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河口河槽演变对人类活动的响应

吴帅虎

  河槽冲淤演变和河槽微地貌一直都是流域地貌学和海岸工程等领域众多学者关注的热点问题。随着世界人口的急剧增长,人们对土地和水资源的需求愈发强烈,因此以有效地、可持续地方式管理大的河流和河口以及预测水流的流动、泥沙输运和河槽与岸滩的稳定性变得至关重要。研究河槽冲淤演变和河槽微地貌对探究流场水动力和泥沙输运条件的变化具有重要意义。近年来人类活动对河流和河口区域的干扰逐渐增强,已经显著影响了河口河槽冲淤演变过程和微地貌分布特征。众所周知,自20世纪50年代以来,长江流域已经建设了超过50000座大坝,其中2003年开始蓄水的三峡大坝及其它涉水工程的建设导致流域到达河口的来沙量显著减少,而深水航道治理、青草沙水库和促淤圈围等河口大型工程的实施会影响河口河槽的地形边界条件和局部区域的水动力,促使长江河口河槽冲淤演变和微地貌特征处于不断地调整和适应中。在过去的100年间,美国密西西比河流域也建设了超过50000座大坝,已经减少了超过50%的来沙量,尤其是 Old River Control Structure(ORCS) 工程的实施,显著影响了密西西比河口的水动力条件,导致密西西比河口的微地貌特征作出了相应的响应。本文利用2012年至2015年在长江河口和2012年在密西西比河口实施河槽地貌测量时获得的多波束测深数据和浅地层剖面记录,结合河槽表层沉积物取样分析和海图资料,分析和比较近期长江河口和密西西比河口的河槽冲淤演变和微地貌特征,探讨河口河槽冲淤演变过程和微地貌的形态变化对人类活动的响应。该文的主要研究结果如下:(1)在人类活动的强烈干扰下,潮汐河口分汊河槽及其水下三角洲产生不同程度的冲刷,沉积物变粗,随着分汊河槽的冲刷态势向下游延伸,河口拦门沙向下游移动,来沙量锐减引起口外水下三角洲向上游蚀退,导致河口拦门沙向上游移动,故在两者的综合作用下,河口拦门沙长度逐渐缩短。(2)在三峡蓄水等流域大型工程的影响下,近年来流域到达河口的来沙量显著锐减,导致南支河段和南北港的中上段以及南槽口外水下三角洲受到冲刷,而青草沙水库工程的修建束窄了北港上段的河槽宽度,导致北港中上段发生了较大程度的河槽侵蚀且侵蚀态势向下游延伸,引起拦门沙河段上段也发生了一定程度的河槽侵蚀。2002-2007年期间,南支河段泥沙净冲刷量为2.3亿m3,平均每年冲刷达0.46亿m3,在2002-2013年期间,南港河段泥沙净冲刷量为1.36亿m3,平均每年冲刷0.12亿m3,北港河段泥沙净冲刷量为6.54亿m3,平均每年冲刷0.65亿m3。在深水航道治理工程、青草沙水库和促淤圈围等工程的共同影响下,2002年至2013年期间横沙通道河槽持续受到冲刷,泥沙净冲刷量为0.86亿m3,平均每年冲刷0.08亿m3,冲刷的泥沙对圆圆沙航槽和北槽深水航道的泥沙回淤具有一定的贡献。由于深水航道治理工程的影响,南槽河段中上段受到强烈的冲刷,而显著的河槽淤积发生在南槽下段,在2002-2013年期间,南槽(上段至口外段)泥沙净淤积量为0.68亿m3,平均每年淤积0.062亿m3。长江河口南港河段、北港中上段和南槽中上段发生的河槽侵蚀和北槽的航道疏浚均导致河槽加深,加剧了近年来长江河口盐水入侵的强度。(3)近期长江河口河槽表层沉积物类型主要可分为粘土质粉砂、粉砂、砂质粉砂、粉砂质砂和细砂。以粘土质粉砂为主,占到采集的所有沉积物(169)的30%,主要分布在长江河口最大浑浊带区域,包括北槽的(14%)、南槽中下段的(5%)和北港拦门沙河段的(8%)。细砂(20%)主要分布在长江河口的中上段(南北港中上段)、横沙通道和河口最大浑浊带局部区域的主槽。河口最大浑浊带局部区域河槽表层沉积物出现粗化特征与人类活动的强烈干扰有关,其中北港最大浑浊带沉积物的粗化与青草沙水库工程导致北港拦门沙河段上段受到一定程度的冲刷有关,而深水航道治理工程的实施改变了南北槽的落潮分流比和泥沙输运模式,有关与南北槽最大浑浊带河槽表层沉积物的粗化。(4)近年来长江河口河槽床面上除了发育平床、冲沟、冲刷痕和沙波等常见微地貌形态外,还存在着凹坑和疏浚痕等人类活动引起的微地貌形态。冲沟主要分布在北港,冲刷痕主要发育在横沙通道,而凹坑和疏浚痕主要集中在北槽深水航道。(5)沙波主要分布在南北港河段的中上段和横沙通道,其尺度(波高和波长)在北港中上段较大,南港中上段次之,横沙通道较小,且各河段发育的沙波的几何特性差异性较小。观测到的长江河口的沙波(1575)可以分为巨型沙波、大型沙波、中型沙波和小型沙波四个类型,以大型沙波为主,占到51.5%,波长在2.89~127.89 m,波高在0.12~3.12 m,沙波指数(波高/波长)在0.003~0.136之间,波长和波高之间存在显著的正相关性。(6)密西西比河口的沙波(3258)可以分为巨型沙波、大型沙波、中型沙波和小型沙波四个类型,以大型沙波为主,占到70.3%。弯曲河段的沙波尺度和河槽糙率要大于顺直河段,表明湍流运动对沙波的发育有较大影响。在顺直河段的横断面,沙波尺度随水深增加而增加,在弯曲河段的横断面,沙波尺度随水深增加而减小。密西西比河口研究区域上游河段的沙波尺度和河槽糙率显著大于下游河段,主要是由于ORCS工程的实施导致大量泥沙在上游河段的沉积和河槽比降的不同。沙波几何性在上游河段和下游河段有着显著的差异,而在顺直河段和弯曲河段差异性较小。沙波的波高和波长存在一个明显的正相关关系。(7)统计分析显示长江河口和密西西比河口的沙波尺度、沙波指数和对称性具有显著的差异性(p<0.0001)。长江河口的沙波尺度显著大于密西西比河口的沙波尺度,而河槽糙率的差异性较小。由于人类活动的影响,长江河口南北港的沙波尺度将逐渐增大,而在回水效应的影响下,密西西比河口近口段下游区域的沙波尺度也将逐渐增大。……   
[关键词]:河槽演变;微地貌;人类活动;长江河口;密西西比河口
[文献类型]:博士论文
[文献出处]:华东师范大学2017年