期横向水体净输运和泥沙净输运均指向凸岸，其中横向水体输运以欧拉输运为主，横向泥沙属于以平流项为主.通过比较水量输运的纵横比和泥沙输运的纵横比可得黄浦江河口大潮期间水量潮周期横向净输运大于纵向，泥沙是纵向大于横向.说明潮泵输运在黄浦江河口大潮期间起主导作用.

黄浦江河口；水沙输运；通量分解机制；弯道环流

0 引 言

黄浦江河口（又称吴淞口）位于黄浦江与长江南港交接处，是黄浦江汇入长江口的唯一出口.黄浦江河口水动力受到黄浦江下泄径流和长江口潮汐共同影响，潮汐起着主导作用.黄浦江河口是典型的潮汐河口，多年平均潮差2.31 m［1］，是中等强度的感潮河流.黄浦江河口在治理前河口普遍淤积，口门水深不足3 m，航道水深仅4.5 m［2］.1907年荷兰工程师奈格等人在黄浦江河口左侧设计导堤，归顺黄浦江河口涨落潮流，黄浦江河口拦门沙消失，航道水深得到显著改善［2］，目前已达到12 m.黄浦江河口的治理成功成为河口治理的典范.

黄浦江还是上海市最重要的行洪排涝河道.受海平面上升，地面沉降及风暴潮等影响，黄浦江的防汛墙防御水平有所降低［3］.有关研究表明黄浦江河口建闸是解决此问题的有效措施之一［4-5］.黄浦江河口建闸会引起河道淤积等问题；而目前黄浦江河道维持了良好的河势，河道水深基本稳定［2］.因此研究现状下黄浦江河口泥沙输运机制对黄浦江河口建闸有重要的参考意义.

黄浦江河口河道是典型的弯道，弯角达90°.因此对黄浦江河口水沙输运的研究应属于弯曲河道泥沙输运研究.弯曲河道存在弯道环流，环流表层流指向凹岸，底层流指向凸岸，泥沙不断从凹岸向凸岸输运；凹岸冲刷，凸岸淤积.对于单向流弯曲河道的泥沙输运，国内外研究甚多.如曾庆华［6］认为弯道底沙运动在水深较大时才有可能由凹岸向凸岸输移；在水深较小时，凹岸冲刷出来的泥沙被带向下游.众多学者研究表明，只有在弯曲半径很小、且弯角较大的陡弯上，才能够发生异岸输移（推移质从河湾的凸岸向下游弯道的另一岸输移），天然河湾情况多属于同岸输移（推移质从河湾的凹岸向下游弯道同一岸输移）［7］.

受潮汐影响的弯道，水流呈现往复式；这种往复式弯道环流所表现出来的特性与单向流河道中的弯道环流有所差别，其所引起的泥沙输运也有着不同的特性.另外，弯道环流强度远小于纵向流，河道断面瞬时环流输沙强度远小于纵向流.但在一个潮周期中，纵向净输沙率与横向输沙率的比值对于弯道形态的维持来说是个很重要的参数，目前这方面的研究很少.因此研究受潮汐影响的弯道河口泥沙输运机理对于类似河口的治理很有意义.

1 研究方法与基础资料

1.1 研究方法

通量分解机制法是一种研究物质输运很有效的方法，国内诸多学者用其研究了长江河口的泥沙输运问题［8-17］，李路［18］、吴辉［19］等人利用通量分解机制研究了长江口北支盐水倒灌机制均取得良好效果.本文利用通量机制分解法对黄浦江河口实测流速、含沙量数据进行分析，研究黄浦江河口纵向输沙率与横向输沙率的关系，以及输沙率各分项在总输沙率中的比重，探讨潮汐弯道泥沙输运机制.

根据DYER［20］提供的物质通量计算方法，流速u可以分解为垂向均值潮周期平均项，垂向均值潮周期偏差项和垂向偏差项u＇；因此，悬沙浓度c也可分解为垂向潮周期平均项，垂向平均潮周期偏差项和垂向偏差项c＇.水深可分解成潮周期平均项h0和潮周期偏差项ht.

河口潮周期平均单宽输水量可表示为

河口潮周期单宽泥沙输运量可表示为

式中，T1、T2项为欧拉输运和斯托克斯输运，T1+T2为拉格朗日输运，属于平流输运.T3、T4、T5是潮汐引起的泥沙浓度变化而产生的泥沙输运，称为潮泵效应，T3+T4+T5为潮泵效应项.T6和T7是由流速和泥沙垂向变化引起的输运.T6可更形象的理解为当， ht＝0即河口只存在环流时因垂向泥沙不均引起的输运.T7项与环流输运有关，同时与水深变化有关，可理解为潮汐变化引起的环流变化和泥沙变化而引起的共同输运项.

为了有效地比较泥沙输运通量分解机制中各项所占的比重，本文采用“平流比”［10］来描述平流项输沙与潮泵项输沙强度的比值.定义“纵横比”（即纵向潮周期泥沙单宽输运率与横向潮周期泥沙单宽输运率的比值）来反映纵向输沙与横向输沙的强弱关系.

1.2 研究资料

本文采用2002年10月份大潮期间黄浦江河口的水文泥沙观测资料，研究黄浦江河口泥沙输运规律及其动力机制，资料观测点分布见图1.图中A1、A2和A3点位于同一断面的不同位置，C1、C2和C3也是位于同一断面中，B点所在断面仅一个观测点.其中，A1点水深在16m左右，A2点在11m左右，A3点在3m左右，B点16m左右，C1点13m左右，C2点12m左右，C3点9 m左右.

由于各方面原因，此次水文观测只进行了大潮观测.因此本文的研究结果均是基于大潮的成果.

在对水文资料的分析中，由于弯道环流输沙的存在，在研究泥沙输运机制时将纵向和横向输沙分开考虑，以便更有效地研究弯道环流输沙对断面输沙的贡献.

2 通量机制分解分析

2.1 水量输运

利用各测点的大潮同步观测资料，按照公式（1）、（3）和（4）计算各测点的潮周期单宽输水量，同时比较纵向潮周期单宽净输水量与横向潮周期单宽净输水量，分析结果见表1.由于A1、A2和A3处在同一断面上，C1、C2和C3处在同一断面上，所以在分析中将此6个点按断面做平均处理，并分别命名为A和C.A和C数据更能反映A、C所在断面的泥沙输运和水量输运情况.B点为B所在断面的唯一监测点，因此代表性不够，仅作参考.

图1 水文观测点分布图Fig.1 Location of sampling points

表1 单宽平均输水量分析表Tab.1 Average transport discharge per unit width

从表1中可以看到，A、B、C所在断面在纵向上，欧拉余流均指向落潮方向；斯托克斯余流均指向涨潮方向；拉格朗日余流A、B指向落潮方向，C指向涨潮方向（正值表示落潮方向，负值表示涨潮方向）.欧拉余流是流速的数值平均值，反映的是流速大小在潮周期中的不平均分配，忽略了涨落潮水深变化而引起的流量输运.斯托克斯余流反映的是涨落潮输水量的不均匀性，这种不均匀性正是来自于涨落潮因水深差而引起的单宽流量差异.涨潮时水深大，流量大；落潮时，水深小，流量小；这样的结果使得斯托克斯流指向涨潮方向.拉格朗日余流为质点的净输移.在黄浦江中，因径流作用，使得黄浦江沿程各点的拉格朗日输运从长期看均指向口外.

在横向上，弯道中涨落潮时弯道环流均是表层指向凹岸，底层指向凸岸的环状流，环流强度会随着涨落潮纵向流速大小的变化而变化.在理想情况下，横向流应保持稳定的结构；即流向稳定，流速大小随涨落潮变化.因此在流向上无涨落潮之分.此时欧拉余流与拉格朗日余流较为接近，斯托克斯余流变得很小.

弯道环流余流的存在使得弯道中物质的输运既有纵向输运又有横向输运，因此比较纵向输运强度和横向输运强度显得很有意义.定义“纵横比”为纵向物质单宽输运率与横向物质单宽输运率绝对值的比值.从表1中可以看到黄浦江河口各测点的流量纵横比均小于1，在0.3～0.5之间，说明黄浦江河口水量净输运中，横向输运量要大于纵向.

综上，黄浦江河口大潮期间纵向上欧拉输运指向落潮方向，斯托克斯输运指向涨潮方向，在弯道及其下游附近（A和B）拉格朗日余流指向下游，在弯道上游附近（C）拉格朗日余流指向上游.横向潮周期单宽输水量以欧拉输运为主，方向指向凸岸，且量值大于纵向潮周期输水量，表明潮周期平均条件下横向的水体输运大于纵向.

2.2 泥沙输运

采用（5）式对黄浦江河口大潮实测泥沙数据进行分析.对各测点数据进行纵横向分解，再进行通量机制分解，分为平流项（T1+T2），潮泵项（T3+T4+T5）和切变项（T6+T7）.然后再对各项的潮周期过程和潮周期平均值进行分析，具体如下.

（1）瞬时泥沙输运分析

泥沙输运通量分解中的平流项输运、潮泵项输运和切变项输运潮周期变化过程线见图2和图3.图中“A”代表A1、A2和A3的均值，同理，“C”代表C1、C2和C3的均值.

从图中可以看出，A断面纵向输沙中各项输沙率均呈现潮周期变化，总体上潮泵项单宽输沙率明显大于其他两项；其中潮泵项在涨潮时单宽输沙率突然增大，说明涨潮流对泥沙输运起着重大作用.B断面和C断面处各项输沙率均表现出类似的规律，潮泵项在纵向泥沙输运中起着主导作用.

在横向上，各断面处泥沙输运均以平流输运为主，但潮泵项在涨潮时均呈现突然增大的现象.

（2）潮周期泥沙输运分析

从表2和表3中可以看到，在纵向泥沙输运通量分解后的各项中，以T1、T2和T4为主要贡献项.其中T1输运指向落潮方向，与欧拉余流方向一致；T2指向涨潮方向，与斯托克斯余流方向一致.从表4中可以看到，A、B处的泥沙输运平流项（T1+T2）指向落潮方向，C处的平流项指向涨潮方向；这与拉格朗日余流的流向一致.从表2中可看到，由于潮泵项（T3+T4+T5）的作用，A和B潮周期泥沙净输运方向指向涨潮方向，这与水流的净输运通量相反，这是因为潮泵输送量值较大.从表4中可以看出，在纵向输运中，A、B和C各处断面的平流比均小于1，在0.1～0.2之间；说明纵向泥沙输运以潮泵项为主.

在横向泥沙输运中，A、C断面的泥沙输运均指向凸岸（泥沙输运为正值），B断面处泥沙输运指向凹岸.在平流项中，欧拉输运项要明显大于斯托克斯输运项；在潮泵项中，以T4项为主要泥沙输运项.从表4中可以看出，横向泥沙输运平流比要明显大于1，说明在横向泥沙输运中，是以平流输运为主.

在纵横泥沙输运中，分析泥沙输运纵横比，结果见表4.从表中可以看到，A、B和C断面处泥沙输运纵横比在1.8～3.0之间；说明各断面处泥沙输运以纵向输运为主.

从图4中也可看出纵向输运中以T4项输运为最大，其次是T1项.T3、T5—T7项输运几乎为0.横向泥沙输运中以T1项为主导，其他各项均很小.

图2 纵向输沙Fig.2 Sediment transport along river

图3 横向输沙Fig.3 Sediment transport across river

表2 各测点纵向泥沙单宽输运率通量机制分解Tab.2 Analysis of longitudinal sediment transport per unit width kg·（m·s）-1

表3 各测点横向泥沙单宽输运率通量机制分解Tab.3 Analysis of transverse sediment transport per unit width kg·（m·s）-1

表4 各测点纵横向泥沙输运对比分析Tab.4 Comparison between longitudinal and transverse sediment transport

图4 通量分解各项对比图Fig.4 Decomposed components comparison

3 讨论与结论

3.1 讨论

本文所采用的资料为2002年10月份的大潮资料；一方面资料年代久远，当时的黄浦江河口泥沙输运状况与现在有所差异；另一方面资料只有大潮部分，缺乏小潮资料.因此，本文的结论有一定的局限，需要分析合理性.

黄浦江河口是船舶进出黄浦江的唯一通道，航运十分繁忙.根据2013年6月份对黄浦江河口船舶流量的观测，黄浦江河口日进出船舶流量约990艘次［21］；平均每小时可达41艘次，几乎接近一分钟一艘次的频率.因此在黄浦江河口实施大规模同步水文观测是一件十分困难的事情；因而这几年没有十分完备的水文观测资料.另一方面，黄浦江河口至闸北电厂段河床从1974年至2003年间，经历了普遍冲刷和较为稳定阶段［2］，2003年至2011年深泓线较为稳定，河槽最大水深没有明显变化，但各等深线有不同程度的缩窄.可见，在2002年至今的这段时间内黄浦江河口河床深槽保持稳定，浅滩略有淤积.因此采用2002年的水文观测资料进行分析还是具有一定的代表性，能一定程度地体现黄浦江河口泥沙输运状况.故本文的分析结论是合理有效的.

根据以上研究成果，黄浦江河口大潮期间纵向泥沙输运以潮泵输运为主，潮泵输运的泥沙量是平流输运的9～10倍；大潮期间横向泥沙输运以平流输运为主，潮泵输运量约为平流输运量的1／10.黄浦江河口是中等强度的潮汐河口，水动力以潮汐作用为主，涨落潮潮量远远大于径流量.涨潮时水动力强，水流掀沙作用强，水体含沙量高；落潮时，水流平顺，水动力相对较弱，水体含沙量相对较低.这种情况下，涨潮时输入河口的泥沙量不能完全随落潮流输出，从而形成输沙方向指向口内的净输运（即潮泵输运）.由于南港河势稳定以及黄浦江上游来沙少的原因，黄浦江河口河势近十年来基本保持稳定，即深槽无明显冲淤变化，浅滩略有淤积［2］.综合以上两点可得黄浦江河口区域浅滩淤积的泥沙有可能来自于潮泵作用输入的泥沙.根据黄浦江河口横向泥沙输运研究成果，横向泥沙输运均指向凸岸（即浅滩）.根据宋永港［22］等人对吴淞口弯道环流的研究成果，黄浦江河口存在弯道环流，且涨落潮期间环流的方向一致，均是表层流指向凹岸，底层流指向凸岸.由于底层泥沙浓度较表层大，这种环流结构会引起指向凸岸的垂向泥沙净输运.从表1中可以看出，黄浦江河口水量横向净输运指向凸岸.这说明尽管河道存在环流结构，但由于环流结构垂向的不对称以及垂向结构潮周期分布的不对称，产生指向凸岸的水量净输运.在这种不对称环流结构下，泥沙输运也表现出以欧拉输运为主的特征.因黄浦江河口表底层泥沙浓度差异不是很大，这种环流中的切变项产生的泥沙输运很小.

综上，黄浦江河口大潮期间泥沙输运状况可总结如下，潮泵作用向口内输运的泥沙强度大于平流作用向口外输运的泥沙，引起黄浦江河口指向口内的泥沙净输运.由于弯道环流以及环流垂向结构和潮周期的不对称作用，引起黄浦江河口横向指向凸岸的水量净输运和泥沙净输运.

小潮期间，由于缺乏资料，无法深入研究.但可以根据大潮成果做些推论.小潮时潮汐作用有所减弱，潮泵输运也会减弱；横向输运仍以平流输运为主.由于黄浦江河口深槽多年保持稳定，说明深槽处泥沙净输运也保持平衡；浅滩略有淤积，说明有泥沙净输入.从表4中可以看到，大潮期间纵向泥沙输运要大于横向；说明大潮期间通过潮泵作用进入深槽的泥沙量大于环流作用输运至浅滩的泥沙量.要保持深槽的输沙平衡，那么小潮时纵向泥沙输运量应减小，且减小程度应大于横向输运.

3.2 结论

通过对黄浦江河口2002年大潮期间水文观测资料进行物质通量输运机制分解的方法进行分析后，得到如下结论.

（1）黄浦江河口大潮期间纵向水量潮周期净输运指向落潮方向；其中欧拉余流指向落潮方向，斯托克斯余流指向涨潮方向.黄浦江河口大潮期间横向水量净输运方向指向凸岸；水量输运以欧拉输运为主.潮周期水量净输运量横向大于纵向.其中C点的纵向水量净输运指向上游，这可能是由测量偏差导致的.

（2）黄浦江河口大潮期间泥沙输运纵向潮周期净输运指向口内.纵向净输运中以平流输运和潮泵输运为主.平流输运中欧拉输运指向落潮方向，斯托克斯输运指向涨潮方向；潮泵输运指向涨潮方向.纵向泥沙输运的平流比小于1，泥沙输运以潮泵输运为主导.

（3）黄浦江河口大潮期间泥沙横向输运潮周期净输运指向凸岸.横向净输运以平流输运为主，其中以欧拉输运为主.

（4）黄浦江河口大潮期间潮周期泥沙纵向输运大于横向；说明大潮期间泥沙输运以纵向输运为主导.

（5）黄浦江河口大潮期间泥沙输运特性为，纵向潮泵作用将泥沙输运至口内，横向环流作用将泥沙输运至浅滩；其中纵向泥沙净输运强度大于横向净输运.

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（责任编辑：李万会）

Water and sediment transport mechanism in the Huangpu River Estuary，Shanghai

SONG Yong-gang1，2， LU Yong-jin1，2， LIU Xin-cheng1，2
（1.Shanghai Water Engineering Design and Research Institute Co.Ltd.，Shanghai 200061，China；2.Shanghai Engineering Research Center of Reclamation，Shanghai 200061，China）

Sediment transports in a bend channel affected by the tide are different from those dominated by the riverine flow.This paper used the flux decomposition mechanism method to examine the water and sediment transports in the Huangpu River Estuary，basing on the field observations in the 2002 flood season.The results showed that the water and sediment transports in the Huangpu River Estuary consisted of longitudinal and transversetransportsinduced by the secondary flow.The net water transport averaged over a tidal cycle points to the ebb direction，and the net sediment transport points to upstream dominated by the tidal pumping effect.The net transport of both water and sediment across the channel over a tidal cycle direct to the convex bank，in which an Euler transport predominated in water transport，and an advection transport controled sediment transport.Compared the longitudinal with the transverse water and sediment transport fluxes，we found that the cross-channel net water transports were bigger thanalong-channel fluxes over a flood tidal cycle while cross-channel sediment transport fluxes were smaller than along-channel fluxes，which implied that the tidal pumping played the major role in the net transports of sediment in the flood season.

Huangpu River Estuary；water and sediment transport；flux decomposition mechanism；secondary flow

TV148.5

A

10.3969／j.issn.1000-5641.2016.03.015

1000-5641（2016）03-0136-10

2015-03

水利部公益性行业科研专项经费项目（20130120）；上海市科学技术委员会资助（13DZ2251500）

宋永港，男，硕士，工程师，研究方向为水利工程.E-mail：syg1530216@126.com.