枯季長江口南槽懸沙輸運(yùn)過程和機(jī)制研究

施韓臻，李占海，汪亞平，賈建軍，常洋，陳雅望

(華東師范大學(xué) 河口海岸學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海200241)

河口是連接流域盆地與海洋的樞紐，在全球物質(zhì)、能量和信息交換中扮演著重要角色。河流攜帶的水體、沉積物、營養(yǎng)鹽和有機(jī)物通過河口輸入海洋，在徑流、潮流、波浪等因素的共同作用下，河口區(qū)域的動力泥沙過程與機(jī)理十分復(fù)雜，因而河口一直是沉積學(xué)、泥沙動力學(xué)、生態(tài)學(xué)以及港口航道部門的重要關(guān)注對象。長江流域受人類活動影響顯著，如受三峽大壩、水土保持和南水北調(diào)等工程影響，流域入海泥沙銳減。同時(shí)，大規(guī)模的促淤圍墾工程改變了河口形態(tài)，這些變化會對河口水沙輸運(yùn)和灘槽沖淤演變等產(chǎn)生重大影響。調(diào)查和研究當(dāng)前條件下的河口水沙輸運(yùn)過程，將有助于揭示流域來沙銳減和重大工程等對各種河口過程的影響。

懸沙輸運(yùn)在河口及臨近海域的生態(tài)環(huán)境和自然演化中扮演著重要角色（左書華，2006）。針對沉積物輸運(yùn)機(jī)理，國內(nèi)外學(xué)者開展了大量研究工作。DeMaster 等（1985） 發(fā)現(xiàn)約50%的懸浮沉積物沉積在河口攔門沙以及水下三角洲前緣。Uncles 等（1986）發(fā)現(xiàn)潮泵作用在強(qiáng)潮河口處的沉積物縱向輸運(yùn)中扮演著重要作用。Uncles 等（1992）發(fā)現(xiàn)潮泵作用使河口最大渾濁帶出現(xiàn)在鹽水入侵的前緣部位。張迨等（2015）分析了洪枯季期間長江口最大渾濁帶及鄰近海域的水沙空間分布特征，并計(jì)算了各測點(diǎn)的單寬懸沙通量。Li 等（2016）認(rèn)為懸沙濃度與懸沙輸運(yùn)受到多種因素的共同影響，比如流速和歷時(shí)的漲落潮不對稱、徑流強(qiáng)度、水體層化、再懸浮的漲落潮變化等。陳斌等（2015）對南黃海輻射沙脊群地區(qū)的懸沙輸運(yùn)特點(diǎn)進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，該地區(qū)主要以平流輸移為主，潮汐捕獲與垂向凈環(huán)流項(xiàng)則表現(xiàn)出與潮汐系統(tǒng)特點(diǎn)相關(guān)的輻聚輻散現(xiàn)象。高建華等（2003）的研究表明平流、斯托克斯漂流以及水深和懸沙濃度的潮變化項(xiàng)是鴨綠江河口最主要的懸沙輸運(yùn)項(xiàng)。南槽是長江口的重要組成部分，是長江水沙向海輸運(yùn)的重要通道，且位于河口最大渾濁帶的核心區(qū)域。在流域來沙量減少的背景下，重新認(rèn)識長江口的水沙輸運(yùn)機(jī)制是必要的。本文基于2018 年12 月在南槽三個(gè)站位的完整大小潮周期的水沙觀測資料，運(yùn)用通量機(jī)制分解法定量分析了不同物理過程對懸沙輸運(yùn)量的貢獻(xiàn)，探討了枯季期間南槽上、中、下段的動力特點(diǎn)、輸沙機(jī)理及其主要因子，研究結(jié)果有助于加深對南槽懸沙輸運(yùn)格局的認(rèn)識，并為河槽治理、航道維護(hù)等提供科學(xué)參考。

1 研究區(qū)域概況

長江口位于黃海與東海的交界處，屬于多級分汊的三角洲河口（陳吉余等，1988）。南槽是長江入海四口之一，屬于長江口的第三級分汊，北側(cè)是南北槽的分流沙洲——九段沙，南側(cè)為南匯邊灘。南槽屬于攔門沙河道，長期處于淤積狀態(tài)，近百年來攔門沙淺灘頂部持續(xù)外移（和玉芳 等，2011）。受鹽淡水混合作用的影響，南槽內(nèi)發(fā)育的最大渾濁帶具有較高的懸沙濃度和強(qiáng)烈的沉積物運(yùn)移。南槽內(nèi)的底質(zhì)以粉砂為主，中值粒徑主要介于3～6 準(zhǔn)。南槽的潮汐性質(zhì)為非正規(guī)半日淺海潮，潮波具有明顯的前進(jìn)波性質(zhì)，潮流以往復(fù)流為主。受到長江徑流下泄的影響，南槽內(nèi)主要以落潮流占優(yōu)勢，落潮流的平均歷時(shí)為7.2 h，漲潮流平均歷時(shí)則為5.1 h，平均潮差在2.5 m 左右（沈煥庭，2001）。近年來，在北槽深水航道建設(shè)和九段沙上部魚嘴工程的影響下，南槽上斷面分流比得到增強(qiáng)，約為59% （劉杰等，2005），這會進(jìn)一步增強(qiáng)南槽的水沙輸運(yùn)并影響最大渾濁帶的發(fā)育。

2 資料來源和研究方法

2.1 野外觀測采樣

2018 年12 月18 日（小潮）至25 日（大潮）在長江口南槽S1、S2 和S3 三個(gè)站位（圖1）進(jìn)行了連續(xù)13 個(gè)潮周期的定點(diǎn)全潮觀測，獲取了水深、流速、流向、溫度、鹽度和濁度等數(shù)據(jù)。S1 位于南槽上部，S2 位于中部，S3 位于下部，各站位分別靠近主槽。觀測期間，使用ADCP（TRDI，600 kHz，流速分辨率為1 mm/s）進(jìn)行水深、流速和流向的觀測，使用光學(xué)后向散射濁度計(jì)OBS-3A（Campbell，NTU 量程0～4000，精度為1%）在每個(gè)整點(diǎn)時(shí)刻對水體濁度進(jìn)行垂線觀測，收集不同層位的溫度與濁度等數(shù)據(jù)，儀器觀測頻率為1 Hz。

圖1 研究區(qū)域概況圖

2.2 數(shù)據(jù)分析

2.2.1 室內(nèi)實(shí)驗(yàn) 由于各儀器的采樣頻率較高，數(shù)據(jù)量大，為消除高頻波動的影響，所獲數(shù)據(jù)均按照采樣間隔進(jìn)行了平均化處理。OBS-3A 測得的濁度數(shù)據(jù)，需結(jié)合現(xiàn)場采集的水樣和室內(nèi)沉積物濃度分析，建立起濁度與沉積物濃度的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系，以將濁度值轉(zhuǎn)換為水體的懸沙濃度。本文采用室內(nèi)標(biāo)定方法，以此建立濁度和懸沙濃度的線性關(guān)系，標(biāo)定結(jié)果如圖2 所示。

圖2 懸沙濃度與濁度的回歸關(guān)系

2.2.2 數(shù)據(jù)計(jì)算 通量是指單位時(shí)間內(nèi)流過某一給定面積（通常選定與流動方向垂直的單位面積）的某種物理量的量值。通量機(jī)制分解法是將水流和懸沙通量分解成多個(gè)動力項(xiàng)，并進(jìn)行內(nèi)在動力要素的比較、分析和診斷的方法，以此探討不同動力因子對總體物質(zhì)輸移的定量貢獻(xiàn)。目前通量機(jī)制分解法發(fā)展成熟，并多次用于長江口水沙輸運(yùn)研究（沈健等，1995；陳煒等，2013；賀松林等，1996）。

本文采用Dyer（1974）提出的物質(zhì)輸運(yùn)通量機(jī)制分解法，主要研究觀測期間沿主槽方向上的縱向輸水輸沙過程。根據(jù)該方法，瞬時(shí)流速u（z，t）可分解為垂向平均項(xiàng)u 及其偏差項(xiàng)uv，即：

根據(jù)上式，瞬時(shí)流速u（z，t）可表達(dá)為

同理，瞬時(shí)懸沙濃度c（z，t）可分解為

水深h 可分解為潮周期平均項(xiàng)和變化項(xiàng)之和，即：

則潮周期平均的單寬縱向輸水量為：

根據(jù)水深、流速和懸沙濃度的分解方法，潮周期內(nèi)平均的單寬縱向輸沙量為：

式中，T1 表示平均流引起的輸運(yùn)項(xiàng)，即歐拉余流輸運(yùn)項(xiàng)；T2 表示潮汐與潮流相關(guān)項(xiàng)，即斯托克斯漂移輸運(yùn)項(xiàng)；T1+T2 為平流輸運(yùn)，即拉格朗日輸移，通常認(rèn)為是潮周期平均的單寬水體對懸沙濃度的輸運(yùn)；T3 表示潮汐與懸沙的潮變化相關(guān)項(xiàng)；T4表示潮位、流速和懸沙的潮變化相關(guān)項(xiàng)；T5 表示流速與懸沙的潮變化相關(guān)項(xiàng)，雖然ht、ct和ut各自的潮平均值為0，但它們的相關(guān)項(xiàng)會產(chǎn)生懸沙凈輸運(yùn)，即潮汐捕集。T3+T4+T5 又稱為潮泵效應(yīng)輸運(yùn)項(xiàng)，表示由泥沙沉降、沖刷與流速的相位差所引起的輸移。T6 表示重力環(huán)流貢獻(xiàn)項(xiàng)，它是由近底床向陸輸運(yùn)和表層向海輸運(yùn)所導(dǎo)致；T7 是潮波變形下潮周期內(nèi)流速和懸沙濃度剖面變化相關(guān)項(xiàng)；T6+T7 是垂向環(huán)流輸運(yùn)項(xiàng)，表示流速垂向偏移分量對懸沙濃度垂向偏移分量的輸運(yùn)。

本次觀測過程從12 月18 日開始，至當(dāng)月25日觀測結(jié)束，共13 個(gè)潮周期，其中將第2—3 個(gè)潮周期劃分為小潮，第11—12 個(gè)潮周期劃分為大潮。由于N3 站位尾段資料缺失，對該站位只討論前12個(gè)潮周期。根據(jù)上述研究方法本文對流速、懸沙和水深數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、處理，主要對縱向輸水輸沙特征和機(jī)理開展研究。

3 結(jié)果

3.1 實(shí)測流速和懸沙濃度數(shù)據(jù)

3.1.1 流速和懸沙濃度時(shí)間序列特征 觀測期間三個(gè)站位平均水深分別約為10 m、9.7 m 和9 m。S1 站位漲潮流流向約為330毅，落潮流流向約為120毅，以往復(fù)流為主。受地形影響，S2 站位的漲潮流流向約為280毅，落潮流流向約為190毅。S3 位于南槽口門處，水域開闊，漲潮流流向約290毅，落潮流流向約為130毅，以旋轉(zhuǎn)流為主。

各站位的流速和懸沙濃度的時(shí)間序列如圖3 所示。平均流速從小潮到大潮逐漸增加（圖4），大潮期間的平均流速約是小潮的1.3 倍。流速的漲落潮變化存在明顯的空間差異，S2 的漲潮流速明顯大于落潮，而在S1 和S3 站位，多數(shù)時(shí)間里漲落潮平均流速接近（圖4）。漲落潮最大流速的出現(xiàn)時(shí)間因站位而異，在下部的S3 站位，漲落潮最大流速常出現(xiàn)在最高和最低水位附近，表現(xiàn)出明顯的前進(jìn)波性質(zhì)，而在上部的S1 站位，漲落潮最大流速常出現(xiàn)在中水位附近，憩流出現(xiàn)在最高和最低水位附近，表現(xiàn)出明顯的駐波性質(zhì)，流速與水位相位關(guān)系的變化跟潮波在南槽內(nèi)傳播時(shí)的變形情況有關(guān)。各站位的落潮歷時(shí)明顯大于漲潮（圖4），隨著河道橫斷面積的增加，從南槽上部至下部漲落潮歷時(shí)之差不斷減小。徑流和潮波變形是導(dǎo)致漲落潮流速、歷時(shí)不對稱的重要原因，而過水?dāng)嗝婷娣e的變化則影響著徑流流速和潮波變形程度。各站位懸沙濃度變化顯示，從小潮到大潮懸沙濃度不斷增加（圖3）。在S1 站近底部懸沙濃度在大潮階段有一個(gè)明顯的躍升過程，最高濃度值達(dá)1.8 kg/m3，這導(dǎo)致大潮階段的漲潮濃度顯著大于落潮。在S2 站，各潮周期的漲潮濃度都大于落潮。在S3 站位，小潮階段落潮濃度大于漲潮，大潮階段則正好相反，中潮期間二者接近。此外，懸沙濃度還具有明顯的空間變化。從南槽上部至下部，懸沙濃度呈現(xiàn)降低趨勢，這與上部的水動力強(qiáng)于下部有一定關(guān)系，還跟底質(zhì)泥沙的粒級組成和固結(jié)程度的空間差異以及灘槽水沙交換作用有關(guān)。

圖3 各站位的流速和懸沙濃度的時(shí)間變化

圖4 潮差和歷時(shí)、懸沙濃度和流速的漲落潮變化

3.1.2 流速空間變化的影響因素 南槽流速具有明顯的空間變化，從南槽上段至下段流速強(qiáng)度逐漸降低。S1 靠近南槽上段，河道橫斷面較小，徑流流速較大，相較而言該站位的流速過程受徑流影響最大。S2 位于北槽中部，北側(cè)緊鄰九段沙淺灘，受周圍地形影響這里灘槽水體交換強(qiáng)烈，漲潮平均流向?yàn)?80毅，意味著有大量淺灘上的水體進(jìn)入主槽；落潮時(shí)主槽水位下降較快，淺灘上的水體以190毅的流向進(jìn)入主槽，并隨主槽流下泄，因此S2站位的流速過程受灘槽水體交換的影響強(qiáng)烈。S3靠近南槽口門，由于此處橫斷面很寬，徑流作用較弱，潮汐對流速過程的影響相對增強(qiáng)，這是造成該站位漲落潮歷時(shí)相差較小以及漲落潮平均流速在中大潮期間很接近的重要原因。南槽整體上呈漏斗形態(tài)，潮波在沿南槽向上傳播的過程中，河槽形態(tài)和底床摩擦作用使潮波不斷變形，M4潮流的強(qiáng)度及其與M2潮流的相位關(guān)系對南槽流速過程和漲落潮流速不對稱程度的空間分布有重要影響。此外，重力環(huán)流、潮汐應(yīng)變引起的漲落潮混合不對稱、側(cè)向環(huán)流等也會不同程度地影響南槽流速的時(shí)空分布。

3.1.3 懸沙濃度與流速的關(guān)系 流速是泥沙輸運(yùn)和懸沙濃度周期性變化的主要驅(qū)動力，在本次觀測期間懸沙濃度隨著流速的增減而不斷調(diào)整和改變（圖3）。從圖5 可知，流速與懸沙濃度的關(guān)系具有明顯的空間差異。在S1 站位的中小潮期間，漲落潮平均流速與平均懸沙濃度的關(guān)系較為接近，而在流速較強(qiáng)的大潮期間，同等流速條件下的漲潮懸沙濃度則明顯高于落潮（圖5a）。漲潮期間出現(xiàn)的這些高濃度懸沙應(yīng)來自S1 下游部位，其泥沙來源可能跟下游河段在觀測期間向陸凈輸沙有關(guān)。在S2站位，平均流速與平均懸沙濃度的關(guān)系存在顯著的漲落潮差異（圖5b），在同等流速條件下漲潮濃度明顯高于落潮。S2 位于灘槽過渡地帶，其落潮水體來自九段沙的淺灘之上。受植被、底床摩擦等因素影響，淺灘部位的落潮歷時(shí)長、流速相對較小，導(dǎo)致落潮水體的含沙量較低，這可能是造成S2 落潮濃度明顯小于漲潮的原因。S3 站位的觀測資料顯示，在一個(gè)大小潮過程中，流速與懸沙濃度的關(guān)系在漲落潮期間十分接近，兩條趨勢線基本重合（圖5c），這意味著在同等流速條件下漲落潮期間的再懸浮強(qiáng)度接近。

圖5 漲、落潮及潮周期平均流速與平均懸沙濃度的關(guān)系

從潮周期平均來看，在S3 站位上流速與懸沙濃度的趨勢線變化平緩，懸沙濃度對流速的響應(yīng)相對較弱，這意味著從小潮至大潮隨著流速的增強(qiáng)，該區(qū)域的再懸浮并沒有顯著增大。而在南槽上段的S1 站位，流速與懸沙濃度的趨勢線斜率較大，隨著流速增強(qiáng)懸沙濃度顯著增大，這意味著大潮的再懸浮強(qiáng)度明顯強(qiáng)于小潮，懸沙濃度對流速響應(yīng)顯著。在S2 站位上，流速與懸沙趨勢線的斜率介于S1 和S3 之間。當(dāng)潮周期平均流速大于0.7 m/s 時(shí)，對比S1 和S3 的趨勢線可知，S1 部位的懸沙濃度明顯高于S3，表明在同等流速條件下S1 的再懸浮更強(qiáng)。

底質(zhì)特性的空間差異應(yīng)該是造成流速-懸沙濃度關(guān)系在各站位存在明顯差異的重要原因。以往底質(zhì)調(diào)查結(jié)果表明（李一鳴等，2018），從南槽上部至下部底質(zhì)粒徑不斷減小，而黏性泥沙的含量則不斷增加。S1 部位的泥沙顆粒較粗，沉積物類型為粉砂質(zhì)砂，這種泥沙在水動力作用下易于懸浮，其再懸浮強(qiáng)度與流速強(qiáng)度呈正比。而S3 部位的泥沙顆粒較細(xì)，底質(zhì)中含有大量黏性泥沙，在活動層以下底質(zhì)固結(jié)作用較強(qiáng)，臨界侵蝕切應(yīng)力向下顯著增大，這種底質(zhì)特性造成大潮期間的再懸浮作用并不顯著強(qiáng)于小潮。因此，底質(zhì)粒徑組成和固結(jié)程度是影響南槽各部位水沙關(guān)系以及懸沙時(shí)空分布的重要因素。另外，絮凝作用、底床易懸浮泥沙的厚度和空間分布、水體層化等也會對懸沙濃度和再懸浮強(qiáng)度的時(shí)空分布產(chǎn)生影響。

3.2 水體縱向輸移特征

歐拉余流（UE）是指去除潮周期性天文潮后的平均流引起的平均輸移，歐拉余流的強(qiáng)度和方向主要取決于漲落潮的流速強(qiáng)度和歷時(shí)的對比，各站位的落潮流速接近或略小于漲潮，但落潮歷時(shí)明顯大于漲潮，因而歐拉余流的方向一致向海。

斯托克斯余流（US）表征的是水體的漂移量，其強(qiáng)度大小體現(xiàn)了水位變化量與流速變化量的相關(guān)性，起到削弱歐拉余流向海輸水的作用。由表1 可知各站位斯托克斯余流方向均向陸，與漲潮流方向一致，并隨著潮差的增大由小潮向大潮增加，這種特點(diǎn)在S2 和S3 站位尤其明顯。S1 站位的斯托克斯余流比S2 和S3 小一個(gè)數(shù)量級，這跟S1 站位主要受駐波控制，而S2 和S3 站位主要受前進(jìn)波控制有關(guān)。就南槽而言，斯托克斯余流在上段較弱，在中下段較強(qiáng)。

拉格朗日余流（UL）為歐拉余流和斯托克斯余流之和，主要跟徑流流速有關(guān)。S1 的過水?dāng)嗝婷娣e明顯小于S3，這使得S1 的拉格朗日余流明顯強(qiáng)于S3。相較而言，S2 站位的拉格朗日余流明顯偏小，且在部分大潮和小潮出現(xiàn)向陸輸運(yùn)的特點(diǎn)，這與該站位受灘槽水體交換強(qiáng)烈有關(guān)，即較強(qiáng)的側(cè)向水流能夠調(diào)節(jié)徑流流速在橫斷面上的分布。

根據(jù)式7 可知，單寬凈輸水量由拉格朗日余流和潮平均水深共同決定。跟拉格朗日余流的空間分布特點(diǎn)相似，S1 站位的單寬輸水強(qiáng)度最大，S3 次之，S2 最小。在本次觀測期間，S1 和S3 站位各潮周期的凈輸水方向都向海，由于灘槽水體交換的影響，S2 站位在部分大小潮的輸水方向向陸，但觀測期間平均的輸水方向仍向海（表1）。另外，S1和S3 站位還具有大潮輸水量高于小潮的特點(diǎn)。

表1 觀測期間各潮周期的余流（m·s-1）和單寬凈輸水量（m3·s-1）

3.3 懸沙縱向輸移通量機(jī)制分解

觀測期間各站位的懸沙凈輸運(yùn)通量如圖6 所示，其中正值表示向海輸沙，負(fù)值表示向陸輸沙。在一個(gè)小潮至大潮過程中，S1 站位的輸沙方向先向海后轉(zhuǎn)向陸，大潮期間的輸沙強(qiáng)度明顯強(qiáng)于中小潮，觀測期間整體凈輸沙量為1.2伊105kg/m，方向向陸。S2 站位各潮周期的輸沙強(qiáng)度變幅較小，輸沙方向以向陸為主，觀測期間總的凈輸沙量為8伊104kg/m，方向向陸。S3 站位在第8—11 潮周期向陸輸沙，其余時(shí)段以向海輸沙為主，整個(gè)觀測期間的凈輸沙方向向海，凈輸沙量為3.5伊104kg/m。總體而言，南槽的單寬凈輸沙量由上部向下部減少，凈輸沙方向在中上部向陸、下部向海。

3.3.1 平流輸沙項(xiàng) 平流輸沙由歐拉余流輸運(yùn)項(xiàng)T1 和斯托克斯漂移輸運(yùn)項(xiàng)T2 構(gòu)成，其方向與拉格朗日余流方向一致。在S1 和S3 站位，平流輸沙項(xiàng)的方向向海，大潮期間的輸沙強(qiáng)度明顯強(qiáng)于中小潮，這與大潮期間的懸沙濃度和拉格朗日余流大于中小潮有關(guān)。在S2 站位平流輸沙方向具有較大的波動性，在大潮和部分小潮向陸輸沙，其余潮周期則向海輸沙，總體上亦向海輸沙。就空間分布而言，平流輸沙強(qiáng)度S1 站最大，S2 站次之，S3 站最小。由圖6 可知，平流輸沙項(xiàng)是影響或控制單寬凈輸沙的重要因素，在部分潮周期里起主導(dǎo)作用。

3.3.2 潮泵輸沙項(xiàng)和垂向環(huán)流輸沙項(xiàng) 潮泵輸沙項(xiàng)的強(qiáng)度與再懸浮、沉降、灘槽泥沙交換以及流速-懸沙-水位之間的相位關(guān)系有關(guān)。從表2 可知，在潮泵輸沙項(xiàng)中，T3 和T4 的強(qiáng)度很小，T5 是主要的貢獻(xiàn)項(xiàng)，它控制潮泵輸沙的強(qiáng)度和方向。在S1 和S3 站位，潮泵輸運(yùn)方向具有明顯的大小潮變化特點(diǎn)，小潮期間向海輸沙，中潮和大潮期間向陸輸沙。在S2 站位潮泵輸沙方向非常穩(wěn)定，在整個(gè)觀測期間始終向陸輸沙。

從圖6 可知，潮泵輸沙項(xiàng)的強(qiáng)度及其對凈輸沙的貢獻(xiàn)存在復(fù)雜的時(shí)空變化特點(diǎn)。在S1 站位，小潮和中潮期間的潮泵輸沙很弱，大潮期間顯著增強(qiáng)，在大多數(shù)潮周期潮泵輸沙的方向與凈輸沙方向保持一致，且潮泵輸沙強(qiáng)度大于平流輸沙，是控制凈輸沙方向和強(qiáng)度的主要因素。在S2 站位，潮泵輸沙強(qiáng)度隨潮周期變化較小，其較大值出現(xiàn)在中小潮過渡階段，在大部分潮周期里與凈輸沙方向保持一致，是控制凈輸沙強(qiáng)度和方向的重要因素。在S3 站位，潮泵輸沙在小潮和大潮期間較強(qiáng)，在中潮期間很弱，對各潮周期的凈輸沙有重要影響。

圖6 機(jī)制分解法得到的潮周期輸沙通量的變化

垂向環(huán)流輸沙項(xiàng)主要與重力環(huán)流、水體層化以及流速和懸沙濃度的垂線分布情況有關(guān)，因此在多數(shù)情況下其小潮期間的輸沙強(qiáng)度相對較大。但與平流輸沙項(xiàng)和潮泵輸沙項(xiàng)相比，垂向環(huán)流輸沙項(xiàng)的強(qiáng)度及其對凈輸沙的貢獻(xiàn)都十分微弱（圖6，表2）。

表2 單寬總輸沙率和各輸沙項(xiàng)強(qiáng)度（kg·m-1·s-1）的大小潮變化

4 分析與討論

4.1 懸沙輸運(yùn)機(jī)理分析

4.1.1 枯季南槽的懸沙輸運(yùn)格局 本文對枯季期間南槽上中下三個(gè)站位連續(xù)13 個(gè)潮周期的觀測結(jié)果表明，南槽中上部的凈輸沙方向向陸（S1 和S2），下部的凈輸沙方向向海（S3），且在空間上單寬輸沙強(qiáng)度由上部至下部呈現(xiàn)減小趨勢。張釗等（2016）通過對枯季南槽中部固定站位多個(gè)潮周期的實(shí)測資料分析，發(fā)現(xiàn)在一個(gè)連續(xù)的大小潮周期過程中測站部位的凈輸沙方向向陸。國內(nèi)其他學(xué)者的觀測結(jié)果也表明，枯季期間南槽中上部向陸輸沙（Li et al，2018；左書華 等，2006），與本文的觀測結(jié)果相一致。此外，程海峰等（2014）通過對南槽地形沖淤的研究，發(fā)現(xiàn)枯季期間南槽上部淤積、下部沖刷，這種沖淤格局與本文所揭示的南槽泥沙輸運(yùn)格局相吻合。劉杰等（2017）的研究也表明枯季期間南槽攔門沙的灘頂和口外段發(fā)生沖刷。由于枯季長江徑流量顯著減小，鹽水入侵強(qiáng)度加劇和最大渾濁帶上移可能是導(dǎo)致南槽中上部發(fā)生淤積以及泥沙向上輸運(yùn)的原因。在漲落潮過程中，南北槽的上段會發(fā)生一定的水體交換，漲潮時(shí)由南槽向上輸運(yùn)的泥沙在落潮時(shí)會部分進(jìn)入北槽。賀松林等（1996）的研究指出枯季期間存在著從南槽上段向北槽輸沙的現(xiàn)象。多個(gè)研究顯示，在枯季北槽內(nèi)上中下段的凈輸沙方向都向海（時(shí)偉榮等，1993；高敏，2015；王智罡等，2016）。通過分析和結(jié)合以往研究成果，本文認(rèn)為在枯季長江徑流較弱的情況下，南槽河段存在如圖7 所示的泥沙空間輸運(yùn)格局。此外，受到洪季期間徑流量顯著增加影響，南槽各部位以向海輸沙為主，并且存在著上段沖刷、下段淤積的空間分布特點(diǎn)（Li et al，2018；程海峰等，2014；左書華等，2006），因此，南槽的輸沙和沖淤格局具有明顯的洪枯季差異。

圖7 枯季南槽懸沙輸運(yùn)模式示意圖

4.1.2 漲落潮輸沙不對稱性 在河口地區(qū)影響懸沙輸運(yùn)的各種動力泥沙因素通常都存在漲落潮不對稱性，這些漲落潮不對稱對潮周期凈輸沙的強(qiáng)度和方向會產(chǎn)生重要影響（Scully et al，2007）。從圖4可知，各站位的流速、歷時(shí)和懸沙濃度都存在漲落潮不對稱性，并且其不對稱強(qiáng)度具有明顯潮周期變化和空間變化。本文利用各因素的漲落潮平均值的比值來定量表達(dá)漲落潮不對稱強(qiáng)度，當(dāng)比值大于1時(shí)，表示某因素的漲潮強(qiáng)度大于落潮，這種不對稱有利于懸沙的向陸輸運(yùn)；當(dāng)比值小于1 時(shí)，表示某因素的漲潮強(qiáng)度小于落潮，該種不對稱則有利于懸沙的向海輸運(yùn)。比值越大或者越小，意味著某因素的漲落潮不對稱性對向陸或向海輸沙的貢獻(xiàn)越強(qiáng)。在一個(gè)潮周期里，通常一些因素屬于漲潮主導(dǎo)型不對稱，另外一些因素屬于落潮主導(dǎo)型不對稱，因而，潮周期凈輸沙是各種不對稱相互聯(lián)合與競爭的結(jié)果。

由圖4 和圖8 可知，在S1 站位的中小潮期間，流速和懸沙的漲落潮不對稱強(qiáng)度都很弱，這導(dǎo)致該時(shí)段的凈輸沙強(qiáng)度較小，向海輸沙則與落潮歷時(shí)明顯長于漲潮歷時(shí)有關(guān)。大潮期間，漲潮懸沙明顯高于落潮，懸沙的不對稱程度比之前明顯增強(qiáng)，其他不對稱則缺乏明顯變化，因而，懸沙不對稱是造成大潮向陸輸沙且強(qiáng)度較大的重要原因。

圖8 漲/落潮歷時(shí)、漲/落潮平均懸沙濃度、漲/落潮平均流速與輸沙量關(guān)系圖

在S2 站位上，雖然歷時(shí)不對稱有利于向海輸沙，但懸沙和流速都屬于漲潮主導(dǎo)型不對稱，它們共同促進(jìn)懸沙的向陸輸運(yùn)，S2 在觀測期間總體向陸輸沙，這種輸沙特點(diǎn)顯然與懸沙和流速的漲落潮不對稱特點(diǎn)密切有關(guān)。

在S3 站位上，小潮時(shí)流速、懸沙和歷時(shí)都屬于落潮主導(dǎo)型不對稱，它們聯(lián)合促進(jìn)向海輸沙，是造成小潮較強(qiáng)的原因。中潮時(shí)懸沙與流速的不對稱程度都很弱，導(dǎo)致該時(shí)段的凈輸沙強(qiáng)度明顯減弱。大潮時(shí)，流速的不對稱強(qiáng)度依然很弱，懸沙的不對稱性與歷時(shí)的不對稱性相反，二者之間的競爭導(dǎo)致該時(shí)段的凈輸沙強(qiáng)度和方向不斷變化。

5 結(jié)論

本文利用在長江口南槽三個(gè)站位的枯季實(shí)測資料，分析了南槽上中下段的流速與懸沙濃度的時(shí)空變化特征，并運(yùn)用機(jī)制分解法研究了不同部位的懸沙輸運(yùn)機(jī)制，獲得以下認(rèn)識：

（1）南槽內(nèi)流速和懸沙濃度具有明顯的時(shí)空變化特點(diǎn)，從上段至下段流速和懸沙濃度逐漸降低，從小潮至大潮流速和懸沙濃度不斷增加。在各站位上平均流速與平均懸沙濃度都存在明顯的正線性關(guān)系，受底質(zhì)粒徑組合和固結(jié)程度的空間變化影響，懸沙濃度對流速的響應(yīng)程度存在顯著的空間差異，上部站位明顯強(qiáng)于下部站位。

（2）各站位的歐拉余流一致向海，斯托克斯余流一致向陸，南槽中下部的潮波以前進(jìn)波為主，上部以駐波為主，受其影響中下部的斯托克斯余流強(qiáng)度顯著大于上部。受地形和灘槽水體交換所影響，中部站位的拉格朗日余流強(qiáng)度明顯小于南槽上部和下部。觀測期間，各站位的凈輸水方向向海，強(qiáng)度則存在一定的潮周期變化和空間變化。

（3）枯季期間南槽存在著中上部向陸凈輸沙、下部向海凈輸沙的空間輸運(yùn)格局。平流輸沙和潮泵輸沙是控制各部位潮周期凈輸沙的關(guān)鍵因素，潮泵輸沙的強(qiáng)度和方向存在明顯的潮周期變化和空間變化，垂向環(huán)流輸沙因強(qiáng)度很弱，對各站位潮周期凈輸沙的貢獻(xiàn)很小。影響懸沙輸運(yùn)的流速、懸沙濃度和歷時(shí)都具有一定的漲落潮不對稱性，這些因素的漲落潮不對稱強(qiáng)度和方向共同調(diào)控著潮周期凈輸沙的強(qiáng)度、方向及時(shí)空變化。

致謝：盧婷、趙亞青、劉楨嶠、張麗芬、徐圣、梅亞萍、楊照祥、魏東運(yùn)、趙培培、薛成鳳和盛輝等參加了野外觀測，并在室內(nèi)實(shí)驗(yàn)中給予了幫助，謹(jǐn)致謝忱！