长江口北支河段整治工程实施后沉积物特征分析

2019-11-15

人民长江 2019年10期

(长江水利委员会水文局长江口水文水资源勘测局，上海 200136)

1 研究背景

长江口河段上起徐六泾，下迄口外50号灯标，全长约181.8 km。河段平面呈扇形，为三级分汊、四口入海的河势格局。北支河段是长江口出海的一级汊道，水流结构复杂，口外海域泥沙来源丰富。长期以来，北支河段涨落潮流路分离，洲滩发育；受两岸北塌南涨自然演变和人类活动的影响，北支已演变为涨潮流占优势的河道[1-2]。近年来，为了减轻北支的淤积和盐水入侵，1991～2010年间对北支河段进行了诸多护岸和圈围等河道整治工程(见图1)，初步调整了北支中上段涨落潮流路，以便将涨潮流挟带上来的泥沙尽可能多地通过落潮流挟带出海，从而减轻北支的淤积程度。随着北支河段整治工程的实施，北支河段水沙条件发生了新的变化，而沉积物粒度特征是一定动力和地貌条件下的产物，也是河口泥沙运动的具体反映[3]。因此，研究沉积物的粒度特征，可为长江口北支河段的保护与治理提供科学依据。

自20世纪80年代开展海岸带调查以来，有关长江口北支河段沉积物的研究已取得了诸多成果，在沉积物中值粒径的时空分布[4-5]、沉积动力环境[6-8]、泥沙来源[9-10]及输移趋势[11-13]等方面取得了一系列进展。对北支河道整治工程的已有研究主要集中在采用数值模型方法研究北支中束窄工程实施后，对咸潮倒灌、涌潮改善以及潮位流速等水动力环境和泥沙浓度分布的影响[14-16]。如宋泽坤[15]等研究了长江口北支缩窄工程对潮位和流速的影响；程力壮等[16]采用数值方法研究了长江口北支中束窄对其泥沙浓度的影响。在以上研究的基础上，本文以诸多整治工程实施后的2012年丰水年和2013年枯水年两个典型年的大范围沉积物取样样品资料为基础，探讨在新的水沙条件下，北支河段沉积物在上述两个典型年的粒度分布特征和物质组成，并对沉积物特征进行对比分析。

2 研究区域概况

长江口北支河段位于崇明岛以北，西起崇明岛头，东至连兴港，全长约83 km，流经上海市崇明县、江苏省海门市、启东市。历史上北支曾经是长江径流入海的主通道。18世纪以后，由于主流逐渐南移，长江主流改道南支，进入北支的径流逐渐减少，导致北支河道中沙洲大面积淤涨，河宽逐渐缩窄，北支逐渐演变为支汊。

图1 长江口北支河段1991～2010年主要整治工程及沉积物取样位置分布Fig.1 Distribution map of major regulation projects and sediment sampling locations in the North Branch of the Yangtze river estuary from 1991 to 2010

20世纪50年代始，北支上口分流比逐渐减小，近年来，北支洪季涨潮分流比在10%左右、落潮分流比在4%左右；枯季涨潮分流比在7%左右、落潮分流比在2%左右[3]。上游径流进入北支的比例减小，外海潮流作用增强，潮流倒灌南支明显。受潮汐强度和径流量大小的影响，北支含沙量呈现空间变化，同时也存在大小潮、洪枯季的变化，总体表现为中段灵甸港至三和港区段含沙量高于两头的含沙量，大潮含沙量高于小潮，枯季含沙量高于洪季的特点[17-18]。

3 资料来源与方法

3.1 采样位置及方法

在北支河段从北支进口至连兴港布置了14条断面，沉积物取样位置采取滩、槽结合，断面上的采样点个数根据断面宽度决定，即当断面水面宽小于3 km时布设3～5个测点；3～6 km时布设5～7个测点；大于6 km时布设7～10个测点。现场采用DGPS导航对取样点进行定位，用抓斗式采样器取样，采样厚度在10～30 cm之间，采样重量大于1 kg。

3.2 采样时间及颗粒分析方法

分别在2012年丰水年和2013年枯水年的枯季11～12月进行了两次大面积沉积物取样，两次取样点位位置基本一致，2012年在该河段共获取了80个沉积物样品，2013年共获取了83个沉积物样品。

采用英国Malvern公司的MasterSizer2000激光粒度分析仪进行颗粒分析，该仪器粒径测量范围为0.01～2 000 μm，泥沙颗粒分析粒径级采用Φ分级法。按照SL42-2010《河流泥沙颗粒分析规程》中的规定进行了泥沙分类[19]，见表1。沉积物类型按粒组含量占总质量的20%以上(含20%)实际粒组名称命名，命名方法按实际含量由少到多，自左向右的规则顺序排列。以下分析时主要以中值粒径d50为参数进行分析，d50与在粒度分布曲线上截取频率50%时的Φ值相当[20]。

表1 河流泥沙分类[1]Tab.1 River sediment classification

4 北支河段沉积物特征分析

4.1 采样期间上游干流来水来沙情况

上游干流大通站2012年年径流量为10 020亿 m3，比多年平均值偏多12%，为丰水年；沉积物取样期间的2012年11月和12月平均流量为20 500 m3/s，较多年11月和12月两月平均流量偏大11%；年平均输沙量为1.61亿t。2013年大通站径流量为7 878亿m3，比多年平均值偏少12%，为枯水年；沉积物取样期间的2013年11月和12月平均流量为12 600 m3/s，较多年11月和12月两月平均流量偏小32%；年平均输沙量为1.17亿t。由此可见，两次取样时期为两个不同水文情势的特征年。

4.2 北支河段沉积物特征

北支河段水动力条件比较复杂，虽然径流和潮流是北支河段两个主要的动力因素，但潮流动力比较强。而且，北支河槽浅，上段河道窄而弯曲，河道阻力大于南支，南支涨潮流与北支落潮流在北支上段交汇，因此北支上段的崇头至青龙港河段成为弱流区，泥沙极易落淤。沉积物粒度特征是衡量沉积环境的尺度之一。通过对北支河段沉积物的分析，可反映其纵向和横向分布规律，水动力条件制约[3]，见图2～3。

2012年和2013年共163个样品分析表明：北支河段沉积物中值粒径在0.007～0.216 mm之间，中值粒径平均为0.055 mm，颗粒较粗。北支河段沉积物分3组，砂、粉砂、黏土的比例依次为44.1%，42.3%，13.6%。沉积物类型以黏土质粉砂、砂、砂质粉砂为主，分别占33.1%，24.5%，19%，此外还少量分布有粉砂质砂、粉砂、砂-粉砂、砂-黏土质砂等。砂集中分布在灵甸港以上河段，黏土质粉砂主要分布在新村沙至连兴港河段。

图2 丰水年2012年枯季沉积物中值粒径平面分布Fig.2 Distribution map of median diameter of sediments in dry season of wet year 2012

图3 枯水年2013年枯季沉积物中值粒径平面分布Fig.3 Distribution map of median diameter of sediments in dry season of dry year 2013

4.2.1沉积物纵向分布特征

在纵向分布上，由于重力分异，平均粒径向下游方向减小。北支河段沉积物中值粒径从崇头至连兴港总体呈减小趋势，且沉积物沿程特征差异显著(见表2和图4)。

根据北支沉积物沿程粒度参数的分布特点，以灵甸港为界，将北支河段大致分为两段。灵甸港以上河段：沉积物较粗，以砂为主，丰水年2012年平均中值粒径为0.101 mm、砂的平均含量为72.7%；枯水年2013年中值粒径平均为0.080 mm、砂的平均含量为58.0%，丰水年流域来水量比较大，砂的含量明显高于枯季，沉积物粒径明显粗于枯季，进一步反映了此段沉积物以流域粗颗粒来沙为主，为河控制型河段。新村沙至连兴港段：沉积物较细，以黏土质粉砂为主，丰水年2012年中值粒径平均为0.039 mm、细颗粒(粉砂+黏土)平均含量为70.3%；枯水年2013年平均中值粒径为0.036 mm、细颗粒(粉砂+黏土)平均含量为73.5%，丰水年与枯水年粒径相差比较小，反映出该段沉积物由流域来沙和海域来沙混合组成。由此可见，北支河段沉积物类型沿程分布特征是由沿程泥沙来源

表2 北支河段沉积物纵向变化对照Tab.2 Comparison of the longitudinal changes of sediments in the North Branch

决定的：灵甸港以上河段以流域粗颗粒来沙为主，为河控制河段，粒径比较粗；新村沙至连兴港段由流域来沙和海域来沙混合组成，粒径比较细，两段沉积物中值粒径相差约2.5倍。

4.2.2沉积物横向分布特征

沉积物颗粒大小与一定的水动力条件相适应。一般在河道的主槽中，水深流急，沉积物颗粒较粗。而两侧浅滩及河口边滩，由于受到河口几何形态的影响，水浅流缓，沉积物颗粒偏细(见表3和图5)。

(1) 北支主槽沉积物特征。北支主槽形态呈“倒L”型，整体靠近河道北岸。丰水年2012年枯季主槽中值粒径平均为0.067 mm，砂、粉砂和黏土等3组分含量分别为46.0%，40.2%，13.8%；枯水年2013年枯季主槽中值粒径平均为0.055 mm，砂、粉砂和黏土等3组分含量分别为40.0%，42.3%，17.7%。

表3 北支河段沉积物横向变化对照Tab.3 Comparison of lateral changes of sediments in the North Branch

图4 北支河段沉积物中值粒径沿程分布Fig.4 Longitudinal distribution of median diameter in the North Branch

图5 北支河段主槽和浅滩沉积物中值粒径平面分布Fig.5 Plane distribution of median diameter in the main channel and shoal of the North Branch

(2) 北支浅滩沉积物特征。丰水年2012年枯季浅滩中值粒径平均为0.055 mm，砂、粉砂和黏土等3组分含量分别为42.7%，45.4%，11.9%；枯水年2013年枯季浅滩中值粒径平均为0.049 mm，砂、粉砂和黏土等3组分含量分别为35.9%，48.0%，16.1%。横向上，总体表现为主槽粒径粗、边滩细。