浙江湟源地區(qū)湟源縣侖口鎮(zhèn)湟源縣侖口鎮(zhèn)湟源縣侖江洪枯季水沙特性分析

寧波河是浙江省八個(gè)主要水系之一，是寧波市的母親河。它位于浙江省東部的沿海地區(qū)，是杭州以南的。南水源提取河和北水源姚江。兩江交匯處位于寧波市三江口。三江口以下是大海的運(yùn)河，距海市以外的山區(qū)距離東海，全長(zhǎng)25.6公里。多年平均流量29.12億3m。沙石主要是大海。自1959年以來(lái)，水利工程的建設(shè)導(dǎo)致了杭州河沙特征的重大變化：1959年姚江大港建成后，杭州河納潮量減少，下降趨勢(shì)緩慢下降，潮波變形，上升和下降時(shí)間短，下降和下降時(shí)間長(zhǎng)，河流嚴(yán)重積聚。1975年，鎮(zhèn)海港水庫(kù)附近的共同龍導(dǎo)致了杭州河納潮量和下降時(shí)間的變化，杭州河的接收時(shí)間也發(fā)生了變化。20世紀(jì)80年代以后，由于人類(lèi)活動(dòng)的影響，橋梁和碼頭等河工程的發(fā)展加劇，杭州河的水沙特征逐漸改變，河床沉積物逐漸惡化。為了控制杭州河的淤積，改善河流景觀，寧波市計(jì)劃在杭州河中部修建燕子門(mén)。根據(jù)現(xiàn)有文獻(xiàn)，對(duì)杭州河洪干期的水沙特征缺乏文獻(xiàn)。為了協(xié)助門(mén)工程的研究，寧波委托水文測(cè)量部門(mén)對(duì)杭州河道進(jìn)行了洪水季節(jié)的水沙觀測(cè)。2010年7月和2011年1月，寧波委托水文測(cè)量部門(mén)對(duì)杭州河道進(jìn)行了洪水季節(jié)的水沙觀測(cè)。在本文中，我們使用了最新測(cè)試的洪干季節(jié)水沙數(shù)據(jù)，并對(duì)研究杭州河道水沙特征和技術(shù)的論證提供了最新的分析成果。1潮位、潮位觀測(cè)內(nèi)容選擇洪枯兩季進(jìn)行觀測(cè),洪季時(shí)間為2010—07—12—2010—07—21,其中12-13日為大潮,20-21日為小潮;枯季時(shí)間為2011—01—13—2011—01—21,其中13-14日為小潮,20-21日為大潮.觀測(cè)內(nèi)容包括潮位、流速流向、懸移質(zhì)含沙量、懸移質(zhì)顆粒分析和底質(zhì)顆粒分析等.其中,潮位觀測(cè)站有江東站、鎮(zhèn)海站;水文測(cè)驗(yàn)斷面有CS2～CS5斷面(見(jiàn)圖1),每個(gè)斷面布置3條垂線(1#、2#、3#),開(kāi)展流速流向、含沙量同步觀測(cè),流速流向觀測(cè)采用ADCP施測(cè),含沙量采用橫式采樣器采集取樣,過(guò)濾洗鹽烘干稱(chēng)重法分析,顆粒分析采用激光粒度儀.2流量特征2.1lm-d.c.32m甬江干流段潮汐屬非正規(guī)半日潮,每日有2個(gè)高潮和低潮,相鄰高(低)潮的潮高不相等.根據(jù)寧波市各潮位站歷年統(tǒng)計(jì)資料,潮位站平均高潮位1.13～1.23m;平均低潮位-0.70～-0.38m;平均潮位0.28～0.43m;平均潮差1.62～1.84m.此次甬江洪枯季潮位特征值見(jiàn)圖1,由圖可見(jiàn):(1)大潮期間,江東站、鎮(zhèn)海站的洪季最高、最低潮位比枯季高約0.35m,平均潮位比枯季高約0.3m,洪枯季最大潮差相近;(2)小潮期間,各站點(diǎn)洪季最高潮位比枯季高約0.5m,最低潮位比枯季高約0.2m,平均潮位比枯季高約0.45m,最大潮差比枯季高約0.3m.甬江洪枯季潮位特征受到上游徑流和甬江口外海平面變化的影響,據(jù)中國(guó)海平面公報(bào)統(tǒng)計(jì)資料,甬江口外東海海域洪季潮位比枯季高約0.10m.2.2漲落潮時(shí)段特征值甬江越接近下游入?？?漲潮歷時(shí)增加,落潮歷時(shí)縮短,漲落潮歷時(shí)差減小.根據(jù)寧波市各潮位站歷年統(tǒng)計(jì)資料,江東站平均漲潮歷時(shí)為5min54s,平均落潮歷時(shí)為6min31s;鎮(zhèn)海站平均漲潮歷時(shí)為6min21s,平均落潮歷時(shí)為6min4s.此次甬江洪枯季漲落潮歷時(shí)特征值見(jiàn)圖3,由圖可知:甬江洪枯季各潮平均落潮歷時(shí)大于漲潮;洪季大潮的平均漲潮歷時(shí)比枯季長(zhǎng),平均落潮歷時(shí)比枯季短,小潮時(shí)則相反.2.3潮流速度特征本次水文測(cè)驗(yàn)表明,洪枯季各斷面垂線平均流速呈現(xiàn)大潮大于小潮,落潮大于漲潮的特征(圖4),考慮到甬江多年平均徑流流量為92m3/s,潮流落潮量大于漲潮量,因此,落潮大于漲潮的流速規(guī)律具有普遍性;從縱向分布來(lái)看,水流流速呈沿程增加趨勢(shì).分析流速與潮位過(guò)程關(guān)系(圖5),1個(gè)漲落潮周期內(nèi),流速和潮位存在2個(gè)峰值,但兩者并不同步,最大流速有時(shí)出現(xiàn)在最高或最低潮位時(shí),有時(shí)出現(xiàn)在中潮位前后,即潮波既非單純的前進(jìn)波也非單純的駐波,兼有兩者的特征.2.4潮位預(yù)報(bào)統(tǒng)計(jì)洪枯季大潮時(shí)甬江CS2～CS5斷面漲落潮潮量可知:甬江洪季大潮平均凈泄潮量為294萬(wàn)m3,枯季大潮平均凈泄潮量為182萬(wàn)m3,洪季大潮凈泄潮量是枯季大潮的1.62倍.潮波進(jìn)入河口后,由于河道的約束作用,潮水只沿著河道的方向流動(dòng),潮位和進(jìn)出口的潮水量之間有密切的關(guān)系.由于落潮量與上游徑流及潮汐特性有關(guān),不能完全反應(yīng)其與潮差之間的關(guān)系,故僅分析進(jìn)潮量與漲潮差之間的關(guān)系(圖6).由圖6可知,進(jìn)潮量與漲潮差之間呈線性關(guān)系,兩者相關(guān)性好,相關(guān)系數(shù)達(dá)0.96以上.由流速與潮位過(guò)程分析可知,最高潮位的到來(lái)在位相上滯后于最大流速,故可用此方法預(yù)報(bào)河道潮位.用標(biāo)準(zhǔn)離差公式求得CS2～CS5各斷面的標(biāo)準(zhǔn)離差σ分別為0.14,0.16,0.32和0.26,則得每個(gè)斷面潮位預(yù)報(bào)95%保證率的置信區(qū)間為(y-2σ,y+2σ),即以回歸線為中心,預(yù)報(bào)潮位差值在±2σ內(nèi)的概率達(dá)95%.3砂漿機(jī)偏移性能3.1洪季懸沙、枯季懸沙中值含量比較甬江泥沙以海域來(lái)沙為主,洪枯季泥沙取樣分析表明:懸沙和底質(zhì)組成均以黏土質(zhì)粉砂為主,洪季懸沙中值粒徑范圍為0.004～0.010mm,與枯季懸沙中值粒徑相近,洪季底質(zhì)中值粒徑范圍為0.008～0.052mm,稍大于枯季.3.2泥沙與水流的關(guān)系由此次洪枯季水文測(cè)驗(yàn)得知,大小潮時(shí)懸沙d50粒徑范圍為0.004～0.010mm,泥沙顆粒極細(xì),屬粉沙類(lèi),受流速的影響很大.1個(gè)漲落潮周期中,含沙量、流速存在2個(gè)峰值,但含沙量與流速不同步,含沙量的峰值滯后于流速漲急、落急1～2h左右,含沙量的最小值也出現(xiàn)在漲憩、落憩后的1～2h左右(圖7).整體而言,洪枯季泥沙運(yùn)動(dòng)較劇烈,但泥沙濃度變化率小于流速變化率,泥沙依附于水流運(yùn)動(dòng).3.3由內(nèi)壓沙面上的型分布與垂線分布甬江各斷面垂線平均含沙量呈現(xiàn)枯季大于洪季、大潮大于小潮的特征,從縱向分布來(lái)看,三江口～甬江口中部河段(CS3～CS4)的含沙量高于其他河段(見(jiàn)圖8).有關(guān)含沙量的垂線分布,國(guó)內(nèi)外對(duì)于內(nèi)河河道的研究成果較多.倪晉仁等通過(guò)分析水槽、管道及天然河流中大量的實(shí)測(cè)含沙量濃度資料,提出含沙量沿垂線的分布包括兩種類(lèi)型,即泥沙濃度從水面向床面逐漸增大,在近壁區(qū)達(dá)到最大值后又逐漸減小,稱(chēng)為Ⅰ型(普通型),而自水面向床面一直增加的為Ⅱ型(一般型);當(dāng)含沙量濃度不是很高時(shí),相同粒徑條件下,河床粗糙時(shí)出現(xiàn)Ⅱ型的機(jī)會(huì)多,對(duì)于相同的邊界條件,細(xì)沙時(shí)出現(xiàn)Ⅱ型分布機(jī)會(huì)多.有關(guān)感潮河段含沙量垂線分布的類(lèi)型還未做過(guò)系統(tǒng)分析,論文選取甬江CS2～CS5斷面洪枯季約430條含沙量垂線分布數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì),結(jié)果表明:5條垂線的含沙量垂線分布為Ⅰ型,其他均為Ⅱ型.甬江泥沙以粉砂為主,河床底部較粗糙,含沙量垂線分布以Ⅱ型為主,這與內(nèi)河河道含沙量規(guī)律較為一致.通過(guò)進(jìn)一步分析,發(fā)現(xiàn)Ⅱ型分布曲線存在Ⅱ-A,B,C,D共4種主要類(lèi)型(圖9):Ⅱ-A型分布呈雙曲上凹形式;Ⅱ-B型的濃度梯度在中間出現(xiàn)轉(zhuǎn)折,由逐漸增大轉(zhuǎn)為逐漸減小,曲線呈平緩的S型;Ⅱ-C型類(lèi)似于Ⅱ-B型,濃度梯度由逐漸減小轉(zhuǎn)為逐漸增大,曲線呈平緩的反S型;Ⅱ-D型分布為雙曲上凸形式.CS2～CS5各斷面垂線含沙量分布隨時(shí)間變化過(guò)程中,Ⅱ型的4種類(lèi)型常常跳躍變化,其中CS2斷面以B型和D型為主,占總垂線數(shù)的60%;CS3和CS4斷面以A型和D型為主,約占總垂線數(shù)的67%;CS5斷面以D型為主,占總垂線數(shù)的51%.究其原因,主要由于從甬江三江口至河口,鹽淡水的混合增強(qiáng)了泥沙細(xì)顆粒的絮凝作用,隨著含鹽度的增大,絮凝作用越顯著,泥沙受重力的作用不斷增大直至到達(dá)極值,但越靠近河口,潮流的紊動(dòng)作用也相應(yīng)增強(qiáng),泥沙顆粒的擴(kuò)散作用不斷增加,由于懸移質(zhì)泥沙受水流紊動(dòng)擴(kuò)散而懸浮,受重力作用而沉降,結(jié)合Rouse懸浮指標(biāo)z,從CS2到CS5斷面,z值先增大后逐漸減小,因而,河道沿程含沙量的垂線分布由比較均勻的B型和D型占多數(shù),逐漸發(fā)展為較不均勻的A型的比例增大,接近河口處又以較均勻的D型為主.3.4/gh式國(guó)內(nèi)外對(duì)于感潮河流的輸沙能力研究比較多,采用的方法主要有經(jīng)驗(yàn)分析法、因次分析法、能量平衡法等.經(jīng)驗(yàn)分析法主要通過(guò)對(duì)水流輸沙能力的各種因素進(jìn)行分析,尋找主要的影響因素或因子,然后采用實(shí)測(cè)資料進(jìn)行回歸和統(tǒng)計(jì)分析,從而建立適合于特定河口地區(qū)的經(jīng)驗(yàn)輸沙能力公式.由于河口地區(qū)的影響因素十分復(fù)雜,許多問(wèn)題在理論上還沒(méi)有得到很好地解決的前提下,人們常常建立經(jīng)驗(yàn)公式以解決具體的實(shí)際問(wèn)題.例如,浙江省河口海岸研究所采用大量的實(shí)測(cè)資料建立了錢(qián)塘江河口輸沙能力公式;黃勝提出了無(wú)風(fēng)、無(wú)風(fēng)浪情況下的潮汐河口輸沙能力經(jīng)驗(yàn)公式;張定邦根據(jù)實(shí)測(cè)資料建立了甬江口輸沙能力經(jīng)驗(yàn)公式.考慮到甬江洪枯季潮流動(dòng)力條件的不同,含沙量差別較大,以下分別借鑒黃勝、張定邦等輸沙經(jīng)驗(yàn)公式,探討?zhàn)榭菁境绷鞯妮斏衬芰?借鑒黃勝等人的研究成果,含沙量S可以表示為:S=α(v2/(gh))(1)式中:v為流速;h為水深;g為重力加速度;α為系數(shù),根據(jù)實(shí)測(cè)資料分析確定. 由于CS2～CS5斷面各含3條垂線,故采用斷面垂線平均的概念,建立含沙量S與v2/(gh)的線性關(guān)系.考慮到感潮河段受到徑流、潮流的雙重影響,含沙量過(guò)程滯后于流速過(guò)程,當(dāng)流速為零時(shí),含沙量雖然較小但并不為零,而是過(guò)了憩流點(diǎn)之后,含沙量才逐漸降至最低.若直接用式(1),分析結(jié)果無(wú)法準(zhǔn)確地顯示流速與含沙量的相位差,而且在憩流點(diǎn)附近,與實(shí)際情況相比,回歸分析的結(jié)果將會(huì)失真.因此在水流輸沙公式中引入非水力因子影響—背景含沙量S0,見(jiàn)式(2).S=α(v2/(gh))+S0(2)S=α(v2/(gh))+S0(2)其回歸曲線如圖10(a)和(b)所示.計(jì)算得出洪季的α為37.942,相關(guān)系數(shù)為0.657,S0為0.274,枯季的α為57.273,相關(guān)系數(shù)為0.505,S0為1.408.可見(jiàn),S與v2/(gh)的線性相關(guān)系數(shù)達(dá)0.5以上.張定邦根據(jù)甬江的實(shí)測(cè)資料分析,得出甬江的輸沙能力為:S=6.5v2h0.7(3)S=6.5v2h0.7(3)同樣,引入背景含沙量S0,將式(3)改寫(xiě)成如下形式:S=αv2h0.7+S0(4)S=αv2h0.7+S0(4)其回歸曲線如圖10(c)和(d)所示.計(jì)算得出洪季的α為2.185,相關(guān)系數(shù)為0.655,S0為0.268,枯季α為3.326,相關(guān)系數(shù)為0.502,S0為1.398.對(duì)比式(4)和式(2),兩者相關(guān)性相仿,且背景含沙量S0的值與式(2)得出的結(jié)果也接近,只是由于考慮水深h的影響程度不同,α值不同.綜上所述,式(2)和(4)在黃勝和張定邦等前人研究的水流輸沙能力基礎(chǔ)上,引入背景含沙量,通過(guò)線性回歸方法,擬合出甬江感潮河段的水流輸沙能力公式.式(2)和(4)雖然考慮水深h的影響程度時(shí)存在不同,但通過(guò)系數(shù)的調(diào)整能基本達(dá)到相近的精度,可歸屬于一類(lèi),但式(2)的相關(guān)性稍稍高于式(4),故可選擇式(2)作為甬江感潮河段的水流輸沙能力公式,洪、枯季的系數(shù)取值可參考以上計(jì)算所得.由于洪枯季時(shí)水流輸沙能力公式所選取的系數(shù)值差別較大,因此對(duì)于甬江等洪枯季含沙量變化較大的感潮河流,應(yīng)分別建立洪枯季的水流輸沙能力公式,更能反映河道輸沙規(guī)律.統(tǒng)計(jì)洪枯季大潮時(shí)CS2～CS5斷面懸沙輸沙量可知:枯季各斷面漲落潮輸沙量大于洪季,洪季大潮平均凈輸沙量為1811t,枯季大潮平均凈輸沙量為1903t,枯季大潮凈輸沙量為洪季大潮凈輸沙量的1.05倍,這與洪季大潮凈泄潮量大于枯季凈泄潮量的規(guī)律相反,從側(cè)面說(shuō)明了枯季水流含沙量大于洪季水流含沙量.4文獻(xiàn)回顧與分析本文通過(guò)對(duì)甬江河段洪枯季水文、泥沙資料的統(tǒng)計(jì)分析,得到以下結(jié)論:(1)甬江洪季最高潮位、最低潮位、平均潮位和最大潮差略大于枯季.洪枯季大小潮平均落潮歷時(shí)大于漲潮;洪季大潮的平均漲潮歷時(shí)比枯季長(zhǎng),平均落潮歷時(shí)比枯季短,小潮時(shí)則相反.各斷面垂線平均流速呈現(xiàn)“大潮>小潮”、“落潮>漲潮”的特征;進(jìn)潮量與漲潮差呈線性相關(guān),相關(guān)系數(shù)達(dá)0.96以上,且甬江河段最高潮位在位相上滯后于最大流速,可進(jìn)行河道潮位預(yù)報(bào).(2)甬江洪枯季各斷面垂線平均含沙量呈現(xiàn)“枯季>洪季”、“大潮>小潮”