台风作用下长江口北槽挟沙能力研究

2021-12-18韩玉芳窦希萍

海洋工程 2021年6期

韩玉芳，窦希萍

(1. 南京水利科学研究院，江苏南京 210024; 2. 港口航道泥沙工程交通行业重点实验室，江苏南京 210024)

在台风暴潮等极端天气条件作用下，河口海岸泥沙输运规律和滩槽演变特征均有着与常态天气条件下不同的特性，极易造成港口航道的泥沙骤淤。因而研究台风作用下挟沙能力对正确模拟台风暴潮作用下泥沙运动、滩槽变化以及港口航道骤淤等具有重要意义，而挟沙能力公式的建立是相关数学模型和物理模型的基础。

水流挟沙能力的研究始于Gilbert[1-3]，其后100多年的时间国内外许多学者对河道水流挟沙能力展开了广泛研究并取得长足进展。与较为成熟的河道水流挟沙能力研究相比，河口海岸泥沙在潮流和波浪作用下运动规律的研究起步较晚，但近年来也取得一定成果，典型的代表有基于经验分析法的钱塘江[4]、椒江[5]和珠江口挟沙能力公式[6]；基于因次分析法的刘家驹公式[7]、黄河口公式[8]；基于明渠水流挟沙能力公式移植欧美主流公式；基于能量平衡法的窦国仁公式[9]；基于紊动猝发理论的曹文洪公式[10]等。现有这些公式，通过实测资料的率定，一般可以较好地应用于某些海区，但公式大都缺乏普遍意义，推广应用均存在一定局限性[11-12]。长江口地区潮流作用下水流挟沙能力已有一些学者作过深入研究[13-15]，但由于台风作用下现场含沙量资料获取困难，长江口地区潮流和波浪共同作用，尤其是台风浪作用下挟沙能力研究成果较少[16]。

水流挟沙能力是指在一定的水流泥沙及边界条件下，单位水体所能够挟带和输送泥沙的数量。由于长江口北槽台风作用下一般存在浮泥，浮泥的存在使得含沙水体运动规律更加复杂，长江口深水航道骤淤研究结果表明[17]，航道骤淤量与台风波能密切相关。窦国仁等[9]在推导波浪和潮流共同作用下的水体挟沙能力时，采用了潮流和波浪的时均能量方程式，依据能量叠加原理，将潮流和波浪用于悬浮泥沙的能量相加，从理论上建立了潮流和波浪共同作用下的挟沙能力公式。沿用这一思路，认为台风期台风浪消耗的部分能量是用来悬浮泥沙的，建立台风作用下的挟沙能力公式，并应用近年来长江口实测台风期近底含沙量资料对公式进行验证；在此基础上，依据能量叠加原理，完善了河口海岸挟沙能力公式，能够同时概括潮流、波浪和台风浪作用下的泥沙运动规律。

1 台风作用下挟沙能力公式构建

1.1 紊动能量对泥沙的悬浮作用

窦国仁等[9]在研究河口海岸挟沙能力时认为，潮流和波浪通过紊动而使泥沙悬浮，因此其紊动能量中均有一部分因悬浮泥沙做功而消耗，由于潮流和波浪的紊动能量都是由时均能量提供的，因而用于悬浮泥沙的紊动能量也包括在时均能量的消耗中，成为时均能量消耗中的一小部分，单位时间潮流和波浪的时均能量消耗，分别出现在潮流和波浪的时均能量方程式中。

在水深为h时，单位底面积上潮流和波浪的时均能量方程式分别为：

(1)

(2)

式中：K为潮流动能，K=1/2ρhv2，其中ρ为水的密度，v为流速；γ为水的容重；Z为潮位；εf为潮流在单位时间的能量消耗；E为波浪的总能量，E=1/8γH2，其中H为波高；U为波浪群速；E1为单位时间由外部输入的能量；E2为单位时间波能的消耗。文中各变量单位均为国际单位。

潮流的能量消耗由式(3)确定：

(3)

式中：if为摩阻比降；c为谢才系数。

波浪的能量消耗一般认为与单位时间波能成正比[18]，即：

E2=β1γH2/T

(4)

式中：β1为小于1的系数；T为波周期。

如果用R1和R2分别表示单位时间内潮流和波浪用以悬浮泥沙的能量，则有：

R1=αεf=αγv3/c2

(5)

R2=α1E2=α1β1γH2/T

(6)

式中：α和α1均为小于1的系数。

如用R3表示单位时间单位底面积上的水体为保持一定的沙量不沉而需要的能量，即为保持挟沙能力S*所需要的能量，则此能量为：

R3=(γs-γ)hS*ω/γs

(7)

式中：γ和γs分别为水和泥沙的容重；ω为沉速，当发生絮凝时应为絮凝沉速；其余符号均同前文所述。

在潮流和波浪共同作用下的能量关系为：

R1+R2=R3

(8)

将式(5)、式(6)和式(7)代入式(8)，得到窦国仁等[9]的潮流和波浪共同作用下挟沙能力公式：

(9)

式中系数由实测资料确定。

由于该公式是针对一般风浪条件下的河口海岸水沙运动，故在将式(9)应用于台风引起的长江口深水航道骤淤数学模型计算时，所得到的含沙量偏小。

1.2 台风作用下的挟沙能力公式推导

按照窦国仁等[9]建立式(9)的思路，推导台风作用下的挟沙能力公式。

长江口北槽中下段在台风期间有效波长一般大于50 m，根据微幅波理论[19]，通过单宽波峰线长度的波能传递率或波能流为：

(10)

一个波长范围内，单宽波峰线长度的平均波能传递率为：

(11)

认为台风的能量消耗也与平均波能传递率成正比，即：

E3=atPt

(12)

其中，E3为台风的能量消耗；Pt为平均波能传递率；αt为小于1的系数。

用R4表示单位时间内台风波能用以悬浮泥沙的能量，则有：

(13)

其中，αtβt为小于1的系数，可以通过现场资料得出。

保持台风作用下的挟沙能力S*所需要的能量Rt应为：

Rt=(γs-γ)hS*ω/γs

(14)

式中：h为水深；γs为泥沙的容重；ω为沉速，当发生絮凝时应为絮凝沉速。

当Rt=R4时，得到台风作用下的挟沙能力公式：

(15)

1.3 潮流、波浪、台风共同作用下挟沙能力公式推导

按照波浪和潮流共同作用下的能量关系式(8)，可建立潮流、波浪、台风浪共同作用的能量关系：

R1+R2+R4=R3

(16)

将式(5)、(6)、(7)和式(13)代入式(16)，可以得到潮流、波浪和台风共同作用下的挟沙能力公式：

(17)

或简写为：

(18)

其中，

(19)

式中：系数α、β1、β2可以通过现场资料率定得出。

式(17)等式右边第一项是潮流作用下的挟沙能力，第二项是波浪作用下的挟沙能力，第三项是台风作用下的挟沙能力。从式(17)的简化式可以看出，式(18)与潮流和波浪共同作用下的挟沙能力公式(9)形式完全相同，但系数β不同。当有效波高H<1 m时，为一般波浪情况，取β2=0，式(17)即为潮流和波浪共同作用下的挟沙能力公式(9)。

2 长江口台风期近底含沙量特征

2.1 长江口台风期的近底水沙观测

在河口泥沙运动特性研究中，掌握泥沙冲刷、沉降、淤积及固结等重要物理过程都依赖于对近底水沙运动资料的获取及分析。近底水沙运动观测主要侧重于观测近底水流、含沙量、盐度的变化过程，以及河床短周期的滩槽变化过程等。长江口台风期间近底水沙观测始于2012年[16]，受台风暴潮期间恶劣条件限制及对安全因素的考虑，以往长江口台风期间近底水沙观测工作开展较少。2017年以来，南京水利科学研究院、上海河口海岸科学研究中心采用近底水沙观测系统在长江口开展了台风期间近底水沙现场观测[20-21]，典型的台风观测有2018年的“玛莉亚(1808)”、“安比(1810)”、“摩羯(1814)”和2019年的“利奇玛(1909)”、“玲玲(1913)”，为台风作用下的挟沙能力公式验证提供了基础资料。

台风期间近底水沙观测点布置在长江口北槽航道南侧，由下游至上游为TTS和TNS(图1)，分别位于航道疏浚单元T单元和N单元航道南侧附近。在台风登陆前将近底水沙观测系统放置到观测点，通过该观测系统进行台风期间近底水沙和浮泥观测以及悬沙取样。

图1 长江口北槽近底水沙观测站点布置Fig. 1 Layout of water and sediment observation stations near the bottom of the north trough of the Yangtze Estuary

2.2 台风对近底含沙量的影响

2.2.1 台风期间北槽近底含沙量垂向变化特征

2018年台风“玛丽亚(1808)”期间，由于登陆地点距离长江口比较远，虽然牛皮礁站出现的最大波高不到4 m(图2)，但台风期间近底含沙量依然明显增加(图3)，近底50 cm和120 cm的最大含沙量均超过8 kg/m3。

图 2 “玛丽亚”台风期间牛皮礁波浪特征 Fig. 2 Wave characteristics of Niupi Reef during Typhoon Maria

图3 “玛丽亚”台风期间TTS距地不同高度含沙量测量结果 Fig. 3 TTS measurements of sediment concentration at different heights during Typhoon Maria

2018年第10号台风“安比”距离长江口较近，牛皮礁石站最大波高超过5 m，波浪明显强于“玛丽亚”台风(图4)，台风期间恰逢天文小潮(7月22日对应农历六月初十)，台风期间含沙量依然较高，距河床底20 cm、50 cm和120 cm的最大含沙量分别接近7 kg/m3、4 kg/m3和3 kg/m3(图5)。

图4 “安比”台风期间牛皮礁波浪特征Fig. 4 Wave characteristics of Niupi Reef during Typhoon Ambi

图5 “安比”台风期间TTS不同距底高度的含沙量测量结果Fig. 5 Sediment concentration measurements of TTS at different heights from bottom during Typhoon Ambi

2019年“玲玲”台风影响长江口的时段为9月4日至9月8日，9月5日10时，中国国家气象中心将其升格为超强台风(16级、52 m/s)，影响范围涉及我国福建、浙江、上海、江苏、山东、河北、天津、辽宁、吉林、黑龙江等10个省区市。“玲玲”台风期间牛皮礁最大波高4.0 m，不同距底高度上的水沙观测结果见图6，距河床底20 cm的最大含沙量接近14 kg/m3。

图6 “玲玲”台风期间TTS不同距底高度的含沙量测量结果Fig. 6 Sediment concentration measurements of TTS at different heights from bottom during Typhoon Lingling

2.2.2 台风期间北槽沿程含沙量变化特征

2018年7月21日至23日第10号台风“安比”影响长江口，其中最大风速和波高出现在7月22日，恰逢小潮。统计7月22日TTS站点和TNS站点实测各层含沙量，从各层日平均和最大含沙量(表1)可知，TTS站点各层含沙量平均值为1.17～2.94 kg/m3，最大含沙量为3.32～6.79 kg/m3，TNS站点各层含沙量平均值为0.33～1.17 kg/m3，最大含沙量为0.98～4.41 kg/m3。“安比”台风期间TTS站点的含沙量比寻常小潮期间大很多，而TNS站点的含沙量与常态天气条件下一致，常态天气条件下TNS站点的含沙量要大于TTS。因此，可以判断该强度台风在小潮期间不能造成TNS站点当地泥沙的起悬，同时由于小潮期间的涨潮动力较弱，TTS站点受台风影响增大的含沙量未能随涨潮流输移到TNS站点。

表1 “安比”台风期间(2018年7月22日)各层含沙量统计Tab. 1 Statistics of sediment concentration of each layer during Typhoon Ambi (July 22，2018)

由于盐水絮凝的影响，北槽最大混浊带(含沙量峰值)一般出现在中段，常态天气下TNS站点的含沙量要远大于TTS站点，而在台风影响下，口门附近的TTS站点平均含沙量和最大含沙量约是TNS站点含沙量的1.3～3.7倍；随着距底高度增加，TTS站点和TNS站点的平均含沙量和最大含沙量都逐渐减小，但TTS站点含沙量与TNS站点的含沙量之比在增加(图7)。

图7 “玲玲”台风期间距底不同高度的含沙量测量结果Fig. 7 Sediment concentration measurements at different heights from the bottom during Typhoon Lingling

2.2.3 台风影响下含沙量峰值变化特征

图8为“安比”台风期间流速流向、含沙量和波浪对应过程，对应是小潮，可以看出，在台风作用下含沙量与波浪过程密切相关，与潮动力过程相关性变弱。而长江口无风浪时，在主要的絮凝影响区段之外，含沙量过程与潮动力过程相关性较强。

图8 “安比”台风前后TTS和TNS站点潮位、波浪和含沙量过程 Fig. 8 Tide level and sediment concentration at TTS and TNS sites before and after Typhoon Anbi

无风浪条件下，含沙量峰值出现在涨落急时刻居多，而在台风作用过程中，含沙量峰值出现的随机性增加，或某一潮段连续保持高含沙量。

台风期间现场观测资料显示，北槽口门附近TTS站点在小潮期间也能发生较高的含沙量，甚至高于前期大潮和中潮期间的含沙量。而大量常态风浪条件实测资料表明，北槽含沙量变化存在着大小潮和涨落潮变化过程，小潮期间的含沙量往往远小于中潮和大潮期间的含沙量。

以2018年第10号台风“安比”为例，分析台风对北槽中下段含沙量的影响过程。根据台风期间流速流向、含沙量和波浪过程(图8)，7月23日小潮期间TTS站点和TNS站点的含沙量均大于潮差更大的7月25日，北槽下口TTS站点在小潮期间出现高于大潮和中潮的含沙量，这是由于台风浪使得床面泥沙掀起并随潮流输移，导致小潮期间的近底含沙量高于大、中潮期间的近底含沙量，这与常态风浪条件下含沙量主要受潮动力影响的规律不同。

3 挟沙能力公式系数率定

式(17)等式右边第一项是潮流作用下的挟沙能力，第二项是波浪作用下的挟沙能力，第三项是台风作用下的挟沙能力。在文献[9]中，推荐α=0.023，β1=0.000 4。台风对挟沙能力的贡献β2通过实测含沙量确定。由于台风期间现场观测数据为近底泥沙观测资料，首先根据时均含沙量沿垂线分布的罗斯公式推算垂线平均含沙量，再根据牛皮礁站波浪资料计算台风期间的波能。依据现场观测资料确定β2=2×10-3(见图9)。