长江口徐六泾断面近底悬沙测验及影响分析

刘 传 杰，朱 巧 云

(长江水利委员会水文局 长江口水文水资源勘测局，上海 200136)

0 引 言

长江口为中等强度的潮汐河口，在径流、潮流、波浪、盐水楔以及增减水等多种变化的动力因素作用下，河口的泥沙运动规律及其分布较为复杂[1]。而近底悬沙浓度主要反映水体悬沙和河床床面泥沙的交换及与水动力的关系，研究其较为真实的分布及运动规律，不仅直接关系到取、排水，防、排沙工程的规划设计，而且也是泥沙研究的重要方面。常规水文观测方法测得的底部含沙量一般只相当于距底70～120 cm高度含沙量，为了有效解决这个问题，多年来许多专家和学者对此做了大量的工作，如方铎和王贵道[2-3]研制了NBS-84型临底悬沙采样器，主要应用于5 m以下水深的河道测验。近年来，以华东师范大学何青等为代表的专家学者利用先进的声学和光学仪器组建四角架近底观测系统，在长江口南、北槽河段进行了应用研究[4-8]。此系统虽然可获取常规水文观测难以获取的近底温盐沙资料，但没有自动采水系统，不能同步采集同高度的悬沙水样，近底悬沙浓度是采用上层水样与浊度计(OBS)获取的水体中悬浮物浊度率定推求，可OBS的率定曲线很大程度上依赖采样的环境，如悬浮水体的粒径、水温等，尤其是悬浮水体的粒径[9-10]，所以采用上层水样与近底层浊度率定曲线推求出的近底悬沙浓度存在一定的误差。

本次研究是在洪、枯季同步水文测验期间，应用一种新型的近底悬沙采样系统——双尾翼近底悬沙采样系统，在长江口徐六泾断面的浅滩和深槽的代表垂线上同步采集距河底50 cm和10 cm的近底水样；并根据现场实测资料分析含沙量垂向分布规律，以及近底悬沙浓度对测验成果精度的影响程度。

1 研究区域概况

徐六泾断面位于长江口徐六泾节点段，位置如图1 所示。所在河段上承澄通河段通州沙汊道段，下连长江口北支和白茆沙汊道段。通州沙汊道段上起十三圩，下至徐六泾，全长约39.0 km，为多滩多分汊河道。白茆沙汊道段上起白茆河口，下至七丫口，全长35.5 km，大部分径流从白茆沙水道下泄至南支主槽，小部分径流分流北支，该河段同样是复杂的多汊分流河段。

徐六泾节点段进口河宽约4.6 km(2011年新通海沙围垦前为5.7 km)，断面形状呈不对称“W”形(见图2)，主槽宽约2.35 km(-10 m等高线间距，1985国家高程基准)[11]，主流偏南，断面主槽多年来基本保持稳定。根据以往的实测数据分析：徐六泾断面主槽以南底质为淤泥质亚黏土，抗冲击性较强；主槽以北为粉砂，易起动[12]。悬沙以细粒组分为主，多为极细粉砂和黏土；枯季悬沙中值粒径粗于洪季；洪季悬移质含沙量高于枯季[13]。

2 现场测验及方法

2.1 近底悬沙采样系统结构及工作原理

为了能在徐六泾断面获取近底悬沙含沙量，采用了新型双尾翼近底悬沙采样系统(见图3)。受船舶中的双舵设计启发，该采样系统采用双尾翼设计，在高流速的紊流中，采样系统纵向稳定性极好，不左右摆动，原地不旋转、不转圈，采用流线型双尾翼设计，由上、下2个横式采样器组成，上层采样器距离底部垂直距离为50 cm，下层采样器距离底部10 cm，利用自重为动力，在底部装有触底关闭装置，采用精密轴承传动将水样容积仓自动关闭。

现场取样时，以开舱的状态入水，当采样器下放到河底时，底部托盘受到重力的反作用力，向上顶开容积仓门的锁紧装置，在弹簧的拉力作用下，同步一次性关闭上下两层横式采样器。此采样系统优点是：提高仓门关闭的成功率，同时确保了水样采集位置的准确性，保证了水样的代表性；缺点是系统自身重量较重，测船必须安装有专用绞车才能使用。

2.2 测验方法

双尾翼近底悬沙采样系统于2019年6月开始在徐六泾断面进行现场测试(见图4)。首次使用时，由于近底采样系统底盘较小，配重不够，河床底质较松软等原因，在断面深槽处出现多次触底不能闭合的情况[14]。经过多次改进，新型双尾翼近底悬沙采样系统可成功运用于徐六泾断面的近底悬沙取样。

为了研究徐六泾断面浅滩和深槽不同位置悬移质含沙量沿垂线分布规律，现场测验时在断面上选取1号(平均水深约15 m)和4号(平均水深约45 m)，这两条垂线分别代表浅滩和深槽，具体位置见图2。现场测验时，采用常规六点法与近底两点相结合采样，每条垂线沿垂线取8层水样，分别为水下0.5 m、相对水深0.2H层、0.4H层、0.6H层、0.8H层、水深H-0.7 m层(常规法的底层)、水深H-0.5 m层和水深H-0.1 m层。采用焙干称重法直接得出各分层含沙量。

2.3 测验实施

徐六泾断面具有双向水沙运动特性，悬移质含沙量有明显的涨落潮、大小潮等的潮相变化，还有洪季与枯季季节性的变化，考虑到分析样本的代表性，安排在洪季、枯季各进行一次全潮测验。现场具体测验实施如下：在浅滩1号垂线处，利用常规法与近底悬沙采样系统进行了洪季和枯季2次测验；在深槽4号垂线处，利用常规法进行了洪、枯季2次测验，近底悬沙采样系统只在枯季进行了1次测验。洪、枯季均开展大、中、小潮完整潮周期的测验。具体测验时间见表1。

表1 测验时间Tab.1 The timetable of the observations

3 测验成果分析

3.1 悬移质颗粒级配分析

3.1.1洪、枯季

洪、枯季期间，浅滩1号和深槽4号垂线悬移质颗粒特征值见表2～3。由表2～3可见：1号垂线悬移质颗粒粒径沿垂线分布，枯季较洪季存在明显的粗细变化，洪季4种流态下，颗粒粒径沿垂线分布变化不明显，中值粒径基本在8～12 μm之间；枯季急流时，中上层的泥沙中值粒径变化不明显，而越靠近河床泥沙粒径越粗，近底层粗颗粒泥沙(中值粒径0.062 mm以上)比重达70%以上，中值粒径为0.121 mm，约是表层中值粒径的8倍多；憩流时由于水流动力减弱，粒径粗细变化较急流时减小，近底层中值粒径约为表层的1.5～3.5倍。深槽处4号垂线与浅滩1号垂线不同，洪、枯季粒径粗细差异不大，整个剖面分布较均匀，洪季中值粒径基本在10～12 μm之间，沿垂线分布粗细变化不明显；枯季粒径较洪季粗一些，中值粒径基本在12～19 μm之间，近底层颗粒较粗。

表2 浅滩1号垂线悬移质颗粒特征值Tab.2 Characteristic values of the suspended sediment in profile 1 on the shoal

表3 深槽4号垂线悬移质颗粒特征值Tab.3 Characteristic values of the suspended sediment in profile 4 in the deep channel

3.1.2不同潮型

表4和表5分别为1号和4号垂线悬移质颗粒大、中、小潮期表层和近底层(4种流态)的颗粒特征值。由表可见：1号垂线大潮和中潮期，颗粒粒径沿垂线分布存在明显的粗细变化，即越靠近河床泥沙粒径越粗；而小潮期颗粒粒径沿垂线分布粗细比较均匀，中值粒径基本在9～20 μm之间。深槽处4号垂线，大、中、小潮期，颗粒粒径沿垂线分布粗细均比较均匀，中值粒径基本在10～19 μm之间。浅滩与深槽处对于不同潮型，总体上都是小潮期粒径最细，大潮期粒径较粗；4种流态比较，急流时粒径较憩流时粒径粗。

表4 不同潮型下浅滩1号垂线悬移质颗粒特征值Tab.4 Characteristic values of the suspended sediment in profile 1 on the shoal under different tidal types

表5 不同潮型下深槽4号垂线悬移质颗粒特征值Tab.5 Characteristic values of the suspended sediment in profile 4 in the deep channel under different tidal types

3.2 含沙量剖面分析

3.2.1洪、枯季

图5为1号垂线洪季(2020年7月)、枯季(2021年3月)含沙量剖面图(z为距河底距离，下同)。从图5可知：含沙量沿垂线分布基本上与颗粒粒径一致，中上层区域含沙量变化比较小，越靠近河床含沙量越大，使得整个含沙量剖面形成“L”形分布，涨、落急时更显著。通过悬沙颗粒粒径分析可知，急流时刻的泥沙粒径要明显粗于憩流时刻，急流时粗颗粒泥沙集中于近河底部分，但是由于水体紊动强度不足，部分粗粒径级泥沙只能悬浮到某一高度，根本到不了上层区域，从而造成了含沙量剖面形成“L”形分布，同时当水流动力逐步减弱至憩流时刻，底层较粗、沉降速度大的泥沙重新落淤到床面，造成近底层含沙量迅速减少，上层区域由于泥沙粒径细沉降速度小含沙量变化不大。洪、枯季规律相似。

3.2.2不同潮型

图6和图7分别为1号和4号垂线枯季(2021年3月)大、中、小潮期4种不同流态下含沙量剖面图。由图6～7可知：不同潮型含沙量剖面分布规律与上述分析一致。大、中潮期，1号垂线涨、落急含沙量沿垂线分布存在明显的梯度，憩流时含沙量沿垂线变化比较小；小潮期，由于动力较弱，泥沙粒径进一步细化，含沙量比较小，使得含沙量沿垂线分布更加趋于均匀。4号垂线含沙量明显小于1号，尤其在近底层，无论是急流时刻还是憩流时刻都远小于1号垂线，且无论大、中、小潮期含沙量沿垂线分布均比较均匀。

3.3 近底悬沙影响分析

3.3.1垂线平均含沙量计算方法

(1) 常规六点法。垂线平均含沙量通常采用垂线上各分层流速加权计算[15]，计算公式如下：

(1)

(2) 加入近底2点(H-0.5 m、H-0.1 m)悬沙的垂线平均含沙量按平均流量法计算。沿水深方向将垂线离散为m个微小单宽面积，根据垂线流速分布曲线、含沙量分布曲线，分别计算出q和qs。计算公式如下：

(2)

式中：q为垂线单宽流量；qs为垂线单宽输沙率。

3.3.2误差统计方法

相对误差：

(3)

系统误差：

(4)

标准差：

(5)

3.3.3垂线平均含沙量误差分析

根据现场实测资料，用常规六点法计算值与计入近底悬沙后计算的垂线平均含沙量拟合关系曲线，如图8～9所示。浅滩1号垂线关系点成散射状，含沙量越大，偏离相对越大(见图8)，但总体上两者呈高度显著相关。相比较而言，在含沙量及含沙量垂向分布梯度均较小的深槽4号垂线(见图9)，无论涨、落潮，相关系数均达0.99以上，即计入近底悬沙后计算的垂线平均含沙量与常规六点法的计算值基本相当。

根据数据统计分析可知：常规法计算的垂线平均含沙量偏小，尤其在浅滩处，相对误差大于10%的样本数中涨潮为26.3%、落潮为28.6%，涨、落系统误差潮分别为-6.50%，-5.63%，标准差在10%左右，即常规法计算的垂线平均含沙量无论涨、落潮时均偏小。深槽处，由于泥沙粒径比较细，含沙量垂向分布比较均匀，80%以上的样本数相对误差小于5%，系统误差基本为0，标准差在3%以内，即深槽处近底悬沙对垂线平均含沙量影响比较小。

3.3.4潮平均含沙量误差分析

表6～7分别为浅滩1号和深槽4号垂线潮平均含沙量及误差统计，表中以计入近底悬沙后的值为“真值”。根据表中的结果分析可知：计入近底悬沙后，垂线潮平均含沙量将增大，增大幅度与含沙量垂向分布密切相关，根据前述章节分析，浅滩1号垂线处含沙量垂向梯度大，且枯季比洪季大，则枯季相应的增大幅度较洪季大，洪、枯季增幅平均分别为5.65%，9.08%；落潮增幅大于涨潮；大、中潮比小潮垂向梯度大，则相应的增幅也大。深槽4号垂线处无论大、中、小潮期，含沙量沿水深的分布均相对较均匀，计入近底悬沙后，涨、落潮潮平均含沙量增幅基本在1%以内，即深槽处近底悬沙对潮平均含沙量影响也比较小。

表6 浅滩1号垂线潮平均含沙量及误差统计Tab.6 Vertical tide-averaged suspended sediment concentration and the error statistics in profile 1 on the shoal

表7 深槽4号垂线平均含沙量及误差统计Tab.7 Vertical tide-averaged suspended sediment concentration and the error statistics in profile 4 in the deep channel

4 结果讨论

在悬移质运动过程中，贯穿着重力作用与紊动扩散作用的矛盾统一。根据Rouse方程，悬移质泥沙垂向分布的不均匀程度取决于Z值[16](Z=w/(ku*)，w为泥沙沉降速度，u*为摩阻流速，k为卡门常数)。在一定时间内水力条件变化不大的情况下，Z值与颗粒的沉速成正比。细颗粒的Z值小，含沙量沿水深的分布相对较均匀；粗颗粒的Z值大，泥沙将集中于近河底部分，部分粗粒径级泥沙只能悬浮到某一高度，到不了上层区域，也就是说，在河底各粒径级的泥沙都存在，且较粗粒径级含量大，故含沙量大；在上层，只有部分细颗粒径级的悬浮泥沙，故含沙量比较小。

通过上文比较分析，徐六泾断面浅滩和深槽含沙量垂向分布规律不同。浅滩涨落急流时刻的泥沙粒径要明显大于憩流时刻，越靠近河床泥沙粒径越大，其中近底70 cm处的泥沙要明显比近底50 cm处的细，而中上层的泥沙中值粒径变化则不再明显，这一现象说明在徐六泾断面泥沙从床面泥沙受到急流侵蚀进入水体后，在70 cm以内形成比较显著的含沙量梯度，但是由于水体紊动强度不足，占比较大的粗颗粒泥沙往往无法进入床面1 m以上的水体中，从而造成了整个含沙量剖面呈现出“L”形分布，同时当水流动力逐步减弱至憩流时刻，底层较粗、沉降速度大的泥沙重新落淤到床面，造成近底层70 cm以内的含沙量迅速减少，不过床面1 m以上的水体由于泥沙粒径细，沉降速度小含沙量变化不大。深槽含沙量垂向分布比较均匀，深槽泥沙粒径在15 μm左右且变化比较小，这与浅滩上下层粒径存在明显梯度是不同的，这些都表明深槽的床沙与悬沙交换不多，此处的悬沙主要以过境泥沙为主。含沙量垂向分布规律不同对测验成果影响程度也不同，浅滩近底层含沙量大，对测验成果的影响就比较大；而深槽近底层含沙量与中上层水体相当，对测验成果的基本没有影响。洪、枯季含沙量垂向分布均符合于上述规律和特点。

5 结 论

本文采用双尾翼近底悬沙采样系统，观测得到了徐六泾断面浅滩和深槽的洪、枯季全潮实测资料，并通过计算、分析得出如下几点结论。

(1) 双尾翼近底悬沙采样系统，采用双尾翼设计，在长江口河段往复流的复杂水流条件下纵向稳定性好，确保了采样位置的准确性，为测验成果精度提供了重要支撑。

(2) 徐六泾断面浅滩和深槽含沙量垂向分布规律不同。含沙量垂向分布的不均匀程度取决于泥沙颗粒特性，浅滩泥沙粒径较粗且越靠近河床泥沙粒径越粗，含沙量沿垂线分布基本上与颗粒粒径一致，中上层水体含沙量变化较小，越靠近河床含沙量越大，含沙量剖面呈“L”形分布。深槽泥沙粒径比较细，含沙量垂向变化比较小，含沙量剖面分布比较均匀。

(3) 近底悬沙对测验成果的影响程度与取样位置有关。计入近底悬沙后，浅滩处平均增幅为7.37%，深槽处平均增幅小于1%，浅滩处影响程度明显大于深槽。

(4) 近底悬沙对测验成果的影响程度在各个时间尺度上有差异。计入近底悬沙后，含沙量一般情况下是增大的，但增幅不同，枯季大于洪季，落潮大于涨潮，大潮大于小潮。如浅滩处平均含沙量在洪、枯季增幅分别为5.65%，9.08%，枯季是洪季的1.6倍；2021年3月枯季浅滩处涨、落潮平均含沙量增幅分别为8.98%，9.19%。