刘高伟，程和琴，杨忠勇

(1.华东师范大学 河口海岸学国家重点实验室，上海 200062;2.上海河口海岸科学研究中心，上海 201201;3.三峡大学 水利与环境学院，湖北 宜昌 443002)

长江口为中等强度潮汐河口，口内为非正规半日浅海潮，口外为正规半日潮，平均潮周期12.5 h［1］。受上游携带巨量径流、泥沙的作用以及外海潮汐和近海环流影响，水动力条件复杂，河口地形冲淤多变。经过长期历史演变，长江口形成了目前“三级分汊，四口入海”的河势格局［2］。北槽是长江口主要入海通道之一，深水航道整治前维护水深为7m(理论最低潮面以下，下同)，一期工程于1998—2000年实施，航道水深从7m增至8.5m;二期工程于2002—2005年实施，航道水深由8.5m增至10m，2005年11月通过国家验收，并同期延伸到南京;三期工程于2006—2010年实施，达到了全槽贯通12.5m航道水深的目标［3］。

2005年3月北槽深水航道二期工程10m水深全线贯通，三期工程于2006年9月25日正式开工，以疏浚工程为主，还包括长江口整治建筑物减淤工程丁坝加长工程和南导堤加高工程，中上段河宽缩窄，以加大水流的冲沙能力。2010年3月14日，长江口深水航道治理三期工程竣工验收，标志着全长92.2km，底宽350～400m，水深12.5m的长江口双向高速航路正式投入运行［4］。目前，第三、四代集装箱船和5万t级船舶可以全天候双向通航，第五、六代集装箱船和10万t级满载散货船及20万t级减载散货船可乘潮进出长江口。三期工程完成后，北槽深水航道工程建设前后其周围环境将发生相应变化，不少学者曾对深水航道一、二期工程前后北槽最大浑浊带分布［5］、北槽河段冲淤演变［6－7］、南北槽分汊段河槽演变［8］及分流分沙变化［9－10］作过大量研究;也有学者根据现场实测资料分析三期工程建设期的南北槽分流分沙比变化［11］;同时，对整个工程(一、二、三期工程)前后北槽潮汐特征［12］、北槽盐度分布［13］、南北槽分流口河槽演变［14］、北槽水沙过程［15］也有所研究。然而，对北槽深水航道二期工程竣工以来潮汐、潮流及含沙量变化特征的研究尚不多见。

因此，本文拟根据2006—2013年洪、枯季大潮北槽深水航道内实测水沙数据，利用调和分析及数据同化处理潮汐、潮流及含沙量资料，分析深水航道二期工程竣工以来该水域潮汐、潮流及含沙量变化特征，这对今后深水航道维护与治理不仅具有重要理论价值，而且具有重要工程实践意义。

1 资料与方法

1.1 水沙数据收集及处理

本文收集了2006和2013年洪季(6—8月)横沙和北槽中潮位站潮位资料，还收集了2006，2008，2011年洪季大潮和2006，2009，2013年枯季大潮时利用声学多普勒流速剖面仪(ADCP)连续定点长序列观测的水沙数据，具体观测站点和观测时间见图1和表1。其中，水沙数据主要包括流速、流向、含沙量和盐度，ADCP测量的声学频率为1200 kHz。含沙量由逐时于整点时刻分层采集水样，采集时使用“六点”法且与ADCP所测流速分层相对应:表层(水面下0.5m)，0.2，0.4h，0.6h，0.8h，底层(离床面0.5m)。另外，本文将2006年视为二期工程竣工后(三期工程前)，2008和2009年视为三期工程施工期间，2011和2013年视为三期工程竣工后。

图1 长江口北槽深水航道测点位置Fig.1 Sketch map of north passage of Yangtze estuary and observation points

表1 观测站点和观测时间Tab.1 Observation points and observation time

1.2 优势流、优势沙计算

优势流最早见于H.B.Simmons等［16］的研究，即在感潮河口将各测点的全潮流速过程线中落潮单宽流量过程线包络面积除以涨潮和落潮单宽流量绝对值之和，若商大于50%，代表落潮优势流为主，若小于50%，则涨潮优势流为主，其商为50%时，表明涨落潮流量相等，这个位置为滞流点位置［17－18］。

式中:RQ为优势流;Tf(Te)为平均落(涨)潮历时;Vf(Ve)为平均落(涨)潮流速。优势沙与优势流相似，用落潮单宽输沙量除以涨落潮单宽输沙量之和的百分比表示［19］。

式中:Rs为优势沙;Sf(Se)为平均落(涨)潮含沙量。

1.3 调和分析

北槽上段潮汐特征值主太阴半日分潮振幅(HM2)、太阴太阳赤纬日分潮振幅(HK1)、主太阴日分潮振幅(HO1)、太阴浅海分潮振幅(HM4)、太阴太阳浅海分潮振幅(HMS4)通过横沙站潮位资料的调和分析获得;北槽中段M2分潮的椭圆长轴、方向、椭率是通过实测站点潮流资料的调和分析获得，含沙量特征值通过实测站点含沙量资料的调和分析获得。

1.4 数据同化处理

当日分潮和半日分潮为同向的前进波时，无论涨潮过程或落潮过程，潮流流速与潮差的相关度都较高［20］。鉴于长江口北槽半日分潮波为前进波，日分潮波以前进波为主，伴有一定的驻波成分［21］，则本文可以近似采用潮汐－潮流比较法将相同潮型不同潮差下的流速归算到相同潮差下的流速进行分析。以某一年份测点附近潮位站潮差为标准，将其他年份实测流速(测量时段对应测点附近潮位站的潮差)按潮差正比关系换算出相对流速，利用相对流速来分析潮流流速变化［22－23］。由于实测站点距离北槽中潮位站较近，故本文以北槽中潮位站潮差为标准来进行流速换算。

2 结果分析

2.1 潮汐变化特征

2.1.1 潮汐性质 三期工程前后横沙潮位站主要分潮振幅变化见表2。可见，三期工程后，北槽中上段HM4以及HMS4的增幅远远大于HM2的增幅，且上段增幅更明显。

表2 北槽深水航道三期工程前后横沙潮位站主要分潮振幅变化特征Tab.2 Variation of several constituents in Hengsha tidal gauge before and after completion of regulation works

根据潮汐性质来判别，北槽海域半日潮性质判别系数F=(HK1+HO1)/HM2，三期工程前横沙潮位站F值为0.45，工程后减至0.36，减幅20%;工程前，北槽中潮位站F值为0.44，工程后减至0.34，减幅23%(表2)。工程前后F值均小于0.5，表明工程前后均属半日潮性质。浅水分潮判别系数G=HM4/HM2，工程前横沙潮位站G值为0.12，工程后增至0.15，增幅25%;北槽中潮位站工程前后G值基本不变(表2)。这表明三期工程前后该海域潮汐性质均为非正规半日浅海分潮。

2.1.2 潮汐特征 潮差和涨落潮历时是表述潮汐特征的重要指标。洪季大潮，北槽中段平均潮差随三期工程建设依次减少23cm和2cm;枯季大潮，北槽中段平均潮差随三期工程建设依次减少5cm和71cm(表3)。2006—2013年北槽中段洪枯季大潮涨、落潮平均历时变化不大(表3)。

表3 2006—2013年洪、枯季大潮北槽深水航道潮流特性Tab.3 Tidal current characteristics in north passage during spring tide in flood and dry season from 2006 to 2013

2.2 潮流变化特征

2.2.1 潮流椭圆要素 鉴于北槽中上段主要以主太阴半日分潮流M2主控潮流运动［24］，通过对各层流速的调和分析，得出M2分潮的调和常数和椭圆要素(表4)。从潮流垂向变化上来看，该海域M2分潮流为往复流;长轴中上层最大、表层略小、底层最小;除个别表层椭率较为特殊外，其余越接近海底椭率越大。本文以M2分潮垂线平均下的椭圆要素为例，对北槽深水航道三期工程前后中段潮流椭圆要素变化进行分析。

表4 三期工程前后北槽深水航道中段M2分潮各层椭圆要素分布Tab.4 Eclipse axis and ellipticity of M2tidal current in middle part of north passage before and after completion of regulation works

工程前洪季(2006年8月)M2分潮垂线平均长轴长为1.84 m/s，工程后(2011年8月)增至1.90m/s，增幅为3.3%(0.06m/s);工程前枯季(2006年3月)垂线平均长轴长为1.72m/s，工程后(2013年2月)减至1.65m/s，减幅为4.1%(0.07m/s)(表4)。工程前洪季椭率为0.11，工程后减至0.09，减幅为18.2%(0.02);工程前枯季椭率为0.03，工程后减至0.02，减幅为33.3%(0.01)(表4)。工程前洪季长轴向为108°，工程后向北偏转6°，偏转幅度为5.6%;工程前枯季长轴向为112°，工程后向北偏转14°，偏转幅度为12.5%(表4)。

2.2.2 涨、落潮及全潮平均流速 洪季大潮，工程前涨潮平均流速为1.11 m/s，落潮平均流速为1.53m/s，全潮平均流速为1.38 m/s;工程后涨、落潮及全潮平均流速略有减小，分别为1.04，1.43和1.29 m/s，减幅分别为6.3%(0.07m/s)，6.5%(0.1 m/s)和6.5%(0.09 m/s)(表3)。枯季大潮，工程前涨、落潮及全潮平均流速分别为0.91，1.37和1.16m/s;工程后涨、落潮及全潮平均流速分别减至0.74，1.12和0.94 m/s，减幅分别为18.7%(0.17m/s)，18.2%(0.25m/s)和19%(0.22m/s)(表3)。

2.2.3 优势流 洪季大潮，工程前优势流为0.67，工程后为0.64，减幅为4.5%(0.03);枯季大潮，工程前优势流为0.67，工程后为0.64，减幅为4.5%(0.03)(表3)。

2.3 含沙量变化特征

2.3.1 不同分潮作用下的含沙量变化特征 长江口含沙量在径流、潮流、波浪等动力作用下的变化较为复杂，为了便于分析北槽深水航道中段工程前后含沙量变化特征，通过调和分析得到不同分潮对悬沙的贡献量(表5)，再对不同分潮的悬沙贡献量进行分析。

表5 北槽深水航道三期工程前后各测点、各层、不同分潮作用下的含沙量Tab.5 Suspended sediment concentration variation of several constituents in middle part of north passage before and after completion of regulation works (g·L－1)

北槽中段余流对含沙量贡献远远大于M2，M4分潮对含沙量的贡献。M2分潮对表层及0.2层含沙量的贡献大于M4分潮，M4分潮对0.4层至底层含沙量的贡献大部分都大于M2分潮(表5)，分析表明，随水深增加，M4分潮对含沙量的贡献比M2分潮对含沙量的贡献大。

2.3.2 涨、落潮及全潮平均含沙量 洪季大潮，工程前落潮、涨潮及全潮平均含沙量分别为0.94，1.15和1.01 g/L;工程后，落潮、涨潮及全潮平均含沙量增幅分别为63.8%(0.6 g/L)，22.6%(0.26 g/L)和47.5%(0.48 g/L)(表6)。枯季大潮，工程前落潮、涨潮及全潮平均含沙量分别为0.76，0.93和0.84 g/L;工程期间，落潮、涨潮及全潮平均含沙量增幅分别为40.8%(0.31g/L)，34.4%(0.32g/L)和36.9%(0.31g/L)(表 6)。

表6 2006—2013年洪、枯季大潮北槽深水航道各测点含沙量特征值Tab.6 Suspended sediment concentration characteristic values in middle part of north passage during spring tide in flood and dry season from 2006 to 2013

2.3.3 优势沙 洪季大潮，工程前优势沙为0.62，工程后为0.66，增幅为6.5%(0.04);枯季大潮，工程前优势沙为0.63，工程期间减至0.58，减幅为7.9%(0.05)(表6)。

3 影响因素分析

3.1 深水航道三期工程

潮汐通道中潮动力的非线性特征主要表现在潮波的倍潮(如M4，M6等)或复合潮(如MS4等)等振幅的产生或增加，其影响因素主要是潮汐通道中急剧变化的平面形态及水深等边界条件［25－28］。北槽深水航道三期工程以疏浚工程为主，还包括长江口整治建筑物减淤工程、丁坝加长工程和南导堤加高工程，中上段河宽缩窄，以束窄水流来加大水流的冲沙能力。三期工程将原来二期工程的10m水深疏浚至12.5m，且中上段缩窄、丁坝加长、南导堤加高，剧烈的水深及边界条件改变，使北槽中上段半日分潮M2的振幅略增，全日潮K1和O1的振幅变小，浅水分潮M4和SM4的振幅增大(表2)，潮动力的非线性特征表现明显，且非线性特征加强。可见，三期工程使北槽中上段产生剧烈的水深及边界条件改变，其潮动力非线性特征加强是主要原因。

无论是洪季大潮还是枯季大潮，涨、落潮垂线平均流速在潮周期内均呈减小趋势，洪季减小0.1 m/s，枯季减小0.2m/s，长轴均向北偏(表3，表4)。现场测量时，为保证测船上人员安全和避免过往船只影响测量，测点位置距离深水航道工程南导堤比较近(图1)。有研究表明深水航道工程南导堤的建设对其附近潮流流速具有一定阻碍作用，且对流向及涨、落潮历时也有不同程度影响［29］。可见，深水航道三期工程中的南导堤加高工程会进一步加大其对附近涨、落潮流速的阻碍作用，继而减小涨、落潮流速，使长轴向向北偏转。

3.2 流域来水来沙及泥沙再悬浮季节性变化

北槽中段处于拦门沙区域，无论洪季大潮还是枯季大潮，一个潮周期内泥沙再悬浮出现3～4次，且洪季底层含沙量明显高于枯季，但枯季悬沙浓度混合强度要大于洪季。这主要是由于枯季径流作用弱，上游来沙较少(图2)，潮汐动力条件加强，悬沙主要来源以涨、落潮流掀起的再悬浮泥沙为主所致;再加上枯季水温较低，不利于细颗粒泥沙的絮凝和沉降，从而加强了高浓度含沙水团的垂向扩散;且悬浮泥沙在水体中滞留时间较长，这说明泥沙再悬浮是枯季北槽中段悬沙主要来源［8，30－31］。洪季时，上游来沙量较多(图 2)，径流作用强，将北槽上段部分悬沙带至中段;再加上洪季水温较高，有利于细颗粒泥沙絮凝和沉降，使得表层和次表层悬沙浓度偏低，中下层悬沙浓度较高，这说明上游来沙及泥沙再悬浮是洪季北槽中段悬沙主要来源。可见，受上游来水来沙量和泥沙再悬浮强度的季节性变化影响，洪、枯季北槽中段垂线平均悬沙浓度较高且相差不大，但洪季底层悬沙浓度远高于枯季(见表6和图3)。

图2 2006—2013年大通站月径流量和月输沙量Fig.2 Monthly runoff and sediment load of Yangtze estuary measured at Datong station from 2006 to 2013

综上所述，深水航道三期工程中南导堤的加高使北槽中段河槽流速减小，受上游来水来沙量和泥沙再悬浮强度的季节性变化影响，洪、枯季北槽中段垂线平均悬沙浓度较高且相差不大;流速减小会使大量悬沙落淤，再加上北槽上段潮动力的非线性特征增加强于中段，将驱使上段悬沙向中段输运并落淤，从而造成中段河槽呈淤积状态。可见，深水航道三期工程南导堤加高的阻流作用，泥沙再悬浮和上游来水来沙使中段悬沙浓度增大，以及上段潮动力的非线性特征增强幅度大于中段，对北槽中段河槽淤积产生了很大影响。

图3 含沙量变化过程(单位:kg·m－3)Fig.3 Suspended sediment concentration graphs of north passage(unit:kg·m－3)

4 结语

(1)北槽深水航道三期工程后，中上段洪季半日分潮M2的振幅略增，全日潮K1和O1的振幅变小，浅水分潮M4和SM4的振幅增大，表明该海域半日潮、浅水分潮性质增强，全日潮性质减弱。中段洪、枯季大潮平均潮差逐渐减小，且枯季平均潮差减小幅度大于洪季，涨、落潮平均历时变化较小。

(2)三期工程后，中段洪季大潮M2分潮流垂线平均长轴增幅为3.3%，且长轴向向北偏转6°，偏转幅度为5.6%，椭率减幅为18.2%;枯季大潮垂线平均长轴减幅为4.1%，且长轴向向北偏转14°，偏转幅度为12.5%，椭率减幅为33.3%。工程后，洪、枯季大潮涨、落潮平均流速均减小，且枯季减小幅度大于洪季;洪、枯季大潮优势流均减小，但落潮流始终占主导优势。

(3)余流是北槽中段含沙量贡献最主要的驱动力，其次是M4分潮，随后是M2分潮;并且在某一水深范围内随水深的增加M4分潮对含沙量的贡献比M2分潮对含沙量的贡献大，具体这一水深范围是多少，有待下一步研究。三期工程后，中段洪、枯季涨落潮平均含沙量均增多，且落潮平均含沙量的增幅远大于涨潮平均含沙量，全潮平均含沙量洪季增幅大于枯季;洪、枯季大潮优势沙也减少，但落潮输沙量始终占主导优势。

(4)深水航道三期工程中南导堤的加高对北槽上段河槽流速有一定阻碍作用;受上游来水来沙量和泥沙再悬浮强度的季节性变化影响，洪、枯季北槽中段垂线平均悬沙浓度较高且相差不大;流速减小会使大量悬沙落淤，再加上北槽上段潮动力的非线性特征增加强于中段，将驱使上段悬沙向中段输运并落淤，从而造成中段河槽淤积。

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