椒(靈)江水沙特性及最大渾濁帶模擬

發(fā)布時(shí)間：2020-01-22所屬分類：工程師職稱論文瀏覽：1次

摘 要： 摘要:椒(靈)江屬于典型的山溪性強(qiáng)潮河流，水動(dòng)力泥沙條件異常復(fù)雜。潮流和徑流共同作用極易引導(dǎo)細(xì)顆粒泥沙在特定河段集聚，形成最大渾濁帶，并發(fā)育浮泥，對(duì)河道河床演變起重要作用。尤其是近年來(lái)河口圍填和河道采砂等人類活動(dòng)對(duì)河流的水動(dòng)力和邊界條件造成較

　　摘要:椒(靈)江屬于典型的山溪性強(qiáng)潮河流，水動(dòng)力泥沙條件異常復(fù)雜。潮流和徑流共同作用極易引導(dǎo)細(xì)顆粒泥沙在特定河段集聚，形成最大渾濁帶，并發(fā)育浮泥，對(duì)河道河床演變起重要作用。尤其是近年來(lái)河口圍填和河道采砂等人類活動(dòng)對(duì)河流的水動(dòng)力和邊界條件造成較大的改變，加之上游水庫(kù)建設(shè)致使徑流量及洪峰流量減小，配合強(qiáng)潮的頂托作用，枯水期最大渾濁帶向上游運(yùn)動(dòng)距離更遠(yuǎn)，導(dǎo)致河道淤漲、江水變渾，影響到河道航運(yùn)資源開發(fā)與保護(hù)。在實(shí)測(cè)資料的基礎(chǔ)上分析椒(靈)江山溪性強(qiáng)潮河流的水沙特性，并考慮黏性細(xì)顆粒泥沙運(yùn)動(dòng)特性和鹽度的影響，開發(fā)山溪性強(qiáng)潮河流最大渾濁帶數(shù)學(xué)模型，模擬枯季大潮椒(靈)江水沙運(yùn)動(dòng)特性和最大渾濁帶運(yùn)移過(guò)程。

　　關(guān)鍵詞:山溪性強(qiáng)潮河流;最大渾濁帶;水沙特性;數(shù)值模擬

　　椒(靈)江流域位于浙江中部沿海，是浙江省第三大水系，流域面積6603km2，主流全長(zhǎng)209km，由西北至東南匯入臺(tái)州灣。椒(靈)江流域由上游支流(永安溪和始豐溪)、靈江、椒江、椒江口組成。靈江上游永安溪長(zhǎng)約144km，始豐溪長(zhǎng)約129km。永安溪和始豐溪匯集于臨海市西郊三江村，至黃巖三江口為靈江主河段，長(zhǎng)約46km，寬200～1400m。三江口處有支流永寧江匯入，永寧江河長(zhǎng)78km，上游為長(zhǎng)潭水庫(kù)。三江口以下至口門(牛頭頸)河段為椒江，長(zhǎng)約12km，寬880～1800m。椒江出口門入海后，河道呈喇叭形向外展寬，稱為椒江口，向東南注入臺(tái)州灣。椒江口口門處寬約1km，離口門約18km的白沙—瑯磯山斷面寬達(dá)19km，白沙以東海域開闊，椒江河口區(qū)呈現(xiàn)明顯的喇叭口形狀，臺(tái)州灣水下分布著大片淺灘(圖1)。

　　椒(靈)江屬于典型的山溪性強(qiáng)潮河流，河道細(xì)顆粒泥沙往往形成最大渾濁帶，在徑流和外海潮流的雙向作用下往返運(yùn)移，并在河道底部發(fā)育成浮泥，水流泥沙運(yùn)動(dòng)規(guī)律異常復(fù)雜。早在20世紀(jì)80年代，許多專家學(xué)者就開始關(guān)注椒(靈)江山溪性強(qiáng)潮河流水沙特性的研究。如祝永康[1]對(duì)椒江山溪性強(qiáng)潮河口的水沙基本特征開展了研究。畢敖洪等[2]初步研究了椒江口河口過(guò)程和沉積結(jié)構(gòu)。符寧平[3]研究了椒江的懸沙運(yùn)動(dòng)特征。此后，郭琳等利用遙感和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)資料研究了椒江的含沙量分布特征[4-5]。趙龍保[6]研究了椒江河口挾沙力的計(jì)算方法。李炎等研究了椒江最大渾濁帶的運(yùn)移特征和影響因素[7-12]。

　　近年來(lái)河口人類活動(dòng)較為頻繁，尤其是河口圍填和河道采砂等使河流的水動(dòng)力和邊界條件發(fā)生了較大改變，加之上游水庫(kù)建設(shè)致使徑流量及洪峰流量減小，配合潮水的頂托作用，枯水期最大渾濁帶向上游運(yùn)動(dòng)距離更遠(yuǎn)，導(dǎo)致河道淤漲、江水變渾，并呈不斷惡化的趨勢(shì)。本文根據(jù)椒江河口實(shí)測(cè)水文泥沙測(cè)驗(yàn)資料(測(cè)驗(yàn)垂位置見(jiàn)圖1)，分析椒(靈)江河道水沙運(yùn)動(dòng)特征，并考慮黏性細(xì)顆粒泥沙和鹽度的影響，建立最大渾濁帶泥沙數(shù)學(xué)模型，模擬椒(靈)江最大渾濁帶運(yùn)動(dòng)規(guī)律。

　　1自然條件

　　1.1徑流

　　椒江流域受梅雨和臺(tái)風(fēng)雨影響，徑流量的年內(nèi)分配極不均勻，主要集中于汛期(4—9月)，占全年總量的75%;枯季(10月至翌年3月)徑流量?jī)H占全年的25%。流域洪水暴漲暴落，洪峰一般持續(xù)1～2d，徑流量變幅極大。歷史最大洪峰流量為16300m3�Ns(1962-09-06)，最小流量?jī)H為0.39m3�Ns(1967-09-19)，多年平均流量163m3�Ns。

　　1.2潮汐

　　椒江河口屬?gòu)?qiáng)潮河口，潮型為不規(guī)則半日潮。枯季潮區(qū)界始豐溪可達(dá)到董岸村上游，距三江村6km;永安溪潮區(qū)界則位于嶺溪大橋下游，距離三江村10km。當(dāng)椒江流域發(fā)生洪水時(shí)，潮流界下移。實(shí)測(cè)資料表明，當(dāng)洪峰流量達(dá)2500m3�Ns時(shí)，潮流界下移距口門僅20km處;當(dāng)洪峰流量達(dá)7500m3�Ns時(shí)，椒江口無(wú)漲潮流;若遇特大洪水，淡水舌可沖抵口外25km。潮波自外海經(jīng)椒江喇叭口形河口傳入椒江河道，隨著河寬和水深減小，潮波受到淺海地形摩阻、上游徑流頂托和兩岸邊界的約束反射等影響，上溯過(guò)程中變形劇烈，漲潮歷時(shí)縮短，落潮歷時(shí)延長(zhǎng)，波形呈不對(duì)稱，且接近駐波。根據(jù)近年的測(cè)驗(yàn)資料可知，潮差自海門沿江道上溯呈逐漸增大的趨勢(shì)(表1)，最大潮差在西門附近，達(dá)6.85m。總體上，從臺(tái)州灣—椒江河口—靈江河段，自東向西，由外海沿河道上溯，沿程最高潮位、平均高潮位、平均潮位均呈逐漸升高趨勢(shì)。潮差也呈增大趨勢(shì)，至潮流界以上潮差迅速減小。

　　1.3潮流

　　椒江河口外臺(tái)州灣潮流呈現(xiàn)旋轉(zhuǎn)流特征，潮流上溯至椒江口，河道內(nèi)以往復(fù)流為主。2013—2017年河道沿程實(shí)測(cè)潮流流速數(shù)據(jù)表明，潮流總體上呈現(xiàn)出臺(tái)州灣—椒江—靈江逐漸增大的趨勢(shì)，漲潮流速大于落潮流速。椒江口最大垂線平均漲潮流速為0.57～1.70m�Ns，落潮流速為0.51～1.45m�Ns。椒江河道最大垂線平均漲潮流速為1.57～2.30m�Ns，落潮流為1.01～2.00m�Ns。靈江廟龍港、西岙附近最大垂線平均漲潮流速為1.42～2.28m�Ns，落潮流速為1.33～1.90m�Ns。2013年12月椒(靈)江河道沿程各站垂線平均流速變化見(jiàn)表2。

　　1.4泥沙

　　1.4.1含沙量

　　椒江河口泥沙來(lái)源表現(xiàn)為陸域與海域雙向來(lái)沙。據(jù)實(shí)測(cè)資料統(tǒng)計(jì)，徑流攜帶的泥沙較少，椒江流域來(lái)沙多年平均輸沙量為122萬(wàn)t�Na，平均含沙量0.236kg�Nm3。根據(jù)2013—2014年水文測(cè)驗(yàn)資料，靈江、椒江垂線平均含沙量普遍在3.0kg�Nm3以上，臺(tái)州灣海域則普遍在0.3kg�Nm3以下。含沙量平面分布，呈現(xiàn)由靈江—椒江—椒江口及臺(tái)州灣逐漸遞減的趨勢(shì)，含沙量沿程變化見(jiàn)表3。可以看出，上游靈江河道垂線平均含沙量最大達(dá)18kg�Nm3，椒江河道垂線平均含沙量最大達(dá)10kg�Nm3，椒江口河道垂線平均含沙量不超過(guò)5kg�Nm3，至椒江口外臺(tái)州灣海域含沙量較小，均值在0.2kg�Nm3以下。

　　實(shí)測(cè)資料表明，在徑流很小的枯水期，靈江主流最大垂線平均含沙量達(dá)到20kg�Nm3以上，底部含沙量最大可達(dá)60kg�Nm3左右，發(fā)生在大潮落潮憩流時(shí)段;大潮含沙量高、小潮含沙量較低。椒江和靈江的水體含沙量普遍較高，而椒江口外含沙量較小，在漲落潮作用下泥沙形成渾濁帶的運(yùn)動(dòng)特征。最大含沙量的渾濁帶核心部位在潮流作用下往復(fù)運(yùn)動(dòng)，落潮下移漲潮上溯，大潮運(yùn)移從牛頭頸至西岙區(qū)間達(dá)30多公里。含沙量垂向分布表現(xiàn)為底部含沙量大，表層含沙量小;漲潮期隨著水深和漲潮流速逐漸增大，含沙量垂向梯度較小;落潮期隨著水深減小和落潮流減弱泥沙向底部集聚，底部含沙量顯著增大，并形成浮泥。圖2為2013年冬季大潮和2014年夏季大潮典型時(shí)刻不同斷面的含沙量垂線分布情況。可以看出，含沙量的垂向分布呈現(xiàn)從表層到底層逐漸增大的現(xiàn)象，分布不均勻且梯度較大。底部平均含沙量超過(guò)30kg�Nm3，并形成浮泥。

　　1.4.2泥沙組成和粒徑

　　2013年12月水文測(cè)驗(yàn)期間，除了定點(diǎn)采集懸沙樣品，還沿椒(靈)江—臺(tái)州灣每隔1km定點(diǎn)采集底質(zhì)泥沙樣品96個(gè)。從實(shí)測(cè)椒(靈)江泥沙的粒徑和組分看，各垂線的懸沙中值粒徑介于0.005～0.0102mm。懸沙中值粒徑表現(xiàn)為靈江河道至下游椒江河道逐漸變細(xì)的分布特征。靈江河段受上游陸域輸沙影響，底質(zhì)明顯粗于椒江和口外段。其他河段懸沙、底質(zhì)粒徑差異小。表明椒江下游至河口外懸沙和河床泥沙交換十分頻繁。

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　　4結(jié)語(yǔ)

　　1)山溪性強(qiáng)潮河流水動(dòng)力泥沙條件異常復(fù)雜。潮流和徑流的共同作用極易引導(dǎo)細(xì)顆粒泥沙在特定河段集聚，形成最大渾濁帶，并發(fā)育浮泥，對(duì)河道河床演變起到重要作用。

　　2)河床細(xì)顆粒泥沙為高含沙量渾濁帶的形成提供了豐富的泥沙來(lái)源。潮波變形導(dǎo)致漲落潮的不對(duì)稱性形成的斯托克斯輸移，是渾濁帶向上游運(yùn)移的動(dòng)力機(jī)制。

　　3)在徑流和潮流作用下山溪性強(qiáng)潮河流河床面形成一個(gè)由細(xì)顆粒黏性懸沙、高含沙濃度層、浮泥體和底質(zhì)構(gòu)成的沉積系統(tǒng)，泥沙運(yùn)動(dòng)模擬必須充分考慮黏性泥沙的動(dòng)力特征。