大型河口泥沙输运是河口动力沉积过程中的重要研究课题之一,其中河口悬沙与底沙的交换过程更是其核心科学问题。因此,针对河口泥沙输运及悬沙与底沙交换过程的研究可极大地丰富对河口泥沙运动过程的认识。同时也为河口滩涂资源综合利用、航道整治和维护、港口选址和建设等提供必要的理论基础。众所周知,近期长江上游大量水库和中游抽引水工程的修建,尤其是三峡水库蓄水拦沙致使长江河口来沙量出现了锐减。然而,在近期新的流域来水来沙条件和河口局部整治工程的影响下,长江河口不同区域泥沙输运的响应过程、方式和结果必然会存在差异。根据河口不同区域河流与海洋水动力相互作用的相对强弱,以及河道地貌类型,本研究着重选取了北港中上游河道、北槽中游河道和口门外邻近海域三个典型河道及海域作为研究对象,分别与长江河口相关典型区域水动力和地貌类型相对应,利用大量实测水文泥沙数据和空间地形资料,采用传统水文泥沙地形数据统计分析及结合基于沙量平衡原理的改进粒度谱计算等方法,就长江河口不同典型河道及海域泥沙输运及其潮周期过程悬沙与底沙交换机制对流域来沙锐减和河口建造众多大型涉水工程的响应开展综合研究。揭示了长江河口不同典型河道及邻近海域对重大人类活动的响应机制,并在前人研究基础上对基于沙量平衡原理的粒度谱计算方法进行改进,从定量化的角度着重探讨了近期人类活动干扰下的长江河口不同典型河道及邻近海域潮周期悬沙与底沙交换机制。长江河口不同典型河道及海域的悬沙与底沙交换过程对流域来沙锐减的响应,其在机制上存在一定的共性,而在量值上具有差异性。近期上游大型水库工程截留了大量下泄泥沙,流域来沙锐减70%以上,从而导致长江河口水体含沙量处于不饱和状态。北港中上游河道由2003年以前平均含沙量1.08 kg/m3减少至近期的0.53 kg/m3,水流的挟沙能力大大增强,河床泥沙的再悬浮作用显著增强,落潮泥沙再悬浮占比在30%左右,床面粗颗粒泥沙的再悬浮可改变相对水深0.2H层的泥沙级配;河口最大浑浊带北槽中游河道大潮落憩-涨急和涨急-涨憩阶段的底沙再悬浮占比可分别达到98.63%和51.51%;河口口门外邻近海域由2003年以前平均含沙量0.89 kg/m3至近期减少为0.24 kg/m3,海床泥沙再悬浮明显并导致地形微冲,形成近底高含沙量层,口门外平均地形坡度由三峡工程前的4.87×10-6增大至近期的5.42×10-6。由此可见,在这种新的水沙平衡条件下,长江河口已进入一个悬沙与底沙交换更为频繁的时期。然而,三个典型河道及海域的动力条件特征、泥沙组成和受局部河口整治工程等影响因素存在不同。首先,三个典型河道及海域的动力条件特征不同导致其再悬浮泥沙输运过程对流域来沙锐减的响应存在差异性。长江河口北港中上游河道涨潮流弱于落潮流,流域来沙锐减造成的水流挟沙力增强叠加潮波变形作用导致床面冲刷,使得大量再悬浮泥沙向河口下游河道及海域输运;北槽中段最大浑浊带河道为涨、落潮流优势转换地带,河流和海洋水动力相互作用强烈,且大小潮周期内的涨、落潮流周期性变化导致再悬浮泥沙输沙过程存在周期性不对称,即小、中潮期间再悬浮泥沙共计净向海输运1.37×105 kg/m,而大潮期间再悬浮泥沙净向陆输运1.05×105 kg/m,使得流域来沙锐减造成的大量再悬浮补给泥沙在潮周期内处于海-陆输沙相对平衡状态,是其维持高含沙量的重要物质基础,成为深水航槽疏浚河段主要泥沙来源之一;河口下游至邻近海域逐渐由落潮优势向涨潮优势转换,尤其是枯季底层涨潮流强于落潮流,流域来沙的减少导致海床面发生侵蚀,产生大量再悬浮泥沙,其中一部分随涨潮流向河口最大浑浊带河道输运,成为其水体含沙量的重要补给来源之一。其次,三个典型河道及海域的泥沙组成不同导致其底沙再悬浮过程对流域来沙锐减的响应存在差异性。北港中上游河道的底沙颗粒较粗,再悬浮过程对水流强度要求较高,因此,水动力作用较强的落潮流对底沙再悬浮作用较为强烈,而涨潮期间水体细颗粒泥沙反而对底沙进行一定补给。剧烈的泥沙再悬浮作用,导致悬沙和床沙颗粒组成粗化,部分中值粒径达到100μm,曾以推移质形式在床面运动的粗颗粒泥沙进入水体变为悬移质,浅滩发生冲刷。北槽最大浑浊带河道泥沙主要以细粉砂和粘土质泥沙为主,平均中值粒径为16 μm。粒级较细的悬沙颗粒有利于在涨、落憩较弱的水动力及咸淡水作用下发生絮凝沉降,憩流时刻絮团长轴直径可达300 μm以上,并形成近底高含沙量层,近底含沙量达到2.61 kg/m3,而涨、落急水动力较强时刻河床表层细颗粒泥沙容易发生再悬浮作用,并向上层水体扩散,使得水体垂向含沙量增大。河口邻近海域床沙的中值粒径普遍小于20 μm,属于细颗粒泥沙,极易发生再悬浮作用。受到流域来沙减少影响,含沙量较低,水流挟沙力增大,床沙再悬浮作用增强,导致该区域海床再悬浮作用剧烈,床面大量细颗粒泥沙再悬浮对水体悬沙量进行补给,导致床面发生冲刷,近底层含沙量普遍较高。再次,三个典型河道及海域局部涉水工程影响程度不同导致其对流域来沙锐减的响应存在差异。北港中上游河道内存在中央沙圈围、新浏河沙护滩、南沙头通道限流潜坝、青草沙圈水工程、上海长江大桥等一系列人为整治工程。其水沙输运及悬沙与底沙交换过程受流域来沙锐减和涉水工程影响较为显著,工程堤坝近岸普遍出现沖刷,显示近期局部水域悬沙与底沙交换强烈。同时,分流口工程的控制作用,有利于南、北港分水分沙比的稳定,整个河道正在逐渐适应人类活动的影响而不断地自我调整,向较稳定的河势发展。近期受南、北槽分流口整治工程以及北槽深水航道导堤和丁坝工程影响,北槽分流分沙比出现减小,其丁坝田和入口段及中游主河槽持续发生淤积。大量再悬浮泥沙补给,导致含沙量维持在较高的水平,中、大潮悬沙平均含沙量均在1.00 kg/m3以上,表明北槽受深水航道工程的影响,河槽容积发生改变、地形出现不均衡地冲淤变化,泥沙交换更显频繁,促使北槽仍保持了最大浑浊带的基本泥沙输运特征。河口邻近海域受到上游南港分流口、南北槽分流口整治工程以及北槽深水航道工程的影响,北槽分水分沙比出现减小,而南槽分水分沙比出现增大,导致河口口门外邻近海域的泥沙分配发生变化,致使悬沙与底沙交换过程存在空间差异性,高含沙量区出现南移。直接受流域来沙减少影响的北港口门外邻近海域地形坡度的增长率从上世纪末期的4.8×10-6/a增大至三峡水库蓄水截沙后的12.72×10-6/a。而口门外南侧邻近海域的地形坡度则受流域来沙减少和南北槽分流分沙比的共同影响,存在一定的年际波动。