椒(靈)江水沙特性及最大渾濁帶模擬

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

　　摘要:椒(靈)江屬于典型的山溪性強潮河流，水動力泥沙條件異常復雜。潮流和徑流共同作用極易引導細顆粒泥沙在特定河段集聚，形成最大渾濁帶，并發育浮泥，對河道河床演變起重要作用。尤其是近年來河口圍填和河道采砂等人類活動對河流的水動力和邊界條件造成較大的改變，加之上游水庫建設致使徑流量及洪峰流量減小，配合強潮的頂托作用，枯水期最大渾濁帶向上游運動距離更遠，導致河道淤漲、江水變渾，影響到河道航運資源開發與保護。在實測資料的基礎上分析椒(靈)江山溪性強潮河流的水沙特性，并考慮黏性細顆粒泥沙運動特性和鹽度的影響，開發山溪性強潮河流最大渾濁帶數學模型，模擬枯季大潮椒(靈)江水沙運動特性和最大渾濁帶運移過程。

　　關鍵詞:山溪性強潮河流;最大渾濁帶;水沙特性;數值模擬

　　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209km，由西北至東南匯入臺州灣。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。靈江上游永安溪長約144km，始豐溪長約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，長約46km，寬200～1400m。三江口處有支流永寧江匯入，永寧江河長78km，上游為長潭水庫。三江口以下至口門(牛頭頸)河段為椒江，長約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19km，白沙以東海域開闊，椒江河口區呈現明顯的喇叭口形狀，臺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潮河流，河道細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移，并在河道底部發育成浮泥，水流泥沙運動規律異常復雜。早在20世紀80年代，許多專家學者就開始關注椒(靈)江山溪性強潮河流水沙特性的研究。如祝永康[1]對椒江山溪性強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程和沉積結構。符寧平[3]研究了椒江的懸沙運動特征。此后，郭琳等利用遙感和現場實測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算方法。李炎等研究了椒江最大渾濁帶的運移特征和影響因素[7-12]。

　　近年來河口人類活動較為頻繁，尤其是河口圍填和河道采砂等使河流的水動力和邊界條件發生了較大改變，加之上游水庫建設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動距離更遠，導致河道淤漲、江水變渾，并呈不斷惡化的趨勢。本文根據椒江河口實測水文泥沙測驗資料(測驗垂位置見圖1)，分析椒(靈)江河道水沙運動特征，并考慮黏性細顆粒泥沙和鹽度的影響，建立最大渾濁帶泥沙數學模型，模擬椒(靈)江最大渾濁帶運動規律。

　　1自然條件

　　1.1徑流

　　椒江流域受梅雨和臺風雨影響，徑流量的年內分配極不均勻，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)徑流量僅占全年的25%。流域洪水暴漲暴落，洪峰一般持續1～2d，徑流量變幅極大。歷史最大洪峰流量為16300m3�Ns(1962-09-06)，最小流量僅為0.39m3�Ns(1967-09-19)，多年平均流量163m3�Ns。

　　1.2潮汐

　　椒江河口屬強潮河口，潮型為不規則半日潮。枯季潮區界始豐溪可達到董岸村上游，距三江村6km;永安溪潮區界則位于嶺溪大橋下游，距離三江村10km。當椒江流域發生洪水時，潮流界下移。實測資料表明，當洪峰流量達2500m3�Ns時，潮流界下移距口門僅20km處;當洪峰流量達7500m3�Ns時，椒江口無漲潮流;若遇特大洪水，淡水舌可沖抵口外25km。潮波自外海經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，上溯過程中變形劇烈，漲潮歷時縮短，落潮歷時延長，波形呈不對稱，且接近駐波。根據近年的測驗資料可知，潮差自海門沿江道上溯呈逐漸增大的趨勢(表1)，最大潮差在西門附近，達6.85m。總體上，從臺州灣—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。潮差也呈增大趨勢，至潮流界以上潮差迅速減小。

　　1.3潮流

　　椒江河口外臺州灣潮流呈現旋轉流特征，潮流上溯至椒江口，河道內以往復流為主。2013—2017年河道沿程實測潮流流速數據表明，潮流總體上呈現出臺州灣—椒江—靈江逐漸增大的趨勢，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表2。

　　1.4泥沙

　　1.4.1含沙量

　　椒江河口泥沙來源表現為陸域與海域雙向來沙。據實測資料統計，徑流攜帶的泥沙較少，椒江流域來沙多年平均輸沙量為122萬t�Na，平均含沙量0.236kg�Nm3。根據2013—2014年水文測驗資料，靈江、椒江垂線平均含沙量普遍在3.0kg�Nm3以上，臺州灣海域則普遍在0.3kg�Nm3以下。含沙量平面分布，呈現由靈江—椒江—椒江口及臺州灣逐漸遞減的趨勢，含沙量沿程變化見表3。可以看出，上游靈江河道垂線平均含沙量最大達18kg�Nm3，椒江河道垂線平均含沙量最大達10kg�Nm3，椒江口河道垂線平均含沙量不超過5kg�Nm3，至椒江口外臺州灣海域含沙量較小，均值在0.2kg�Nm3以下。

　　實測資料表明，在徑流很小的枯水期，靈江主流最大垂線平均含沙量達到20kg�Nm3以上，底部含沙量最大可達60kg�Nm3左右，發生在大潮落潮憩流時段;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動特征。最大含沙量的渾濁帶核心部位在潮流作用下往復運動，落潮下移漲潮上溯，大潮運移從牛頭頸至西岙區間達30多公里。含沙量垂向分布表現為底部含沙量大，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從表層到底層逐漸增大的現象，分布不均勻且梯度較大。底部平均含沙量超過30kg�Nm3，并形成浮泥。

　　1.4.2泥沙組成和粒徑

　　2013年12月水文測驗期間，除了定點采集懸沙樣品，還沿椒(靈)江—臺州灣每隔1km定點采集底質泥沙樣品96個。從實測椒(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。懸沙中值粒徑表現為靈江河道至下游椒江河道逐漸變細的分布特征。靈江河段受上游陸域輸沙影響，底質明顯粗于椒江和口外段。其他河段懸沙、底質粒徑差異小。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結語

　　1)山溪性強潮河流水動力泥沙條件異常復雜。潮流和徑流的共同作用極易引導細顆粒泥沙在特定河段集聚，形成最大渾濁帶，并發育浮泥，對河道河床演變起到重要作用。

　　2)河床細顆粒泥沙為高含沙量渾濁帶的形成提供了豐富的泥沙來源。潮波變形導致漲落潮的不對稱性形成的斯托克斯輸移，是渾濁帶向上游運移的動力機制。

　　3)在徑流和潮流作用下山溪性強潮河流河床面形成一個由細顆粒黏性懸沙、高含沙濃度層、浮泥體和底質構成的沉積系統，泥沙運動模擬必須充分考慮黏性泥沙的動力特征。