2.3 长江口的动力及泥沙运动特性

2.3 长江口的动力及泥沙运动特性

2.3.1 上游来水来沙条件

大通站是长江中下游最后一个径流控制站,其实测水文资料基本可代表长江口的流域来水、来沙变化。

长江口多年平均径流量约为9000亿m3,径流量年际间虽有一定幅度的波动,但无明显的趋势性变化(图5)。而且,径流量的年内洪枯季分配规律也基本没变(图6)。

洪水对长江口的河床演变的影响较为明显。统计表明,1950年以来,长江口约每隔10~15年有一次较大的洪水过程。2010年是继1998、1999年以来最大的一次洪水过程,大通流量超过6万m3/s天数达36 d。受三峡工程水量调度(削峰填谷)的影响,长江发生大洪水的级别有所降低。但在流域洪季降雨量较大情况下,三峡进入长江口大径流量的持续时间可能会有所延长,如2010年大通流量超过6万m3/s天数达36 d。

长江口来沙量丰富,但年输沙量自20世纪80年代中期以来呈明显的减小趋势(图7)。尤其,2006年平均输沙量仅为0.85亿t,创下了1950年以来的最低纪录。2009年,大通站的年平均输沙量也仅为1.11亿t(表1)。

图5 长江大通站年径流量的变化(1950—2012年)

图6 大通站洪季(5—10月)径流量、输沙量占全年的百分比

表1 1998年以来大通站来水、来沙的年际变化

注:数据来源于《中国河流泥沙公报》。

长江来沙量的减小与近年来长江流域的水土保持、植被固沙、人工取沙和高坝拦沙(葛洲坝工程、三峡工程)有直接关系。未来一段时间内,长江上游还将建设一定数量的水库、大坝工程,加之人工挖沙的影响等,流域来沙仍会有进一步减少的可能。

图7 长江大通站的年输沙量变化(1950—2012年)

2.3.2 河口水动力特性

河口水动力因素包括径流、潮流、波浪、风和盐水楔异重流等。这些因素中,对长江口河床演变起到主要作用的是径流和潮流。

长江口属大径流、中等潮差河口。径流和潮流两股动力在时,空范围内的复杂变化及相互消长作用,是导致长江口复杂演变的主要原因。长江口水动力特性主要概述如下。

长江口潮量大。口门处总进潮量,枯季小潮为13亿m3,枯季大潮为39亿m3;洪季小潮为16亿m3,洪季大潮为53亿m3。口外潮汐为正规半日潮,口内潮汐变为非正规半日浅海潮。潮波在河口内传播过程中发生变形,沿程高、低潮位增加、潮差减小、涨潮历时缩短、落潮历时增长。

长江口在有固定岸线的口内潮流方向以往复流为主,口外为顺时针旋转流。由于河宽较大,口内、外均存在涨、落潮流路分歧现象。涨、落潮主流路分歧是宽浅河段中形成落潮主槽和涨潮副槽的重要原因,也是长江口形成分汊河型及呈现周期性演变规律在动力条件方面的重要原因。

南、北支两汊中,北支分流比不足5%。南、北港潮量及径流分配比较稳定,大体上“五五开”。南、北槽落潮量分配比:北槽落潮量自20世纪60年代的30%左右至90年代治理工程前与南槽基本相当。这说明自然条件下北槽处于不断发展过程中。

2.3.3 泥沙运动特性

长江口泥沙主要来自长江流域。流域来沙经沿程分选,至长江口主要以悬移方式输运入海,较粗部分沉积在口外三角洲;细颗粒则被带到外海。在河口地区水动力条件下,咸、淡水交汇,形成河口环流系统并产生细颗粒泥沙絮凝沉降。

长江水体多年平均含沙量约为0.5 kg/m3,由于水量大,多年平均年输沙总量约4亿t。长江口南支水域水体含沙量总体上与上游来沙关系密切,呈洪季大、枯季小的变化特点。但口外水体含沙量则更易受风浪和潮流动力条件控制,表现为枯(冬)季大,洪(夏)季小;大潮大、小潮小;大潮涨潮含沙量明显大于落潮。

同级汊道相比,北支含沙量高于南支,北港高于南港,南槽高于北槽。

自然条件下,长江入海各汊道(北支、北港、北槽、南槽)的局部区段均相对稳定地存在水深浅于其相邻上、下河段的拦门沙。其原因主要是:河道的急剧展宽,减小了输沙入海的水流动力,河床变形调整,形成了多条以巨大浅滩作边界的泄流汊道。河口汊道内径、潮流两股强大动力交汇,盐淡水混合,垂向密度梯度的存在,在盐水入侵区形成了上层水流净向海,下层水流净向陆的“垂向环流”。滞流点附近含沙量出现较大垂直梯度,相对水深0.5 m以下含沙量急剧增大。上游径流引起的泥沙下泄输移与外海潮汐动力及盐度梯度引起的一定时段内的上溯输移形成汊道内泥沙净输移的滞沙点,为其附近最大混浊带的形成提供了物质来源。另外,细颗粒泥沙絮凝沉降是最大混浊带形成的又一重要原因。最大混浊带的位置随洪枯季和大小潮而上下摆动。摆动范围即汊道内拦门沙的滩顶位置。

拦门沙滩顶位置受控于洪季滞流点摆动范围,拦门沙滩顶高程长期稳定。以不足10 m水深的滩长计,北港、北槽和南槽的拦门沙纵向长度依次为60 km、69 km和74 km。拦门沙河段的泥沙十分活跃,含沙量高,为长江向外海输沙的“转运站”。