长江口深水航道回淤物理过程分析及减淤思路探讨

金 镠

(交通运输部长江口航道管理局，上海 200003)

长江口深水航道治理工程(1997～2012年)作为在特大型多沙潮汐河口中成功实施的河口治理工程，不仅在推动我国长江经济带发展战略中起到了开创和引领作用，其治理经验亦为河口演变及治理的理论发展提供了独特、重要的资料及认识来源。长江口深水航道在泥沙回淤上的一个突出特点是回淤总量大，且时间上集中于汛期，空间上集中于北槽中下段。近年来，航道回淤量虽有不少回落，但仍明显高于设计预测回淤量，为此，促使我们去进一步梳理长期以来对长江口泥沙运动的认识，力图从物理过程即回淤机理上深入认识航道的回淤规律，从而为理清减淤思路提供依据。

1 河口拦门沙的基本特征

水文测验和底质取样显示[1]，长江口北槽中下段是流速峰值、床面水流切应力或摩阻流速峰值的相对高值区，底质相对较粗，悬沙含沙量相对较高。之后又进一步指出[2]，潮汐河口一方面由于向下游展宽，水深变浅，为维持纵向单宽输沙率不变，要求流速加大，从而增强了床面泥沙的再悬浮。刘红等[3]对长江口拦门沙河段水体与河床之间的泥沙交换等进行了详细分析，指出拦门沙河段的基本特征是水动力相对较强，底质较粗，水体和河床之间的泥沙交换较为频繁。

应该指出，目前关于拦门沙河段水体与河床之间泥沙交换的研究，多采用分散颗粒的级配。事实上，河口拦门沙河段的悬沙和床沙，均主要以絮凝体(絮团)形态存在，因此，泥沙的交换研究更应立足絮团的粒径谱，例如由于絮凝，冲泻质可能会大大减少。

关于拦门沙基本特点的一个较为普遍的看法是，河口咸淡水混合形成的竖向环流和粘性细颗粒泥沙在咸水环境中的絮凝构成了河口拦门沙形成的“动力沉积条件”，即认为拦门沙区段是河口中的弱动力环境。从自然冲淤平衡河道的存在条件分析，不能认为拦门沙河段属于弱动力环境。

2 河口拦门沙水体含沙量生成机制

潮汐河口水体含沙量来自流域和海域。1998年8月～2001年8月徐六泾、横沙和佘山岛三站逐日表层含沙量取样显示[4]，河口上段含沙量，汛期高于枯季；口门及口门外，则冬季高于夏季；并进一步指出，按北槽自然平衡床面一潮冲淤厚度和南北港主槽及浅滩面积，可大致估计口门内主槽部分潮流再悬淤泥沙总量大约为20亿t/a，加上洲滩表层沉积物在波、流作用下的再悬浮，整个河口的再悬浮泥沙活动总量约为30～40亿t/a，超过流域来沙量一个量级，因此是河口水体含沙量的主要来源；流域来沙对河口水体含沙量的直接影响有限。但是，再悬浮和沉降造成含沙量的周期性涨落，而流域来沙的趋势性增、减，决定了河口及口外水下三角洲的冲淤，影响泥沙再悬浮的背景条件(地形，水动力及河床组成，河床沉积物力学性状)，从而影响河口水体含沙量。

统计1997年与2012年长江口水下地形的变化，显示此期间长江口外-10～15 m水下三角洲出现大面积南北向连续的冲刷带，平均冲刷速率达到2～7 cm/a[5]，还给出了20世纪90年代河口内白茆沙、新浏河沙、青草沙、中央沙以及瑞丰沙等大型沙洲面积及体积持续冲刷减小的统计结果。凡此，都显示由于流域来沙减少导致的河口及口外水下三角洲的冲刷，这种冲刷加之大面积的滩涂围垦，改变了河口地形，缩小了洲滩面积，使较难冲刷的老沉积物出露，改变了河口海域来沙的供沙条件，使水体含沙量出现趋势性下降。据统计[6]，长江河口下段及邻近海域，近20 a来，水体含沙量已累计下降了20%～30%。北槽口外冲刷导致河床纵坡的逐渐增加以及水体含沙量的逐步减少，是近年来深水航道回淤量出现趋势性降低的重要原因。

3 河口最大浑浊带的界定、饱和含沙量与浓度坍缩

图1 长江口北槽近底边界层CBS、τb 和Rig的变化过程[10]Fig.1 Variation process of CBS,τb and Rig of bottom boundary layer in north channel of Yangtze Estuary[10]

20世纪70年代以来，国内外有不少关于粘性细颗粒泥沙在潮汐不稳定流中的沉降特性的研究成果。粘性细颗粒泥沙在咸水中的絮凝沉降速度远远超过细颗粒泥沙在分散状态下的沉降速度。在潮流憩流阶段，即床面水流切应力低于絮团的淤积临界切应力的时段内，絮团将向床面集聚；当水体下部的含沙量超过某一临界值Ch，泥沙沉降受到周围泥沙的制约而减速，沉降进入“制约沉降”阶段，制约沉降开始时的含沙量Ch一般在2～3 kg/m3；水体下部含沙量的增加，使水-泥界面处的紊动受到抑制，又促使主流中的泥沙加速向床面集聚，形成“雪球效应”，床面出现近底高浓度悬沙层(Concentrated Benthic Supspension，简称CBS),该高浓度悬沙层在自重作用下的排水固结十分缓慢，因此可以较长时间维持，同时经过脱水、固结，从无结构强度(屈服应力)的牛顿流体转化为有结构强度的非牛顿流体即所谓“浮泥”，从CBS转化为浮泥的含沙浓度称为胶凝点(或胶凝浓度，Cgl)，也称空间充填浓度(Space-filling Concentration)。河口海岸淤泥的常见胶凝点为80～180 kg/m3(相应的相对密度ρB-ρw=50～110 kg/m3)，与泥沙类型有关。沉降悬沙中添加非粘性沙，将使胶凝点增大[7-8]。CBS与浮泥在运动特性上的主要差别在于前者可以在水流驱动下运移而后者只能在自身重力的作用下运动(重力流)；CBS与其上覆水体泥沙运动特性的主要差别在于，上覆水体中的泥沙(稀释泥沙)对水流运动有良好的跟随性，且不改变水流的紊动结构，为悬沙运动，而CBS由于对紊动的明显抑制，在水流驱动下，保持类似于推移形态的整层运动，称为“层移”(sheet flow)。

CBS与水体之间有明显的密度界面。密度界面有一定厚度，其垂向密度梯度在几kg/m4。称这种泥沙密度界面为泥沙浓度跃层(lutocline)，这种现象称为层化(stratification)。稳定的层化是水流剪切应力做功和浮力做功相平衡的结果，其平衡关系用Richardson数Ri表示，例如梯度Richardson数Rig[9]

(1)

通过能量守恒推导出维持层化的条件为Rig≥0.25。长江口北槽近底边界层水沙观测(坐底三角架观测)表明[10]，Rig>0.25时，有明显的CBS存在，相应地出现显著的床面切应力降低，即减阻现象，如图1所示，显示实际的Rig与层化条件的上述理论值相符。

通常，将河口出现高含沙量的区段称为“河口最大浑浊带”，并往往与盐水入侵形成的咸淡水锋面和滞流点相联系，而缺乏明确的定义和界定标准。Dyer等对Tamar河口最大浑浊带进行了详细观测与分析[11]，将最大浑浊带与紊动抑制，减阻CBS的层化等相联系，从而为河口最大浑浊带的定义和界定提供了有明确物理意义，又可以定量的标准，即以出现CBS的河段，定义为河口最大浑浊带，其界定指标为Rig≥0.25。其与拦门沙的关系可以这样表述：拦门沙是潮汐河口普遍存在的地貌现象；而最大浑浊带仅存在于淤泥质河口，是淤泥质河口拦门沙段中水动力相对更强，泥沙再悬浮更活跃并出现层化现象的区段。最大浑浊带位置与盐水入侵并无明显的相应关系。咸淡水变化是河口泥沙发生絮凝的前提，但咸淡水锋面及滞流点摆荡范围不一定与最大浑浊带相应，例如前述Tamar河口，观测到最大浑浊带(长约5.0 km)集中于盐水入侵区段上游约1.0 km[11]。

潮流憩流，尤其是涨憩期间，此前在高流速阶段床面泥沙再悬浮生成的含沙量(“背景含沙量”)将发生沉降，称能进一步产生制约沉降和泥-水界面紊动抑制，从而导致泥沙向床面大量集聚、形成CBS的背景含沙量为“饱和浓度”；称一旦含沙量超过饱和浓度或流速少量降低，水流紊动强度和悬沙浓度急剧下降的现象为“紊动坍缩”和“浓度坍缩”(catastrophic collapse)[7]。浓度坍缩与CBS生成是同一物理过程的两个侧面。Winterwerp对粘性细颗粒泥沙在潮汐水流中的“饱和浓度”概念与习用的所谓“挟沙能力”(sediment carring capacity)作了区分，对粘性泥沙而言，并不存在一个与水力条件相应的限止冲淤发生的含沙浓度，即挟沙能力。他以鹿特丹港进港航道为例，认为该港水体浓度通常是饱和的。因此，经过人工航道时流速下降即可引起浓度剖面的完全坍缩，这是造成进港航道快速回淤的主要原因[12]。由此联想到长江口，设计阶段潮流泥沙数学模型采用挟沙能力方法预测航道回淤量，由于方法本身不能确切反映天然的物理过程，这或许是预测值明显偏小的主要原因。

4 潮汐河口平衡剖面、汊道分流比与断面形态[13]

潮汐不对称是河口水流运动的重要特征，它以涨落潮历时不对称，涨落潮峰值流速不对称，以及涨落潮输沙不对称等为重要标志。潮汐不对称程度与方向可分别采用M2分潮和M4分潮的振幅比(AM4/AM2)和相位差(2φM2-φM4)为指标；该相位差为0°～180°时为涨潮不对称，即涨潮历时较短，涨潮流速较大；相位差为180°～360°时为落潮不对称。河口潮汐不对称的产生机制包括：

①非线性潮汐相互作用：大洋潮波的主要分潮有M2、S2、N2、K1、O1、P1；浅水河口主要分潮相互作用而产生大量新的分潮，例如M2-M2相互作用产生的M4，M2-S2相互作用产生的MS4、MSF等。

②径流与潮汐的相互作用：径流对潮汐的阻尼使潮波(潮位、潮流)发生衰减，高频振荡的衰减快于低频震荡；径流对潮汐非线性相互作用进行调制；根据径流对潮汐作用的程度对河口进行分段：上段为潮汐河流段，下段为潮汐河口段。

③河槽阻力的非线性(平方阻力)引起天文潮的衰减，强化潮汐相互作用以产生新的分潮(例如M6)、强化潮流相互作用以产生新的分潮(例如M4)，以及产生stokes漂流及其底部反向流动。stokes反向回流增加潮波阻力。

图2 北槽等深线间距与丁坝总长度的关系[14]Fig.2 Relationship between depth contour spacing and spur length[14]

径流通过供沙、调制潮汐不对称等对潮汐水道的剖面及断面形态发生影响，这里包括：径流通过供沙和强化落潮余流以及与潮汐的相互作用产生新的分潮等影响潮汐余沙(TRST)的分布。加大径流，不会引起河口的单调加深，即存在某一特征径流量，其相应的水道纵剖面有最大水深[13]，因此，对汊道的航道治理而言，并非分流比越大越好。长江口深水航道治理工程可以佐证。工程在确保TRST的纵向梯度≥0，即整治汊为稳定或发展的前提下，在分流比减少的同时，主槽容积和河道断面的深宽比有所增加，且自然深泓范围覆盖航槽。但当丁坝总长度超过30 km(相当于全部丁坝基本建成)，丁坝长度增加，深泓容积减小(图2)。由表1可知，二期丁坝全部完成后，河槽断面调整，宽深比普遍减小；三期减淤工程，接长中、下段丁坝，-5 m等深线的宽深比，在工程前后(2008.2～2011.2)则基本不变，但-8 m河槽宽深比加大。

表1 北槽典型断面宽深比Tab.1 The ratio of depth to width of typical section in north channel

备注：本表摘自文献[12]。

潮汐不对称在河口输沙上的重要效应是产生潮汐余沙运输(Tide Residual Sediment Transport, 简称TRST)。分析表明，TRST由多种成分构成，包括了欧拉平均流动(余流)引起的余沙运输，潮汐不对称引起的余沙运输以及推进波的stokes漂流的近底回流引起的余沙输运三部分；涨潮不对称引起向陆的余沙输运，落潮不对称则引起向海方向的余沙输运；由于存在多种成分，所以余流与潮汐余沙通常并不相应，有时甚至方向相反。在河口航道治理方面，通常易为人们接受的一种看法是加强落潮优势流(即向海方向的欧拉余流)将有利于将泥沙输送出海，从而把维持和加强落潮优势流作为工程设计的目标。上述分析表明，这种看法和做法并不准确。

潮汐余沙输运(TRST)的纵向梯度控制潮汐水道的发育，平衡河槽的必要条件是TRST纵向梯度趋于零；这一梯度大于零时，河槽将冲刷加深，小于零时，河槽淤积萎缩。

图3 二期工程后(2007～2008年) 实测北槽输沙量沿程分布(引自上海河口海岸科学研究中心)Fig.3 Distribution of sediment discharge along the north channel after second-phase project

长江口北槽，工程整治后，河床调整，冲淤趋于平衡，涨、落潮时输沙率的沿程变化如图3所示。由图3可知，北槽中段(CS6～CS3)具有显著为高的涨潮及落潮输沙量，这是由于该段水动力较强，活跃的再悬浮导致较高的水体含沙量所致。高含沙量区段，航道的回淤量较高；同时，无论涨潮输沙还是落潮输沙，纵向分布均不均匀，因此必然伴随横向的向、离槽输沙，这种横向输沙，尤其是近底高浓度水层的横向运动对航道回淤起着重要作用；所以，整治工程不希望出现局部很高的流速和输沙以及纵向输沙的不均匀分布。由图3还可知，河床经过调整后达到平衡，纵向余沙分布均匀，即潮汐余沙梯度趋于零。换言之，想通过提高落潮输沙量抑制涨潮输沙量来减少或减轻航道回淤是不现实的，因为河床调整的结果，必然是涨潮输沙也增加了。

潮汐余沙的纵向梯度与水道的长度及平面状态即放宽率有关。数值模拟表明，短河口(河口长度<100 km)，潮汐余沙从河口中心线向两侧辐散，纵向上形成凹向上(Concave)的剖面，长河口(如长江口，长度达560 km)，潮汐余沙向河口中心辐聚，纵向上形成总体凹向下(Convex)的剖面，近河口，凹面下纵剖面更加明显。设计河宽放宽率应通过改变余沙的空间梯度来调整河槽的纵剖面，使之具有较大的水深和较小的断面宽深比。

5 潮汐河口水团滞留时间(水龄) [15]

潮汐河口的流场取决于多种因素的潮汐不对称和压力梯度(正压和斜压)。河口的斜压效应直接与纵向密度梯度相联系[16]，潮汐不稳定流运动方程中压力梯度项为正压项和斜压项之和，可表示为下式

(2)

ρ=1 000+0.78S+0.62C

(3)

式中：ρ0为清水密度；ρ为密度；p为压强；ξ为水位；z为垂线位置；S和C分别为含盐度(‰)和含沙量(g/L)；g为重力加速度。

因此，仅有垂向密度梯度不产生斜压，在许多浅水河口，例如长江口，盐水的斜压效应远超悬沙的斜压效应。河口的斜压效应和潮汐不对称引起的环流(潮汐应变环流)对水流结构和含沙量垂线分布有重大影响，带来流速剖面的重构[16]。

河口环境中，粘性细颗粒泥沙除沉降外，对水流运动有很好的跟随性，因此，含沙水体可以作为单相流进行讨论。实验和分析表明[12]，河口紊动水流中，粒径<200 μm的颗粒，跟随性均良好。由于可以作为单相流，故可以通过研究水团从河口上段注入起到河口内某一断面所需时间来反应流场对泥沙输运的影响。水团从上端注入到河口内某一断面所需的时间称为“水龄”(Water age)。长江口主要汊道水龄的平面以及垂向分布的计算表明，在空间上，受底摩擦影响，边滩水体的输运慢于主槽，垂向结构上，均指向下游，徐六泾至南北槽分流口，水龄的垂向分布均匀，而南北槽分流口向下，出现与盐度相似的分层现象，表层水龄小于底层。水龄的层化洪季强于枯季，水团从徐六径到河口，枯季需约36 d，洪季需约20 d。北槽深水航道治理工程之后，垂线平均水龄有所缩短，但其表、底层水龄的差异显著加大，表层水团输运速度加快，而底层则减慢较多。考虑到下层水体含沙量较上层为高，可知工程后北槽泥沙宣泄出海的条件比工程前有所下降。

径流、潮流以及分潮间相互作用导致的潮汐不对称，以及盐水入侵引起的斜压效应，在河口各种边界的约束下，产生了潮汐应变环流和密度环流等各种环流形态，包括竖直平面上的纵向环流和平面横向环流。横向环流引起河口滩槽之间的泥沙交换。北槽内的横向环流，一种是坝田内的环流，引起坝田内外不平衡输沙，导致坝田淤积；二是纵向输沙不均匀引起的横向输沙。此外滩槽水体纵向运动不同步带来盐度的差异，由此产生的斜压效应亦可引起横向输送。至于弯道环流引起的横向泥沙运动，则为人们所熟知，对北槽而言，断面Csw上下游一定范围，弯道环流对航道回淤的影响也是存在的。

6 长江口深水航道回淤物理过程分析

在已有研究基础上[16]，可将长江口深水航道回淤的物理过程归纳为以下几种：

(1)浑水流经航槽，因水流动力降低，潮周期中淤积历时加长，冲刷历时缩短，淤积率加大，冲刷率减小，航道内悬沙冲淤不平衡，出现净淤积，即回淤；物理过程的具体表述见文献[17-18]。

(2)最大浑浊带河段，水动力强，再悬浮泥沙供应充足，在潮流加速阶段，近底泥沙的卷吸和固结河床的冲刷，使床面泥沙进入水体，形成较高背景悬沙含沙量；在憩流阶段泥沙絮凝沉降，制约沉降，以及紊动抑制，导致CBS的形成并得以维持，这一过程发生在航槽范围内，直接成为该期间的航道回淤；发生在边滩，则边滩上的CBS会在近底横向水流驱动下以层移方式进入航槽，成为航道泥沙回淤的重要过程之一。

(3)边滩CBS层一部分随流运移；下部则固结成为浮泥，浮泥沿滩槽之间的斜坡以重力流方式进入航槽[19]。

(4)床沙中尚有部分非粘性沙组份(d>0.032 mm)，不参与絮凝，在近底非顺向水流驱动下以分散颗粒的推移或层移方式运移进槽。这部分对此槽深水航道回淤的贡献率占2%～3%，但是水下沙体(沙包、暗沙)的移动进槽对航道回淤构成过程性严重影响，沙包离开航槽，影响终止。

基于以上分析认为，提高主槽内流速，一方面可以缩短憩流时段，但同时也加大了背景含沙量，为水体含沙量剖面的坍缩和CBS的形成创造了条件。综合平衡两者对航道回淤的影响，确定合理的水动力，是潮汐河口航道设计中的重要内容。

7 深水航道减淤思路探讨

近几年来由于河口水下三角洲前沿冲刷、北槽河床底坡加大、以及水体含沙量减小，近几年航道回淤强度较高峰时期(2010～2012年)有相当程度的回落，但仍高于设计预期，研究减淤措施仍是必要的。

长江口深水航道工程设计的关键是通过整治建筑物固定整治汊道即北槽的边界，稳定北槽上口的进流进水条件，以及通过丁坝群形成合理的治导线，为控制航道回淤提供有利的水沙条件。治导线布置的原则或工程减淤的思路可归纳为以下7方面：

(1)减淤工程引起河槽阻力增加和分流比减少是不可避免的，但治导线的布置应维持北槽的落潮输沙优势，即潮汐余沙的纵向梯度≥0；在断面和河槽容积缩小的同时，断面形态能向减小宽深比即窄深的方向发展。

(2)治导线布置应符合治导线间距向下游合理、均匀放宽的要求，达到单宽流量和单宽输沙量纵向分布基本均匀，以尽量避免北槽内的横向水沙交换。

(3)治导线范围内主流顺直微弯，并与上下游主流顺畅连接，以达到以弯导流、稳定主流流路的要求；微弯段应控制曲率，避免产生过大的弯道环流、增大滩槽之间的泥沙交换。

(4)涨落急流速沿程分布基本均匀，流速量值适当，即流速不宜过大，以避免形成过高的背景悬沙含沙量、从而削弱最大浑浊带及CBS的生成发育条件；流速也不宜过低，以避免加长憩流时段悬沙淤积历时。对局部最大浑浊带所在河段，增加落潮流输沙的同时，涨潮流输沙也必然相应增加；而纵向输沙不均匀程度的加剧，必将导致横向输沙的加强。

(5)整治建筑物使整治汊道河槽阻力增加，还导致上游水团在河槽中滞留时间的变化，过窄的治导线间距可以使表层水团加快出海，但底层水团滞留时间将明显增加。治导线设计应进行分层水团“水龄”的计算和比较。

(6)长江口航道整治要满足河势稳定安全和回淤量控制的双重要求。“束水攻沙”的策略忽视了束水增加流速和水体含沙量可能带来的不利影响；“增加回淤段落潮输沙”的策略未能考虑河段冲淤趋向平衡后，涨潮输沙亦相应增加，而输沙纵向分布不均匀程度的加大会带来横向输沙强度的增加，对航道减淤不利。

(7)为了给设计提供较为可信的回淤量预测值，完善潮流泥沙数学模型是重要的。在潮流场的模拟中，似应进一步考虑纵向环流中潮汐应变环流的贡献；在泥沙场模拟中，应考虑最大浑浊带特有的泥沙过程。