世界上许多港口位于河口，而河口航道常为淤泥质航道。由于密度相对较小的淤泥或浮泥的存在，给航道适航水深的确定带来了很大的困难。目前大多数近代船舶使用回声测深仪，常把淤泥（浮泥）层表面以上的水深作为通航水深，从而造成了不必要的水深限制和过大的疏浚要求。如果能够容许船舶拖泥航行，每年可节省大量的维护疏浚费。况且，淤泥（浮泥）疏浚困难。为减少不必要的水深限制和过大的疏浚要求，有必要对淤泥质航道的航行问题进行广泛的研究。国际航运会议也在1981年成立了工作小组，专门从事淤泥质航道航行问题的研究和报道。
河口航道的底部往往存在着一层流动的悬移质，特别在疏浚的航槽内，浮泥运动更是一种比较普遍的现象。在荷兰鹿特丹港，比利时安特卫普港，越南湄公河口，法国纪龙德河等都存在此种现象。长江口南航槽在1975年6月浚深以后，在洪季小潮咸淡水高度分层时，往往出现浮泥层，如1976年7月，铜沙航槽出现了厚达0.8～1.2m的浮泥层。长江口北槽航道正在治理中，航槽水深最终将达到-12.5m，由于长江口属淤泥质河口，又曾经在南槽疏浚的铜沙航槽出现过浮泥层，因此进行长江口的浮泥现象研究具有重大的现实意义。
图1为长江口及深水航道治理工程位置示意图。由图可见，长江口呈喇叭状，长江口在徐六泾处宽仅5km，而口外南汇芦潮港至启东连兴港距离达90km。长江口在徐六泾以下被崇明岛分为南支和北支，南支在吴淞口被长兴和横沙两岛分为南港和北港，南港又被九段沙分为南槽和北槽。长江口深水航道治理工程位于北槽，工程主体由分流嘴工程、南北双导堤工程、丁坝工程以及航槽疏浚工程所组成。 |
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|
图1
长江口及深水航道治理工程位置示意图
Fig.1 Sketch of the Yangtze Estuary and
deep waterway regulation works |
|
2 长江口浮泥调查情况和长江口浮泥特点
2.1 长江口浮泥调查情况
上海航道局和华东师范大学曾于1976年，1977年和1991年利用FE 101双频道回声测深仪、浮泥分层取样器、高浓度γ射线测沙仪，结合使用CTD，对长江口浮泥的情况进行过调查1)2)［7］。上海航道局1977年8月对长江口北港，北槽和南槽的调查结果表明：北港和北槽未发现浮泥，南槽有浮泥。当时的大通流量为50000m3/s,中浚潮差为1.3～2.6m。从河床质来看，北港粗，d50为0.015～0.125mm，南槽细，d50为0.006～0.030mm，北槽居中，d50为0.012～0.124mm。华东师范大学1991年9月对长江口北槽和南槽的调查结果同样表明，北槽未见浮泥，南槽有浮泥。河床质也是南槽细，北槽比较粗。长江口南槽历次浮泥调查情况见表1，调查的位置见图2。 |
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图2
长江口浮泥测站位置示意图
Fig.2 Sketch of observation site
of fluid mud in the Yangtze Estuary |
由表1可见，长江口现有的浮泥发生在南槽，且主要发生在河口拦门沙河段。H24-H22为南槽拦门沙滩顶，在7次观测资料中有6次在H24-H22处出现浮泥，只有一次例外，即大通流量达50000m3/s,
浮泥发生在拦门沙滩顶以下。因此，南槽浮泥最易发生的地段是在拦门沙滩顶附近。
表1 长江口南槽历次浮泥调查情况统计
Table 1 Fluid mud investigation
statistics in the Yangtze Estuary |
|
| 观测日期 |
潮型 |
出现地段 |
浮泥厚度(m) |
盐度(‰) |
大通流量(m3/s)
|
中浚潮差(m) |
|
1976.5.20-22 |
小潮 |
H26-21 |
0.2-0.8 |
5-8 |
35000
|
1.6-2.6 |
| 1976.7.6-13
|
小潮 |
H28-13 |
0.8-1.2 |
6-8 |
47800 |
2.2-2.5 |
| 1976.8.3-7 |
小潮 |
H24-22
|
0.2-0.6 |
6-12 |
48000 |
2.0-2.5 |
| 1976.9.16-17 |
小潮 |
H26-22 |
0.6-1.0 |
13-18 |
32000 |
1.7-2.2
|
| 1977.10.6 |
小潮 |
H26-22 |
0.2-0.4 |
2-9 |
46000 |
1.4-2.2 |
| 1977.8.6-10 |
小潮 |
H18-13 |
0.4-0.8 |
12-22 |
50000 |
1.3-2.6 |
| 1991.9.1
|
小潮 |
H22，H15-13 |
0.2-0.3 |
3-6，9-19 |
|
1.9-2.1 |
|
2.2
长江口浮泥特点
根据长江口历次浮泥调查情况，长江口浮泥具有如下特点：［7，8］a)纵断面上，长江口浮泥层为透镜体，浮泥层厚度中间厚，逐渐向上下游减小，并趋于尖灭；b)浮泥层最大厚度常位于盐水楔滞流点附近，也就是最大浑浊带的核心部分；c)长江口浮泥面的容重为1.04g/cm3,
浮泥底板的容重为1.25g/cm3；d)长江口浮泥层直接覆盖在河床底板之上。上覆水体、浮泥层与河床三者之间的界面清晰；e)长江口浮泥具有流动性；f)长江口浮泥的规模和发生位置随水动力条件的变化而变化，这些水动力条件包括径流，潮流，风浪等；g)
横断面上，浮泥层的规模较小时直接深居挖槽；浮泥层的规模大时，则不仅填满挖槽，而且溢出挖槽边界300-500m远。
3
浮泥形成条件分析
3.1
形成条件
形成浮泥有三个重要条件，一是细颗粒泥沙多，二是水动力条件相对较弱，三是适当的盐度。
3.1.1 泥沙条件
形成浮泥的一个重要条件就是水流中悬移质的细颗粒泥沙要多，而长江口细颗粒泥沙来源丰富并且集中，为浮泥形成提供了重要的物质基础。
长江每年入海水量约9000亿m3，入海沙量约4.86亿t，入海泥沙中粒径小于0.025mm的占48%，即2.33亿吨；在5～10月的入海沙量占总沙量的80%以上，其中小于0.025mm的约为1.8亿吨；在7～9月的入海沙量占总沙量的54%以上，其中小于0.025mm的约为1.21亿吨。这样高度集中的输沙量和细颗粒泥沙，为洪季浮泥的形成提供了重要的物质基础，洪季形成浮泥的可能性远大于枯季。
另外海域由沿岸流和潮流带来的部分来沙也增加了长江口水域的含沙量。
3.1.2 水动力条件
形成浮泥的另一个重要条件就是水流条件要相对较弱，便于泥沙落淤。
长江口的潮汐存在半月变化规律，可分为大、中、小潮期，在同样的径流条件下，小潮期是相对弱的动力条件，潮流相对较小，并且容易形成盐水楔。
长江口的潮汐属非正规半日潮型，在一个潮流过程中，涨、落潮转换期间的流速很小，为相对弱的动力条件，便于泥沙落淤。
长江口水流动力条件强弱的频繁变换，造成了长江口泥沙冲淤的频繁变换，不利于已淤积泥沙的密实，增加了浮泥出现的可能性。
3.1.3 含盐度
河口盐淡水的混合也是形成浮泥的一个极为活跃的因素，河口盐淡水的混合促使泥沙在不同的水流条件下，特别是细颗粒泥沙发生絮凝、絮解。长江河口盐淡水的混合对于泥沙运动有两方面的作用，一是促使细颗粒泥沙发生絮凝，二是在部分时间里形成盐水楔。
长江口细颗粒泥沙的絮凝现象是明显的，根据初步研究成果［9～11］3)4)导致产生絮凝现象的主要因素有两个：一是粒度，二是盐度。汛期丰富的泥沙来源和温度较高的高盐海水的入侵，为絮凝作用创造了有利的环境条件，粘土表面双电层的不同作用，是絮凝-絮散的基本因素。长江口细颗粒泥沙在含盐度为5～13ppt时，细颗粒泥沙处于最佳絮凝区。一般来说，细颗粒泥沙产生絮凝现象的临界粒径为0.032mm，最佳絮凝粒径为0.008mm。随着泥沙粒级的提高，絮凝作用明显下降，对于0.016～0.032mm粒级的泥沙，絮凝作用已经不大，对于0.032～0.050mm粒级的泥沙，则不产生絮凝。絮凝作用使细颗粒泥沙的粒径增大，沉速增加，小于0.008mm细颗粒泥沙的沉速可增大10～75倍，这是造成细颗粒泥沙迅速落淤的重要原因。絮凝作用使溶解于水的有机物也将产生絮凝，增加了拦门沙河段泥沙淤积和悬浮的复杂性。絮凝有不同的缔结方式，有链状，蜂窝状和絮团等絮凝体结构类型。长江口盐淡水混合的类型，取决于径流和潮流的相对强弱。当径流较大，潮流相对较弱时，会出现弱混合型，盐水楔发育，形成纵向环流，这种环流不仅阻碍上游来沙向口外扩散，而且把口外上溯的泥沙带到盐水楔滞流点附近，最大浑浊带发育，有利于形成浮泥层，河床的沉积作用显著。
长江口絮凝现象的研究成果还表明，在相同的盐度条件下，泥沙含量越大，絮凝沉降的平均速度越快；泥沙含量越大，盐度对絮凝沉降平均速度的影响越大。这种复杂的关系也增加了盐水楔滞流点附近的含沙浓度，有利于形成浮泥层。
3.2 形成过程
图3为1977年10月6日小潮期在长江口南槽铜沙航道上测得的一个潮周期内的流速、含盐度、含沙量过程线。在测量时实际测得的浮泥层厚度为0.2～0.4m。由图可见，小潮期流速小，表层流速最大值约为1.2m左右，底层流速最大值约为0.5m左右，憩流时段流速更小。一个潮周期内，表层含盐度变化幅度大，变动范围为3～14ppt，而表层含盐度小于底层含盐度，底层含盐度变化幅度小，其值在15ppt左右。一个潮周期内，表层含沙量变化小，含沙量也小，底层含沙量变化大，变动范围为0.5～600kg/m3，并且在大部分时间内为高含沙量（大于100kg/m3），相对水深为0.8m层的含沙量也只在0.5～5.5kg/m3之间，因此有浮泥层形成。
图3清楚地表明了一次浮泥形成的过程，在这过程中，细颗粒泥沙、水流的强弱变换、含盐度均发挥了重要作用。根据任汝述（1987）［10］等对长江口细颗粒泥沙动水絮凝沉降和浑水流变特性的试验研究成果，长江口底层淤积流速约为0.30～0.32m/s，这样的流速在小潮时的一个潮过程中出现的时间可达10小时左右，有利于泥沙的落淤和临底浮泥层的形成。长江口细颗粒泥沙在由上游向下游的输送过程中，盐度逐渐增大，细颗粒泥沙将发生絮凝，在含盐度为5～13ppt时，细颗粒泥沙处于最佳絮凝区，溶解于水的有机物也将产生絮凝，絮凝体的直径会随盐度的变化而变化。絮凝作用使细颗粒泥沙的粒径增大，沉速增加，小于0.008mm细颗粒泥沙的沉速可增大10～75倍。在较弱的水流条件下，泥沙易于落淤，在盐水楔环流的作用下，导致悬沙在盐水楔顶端聚集，结果形成一个含沙浓度大于其上游和口外水体的高含沙浓度层，与此同时，由于含沙量的增大，絮凝颗粒之间的相互作用增加，有效絮凝沉降产生的向上水流对絮凝颗粒的沉降起阻滞作用，再加上水流强弱的变换，泥沙不易固结，促使了本次浮泥的形成。
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图3(a) 1977年10月6日H22
测点流速变化过程 |
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图3(b) 1977年10月6日H22测点
含盐度变化过程
|
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图3(c) 1977年10月6日H22测点
含沙量变化过程
|
Fig.3 Time series of velocity,salinity and sediment concentration
of site H22 on Oct.6,1977 |
3.3 浮泥演变规律
浮泥层厚度在一个潮周期内变化明显，一般来说，浮泥层底板比较稳定，浮泥面则随水流强度在一个潮周期内的变化而变化。在涨落急时，浮泥层变薄甚至消失，而在涨落憩时，则形成浮泥层或浮泥层厚度增加。1991年9月1日，铜沙滩顶落憩时存在浮泥层，而在铜沙滩顶下15km处涨憩时才存在浮泥层，在其他时段如急流时，没有浮泥层或浮泥层消失。可见，浮泥与悬沙、浮泥与底质在浮泥出现的河段经常处于频繁的交换之中。
图4为一个潮周期内实测的浮泥层变化情况，括号中的数值为浮泥比重，分别表示浮泥的上表面和底面。由图可见，一个潮周期内浮泥层变化明显，落憩、涨急、涨憩时段的浮泥层底比较稳定，但落憩、涨憩时段的浮泥面比涨急时段的浮泥面高0.18～0.30m，说明憩流时段，泥沙淤积，浮泥层变厚；急流时段，泥沙悬起，浮泥层变薄。如果浮泥层比较薄时，仅仅在憩流时段存在浮泥层，在急流时段则不存在浮泥层。
长江口浮泥常出现在洪季，枯季不易出现浮泥现象。这主要是由于洪季细颗粒泥沙来源丰富，在5～10月的入海沙量占全年总沙量的80%以上。长江口南槽进行的历次浮泥调查情况表明，浮泥均出现在洪季5～10月，共有7次，其中7～9月共有5次，详见表1。 |
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图4
浮泥层在一个潮周期内的变化规律
Fig.4 Variation of fluid mud in a tide
cycle |
长江口浮泥常出现在小潮，在大潮时一般不易出现浮泥现象。这主要是由于洪季小潮时，盐水楔发育，细颗粒泥沙易发生絮凝，增加了浮泥出现的可能性。长江口南槽进行的历次浮泥调查情况表明，浮泥均出现在小潮，共有7次，详见表1。
4
船舶航行对浮泥层（淤泥）的影响分析
船舶航行对浮泥层的影响没有直接的分析研究成果，但某些船舶的螺旋桨运动对港池的作用方面的影响分析可供借鉴。
船舶航行时，船舶的螺旋桨运动会在船舶的尾部产生局部的水流流场的变化，从而造成河床床面泥沙的运动，形成冲刷坑。根据Felkel(1972)
等人的报道［12］，船舶航行对航道和港池底部的泥沙运动的影响是显而易见的。
根据G.A.Hamill (1999)［13］等人的研究，可计算船舶航行时螺旋桨运动而造成的冲刷深度。
根据H.G.Blaauw和E.J.Van de Kaa(1978)［14］的研究，可计算出航道和港池底部由于船舶螺旋桨运动而引起的最大轴向平均流速，据此可方便地求得由于船舶螺旋桨运动而引起的床面附加剪应力。
在二维水深平均的数学模型中，可考虑由于船舶螺旋桨运动而引起的床面附加剪应力对泥沙冲淤的影响。
5
航槽回淤计算对浮泥的处理
浮泥对航槽回淤影响的计算现在还没有成熟的方法，目前仅通过修正一些参数和分析某些影响因素来估算这部分的回淤量。
在二维水深平均概化计算年淤积量时，考虑了航道的有效宽度［15］，以反映在水深平均状况下，由水流流速在横向上的变化所引起的物质输移。在一般情况下，由流速横向变化和浑浊流（包括浮泥、二维水深平均概化所引起的其他差别等）引起主槽淤积的宽度等于边坡宽度，因此，航道的有效宽度为航槽底宽、边坡宽度、流速横向变化和浑浊流引起主槽淤积的宽度三者之和。
在二维水深平均的数学模型中，并不能直接考虑由于盐度和流速的垂向梯度所引起的水流结构的变化。由于盐度和流速的垂向梯度所引起的重力环流，将会引起垂向上动量交换的减弱，从而造成床面剪应力减小。在落潮时和在最大浑浊带，这种效应尤为突出。根据荷兰水利研究院研究［15］，在落潮时床面剪应力将减小40%，这就意味着作为一次近似，一个全潮平均床面剪应力将减小20%左右。实际床面剪应力的减蝎会导致计算淤积量的增加，其中包括了浮泥对航槽回淤影响的增加。在二维水深平均的数学模型中可以考虑这种效应，如在水流计算时，糙率系数在落潮时和在最大浑浊带处认小的值，即Manning系数认大的值；在应用Partheniades
和Krone公式时，改变冲刷和淤积的临界剪应力［15］。
在二维水深平均的数学模型中，还可考虑由于船舶螺旋桨运动而引起的床面附加剪应力对泥沙冲淤的影响。只要在计算的一般水流剪应力的基础上加上船舶航行时由于船舶螺旋桨运动而引起的床面的附加剪应力，作为总剪应力，进行计算分析。如在应用Partheniades
和Krone公式时，剪应力用该总剪应力代入计算。
6
淤泥质航道适航水深的确定
当航道或港池底为泥沙时，通航水深比较容易确定；当航道或港池存在浮泥时，明确确定就比较困难。通航水深要满足两个要求，一是当船舶吃水达到通航水深时，船体不会受到损伤；二是不会对船舶航行造成不利的影响。在存在浮泥层的航道中，第一个要求容易满足。而第二个要求较为复杂，因为它取决于浮泥的许多物理性质，例如密度、剪应力和水与浮泥层界面处的内波等。为此，需要选定一个既能反映浮泥的特征，又易于量测的物理性质，浮泥的比重即为这样的一个物理量。
浮泥的比重与粒径的大小、深度、历时、细颗粒的含量等因素有关，但对于特定的河口和港湾，由于形成浮泥的条件基本相同，泥沙来源也一致，因而确定适航水深的比重一般也取同一数值。在荷兰鹿特丹港，采用1.2的比重作为区别浮泥（松散淤泥）和固结淤泥的判别标准，并用这个值来确定航道底所处的高程。适航水深这一概念已在鹿特丹港应用多年，收到了巨大的经济效益，只有当比重为1.2的淤泥层上升到港口的法定水深以上时，才开始疏浚。如果容许将1.25或1.3作为适航水深的临界比重，疏浚量还可大大减少［16］。表2为世界各地所采用的或探讨采用的作为适航水深的临界比重［16～18］。
表2 适航水深临界比重一览表
Table 2 Critical specific
gravity of fluid mud in determining nautical depth |
|
| 地(港)名 |
荷兰鹿特丹港
|
曼谷 |
苏里南 |
天津新港 |
长江口南槽 |
江苏连云港 |
比利时 |
|
| 临界比重 |
1.2 |
1.2 |
1.23 |
1.2-1.3 |
1.25 |
1.25-1.30 |
1.151-1.347 |
|
在确定了适航水深和浮泥（淤泥）的比重后，就很容易判别航道的水深是否满足要求，是否需要疏浚。在这里，快速测定现场浮泥容重的技术在浮泥作为适航水深利用时就显得十分重要。我国航运科技界在这方面已取得突破并在国际上处于领先地位。
7
长江口北槽形成浮泥可能性的初步分析
基于长江口南航槽在1975年6月浚深以后，在洪季小潮咸淡水高度分层时，往往出现浮泥层，如1976年7月，铜沙航槽出现了厚达0.8-1.2m的浮泥层的事实［19］和如下的条件，长江口北槽航槽在浚深至-12.5m后，出现浮泥现象的可能性不能排除。
如前所述，长江口细颗粒泥沙在汛期极为丰富。从泥沙粒度来说，北槽悬移质中平均小于0.008mm
的占33.5%，而南槽仅占7.7%，可见，北槽和南槽相比，北槽悬移质中平均小于0.008mm
的含量要远大于南槽。根据1997年中潮实测资料5)，南北槽分流比分别为47%和53%，悬移质分沙比分别为63.7%和36.3%。因此，从现状来看，南槽悬移质中平均小于0.008mm的量与北槽悬移质中平均小于0.008mm
的量的比为1∶2.48，北槽悬移质中平均小于0.008mm
的量要远大于南槽。根据数模计算结果５)，三期工程后，南北槽分流比分别为53.6%和46.4%，悬移质分沙比分别为80.7%和19.3%。如果三期工程后，南北槽悬移质中平均小于0.008mm的含量不变，则南槽悬移质中平均小于0.008mm
的量与北槽悬移质中平均小于0.008mm的量的比约为1∶1.04，可见，在三期工程后北槽悬移质中平均小于0.008mm的量要略大于南槽。而三期工程后北槽悬移质中平均小于0.008mm的量与天然情况下南槽悬移质中平均小于0.008mm的量的比为1.32∶1，可见，三期工程后北槽悬移质中平均小于0.08mm的量要多于天然情况下的南槽。总之，北槽悬移质中平均小于0.008mm的量总是要多于南槽或与南槽相当，由于南槽在现有的细颗粒泥沙条件下曾出现过浮泥，因而可以说北槽的细颗粒泥沙满足了形成浮泥的泥沙条件。
从盐度来说，根据现有的研究成果6)，三期工程后，南北槽和南港的盐水入侵将加剧。北槽原位于横沙东滩串沟附近的滞流点将上溯。因此，北槽在三期工程后更易于发生絮凝。与此同时，南北槽盐水入侵的加剧导致南港盐度的增加，南港发生絮凝的可能性也将增加。因此，进行长江口的浮泥现象研究是必要的，特别是北槽的浮泥现象或浮泥出现的可能性，且具有重大的现实意义。
8
对长江口浮泥研究工作的建议
从现阶段来看，长江口的浮泥研究可从两方面来考虑，一是分析实测资料，二是进行实验室研究。长江口浮泥仅在南槽观测到，可尽可能地收集南槽现有的实测资料以及有关这方面的研究成果，归纳总结出长江口浮泥的形成条件，浮泥的特性，出现的规律。要进一步加强对长江口浮泥的观测，分析验证现有的有关长江口浮泥的研究成果。
长江口浮泥的研究主要就是细颗粒泥沙的研究，长江口浮泥的实验室研究可进行以下几方面的工作：a)
分析在长江口北槽的水沙条件下，特别是北槽悬移质条件下，北槽泥沙在静水中的物理化学性质，包括：淤泥质的物理化学特性；淤泥基本颗粒在静水中的特性；絮凝现象（絮凝特性，絮凝结构，特别是盐度变化对絮凝的影响，絮凝体的沉速）；流变特性。b)
分析研究长江口北槽泥沙的平衡坡度，界面波等，以确定浮泥的近底最大容重；不同水动力条件下，泥沙的运动特性，特别是在潮汐和波浪作用下淤泥质的运动特性。c)
船舶操纵性能试验。通过实船和模拟试验，分析船舶拖泥航行时对船舶操纵性能的影响。d)
由于高频回声探测仪实际测量的是浮泥淤泥的比重梯度变化，因此，便于现场使用的浮泥淤泥比重测量仪是必需的。e)
在对长江口浮泥淤泥特性，特别是流变特性，船舶拖泥航行时特征等有了深入的了解后，综合考虑各方面的因素，包括经济因素，确定长江口的淤泥质航道的适航水深。
致谢：本文得到长江口深水航道建设公司金NFDA1教授的指导和支持，在此表示衷心的感谢！
1) 铜沙航槽浮泥测验初步报告，上海航道局，1976年。
2) 长江口浮泥调查报告，上海航道局，1977年9月。
3)
长江口悬浮颗粒物质絮凝现场调查研究报告，水利部上海勘测设计研究院，1992年8月。
4)
泥沙絮凝对长江口拦门沙航槽回淤影响分析，水利部上海勘测设计研究院，1993年4月。
5)
长江口深水航道治理工程二、三期工程工程可行性研究报告，上海航道勘察设计研究院，1999.7.
6)
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