采用示蹤砂方法研究長江口北槽下航道南側拋泥區泥沙運移趨勢

張效龍，劉敦武，王慧艷，徐家聲，王景川，李俊生

(1. 大連海事大學環境科學與工程學院，遼寧 大連116026；2. 國家海洋局第一海洋研究所，山東 青島266061;3. 華為海洋網絡有限公司，天津 塘沽300457)

采用示蹤砂方法研究長江口北槽下航道南側拋泥區泥沙運移趨勢

張效龍1,2,3，劉敦武2，王慧艷2，徐家聲2，王景川2，李俊生2

(1. 大連海事大學環境科學與工程學院，遼寧 大連116026；2. 國家海洋局第一海洋研究所，山東 青島266061;3. 華為海洋網絡有限公司，天津 塘沽300457)

采用中子活化示蹤砂技術，對長江口北槽下航道南側拋泥區泥沙運移趨勢進行了現場示蹤研究。研究結果表明：在航道南側拋泥區拋泥，泥沙的運移擴散方向在導堤內基本與航道平行，近似長帶形分布。出導堤后運移擴散的主導方向偏向東南。在導堤內進入或越過航道的泥沙量很少，出導堤后進入或越過航道的泥沙量更少。回槽率估算結果表明，在拋泥后第3 d，泥沙回槽率＜4.6%；拋泥后第4 d，泥沙回槽率＜5.6%；拋泥后第5 d，泥沙回槽率＜5.3%。由此得出泥沙回槽率不高，航道南部的拋泥區是較為理想的拋泥區。

長江口北槽下航道；拋泥區；泥沙運移；回槽率；示蹤砂

在泥沙運移規律的研究中，可以通過追蹤示蹤砂來獲得沉積物的運移方向、搬運速度及搬運速率等信息[1]。示蹤砂技術主要有3種，分別為流明砂（熒光砂）技術、放射性示蹤砂技術和中子活化示蹤砂技術。到目前為止，示蹤技術已被廣泛應用于河流底質輸沙、海岸帶沿岸輸沙[2,3]、河口水沙過程、潮汐叉道輸沙過程、海岸工程的沖淤效應、港口底質活動性[4-6]、淺海表層沉積物運動、泥沙活動層的厚度、各種輸沙公式的對比驗證、污染物的運移和擴散過程、地下水的運移過程、微量元素的運移和自然環境修復過程等多種領域[7]。由于流明砂（熒光砂）和放射性示蹤砂技術缺點較多，而中子活化示蹤砂技術是采用非放射性同位素作為標示物，具有不污染環境，不危害操作人員健康，不改變泥沙的粒度組成和比重，可長期觀察等優點，得到廣泛的應用，并取得了良好應用效果[4-6,9-12]。中子活化示蹤砂技術是采用非放射性同位素作為標示物，利用中子活化分析的方法監測泥沙中標示物的含量，依據其含量的大小，分析泥沙分布及運移趨勢[8]。

長江口北槽航道位于長江入海口九段沙淺灘的北側（見圖1），是長江口的重要航道之一。泥沙運移研究一直是該地區倍受關注的問題。1994年李樟蘇等利用放射性示蹤砂定量研究了長江北槽航道拋泥區底沙的運動[13]。2003年吳加學等研究了長江口北槽拋泥流速和懸沙濃度時空分布及長江河口北槽拋泥作業狀態下的懸沙濃度分布與擴散過程[14,15]。隨著上海港集裝箱吞吐量的快速增長，要求長江口北槽航道浚深至12.5 m，工程產生的大量疏浚泥沙需要傾倒處置。而目前長江口外的2號、3號拋泥區離疏浚現場遠，拋泥成本太大，為降低疏浚成本，擬在整治段內選擇合適的拋泥區。本文采用中子活化示蹤技術對長江口北槽下航道南側拋泥區泥沙運移趨勢進行了現場示蹤研究，探討了擬選拋泥區拋泥后泥沙的運移趨勢及回槽率狀況，為整治區內拋泥區的選定提供技術資料。

1 示蹤砂的制備

依據研究區泥沙的特點和示蹤信號元素的選取原則，選用銥（Ir）元素作為示蹤信號元素。根據文獻[8]的制備方法，取金屬銥（Ir）粉與氯化鈉(NaCL)按1:3混合后裝于長石英管中。將長石英管置于特制管狀爐中加熱，并連續通入氯氣，使銥金屬粉轉化成可溶的銥鹽(Na3IrCL6)。將反應物取出倒入塑料桶中加去離子水溶解，配制Ir標示溶液。本試驗Ir用量為9.6 × 105mg。取研究區現場采集的泥沙3t，用去離子水反復洗滌，直至洗滌液中加入AgNO3溶液后不再出現白色沉淀為止。將配制的Ir標示溶液充分與現場采集的泥沙混合，使得每1 kg泥沙吸附320 mg的Ir元素，制備成示蹤砂。

圖1 研究區地理位置Fig. 1 Location of the research areas

示蹤砂粒度組成如表1所示。據表1分析，示蹤砂的平均粒徑為0.046 2 mm，粘粒含量大于10%。根據文獻[6]泥沙對Ir吸附試驗結果，判斷該泥沙對Ir的吸附率不會超過6%，說明用Ir作為示蹤信號制備的示蹤砂是適合本研究的。

表1 示蹤砂粒度特征Tab. 1 Particle size character of the tracer sands

2 現場及室內試驗

2.1 示蹤砂的投放及采集

根據長江口北槽下航道的特征，示蹤砂投放點選在S7、S8號丁壩中線航道以南預選拋泥區內的A點（122°10′17″E，31°09′53″N），水深8 m（見圖2）。2005年7月22日13:00時高平潮時，將3 t制備好的示蹤砂裝船運往投放點，在離航道底面2.5 m高處將3 t示蹤砂投放至海底面上。投放前在試驗區的上、中、下3區內各采集1個泥沙本底樣品。2005年7月24－26日分別在14:00時，15:00時和16:00時高平潮時，以投放點為中心，在下游方向和上游方向分別布設的6個和5個采樣斷面、67個采樣點（見圖2）采集表層泥沙樣品。每個采樣點采集泥沙的厚度為0 cm～5 cm，采樣量均大于100 g，共采集樣品204個。

圖2 示蹤沙投放及取樣站位分布圖Fig. 2 Distribution of tracer sands thrown and collected location

2.2 泥沙樣品的室內分析[8]

因所取樣品中標示物含量為超痕量（約在10-9g數量級），且在樣品中分布不均，難以直接進行中子活化分析。為此，首先需將各站采集的泥沙樣品干燥后，研磨成粉狀，然后采用火試金法對樣品中的Ir進行富集。具體步驟為：①配料：稱取50 g泥沙樣品，80 g碳酸鈉，20 g硼砂，45 g堿式碳酸鉛和5 g面粉混合均勻后倒入試金坩堝中。②熔融：把坩堝放入預熱至1 000℃的試金爐中升溫熔融，達1 100℃后再保持30 min，取出坩堝倒熔融體入鐵模中，冷卻后取出鉛扣，砸去熔渣。③灰吹：把鉛扣放入鎂砂灰皿中灰吹至0.5 g，將灰皿放在水盤中冷卻。隨后打破灰皿，取出鉛珠。④制樣：將鉛珠制成≤0.5 mm厚的鉛片，再夾入Ir的標準鉛片，制成原子反應堆照射靶樣。

將活化靶樣放入高能量研究型重水反應堆反射孔道內輻照10 h。從反應堆中取出樣品冷卻10 d，隨后利用高純鍺 γ 射線探測器（相對效率為30%，對鉆-60的1.33 kev的射線分辨率為1.9 kev）、S-40系列多道脈沖分析器及PDP-11計算機在線數據獲取系統獲得各個樣品中Ir的含量（以Ir的316 kev特征峰為度量標準）。然后，利用求得的樣品中Ir的含量來分析示蹤砂的運移趨勢。圖3－圖5為實測 γ 射線能譜圖。表2為各站各次樣品中Ir的含量結果統計表。

圖3 本底樣品γ能譜圖Fig. 3 γ .energy spectrum of background sample

圖4 76號站第三次樣品γ.能譜圖Fig. 4 .γ energy spectrum of the sample collected at the third time in the 76th position

圖5 標準樣品γ.能譜圖Fig. 5 γ. energy spectrum of criterion sample

3 結果分析

3.1 示蹤砂運移趨勢分析

通過對表2試驗數據的分析，繪制了不同采樣期示蹤砂擴散分布圖，如圖6、圖7和圖8所示（圖中站位見圖2）。通過分析每個采樣斷面的試驗數據，繪制了3次采樣各斷面示蹤砂的分布特點，如圖9所示。根據圖6、圖7、圖8和圖9分析，示蹤砂的運移存在如下特征：

a) 示蹤砂在水流作用下運動，因導堤的作用使河道內的水體流動受到限制，因而造成示蹤砂的主導運移擴散方向在導堤內基本上與航道平行，近似長帶形分布，出導堤后泥沙運移擴散的主導方向偏向東南（見圖6、圖7和圖8）。

b) 示蹤砂主要分布在航道的西南，且在與航道平行的區域內運移擴散或沉積。在導堤內進入和越過航道的泥沙量很少（見圖9），出導堤后因示蹤砂在流的作用下向東南方向運移擴散，偏離航道愈來愈遠，進入外航道的泥沙量亦愈來愈少。

圖6 投放2天后示蹤沙分布圖（以Ir表示，單位：×10-9g）Fig. 6 Distribution of tracer sands diffusion after being thrown two days (shown by Ir , unit: ×10-9g)

圖7 投放3天后示蹤沙分布圖（以Ir表示，單位：×10-9g）Fig. 7 Distribution of tracer sands after being thrown three days (shown by Ir , unit: ×10-9g)

圖8 投放4天后示蹤砂分布圖（以Ir表示，單位：×10-9g）Fig. 8 Distribution of tracer sands after being thrown four days(shown by Ir , unit: ×10-9g)

c) 在航道以北有示蹤砂檢出（見表2和圖9），說明有少量示蹤砂以懸移質運移方式越過航道，部分泥沙可能在航道內沉積，對航道安全可能造成一定影響。但因檢出示蹤砂的量很少，因而在預選拋泥區拋沙對航道影響應不大。

表2 泥沙樣品中Ir含量結果統計表（單位1×10-9）Tab. 2 Statistical results of Ir content in the sediment samples(unit: 1×10-9)

3.2 拋泥回槽率的估算及探討

通過上述示蹤砂運移擴散規律的研究可知，進入航槽的示蹤砂有一定的含量，因此必須進行回槽率的估算及分析。本次試驗要給出準確回槽率，存在諸多困難。因為，盡管中子活化示蹤砂技術有諸多優點，且應用廣泛，但其缺點是不能實施現場實時跟蹤監測，必須在分析數據出來后，方能獲知示蹤砂的擴散范圍及規律。因而，本文只能在試驗的特定條件下，對示蹤砂的回槽率進行估算。示蹤砂回槽率估算采用的公式為：

式中：估為本次試驗示蹤砂回槽率的估算值；為本次試驗檢測到的示蹤砂擴散區域內示蹤砂總量，Q槽：槽內測區示蹤砂的量。又：

上述式中：Q槽北為槽北測區內示蹤砂的量；Q槽南為槽南Ir值為1×10-9g的等值線所圍測區內的示蹤砂的量（小于1 × 10-9g區域內示蹤砂的量視為零）。、I槽北分別代表槽內、槽北單位面積示蹤砂的含量；S槽、S槽北分別代表槽內、槽北示蹤砂檢出區的面積。IA為A點單位面積示蹤砂的量；I20、I10、I5、I2、I1分別為Ir值為20 × 10-9g、10 × 10-9g、5 ×10-9g、2 × 10-9g 和1 × 10-9g的等值線處單位面積示蹤砂的含量；S20、S10、S5、S2、S1分別為為Ir值為20 × 10-9g、10 × 10-9g、5 × 10-9g、2 × 10-9g 和1× 10-9g的等值線所圍區域的面積。

通過上述計算公式結合試驗數據，對示蹤砂回槽率進行估算，結果列于表2。在回槽率估算中，因統計的示蹤砂總量為擴散全域內絕大部分區域的示蹤砂量（小于1 × 10-9g區域內示蹤砂的量視為零），而非全域內示蹤砂的量Q總，即所以實際回槽率實應小于計算的估計回槽率估。由表3的估算結果分析，若在S7、S8中線航道以南水深-8 m（A點）處拋泥，拋泥后第2天，泥沙回槽率應＜4.6%；拋泥后第3天，泥沙回槽率應＜5.6%；拋泥后第4天，泥沙回槽率應＜5.3%。因觀測時間短，長期運移的回槽率不能準確確定。但因下航道流速較大，示蹤砂運移擴散速度較快，且出導堤后泥沙主流向轉向東南方向運動，而外航道則向東向伸展，由此推斷，隨著時間的推移泥沙回槽率只能越來越低。由于泥沙回槽率不高，因而本研究認為，在航道南側-8 m水深處拋泥不會對航道造成影響，航道南部的拋泥區是較為理想拋泥區。

表3 相關參數及計算結果統計表Tab. 3 Calculation parameters and consequences statistic chart

圖9 3次采樣各斷面示蹤砂的分布特點Fig. 9 Distribution character of tracer sands in different sampling sections during three sample collecting

4 結 論

a）通過對長江口北槽下航道南側預選拋泥區泥沙運移擴散規律的示蹤砂研究，認為在拋泥區拋泥后，泥沙的運移擴散方向在導堤內基本上與航道平行，近似呈長帶形分布，出導堤后運移擴散的主導方向偏向東南；泥沙運移主要在與航道平行的區域內運移擴散。在導堤內進入或越過航道的泥沙量很少，出導堤后進入或越過航道的泥沙量更少。

b）通過對回槽率的估算和探討，在拋泥后第2 d，泥沙回槽率＜4.6%；拋泥后第3 d，泥沙回槽率＜5.6%；拋泥后第4 d，泥沙回槽率＜5.3%。同時，根據泥沙的運移擴散規律和航道的延伸方向等推斷，隨著時間的推移泥沙回槽率將越來越低。

[1] Sauzay G, Principles of tracer methods In: international Atomic Energy Agency. Technical Reports Series No 145: [R]. Tracer Techniques in Sediment Transport Vienna, 1973: 9-l2.

[2] 車越, 何青. 電站附近水域泥沙淤積的示蹤研究 [J]. 海洋科學2002, 26(1): 64-67.

[3] 徐孝彬, 王建. 潮灘底移質泥沙運動磁性示蹤試驗及問題 [J].南京師大學報, 1996, 19(3): 85-87.

[4] 尹毅, 賈桂華. 淇澳島東南拋泥區對珠海九洲港航道的影響 [J].海洋與湖沼, 1992, 23(3): 260-263.

[5] 尹毅, 常乃環. 天津港拋泥區泥沙運動規律的研究 [J]. 海洋與湖沼, 1992, 23(6): 647-650.

[6] 孫連成, 尹毅. 用中子活化示蹤技術研究天津港拋泥地底沙運動[J]. 泥沙研究, 1994, (1): 72-77.

[7] 賈建軍, 高舒, 汪亞萍. 人工示蹤沙實驗的原理與進展 [J]. 海洋通報, 2000,19(2): 80-89.

[8] 尹毅, 孫樹正. 中子活化示蹤沙技術的研究 [J]. 中國科學: A輯,1992, 00A(7): 781-784.

[9] 尹毅, 仲維妮. 中子活化示蹤技術在環境科學中的應用方法 [J].環境科學學報, 1995, 15(3): 370-374.

[10] 尹毅, 仲維妮. 伶仃洋三角山以北拋泥區泥沙(推移質)運動及其對航道回淤影響的研究 [J]. 海洋學報, 1995,17(3), 122-126.

[11] 尹毅, 常乃環. 同位素技術在海洋傾廢區選劃中的應用 [J]. 黃渤海海洋, 1996, 14(1): 57-61.

[12] 尹毅, 仲維妮. 黃驊港拋泥區泥沙運動規律的研究 [J]. 港工技術, 1996, (4): 1-4,7.

[13] 李樟蘇, 程和森, 曹更新. 利用放射性示蹤沙定量觀測長江口北槽航道拋泥區底沙運動 [J]. 泥沙研究, 1994(2): 59-67.

[14] 吳加學, 張叔英, 任來法. 長江口北槽拋泥流速和懸沙濃度時空分布觀測 [J]. 海洋學報, 2003, 25(4): 91-103.

[15] 吳加學, 張叔英, 任來法. 長江河口北槽拋泥作業狀態下的懸沙濃度分布與擴散過程 [J]. 海洋與湖沼, 2003, 34 (1): 83-93.

Sediment movement tendency investigated in the silt-thrown area in the southside of lower sea-route in the Yangzi estuary north trough using tracer technique

ZHANG Xiao-long1,2,3, LIU Dun-wu3, WANG Hui-yan2, XU Jia-sheng2, WANG Jing-chuan2, LI Jun-sheng2
(1. Environmental Science and Engineering College, Dalian Maritime University, Dalian 116026, China;2. First Institute of Oceanography, SOA, Qingdao 266061, China; 3. Huawei Marine Networks Limited Company, Tianjin 300457, China)

An on-site tracer test has been carried for the sediment movement tendency of the silt-thrown area in the southside of lower sea-route in the Yangzi estuary north trough. The result indicates that the sediment movement and diffusion main direction is parallel with the sea-route inside the guide levees. Its distribution is almost long-band shape.Out of the guide levees, the sediment movement and diffusion main directions deviate toward the southeast. Little sediment enters in or over the sea-route in the guide levees, loss out of the guide levees. Then, the sediment return-trough ratio is calculated and analyzed. The conclusion is that sediment return-trough ratio is ＜4.6% at the second day, ＜5.6% at the third day and ＜5.3% at the fourth day after sediment is thrown in the silt-thrown area. This research lays a scientific foundation for the silt-thrown area selected in southside of lower sea-route in the Yangzi estuary north trough.

Yangzi estuary north trough lower sea-route; silt-thrown area; neutron activation tracer technique;sediment movement; return-trough ratio

P737.12+1; TV148+.1

A

1001-6932(2010)03-0277-06

2009-03-18；

2009-09-27

國家自然科學基金資助（40572142）

張效龍（1975－），男，河南博愛人，副研究員，大連海事大學在讀博士，主要從事海洋工程環境及海底光纜路由勘察方面的工作和研究。電子郵箱：zhangxiaolong@fio.org.cn或zhangxiaolong@huaweimarine.com