应用数值模拟方法探讨河口最大浑浊带若干机理

利用平面二维潮流方程结合悬沙输运方程模拟了河口最大浑浊带现象。并且对河口边界进行进一步概化,比较了恒定流与非恒定流、稳定源与非稳定源、矩形河口与线性河口等不同条件下河口悬沙浓度的平面分布特点。结果表明河口地形边界和非恒定潮流作用对河口最大浑浊带的悬沙富集有重要贡献。     

丰水期珠江口黏性泥沙输运的三维数值模拟

珠江口的黏性泥沙输运对区域海洋工程和河口海洋环境有着重要的影响。本文利用SELFE模型,针对珠江河口海域建立了一个采用非结构三角形网格的三维斜压水动力模型,可耦合模拟海流、潮流及风海流水动力环境,并在此基础上开发了包括底床模块的黏性泥沙输运模型。模拟结果与实测值验证较好,再现了丰水期珠江河口的泥沙输运特征以及最大浑浊带的变化和分布特点。研究表明,丰水期珠江口悬沙质量浓度西侧大于东侧,泥沙主要来自河口上游。河口浅滩上会形成最大浑浊带,最大质量浓度可达0.5 g/L。珠江口最大浑浊带的形成主要受潮动力、重力环流及泥沙再悬浮和沉积过程影响,其中泥沙再悬浮和沉积过程对中滩的最大浑浊带影响显著,而重力环流作用对西滩的最大浑浊带影响显著。     

长江口南槽最大浑浊带潮周期内悬沙变化规律及其影响因素

最大浑浊带水体悬沙时空变化过程是河口沉积动力学研究的核心内容之一。利用2013年6月16—24日在长江口南槽最大浑浊带自小潮至大潮连续9天的逐时定点水文及悬沙观测资料,分析南槽最大浑浊带悬沙垂向变化特征及影响机制,由此加深对长江口最大浑浊带形成及变化的理解。主要结果包括：(1)南槽最大浑浊带悬沙平均粒径为3.52～18.84μm。从小潮到大潮、从表层水体到底层水体,悬沙粒径逐渐增大,水体含沙量逐渐增大,含沙量为0.12～2.29 g/L。(2)水体流速呈现自下而上、自小潮到大潮逐渐增大的态势,与悬沙粒径的关联度较好;而水体盐度呈现自上而下、自小潮到大潮逐渐增大的态势,与悬沙含量的关联度较好。(3)南槽最大浑浊带水体悬沙垂向变化涵括两种控制机制：涨落潮作用引起的底沙再悬浮控制水体悬沙约7 h的周期性变化;涨潮流挟带的口外泥沙絮凝形成的絮团在涨潮流和重力作用的影响下引起水体悬沙出现约14 h的周期性变化特征。     

长江河口最大浑浊带含沙量垂线分布状态的分析

计算表明,潮泵效应在长江河口最大浑浊带悬沙输移中起着重要的作用。含沙量垂线分布的潮周期变化反映悬沙与床沙之间存在双向交换。据此讨论了最大浑浊带与拦门沙的关系。     

鸭绿江河口最大浑浊带水动力特征对叶绿素分布的影响

在河口最大浑浊带有独特的生态动力过程。利用鸭绿江河口最大浑浊带上下游两个定点站和大面站的流速、叶绿素和浊度数据,在分析最大浑浊带形成的基础上探讨了悬沙浓度与叶绿素浓度分布的对应关系及最大浑浊带水动力特征对叶绿素分布的影响。分析结果表明,定点站大小潮涨落潮时均出现悬沙浓度与叶绿素a浓度的高值分布中心,该中心主要出现在底部,且高叶绿素a浓度与高悬沙浓度中心相对应。通过对最大浑浊带形成机制的分析发现,强烈的底部泥沙再悬浮是鸭绿江河口最大浑浊带形成的主要原因。最大浑浊带内悬沙浓度与叶绿素a浓度的相关关系均为底层大于表层,大潮高于小潮;高叶绿素a浓度与高悬沙浓度时刻有很好的对应关系,在一定程度上表明水动力特征对叶绿素a浓度在时间和空间上的分布有重要影响。初步分析认为鸭绿江河口最大浑浊带内的高叶绿素a浓度主要是由再悬浮作用使底部沉积物中的底栖藻类和沉积物一起聚集在水体的底部造成的,但是该结论还有待结合其他相关研究进一步检验。     

长江河口环流及其对悬沙输移的影响

本文根据大量实测资料着重分析长江河口的混合类型、环流模式及其对悬沙输移的影响。研究表明,长江口的混合类型随洪枯季、大小潮而变,又因地点而异,北支以C型为主,北港、北槽、南槽以B型为主。北港、北槽和南槽在径流、潮流、盐淡水异重流共同作用下,存在上层水流净向海,下层水流在滞流点下游净向陆的河口环流。悬沙输移模式和河口环流模式相似。最大浑浊带、浮泥、航道拦门沙的位置及变化规律与滞流点相一致,其形成和变化与河口环流密切关联。     

长江河口最大浑浊带的悬沙输移特征

根据１９８８年洪、枯季在和长江口南、北槽进行的最大浑浊带专项水文观测的资料，对悬沙输移的分项因子进行研究。结果表明，长江口最大浑浊带的悬沙输移过程存在明显的潮泵效应及强烈的悬沙、底沙双向交换；长江口南、北槽之间存在一个大尺度的平面环向悬沙输移，同时南、北槽自身还有次一级尺度的槽内平面环向悬沙输移。本文还探讨了最大浑浊带与拦门浅滩相互影响、彼此制约的关系。     

潮流、波浪综合作用下河口二维悬沙数学模型

本文根据河口水流动力特性和泥沙变化规律，把波浪运动概化为具有时均意义的波浪流分布场，将“波流幅射应力”、“波流摩阻力”以及“波流挟沙力”三个要素归纳到水流运动方程和悬沙输送方程中去，构成潮流、波浪综合作用下河口二维悬沙数学模型计算系统。通过对珠江口黄茅海悬沙冲淤过程的实际算例，表明该系统模拟河口悬沙在潮流和波浪综合作用下的分布特性和冲淤趋势方面，具有良好的应用前景。     

椒江河口洪季最大浑浊带核部的悬沙分选机制

以实测悬沙粒径、流速、含沙量资料为基础,通过悬沙不同粒级组分、中值粒径以及粒度参数的统计,分析椒江河口最大浑浊带核部悬沙粒径分布变化特性。研究表明,悬沙粒径分选主要受物质来源、潮流动力作用下底部部分物质再悬浮和絮凝沉降3个因素的影响。其中第二个因素起主导作用,大潮期比小潮期显著,第三个因素的作用主要发生在涨落憩前后低流速期,并在表层较近底层的水体明显。     

1982和2012年枯季长江口最大浑浊带悬浮泥沙和盐度垂向剖面特征对比

2012年1月在长江口北港、北槽和南槽水域纵断面开展枯季多船准同步观测,将获得的大小潮悬浮泥沙和盐度数据与1982年12月同水域调查结果进行对比分析。结果表明:2012年长江口最大浑浊带枯季悬沙浓度比1982年减小了约50%;北港、北槽、南槽相近测点的大潮垂向平均悬沙浓度相较于1982年分别减小了43%、60%和40%,2012年长江口表层平均悬沙浓度与1982年相比减少了约53%。北港断面浑浊带核心与1982年浑浊带核心位置相近;北槽浑浊带核心向内迁移;南槽浑浊带核心位置向外迁移。2012年与1982年枯季遥感反演的长江口同水域表层悬浮泥沙浓度也明显降低。在30年来入海泥沙持续减少背景下,长江口3条入海主汊的最大浑浊带特征依旧显著,径流与潮流的此消彼长、径流的季节分配不同以及口内汊道分流分沙比的变化影响了长江口最大浑浊带核心的移动,浑浊带悬沙浓度最高的地段也是盐度梯度最高的地区。     

河口最大浑浊带形成的动力模式和数值试验

应用改进的ECOM模式,耦合泥沙输运模型,研究理想河口最大浑浊带形成的动力机制。河口最大浑浊带位于滞流点处,上下游余流均向该处输运泥沙,造成该处泥沙汇合,而由流场辐合产生的上升流又使该处的泥沙不易落淤。南岸(河口东向)的泥沙浓度比北岸高,最大浑浊带位于南岸,这是由于盐水入侵带来的高盐水位于北岸的底层,其斜压效应使底层的环流由北向南流动,把底层高浓度的泥沙向南岸平流,聚集于南岸底层。除上游河流泥沙来源外,强大的涨落潮流冲刷床面,使沉降于床面的泥沙再次悬浮,成为余流输运泥沙的来源之一。     

径流量和海平面变化对河口最大浑浊带的影响

应用改进的ECOM模式,耦合泥沙输运方程,研究径流量和海平面变化对河口最大浑浊带的影响.河口最大浑浊带位于滞流点处,底层上下游余流均向该处输运泥沙,造成该处泥沙汇合,而由流场辐合产生的上升流又使该处的泥沙不易落淤.由于盐水入侵带来的高盐水位于北岸的底层,其斜压效应使底层的横向环流由北向南流动,把底层高浓度的泥沙向南岸平流,使得最大浑浊带位于南岸.研究河口最大浑浊带现象必须使用三维泥沙输运模式.在径流量增大的情况下,与控制试验相比底层向陆的密度流减弱,滞流点下移,导致最大浑浊带也下移;因上游来沙量增加,在最大浑浊带中心和河口拦门沙处悬浮泥沙浓度趋于增加.在径流量减少的情况下,最大浑浊带的变化趋势与径流量增大情况的结果相反.在海平面上升的情况下,拦门沙区域底层向陆的密度流趋于增强,滞流点上移,最大浑浊带也相应向上游移动;最大浑浊带中心处泥沙浓度趋于增大,但口门拦门沙处泥沙浓度趋于减小.径流量和海平面变化对最大浑浊带影响明显.     

Suspended sediment transport from the Gironde estuary (France) onto the adjacent continental shelf

Current velocity and suspended sediment concentration measurements at anchor stations in the downstream extremity of the Gironde estuary indicate that during periods of high river discharge, a significant amount of suspended sediment is transported out of the estuary onto the adjacent continental shelf. The vertical profile of the residual (non-tidal) suspended sediment flux is similar to that of the residual current velocity, with a net upstream flux near the bottom and an overlying seaward-directed transport. The overall, depth-integrated result is a net seaward transport of suspended sediment out of the estuary. It appears that this net seaward transport varies directly with tidal amplitude.Aerial photography and water sampling indicate that during high river inflow, the downstream extremity of the turbidity maximum extends onto the continental shelf at ebb tide. The tidal and coastal current patterns of the inlet and inner shelf induce a northward transport of the turbid estuarine water, and at each tidal cycle, a certain amount of suspended sediment leaves the estuary; part of this sediment is deposited in a silt and clay zone on the continental shelf.     

Observed fluxes of water,salt and suspended sediment in a partly mixed estuary

Observations of the residual fluxes of water, salt and suspended sediment are presented for seven stations along the Tamar Estuary. The data include measurements over single spring and neap tidal cycles, and are generally applicable to medium or high run-off conditions.Surface to bed differences in salinity are typically of the order of several parts per thousand. Gravitational circulation is an important component of residual flow in the deep, lower reaches of the estuary. Here, Stokes drift is insignificant. In the shallow upper reaches, the major residual currents are generated by Stokes drift and freshwater inputs. Data are compared with predictions from Hansen and Rattray's (1966) model of estuarine circulation.Salt fluxes due to tidal pumping and vertical shear are directed up-estuary at spring tides, tidal pumping being dominant. Tidal pumping of salt is also directed up-estuary at neap tides, although it is insignificant in the lower reaches, where vertical shear dominates.Tidal pumping of suspended sediment is directed up-estuary near the head at spring tides, and probably contributes to the formation of the turbidity maximum. The existence of the turbidity maximum is predicted using a simplified model of the transport of water and sediment. The model shows that an additional mechanism for the existence of the turbidity maximum is an up-estuary maximum in the tidal current speeds (and thus resuspension). In the lower reaches, transport of suspended sediment is directed down-estuary at both spring and neap tides, and sediment is essentially flushed to sea with the fresh water.     

高浑浊度河口沉积物的沉积机理评述

该文主要介绍了潮流对沉积作用的影响，沉积物的再悬浮和最大浑浊带的形成机制以及影响沉积物絮凝沉降的因素。潮流是搬运河口泥沙的主要动力，沉积在河口拦门沙的泥沙会在潮流的作用下向河口外继续搬运。沉积物的再悬浮和最大浑浊带密不可分，正是由于沉积物在周期性潮流的作用下引起再悬浮，为最大浑浊带的形成提供了条件。影响沉积物絮凝沉降的因素很多，有内因，也有外因。内因是颗粒物自身的性质；外因如盐度、流速、pH值等。     

长江口悬沙动力特征与输运模式

本项研究用ADCP在长江河口进行高频、高分辨率三维流速和声学浊度的定点观测,通过对定点站位潮周期内的悬沙浓度、流速和盐度的分析,计算悬沙输运率;悬沙输运机制分析表明平流作用、斯托克斯漂移效应在悬沙输运中占据主导地位.此外,从河口内向河口外,潮周期内的水动力特征与悬沙净输运具有明显的地域性差异,主要表现在悬沙输送的贡献因子、盐度的垂向混合和分布特征、垂向流速等方面.在拦门沙下游和口外地区,悬沙均向西、北方向输送,而拦门沙上游则向东、南方向输送.这种悬沙输运格局,对于长江口拦门沙及附近最大浑浊带的形成有着重要的作用.     

基于波-流耦合模型的珠江口悬浮泥沙数值模拟

为研究珠江口悬浮泥沙输运动力机制，本文发展了一套三维波、流、泥沙耦合数值模型。模型结果与观测数据吻合较好，统计显示模型获得良好的评分分值。利用数值模拟研究了不同强迫（径流，波浪和风）对珠江口中悬浮泥沙的影响。模型结果表明，河口重力环流对珠江口最大浑浊带的发展起着重要作用，特别是在小潮期间。另外，径流的增加可导致泥沙向海输运。底部的悬浮泥沙浓度随着波浪底部轨迹速度和波高的增大而增加。由于西滩水深较浅，波浪对西滩悬浮泥沙的影响大于东槽。西南风引起的波浪对悬沙的影响大于东北风引起的波浪的影响，而东北风致流对悬沙的影响略大于对西南风致流的影响。在其他条件相同情况下，稳定的西南风比稳定的东北风更有利于伶仃洋悬浮泥沙浓度的增加；在稳定的西南风下，伶仃洋平均悬浮泥沙浓度约为稳定东北风下的1.1倍。     

长江口南槽最大浑浊带枯季大小潮悬沙峰特征及其动力机制

长江口最大浑浊带是陆海交汇的核心区域,其航槽是扼海-河联运的咽喉,悬沙峰的涨落潮周期变化深刻影响航槽的稳定性。本文利用长江口南槽上、中、下段3个站点枯季小潮和大潮的流速、盐度、悬沙平均粒径和悬沙浓度的实测资料,分析最大浑浊带悬沙峰特征及其动力机制。发现:流速和滩槽交换增强导致大潮平均悬沙浓度比小潮增加了0.78—1.97倍,絮凝也导致憩流底层悬沙浓度增加8%左右,但流速和絮凝与悬沙浓度的关系均非线性。大小潮盐度梯度与底层悬沙浓度关系呈现高线性相关关系,表明盐度梯度强化或突变是泥沙再悬浮形成悬沙峰的主要动力。     

Tidal and river discharge forcing upon water and sediment circulation at a rock-bound estuary (Guadiana estuary,Portugal)

The relative impacts of tidal (neap, spring) and river discharge (including a flood event) forcing upon water and sediment circulation have been examined at the rock-bound Guadiana estuary. Near-bed and vertical profiles of current, salinity, turbidity, plus surface suspended sediment concentrations (SSC, at some stations only), were collected at the lower and central/upper estuary during tidal and fortnightly cycles. In addition, vertical salinity and turbidity profiles were collected around high and low water along the estuary. Tidal asymmetry produced faster currents on the ebb than on the flood, especially at the mouth. This pattern of seaward current dominance was enhanced with increasing river flow, due to horizontal advection that was confined within the narrow estuarine channel. The freshwater inputs and, at a degree less, the tidal range controlled the vertical mixing and stratification importance. Well-mixed (spring) and partially stratified (neap) conditions alternated during periods of low river flows, with significant intratidal variations induced by tidal straining (especially at the partially stratified estuary). Highly stratified conditions developed with increasing river discharge. Intratidal variability in the pycnocline depth and thickness resulted from current shear during the ebb. A salt wedge with tidal motion was observed at the lower estuary during the flood event. Depending on the intensity of turbulent mixing, the residual water circulation was dominantly controlled either by tidal asymmetry or gravitational circulation. The SSC was governed by cyclical local processes (resuspension, deposition, mixing, advection) driven by the neap-spring fluctuations in tidal current velocities. More, intratidal variability in stratification indicated the significance of tidal pumping at the partially and highly stratified estuary. The estuary turbidity maximum (ETM) was enhanced with increasing current velocities, and displaced downstream during periods of high river discharge. During the flood event, the ETM was expelled out of the estuary, and the SSC along the estuary was controlled by the sediment load from the drainage basin. Under these highly variable river flow conditions, our observations suggest that sand is exported to the nearshore over the long-term (>years).