長江口深水航道回淤物理過程分析及減淤思路探討

金 镠

(交通運輸部長江口航道管理局，上海 200003)

長江口深水航道治理工程(1997～2012年)作為在特大型多沙潮汐河口中成功實施的河口治理工程，不僅在推動我國長江經濟帶發展戰略中起到了開創和引領作用，其治理經驗亦為河口演變及治理的理論發展提供了獨特、重要的資料及認識來源。長江口深水航道在泥沙回淤上的一個突出特點是回淤總量大，且時間上集中于汛期，空間上集中于北槽中下段。近年來，航道回淤量雖有不少回落，但仍明顯高于設計預測回淤量，為此，促使我們去進一步梳理長期以來對長江口泥沙運動的認識，力圖從物理過程即回淤機理上深入認識航道的回淤規律，從而為理清減淤思路提供依據。

1 河口攔門沙的基本特征

水文測驗和底質取樣顯示[1]，長江口北槽中下段是流速峰值、床面水流切應力或摩阻流速峰值的相對高值區，底質相對較粗，懸沙含沙量相對較高。之后又進一步指出[2]，潮汐河口一方面由于向下游展寬，水深變淺，為維持縱向單寬輸沙率不變，要求流速加大，從而增強了床面泥沙的再懸浮。劉紅等[3]對長江口攔門沙河段水體與河床之間的泥沙交換等進行了詳細分析，指出攔門沙河段的基本特征是水動力相對較強，底質較粗，水體和河床之間的泥沙交換較為頻繁。

應該指出，目前關于攔門沙河段水體與河床之間泥沙交換的研究，多采用分散顆粒的級配。事實上，河口攔門沙河段的懸沙和床沙，均主要以絮凝體(絮團)形態存在，因此，泥沙的交換研究更應立足絮團的粒徑譜，例如由于絮凝，沖瀉質可能會大大減少。

關于攔門沙基本特點的一個較為普遍的看法是，河口咸淡水混合形成的豎向環流和粘性細顆粒泥沙在咸水環境中的絮凝構成了河口攔門沙形成的“動力沉積條件”，即認為攔門沙區段是河口中的弱動力環境。從自然沖淤平衡河道的存在條件分析，不能認為攔門沙河段屬于弱動力環境。

2 河口攔門沙水體含沙量生成機制

潮汐河口水體含沙量來自流域和海域。1998年8月～2001年8月徐六涇、橫沙和佘山島三站逐日表層含沙量取樣顯示[4]，河口上段含沙量，汛期高于枯季；口門及口門外，則冬季高于夏季；并進一步指出，按北槽自然平衡床面一潮沖淤厚度和南北港主槽及淺灘面積，可大致估計口門內主槽部分潮流再懸淤泥沙總量大約為20億t/a，加上洲灘表層沉積物在波、流作用下的再懸浮，整個河口的再懸浮泥沙活動總量約為30～40億t/a，超過流域來沙量一個量級，因此是河口水體含沙量的主要來源；流域來沙對河口水體含沙量的直接影響有限。但是，再懸浮和沉降造成含沙量的周期性漲落，而流域來沙的趨勢性增、減，決定了河口及口外水下三角洲的沖淤，影響泥沙再懸浮的背景條件(地形，水動力及河床組成，河床沉積物力學性狀)，從而影響河口水體含沙量。

統計1997年與2012年長江口水下地形的變化，顯示此期間長江口外-10～15 m水下三角洲出現大面積南北向連續的沖刷帶，平均沖刷速率達到2～7 cm/a[5]，還給出了20世紀90年代河口內白茆沙、新瀏河沙、青草沙、中央沙以及瑞豐沙等大型沙洲面積及體積持續沖刷減小的統計結果。凡此，都顯示由于流域來沙減少導致的河口及口外水下三角洲的沖刷，這種沖刷加之大面積的灘涂圍墾，改變了河口地形，縮小了洲灘面積，使較難沖刷的老沉積物出露，改變了河口海域來沙的供沙條件，使水體含沙量出現趨勢性下降。據統計[6]，長江河口下段及鄰近海域，近20 a來，水體含沙量已累計下降了20%～30%。北槽口外沖刷導致河床縱坡的逐漸增加以及水體含沙量的逐步減少，是近年來深水航道回淤量出現趨勢性降低的重要原因。

3 河口最大渾濁帶的界定、飽和含沙量與濃度坍縮

圖1 長江口北槽近底邊界層CBS、τb 和Rig的變化過程[10]Fig.1 Variation process of CBS,τb and Rig of bottom boundary layer in north channel of Yangtze Estuary[10]

20世紀70年代以來，國內外有不少關于粘性細顆粒泥沙在潮汐不穩定流中的沉降特性的研究成果。粘性細顆粒泥沙在咸水中的絮凝沉降速度遠遠超過細顆粒泥沙在分散狀態下的沉降速度。在潮流憩流階段，即床面水流切應力低于絮團的淤積臨界切應力的時段內，絮團將向床面集聚；當水體下部的含沙量超過某一臨界值Ch，泥沙沉降受到周圍泥沙的制約而減速，沉降進入“制約沉降”階段，制約沉降開始時的含沙量Ch一般在2～3 kg/m3；水體下部含沙量的增加，使水-泥界面處的紊動受到抑制，又促使主流中的泥沙加速向床面集聚，形成“雪球效應”，床面出現近底高濃度懸沙層(Concentrated Benthic Supspension，簡稱CBS),該高濃度懸沙層在自重作用下的排水固結十分緩慢，因此可以較長時間維持，同時經過脫水、固結，從無結構強度(屈服應力)的牛頓流體轉化為有結構強度的非牛頓流體即所謂“浮泥”，從CBS轉化為浮泥的含沙濃度稱為膠凝點(或膠凝濃度，Cgl)，也稱空間充填濃度(Space-filling Concentration)。河口海岸淤泥的常見膠凝點為80～180 kg/m3(相應的相對密度ρB-ρw=50～110 kg/m3)，與泥沙類型有關。沉降懸沙中添加非粘性沙，將使膠凝點增大[7-8]。CBS與浮泥在運動特性上的主要差別在于前者可以在水流驅動下運移而后者只能在自身重力的作用下運動(重力流)；CBS與其上覆水體泥沙運動特性的主要差別在于，上覆水體中的泥沙(稀釋泥沙)對水流運動有良好的跟隨性，且不改變水流的紊動結構，為懸沙運動，而CBS由于對紊動的明顯抑制，在水流驅動下，保持類似于推移形態的整層運動，稱為“層移”(sheet flow)。

CBS與水體之間有明顯的密度界面。密度界面有一定厚度，其垂向密度梯度在幾kg/m4。稱這種泥沙密度界面為泥沙濃度躍層(lutocline)，這種現象稱為層化(stratification)。穩定的層化是水流剪切應力做功和浮力做功相平衡的結果，其平衡關系用Richardson數Ri表示，例如梯度Richardson數Rig[9]

(1)

通過能量守恒推導出維持層化的條件為Rig≥0.25。長江口北槽近底邊界層水沙觀測(坐底三角架觀測)表明[10]，Rig>0.25時，有明顯的CBS存在，相應地出現顯著的床面切應力降低，即減阻現象，如圖1所示，顯示實際的Rig與層化條件的上述理論值相符。

通常，將河口出現高含沙量的區段稱為“河口最大渾濁帶”，并往往與鹽水入侵形成的咸淡水鋒面和滯流點相聯系，而缺乏明確的定義和界定標準。Dyer等對Tamar河口最大渾濁帶進行了詳細觀測與分析[11]，將最大渾濁帶與紊動抑制，減阻CBS的層化等相聯系，從而為河口最大渾濁帶的定義和界定提供了有明確物理意義，又可以定量的標準，即以出現CBS的河段，定義為河口最大渾濁帶，其界定指標為Rig≥0.25。其與攔門沙的關系可以這樣表述：攔門沙是潮汐河口普遍存在的地貌現象；而最大渾濁帶僅存在于淤泥質河口，是淤泥質河口攔門沙段中水動力相對更強，泥沙再懸浮更活躍并出現層化現象的區段。最大渾濁帶位置與鹽水入侵并無明顯的相應關系。咸淡水變化是河口泥沙發生絮凝的前提，但咸淡水鋒面及滯流點擺蕩范圍不一定與最大渾濁帶相應，例如前述Tamar河口，觀測到最大渾濁帶(長約5.0 km)集中于鹽水入侵區段上游約1.0 km[11]。

潮流憩流，尤其是漲憩期間，此前在高流速階段床面泥沙再懸浮生成的含沙量(“背景含沙量”)將發生沉降，稱能進一步產生制約沉降和泥-水界面紊動抑制，從而導致泥沙向床面大量集聚、形成CBS的背景含沙量為“飽和濃度”；稱一旦含沙量超過飽和濃度或流速少量降低，水流紊動強度和懸沙濃度急劇下降的現象為“紊動坍縮”和“濃度坍縮”(catastrophic collapse)[7]。濃度坍縮與CBS生成是同一物理過程的兩個側面。Winterwerp對粘性細顆粒泥沙在潮汐水流中的“飽和濃度”概念與習用的所謂“挾沙能力”(sediment carring capacity)作了區分，對粘性泥沙而言，并不存在一個與水力條件相應的限止沖淤發生的含沙濃度，即挾沙能力。他以鹿特丹港進港航道為例，認為該港水體濃度通常是飽和的。因此，經過人工航道時流速下降即可引起濃度剖面的完全坍縮，這是造成進港航道快速回淤的主要原因[12]。由此聯想到長江口，設計階段潮流泥沙數學模型采用挾沙能力方法預測航道回淤量，由于方法本身不能確切反映天然的物理過程，這或許是預測值明顯偏小的主要原因。

4 潮汐河口平衡剖面、汊道分流比與斷面形態[13]

潮汐不對稱是河口水流運動的重要特征，它以漲落潮歷時不對稱，漲落潮峰值流速不對稱，以及漲落潮輸沙不對稱等為重要標志。潮汐不對稱程度與方向可分別采用M2分潮和M4分潮的振幅比(AM4/AM2)和相位差(2φM2-φM4)為指標；該相位差為0°～180°時為漲潮不對稱，即漲潮歷時較短，漲潮流速較大；相位差為180°～360°時為落潮不對稱。河口潮汐不對稱的產生機制包括：

①非線性潮汐相互作用：大洋潮波的主要分潮有M2、S2、N2、K1、O1、P1；淺水河口主要分潮相互作用而產生大量新的分潮，例如M2-M2相互作用產生的M4，M2-S2相互作用產生的MS4、MSF等。

②徑流與潮汐的相互作用：徑流對潮汐的阻尼使潮波(潮位、潮流)發生衰減，高頻振蕩的衰減快于低頻震蕩；徑流對潮汐非線性相互作用進行調制；根據徑流對潮汐作用的程度對河口進行分段：上段為潮汐河流段，下段為潮汐河口段。

③河槽阻力的非線性(平方阻力)引起天文潮的衰減，強化潮汐相互作用以產生新的分潮(例如M6)、強化潮流相互作用以產生新的分潮(例如M4)，以及產生stokes漂流及其底部反向流動。stokes反向回流增加潮波阻力。

圖2 北槽等深線間距與丁壩總長度的關系[14]Fig.2 Relationship between depth contour spacing and spur length[14]

徑流通過供沙、調制潮汐不對稱等對潮汐水道的剖面及斷面形態發生影響，這里包括：徑流通過供沙和強化落潮余流以及與潮汐的相互作用產生新的分潮等影響潮汐余沙(TRST)的分布。加大徑流，不會引起河口的單調加深，即存在某一特征徑流量，其相應的水道縱剖面有最大水深[13]，因此，對汊道的航道治理而言，并非分流比越大越好。長江口深水航道治理工程可以佐證。工程在確保TRST的縱向梯度≥0，即整治汊為穩定或發展的前提下，在分流比減少的同時，主槽容積和河道斷面的深寬比有所增加，且自然深泓范圍覆蓋航槽。但當丁壩總長度超過30 km(相當于全部丁壩基本建成)，丁壩長度增加，深泓容積減小(圖2)。由表1可知，二期丁壩全部完成后，河槽斷面調整，寬深比普遍減??；三期減淤工程，接長中、下段丁壩，-5 m等深線的寬深比，在工程前后(2008.2～2011.2)則基本不變，但-8 m河槽寬深比加大。

表1 北槽典型斷面寬深比Tab.1 The ratio of depth to width of typical section in north channel

備注：本表摘自文獻[12]。

潮汐不對稱在河口輸沙上的重要效應是產生潮汐余沙運輸(Tide Residual Sediment Transport, 簡稱TRST)。分析表明，TRST由多種成分構成，包括了歐拉平均流動(余流)引起的余沙運輸，潮汐不對稱引起的余沙運輸以及推進波的stokes漂流的近底回流引起的余沙輸運三部分；漲潮不對稱引起向陸的余沙輸運，落潮不對稱則引起向海方向的余沙輸運；由于存在多種成分，所以余流與潮汐余沙通常并不相應，有時甚至方向相反。在河口航道治理方面，通常易為人們接受的一種看法是加強落潮優勢流(即向海方向的歐拉余流)將有利于將泥沙輸送出海，從而把維持和加強落潮優勢流作為工程設計的目標。上述分析表明，這種看法和做法并不準確。

潮汐余沙輸運(TRST)的縱向梯度控制潮汐水道的發育，平衡河槽的必要條件是TRST縱向梯度趨于零；這一梯度大于零時，河槽將沖刷加深，小于零時，河槽淤積萎縮。

圖3 二期工程后(2007～2008年) 實測北槽輸沙量沿程分布(引自上海河口海岸科學研究中心)Fig.3 Distribution of sediment discharge along the north channel after second-phase project

長江口北槽，工程整治后，河床調整，沖淤趨于平衡，漲、落潮時輸沙率的沿程變化如圖3所示。由圖3可知，北槽中段(CS6～CS3)具有顯著為高的漲潮及落潮輸沙量，這是由于該段水動力較強，活躍的再懸浮導致較高的水體含沙量所致。高含沙量區段，航道的回淤量較高；同時，無論漲潮輸沙還是落潮輸沙，縱向分布均不均勻，因此必然伴隨橫向的向、離槽輸沙，這種橫向輸沙，尤其是近底高濃度水層的橫向運動對航道回淤起著重要作用；所以，整治工程不希望出現局部很高的流速和輸沙以及縱向輸沙的不均勻分布。由圖3還可知，河床經過調整后達到平衡，縱向余沙分布均勻，即潮汐余沙梯度趨于零。換言之，想通過提高落潮輸沙量抑制漲潮輸沙量來減少或減輕航道回淤是不現實的，因為河床調整的結果，必然是漲潮輸沙也增加了。

潮汐余沙的縱向梯度與水道的長度及平面狀態即放寬率有關。數值模擬表明，短河口(河口長度<100 km)，潮汐余沙從河口中心線向兩側輻散，縱向上形成凹向上(Concave)的剖面，長河口(如長江口，長度達560 km)，潮汐余沙向河口中心輻聚，縱向上形成總體凹向下(Convex)的剖面，近河口，凹面下縱剖面更加明顯。設計河寬放寬率應通過改變余沙的空間梯度來調整河槽的縱剖面，使之具有較大的水深和較小的斷面寬深比。

5 潮汐河口水團滯留時間(水齡) [15]

潮汐河口的流場取決于多種因素的潮汐不對稱和壓力梯度(正壓和斜壓)。河口的斜壓效應直接與縱向密度梯度相聯系[16]，潮汐不穩定流運動方程中壓力梯度項為正壓項和斜壓項之和，可表示為下式

(2)

ρ=1 000+0.78S+0.62C

(3)

式中：ρ0為清水密度；ρ為密度；p為壓強；ξ為水位；z為垂線位置；S和C分別為含鹽度(‰)和含沙量(g/L)；g為重力加速度。

因此，僅有垂向密度梯度不產生斜壓，在許多淺水河口，例如長江口，鹽水的斜壓效應遠超懸沙的斜壓效應。河口的斜壓效應和潮汐不對稱引起的環流(潮汐應變環流)對水流結構和含沙量垂線分布有重大影響，帶來流速剖面的重構[16]。

河口環境中，粘性細顆粒泥沙除沉降外，對水流運動有很好的跟隨性，因此，含沙水體可以作為單相流進行討論。實驗和分析表明[12]，河口紊動水流中，粒徑<200 μm的顆粒，跟隨性均良好。由于可以作為單相流，故可以通過研究水團從河口上段注入起到河口內某一斷面所需時間來反應流場對泥沙輸運的影響。水團從上端注入到河口內某一斷面所需的時間稱為“水齡”(Water age)。長江口主要汊道水齡的平面以及垂向分布的計算表明，在空間上，受底摩擦影響，邊灘水體的輸運慢于主槽，垂向結構上，均指向下游，徐六涇至南北槽分流口，水齡的垂向分布均勻，而南北槽分流口向下，出現與鹽度相似的分層現象，表層水齡小于底層。水齡的層化洪季強于枯季，水團從徐六徑到河口，枯季需約36 d，洪季需約20 d。北槽深水航道治理工程之后，垂線平均水齡有所縮短，但其表、底層水齡的差異顯著加大，表層水團輸運速度加快，而底層則減慢較多。考慮到下層水體含沙量較上層為高，可知工程后北槽泥沙宣泄出海的條件比工程前有所下降。

徑流、潮流以及分潮間相互作用導致的潮汐不對稱，以及鹽水入侵引起的斜壓效應，在河口各種邊界的約束下，產生了潮汐應變環流和密度環流等各種環流形態，包括豎直平面上的縱向環流和平面橫向環流。橫向環流引起河口灘槽之間的泥沙交換。北槽內的橫向環流，一種是壩田內的環流，引起壩田內外不平衡輸沙，導致壩田淤積；二是縱向輸沙不均勻引起的橫向輸沙。此外灘槽水體縱向運動不同步帶來鹽度的差異，由此產生的斜壓效應亦可引起橫向輸送。至于彎道環流引起的橫向泥沙運動，則為人們所熟知，對北槽而言，斷面Csw上下游一定范圍，彎道環流對航道回淤的影響也是存在的。

6 長江口深水航道回淤物理過程分析

在已有研究基礎上[16]，可將長江口深水航道回淤的物理過程歸納為以下幾種：

(1)渾水流經航槽，因水流動力降低，潮周期中淤積歷時加長，沖刷歷時縮短，淤積率加大，沖刷率減小，航道內懸沙沖淤不平衡，出現凈淤積，即回淤；物理過程的具體表述見文獻[17-18]。

(2)最大渾濁帶河段，水動力強，再懸浮泥沙供應充足，在潮流加速階段，近底泥沙的卷吸和固結河床的沖刷，使床面泥沙進入水體，形成較高背景懸沙含沙量；在憩流階段泥沙絮凝沉降，制約沉降，以及紊動抑制，導致CBS的形成并得以維持，這一過程發生在航槽范圍內，直接成為該期間的航道回淤；發生在邊灘，則邊灘上的CBS會在近底橫向水流驅動下以層移方式進入航槽，成為航道泥沙回淤的重要過程之一。

(3)邊灘CBS層一部分隨流運移；下部則固結成為浮泥，浮泥沿灘槽之間的斜坡以重力流方式進入航槽[19]。

(4)床沙中尚有部分非粘性沙組份(d>0.032 mm)，不參與絮凝，在近底非順向水流驅動下以分散顆粒的推移或層移方式運移進槽。這部分對此槽深水航道回淤的貢獻率占2%～3%，但是水下沙體(沙包、暗沙)的移動進槽對航道回淤構成過程性嚴重影響，沙包離開航槽，影響終止。

基于以上分析認為，提高主槽內流速，一方面可以縮短憩流時段，但同時也加大了背景含沙量，為水體含沙量剖面的坍縮和CBS的形成創造了條件。綜合平衡兩者對航道回淤的影響，確定合理的水動力，是潮汐河口航道設計中的重要內容。

7 深水航道減淤思路探討

近幾年來由于河口水下三角洲前沿沖刷、北槽河床底坡加大、以及水體含沙量減小，近幾年航道回淤強度較高峰時期(2010～2012年)有相當程度的回落，但仍高于設計預期，研究減淤措施仍是必要的。

長江口深水航道工程設計的關鍵是通過整治建筑物固定整治汊道即北槽的邊界，穩定北槽上口的進流進水條件，以及通過丁壩群形成合理的治導線，為控制航道回淤提供有利的水沙條件。治導線布置的原則或工程減淤的思路可歸納為以下7方面：

(1)減淤工程引起河槽阻力增加和分流比減少是不可避免的，但治導線的布置應維持北槽的落潮輸沙優勢，即潮汐余沙的縱向梯度≥0；在斷面和河槽容積縮小的同時，斷面形態能向減小寬深比即窄深的方向發展。

(2)治導線布置應符合治導線間距向下游合理、均勻放寬的要求，達到單寬流量和單寬輸沙量縱向分布基本均勻，以盡量避免北槽內的橫向水沙交換。

(3)治導線范圍內主流順直微彎，并與上下游主流順暢連接，以達到以彎導流、穩定主流流路的要求；微彎段應控制曲率，避免產生過大的彎道環流、增大灘槽之間的泥沙交換。

(4)漲落急流速沿程分布基本均勻，流速量值適當，即流速不宜過大，以避免形成過高的背景懸沙含沙量、從而削弱最大渾濁帶及CBS的生成發育條件；流速也不宜過低，以避免加長憩流時段懸沙淤積歷時。對局部最大渾濁帶所在河段，增加落潮流輸沙的同時，漲潮流輸沙也必然相應增加；而縱向輸沙不均勻程度的加劇，必將導致橫向輸沙的加強。

(5)整治建筑物使整治汊道河槽阻力增加，還導致上游水團在河槽中滯留時間的變化，過窄的治導線間距可以使表層水團加快出海，但底層水團滯留時間將明顯增加。治導線設計應進行分層水團“水齡”的計算和比較。

(6)長江口航道整治要滿足河勢穩定安全和回淤量控制的雙重要求。“束水攻沙”的策略忽視了束水增加流速和水體含沙量可能帶來的不利影響；“增加回淤段落潮輸沙”的策略未能考慮河段沖淤趨向平衡后，漲潮輸沙亦相應增加，而輸沙縱向分布不均勻程度的加大會帶來橫向輸沙強度的增加，對航道減淤不利。

(7)為了給設計提供較為可信的回淤量預測值，完善潮流泥沙數學模型是重要的。在潮流場的模擬中，似應進一步考慮縱向環流中潮汐應變環流的貢獻；在泥沙場模擬中，應考慮最大渾濁帶特有的泥沙過程。