人类活动加剧情况下渤海湾河口泥沙运动及减淤研究
一、研究目的与意义
泥沙运动问题的早期关注起因于海洋暴风潮和波浪对海岸、滨海地区的破坏及其由此引发的洪水问题，其它相关问题还包括：全球海平面变化引起的海岸缓慢侵蚀，海岸土地资源流失及海滨亲和环境丧失；可通航水道因泥沙淤积而断航，港口疏浚与维护，船舶在海图未标明浅滩上搁浅；海底人为垃圾、重金属和辐射等污染物堆积而导致的泥沙颗粒污染物藏匿等等。土木工程师由于直接负责防浪墙、码头、海岸治河工程、港口疏浚等工程设计，因而他们对于泥沙运动研究的重要性体会最为深刻[1]。
河口是河流沉积物向海传输的通道，动力环境和盐淡水混合，使得河口泥沙传输过程相当复杂。河口泥沙运动是河口地区可持续发展中的重要科学问题之一。如：长江口的航道整治、黄河口造陆过程和湿地演变、海河口的河道萎缩等等。全球河流每年向海洋输送的泥沙约为100～200亿t，主要部分沉积在河口三角洲区域，同时河流沉积物是诸多化学物质的输运载体。因此河口泥沙输运过程不仅是河口陆海相互作用的重要研究内容，对研究河口和近岸生物地球化学循环也有很好的参考意义[2]。尤其是近年来关于河口生态环境与泥沙输运过程关系问题，都需要对河口泥沙输运的基本规律进行深入的研究[3-4]。河口泥沙运动是河口地区可持续发展中的重要科学问题之一。如：长江口的航道整治[5-6]、黄河口造陆过程和湿地演变、海河口的河道萎缩等等，尤其是近年来关于河口生态环境与泥沙输运过程的关系问题，都需要对河口泥沙输运的基本规律进行深入的研究[3]。
渤海占我国4大海区总面积的1.6%，面积近8万km2，从环渤海地区中的黄河、海河、辽河、滦河、鸭绿江、锦江等河流输往渤海的沉积物通量达7.5×108t/a的量级，从地质尺度来看，这意味着渤海环境的巨大变化，在短短十几年至数十年的尺度上，入海沉积物的输运和堆积可以使渤海的物理环境发生显著的变化，直至渤海的消失。渤海的平均深度在20世纪70年代为20m，但到了90代已变为18m (大港油田资料)，最深处也不过70m。渤海的变浅当然与黄河、海河、辽河、滦河、鸭绿江、锦江等大小十几条河流所携带的泥沙输往渤海淤积所至[7]。
随着渤海面积的日益缩小，渤海变浅的速度也必然越来越快，最终演化成死海。因此，必须加强河口泥沙运动及泥沙淤积减淤排淤措施的研究才能面对渤海湾河口所产生的挑战。
二、河口泥沙运动基本理论
1、河口类型分类
河口由于地质、地貌、水流、泥沙条件的不同，演变的规律亦异，将不同性质的河口进行分类，有利于系统地概括河口河床演变的普遍规律。但河口河床演变还是一门年轻的学科，不同的研究工作得根据不同的观点及其所掌握的资料，对河口分类有不同的看法。就河口河床本身来说，至今还处于不断演变的过程之中。河口地区是河流与海洋的交汇地带，河流淡水一般由上层流向口外海域，海洋盐水则由下层侵人口门之内，由于水流紊动作用与分子扩散，盐淡水之间必然会产生掺混，即混合现象。盐淡水混合过程是河口区水动力过程的一个重要部分[8]。
为便于叙述，可将历史时期的河口和现代的河口分别进行分类，二者有联系，又有区别，后者是在前者的基础上发展起来的。
历史时期从河口塑造的成因及地貌形态的不同，将河口分为河口湾、三角洲和峡江。 现代河口的分类是以河口河床演变为依据。现代河口河床的冲淤演变主要由于来水来沙量的不平衡。因此许多研究工作者都试图用径流、潮流及其含沙量为指标来划分河口类型。
随着海域来水来沙的递减和陆域来水来沙的递增，M值由小到大有四个临界值，即： （1）混合指数M<0.1时为强混合型，而泥沙主要来自海域，a<0.01时称为强混合海相河口。
（2）0.1 （3）0.2 （4）当M>1时已属弱混合型，而泥沙主要来自流域，a<0.5时称为弱混合陆相河口。 2、河口泥沙来源 中国入海河流数百条，每年挟带近20亿t泥沙倾注入海成为海岸带滩涂的主要物质来源。这些泥沙一部分在风浪作用下被掀起后随涨潮流又回到河口，故河口泥沙的矿物成分往往与河道泥沙并无二致，但就泥沙运动来说与河道泥沙的运移有显著的区别。 河口泥沙的来源从数量上来说，主要是陆相河沙和海相泥沙。陆相泥沙源于岩石的风化。当岩石风化以后变成各种粘土矿物质，这些粘土矿物质的主要成分是含水硅酸铝。我国大江大河多，淤泥质海岸分布其广，这是我国河口海岸的一个特点。海相泥沙总的来说都是由涨潮流带进河口。同时，人类活动对河口泥沙数量的影响不可忽视，如河口疏浚泥土的处理，如果处理不当，往往使航道回淤严重；城市工业用水和生活用水如果不加处理，直接排放到河口，就数量来说，远远小于流域来沙或海域来沙，但污水中含有大量有机物质以及纤维和脂肪，促使细颗粒泥沙的电化学变化，加速沉降。此外，河口地区因涨落潮流路的变化，滩冲槽淤造成局部泥沙的大量托运，往往是河口河南床剧烈变动的主要原因。 3、河口中泥沙运动基本形式 河流中运动着的泥沙，就其来源而言，可以分为两大类，一类是从流域地表冲蚀而来的；另一类是从原河床上冲起的。在运动过程中，两者有着置换作用。从流域冲蚀下来的泥沙，小部分沉积在河床上，大部分汇流入海，特别是颗粒很细的泥沙，绝大部分都汇流到海里去了；而原来河床上的泥沙，也有一部分为新来的泥沙所置换而汇流入海。而影响流域地表侵蚀的因素，主要与气候、土壤、地貌及人类活动有关系[9]。 河口地区床沙组成物质，一般都比较细，如何区分床沙质和冲泻质比较困难。对于平原型河口来说，粉沙可认为是床沙质，山区型河口的床沙质要粗一些，一般为中沙和细沙甚至亦有砾石组成，至于粘土以下的物质，在未到河口地区以前一泻千里，沿程很少在河槽中停留，因此称为冲泻质。但进入河口地区以后与盐水相遇，絮凝沉降而落淤到床面，成为淤泥， 这就难于区别它为床沙质和冲泻质了。但就无粘性的中细沙和粉沙粒级来说，在河口往复性水流中单个泥沙颗粒运动的基本形式和平原河流一样是推移运动和悬移运动。在泥沙输移过程中，泥沙颗粒在床面的集体运动亦有沙波出现。至于淤泥的运动形式略有差异，它一经扬动即悬浮水中，无推移的过程[10-11]。 泥沙起动是泥沙输运最重要的动力学过程之一，传统的研究是从床面泥沙的受力平衡出发，推导泥沙的临界起动剪应力或流速。近期的研究将泥沙起动的间歇性与湍流的猝发现象联系起来[12]。尤其是，Nino Y.,et al.(1996)[13]采用天然沙进行的实验研究进一步证明了泥沙起动与湍流猝发的喷发事件密切相关的事实：一方面，泥沙颗粒集中在低速条纹附近，这显然与湍流边界层中反向旋转的成对流向涡结构有关，这些泥沙积聚所形成的条纹的几何尺寸与湍流猝发的条纹特征一致；另一方面，泥沙颗粒喷射的角度10b~20b，与低速条纹抬升形成由集中展向涡构成的剪切层的倾角14b极其相似。这充分说明了泥沙起动与湍流喷发事件的密切关系。 4、河口海洋动力输沙 海洋动力一般指潮汐、海流和海浪，渤海的海流以潮流为主。海洋动力中，周而复始的潮流是持续永恒的动力，在河口较长时期的演变中潮流起着主要作用河口地区输沙动力是河流动力(径流)和海洋动力(潮流)综合作用的结果[14-15]。在一定岸边界条件下，潮流动力基本上是一定的，与径流综合作用下的输沙动力主要取决于径流大小。入海径流越大，输沙动力越强。对于同样的输沙动力，当然是沙量越少越容易输送，反之，对于同样的沙量，水动力越强越容易输送。也就是说，输沙的多少要看沙量与水动力的相对关系，既水沙搭配关系。确切地说，对于同样的入海沙量，来沙系数越小，即单位流量级含沙量越低，则在一定时间内输往外海的泥沙越多；反之，来沙系数越大，即单位流量级含沙量越高，则输往外海的泥沙越少。通常用排沙比和排沙绝对量两个指标来判定海洋输沙能力的大小，但二者的变化趋 [16-17] 势并不完全一致。 对于海岸泥沙运动，首先从研究波浪作用下的泥沙运动开始，最终要归结到港口航道、港池的淤积变化，海岸线的演变以及建筑物周围的冲淤变化等。传统上，按岸滩泥沙颗粒的组成将海岸分为3类，即岩石海岸、砂质海岸和淤泥质海岸。但粉砂质泥沙的运动特征，使得对海岸的分类提出了质疑[18-19]。 三、河口泥沙物理模型研究进展 自从1885年雷诺（Reynolds）首先运用潮汐河口模型试验研究英国默尔塞河口（Mersey Estuary）的潮汐水流以来，已有一百多年的历史，现今潮汐河口模型试验逐渐趋于完善，但其进展是比较缓慢的。到了20世纪20年代，随着船只吃水尝试的不断增加，对航道水深的要求亦相应增加，单纯依靠疏浚很验证增加和维护较大水深，故有不少河口港已采取疏浚结合整治的治理原则，整治工程的规划、堤线的布置是否合理等对模型试验提出了要求，因而各国相继以模型试验来研究潮汐河口治理问题。比如著名的如法国费里哈哥特（VeruonHercourt）的塞纳河口（Seine Estuary）模型试验，英国吉普生（A.H.Gibson）教授的塞汶河口（Seven Estuary）模型试验。二次世界大战之后，随着电子工业的发展，模型中潮汐的产生已由简单的机械装置，发展为运用光电原理的半自动控制，模型已由清水试验发展到盐淡水混合的浑水试验。无论在试验技术和相似条件的考虑方面都前进了一大步，同时现场测验技术也有显著的改进，因而自50年代以来各国河口的治理有了显著的进展，航道水深获得了较大幅度的增加。目前潮汐河口模型已可复演河床的冲淤演变，如西德易北河口动床模型[20]。 在渔港、海岸工程建设中经常需要了解其所在海域水流、波浪、泥沙等物理特性，为了复演和预测工程海域中的物理现象，目前常采用两种模拟手段，一种是水力比尺模型(物理模型)，另一种是数值模拟(数学模型)。物理模型是以一定的比例尺来建造实物模型模拟真实工程情况，它历史悠久，最早可以追溯到 1885 年 Reynolds 创建Mensey河口模型。由于物理模型形象直观，形态逼真，因此在工程界中应用较广。而数值模拟是对自然现象构造数学模型，建立微分方程组，由于自然现象的复杂性，方程常常是非线性的，因而往往难以求得精确的解析解，这时只能通过引入近似简化方程或者将方程离散求解。由于其计算量庞大，在电子计算机得到广泛应用后才兴起，因此只有近 30 多年的历史。随着大容量、高速度、多功能电子计算机的发展和现代近似计算方法的进步，数值模拟也获得了高速度发展与应用[21] 。 除一般水力学问题外，物理模型试验已成为航道整治、疏浚挖槽、盐水入侵以及污染扩散等问题的一个很重要的研究手段。物理模型比较直观，特别在涉及河口泥沙冲淤等复杂问题时，能成为研究河口治理的问题的重要工具[22]。 在建立河口物理模型时，为使模型能较好地复演天然情况，模型各项比尺必须满足水流运动相似、泥沙运动相似的条件。同时，还应特别注意模型沙的选择和加糙问题。模型沙的选择是悬沙淤积模型及动床或局部动床模型试验的关键问题之一。选取的模型沙应保证河床的输沙条件相似，一般要求满足沉速、起动流速和糙率等方面的相似条件。常用的轻质材料有塑料沙、木屑、电木粉、核桃粉等[23]。 模型验证试验是整个试验工作的关键。在模型平面比尺和垂直比尺决定以后，模型糙率的大小、试验所用下边界试验潮型的确定，以及模型相应于天然含沙量的大小即含沙量比尺都要通过验证试验来确定。整个试验成果的优劣，关键在于验证试验工作是否踏实细致，务必慎重进行[24-27]。 例如，熊绍隆、曾剑等[28]探讨了不同类型泥沙物理模型的主要相似准则、模型沙选择、时间变态的处理、冲淤验证资料的选取、局部动床的范围、动床模型试验的重复性等问题。 四、河口泥沙数学模型研究进展 河口治理方案的研究需同时考虑波浪、潮流和径流等多种动力作用，应将河口和河道作为一个整体进行模拟研究。对于大尺度河口域和长距离的河道域水流泥沙运动的模拟，数学模型具有很大的优势。 随着高速度大容量电子计算机的迅速发展和河口动力学理论的不断完善，数学模型无论在理论上和计算技术上都发展甚快。由于数学模型具有准、快、经济等优点，已广泛地用于解决各种河口动力问题，如河口整治工程、环境保护工程等问题。除此之外，它亦如物理模型一样，可以用来揭示许多河口物理现象，即数学模型试验，随着计算机图形功能的发展，数值模拟克服了它的非直观性，从而使数值模拟具有更大的能力，将成为河口问题研究的一种重要手段。 数学模型是将描述某种物理现象的数学物理方程进行离散数值化的过程，它的正确与否很大程度上领带于它的离散方法，即数值计算方法。潮汐河口数值计算中几种常用的数值计算方法有：有限差分法、有限单元法和有限分析法。依靠有限差分方法模拟黄河水沙运动,解决了很多黄河河口治理的决策问题。泥质河口泥沙问题的数学模型是：以泥质冲积河流动力学规律为基础，针对河口动力因素的特点所建立的包括三个主要方程式，两个辅助方程和
