青岛胶州湾大桥建设对周边海域水动力环境影响的数值研究

应用MIKE21建立胶州湾平面二维潮流模型,对青岛胶州湾大桥建设前后胶州湾内的潮流场进行数值模拟,探讨了青岛胶州湾大桥建设对周边海域的潮位、潮流、潮通量等水动力环境的影响。通过胶州湾大桥两侧的连续实测海流、潮位资料与模拟结果进行比较,可以看出两者趋势基本符合,说明该模型能够较精确地反映胶州湾大桥建设前后的潮流场分布情况。计算结果表明,大桥的建设具有一定的阻流作用并减小了过水断面,从而对周边海域的水动力环境产生一定的影响,但对胶州湾整体潮流场改变较小,影响范围限于桥位南北1.5km范围内。     

胶州湾大桥建设前后湾内泥沙冲淤数值模拟

本研究通过对胶州湾大桥建成前后湾内泥沙冲淤情况进行模拟。探讨了典型时刻胶州湾大桥附近海域的海流流速和流向情况。对比胶州湾大桥建成前湾内的流场模拟结果可知,胶州湾大桥的建设对胶州湾内整体的海流流态影响较小。胶州湾大桥的建设对胶州湾水动力的改变主要在桥墩建设附近海域。通过大桥建设前后冲淤数值模拟结果可知,工程前后工程附近冲淤趋势基本一致,只是在大桥桥墩附近出现冲淤变化较大的情况,表现为在桥墩的南北两侧出现较大桥建设前淤积加强区,在桥墩的东西两侧出现冲刷加强区,在通航孔桥墩跨度较大的海域,冲刷强度增大比较明显。     

跨海大桥建设对胶州湾北部冬季结冰现象的影响

本文利用台站观测、卫星遥感以及专项调查等多种数据,综合分析了近年来胶州湾典型水文气象要素的变化特征及建桥前后水动力环境等的变化对冬季冰情的影响。结果显示,建桥以来冰情较重的年份冬季气温和年最低气温均处于近30年的低位,重冰期与年最低气温时段相吻合,且以跨海大桥为界,北部海湾结冰现象严重,而南部几乎无结冰。基于区域海洋水动力模型(ECOM)的模拟结果显示,跨海大桥建设可以从几个方面影响胶州湾北部海冰的生消,即大桥建设使胶州湾尤其是大桥北侧的水动力环境弱化,落潮时桥北侧水体堆积,涨潮时桥北侧向陆一侧水位减小;大桥对桥位南北1.5 km周围涨、落潮流场产生影响;流场的变化又使得悬浮物对流扩散和沉积物输运发生改变,大桥北侧局部区域水深变浅。     

胶州湾跨海大桥对海湾水体交换的影响

跨海大桥的建设有利于环湾经济的发展,但桥墩入水不可避免地会对海湾内水动力和水交换造成一定的影响。本文以胶州湾为例,利用无结构网格有限体积海洋模型,建立了能够描绘胶州湾跨海大桥入海桥墩的高精度网格,构造了胶州湾及邻近海域的三维水动力模型,模拟了胶州湾建桥前后的潮(余)流结构。在此基础上,通过污染物示踪对比了胶州湾内污染物在建桥前后的对流扩散过程。模拟结果表明,大桥的建设对胶州湾南部大部分区域的影响较小,包括潮(余)流、水交换等方面;但对大桥北侧以及南侧靠近大桥一定范围内的区域有显著影响。大桥北侧潮致余流整体减小约2cm/s,靠近桥南侧的余流则由向北转为沿桥向东流动。由于大桥的影响,污染物在大桥北侧堆积,重点集中于桥北的红岛以西(Ⅰ区)沿岸区域以及红岛以东(Ⅱ区)大部分区域。其中,Ⅰ区建桥后的半交换时间增加了2.00d,Ⅱ区增加了2.04d。在减缓污染物扩散速率的同时,大桥也同样阻碍了径流输出的淡水向胶州湾南部的输运,使得桥北水体的盐度降低,有可能是造成近年来胶州湾冬季冰情加剧的原因之一。     

丁字湾规划对其水动力与纳潮量影响研究

丁字湾的规划会对丁字湾内水动力和纳潮量有影响,从而影响着丁字湾与外海的水交换,影响丁字湾内水质与生态环境。本文利用二维潮波运动方程建立了崂山头至古龙咀以西海域潮流数值计算模式,数值模拟了规划实施前后丁字湾内水动力和纳潮量的变化,数值模拟结果表明:丁字湾规划实施后,整个规划范围内大部分区域流速增大,尤其丁字湾中央水道流速增大明显,涨潮时,丁字湾湾口附近水道流速增量最大,在0.48m/s以上,落潮时马河港大桥处的流速增量最大,在0.54m/s以上。湾外流速变化不大。丁字湾内纳潮量增大了42%(海即大桥连线)、33%(丁字嘴—栲栳岛连线),丁字湾规划大大改善了丁字湾的水动力,增加了丁字湾内纳潮量。规划有利于丁字湾与外海的水交换和湾内水质与生态环境的改善。     

基于卫星遥感的海洋工程环境监测及影响评价方法初探

为弥补常规海洋环境监测手段在大区域、长时序方面的不足,本文初步探究了用可见光水色遥感监测海水水动力现象的方法。以杭州湾跨海大桥典型工程为例,运用卫星遥感可见光方法,监测海水大面积水色变化,结合数值计算,综合分析大桥对附近海域流场变化的影响。分析结果表明,大桥中间段迎水面和背水面两侧海域的水色存在明显差异,桥墩局部区域的流场发生显著改变,在大桥东西两侧均出现了流速较小区域,大潮时期平均减小0.3 m/s,小潮时期平均减小0.1 m/s;对比大桥建成前后,南段大桥两侧水色发生显著变异,西面的流速减小区最为显著,平均减小0.26 m/s。     

海州湾海洋牧场人工鱼礁区建设前后海洋环境变化分析

为研究连云港海洋牧场人工鱼礁区建设前后的水动力环境变化,利用DHI MIKE水动力模块模拟2002年和2016年人工渔礁区建设前后的水动力环境,并分析人工鱼礁区潮流为SE方向时顺流方向纵断面流速和流向的空间变化规律以及工程前后鱼礁区内水质和水生物的变化情况。结果表明:人工鱼礁区建成后,工程海域垂向流速和流向变化较大,水平流速和流向变化较小;由于附着在人工鱼礁上大型藻类的生长,水质逐年变好,且水生物量也逐年增加。     

温州大门跨海大桥及大、小门岛填海工程实施后流场及冲淤变化的数值研究

于2006年9—10月、2007年4—5月和2007年8—9月对拟建的温州大门跨海大桥及大、小门岛填海工程区的邻近水域进行了3次水文全潮观测,以此实测数据为基础,建立了该区域的水动力数学模型,采用泥沙冲淤变化的半经验半理论公式,对温州大门跨海大桥及大、小门岛填海工程实施后整个工程区水域的大面泥沙冲淤进行了研究,并估算了冲淤幅度。以拟建的温州大门跨海大桥为例进行了分析,水动力数学模型采用DELFT 3D模型和浅水动力N-S方程计算,并应用正交曲线坐标离散技术ADI法求解;采用"改变海底摩擦系数"和"减小过水断面"的方法模拟辅助桥墩的阻水作用,采用"干点"模拟主桥墩的阻水作用。研究结果表明:拟建的温州大门跨海大桥建成后,在全潮时段,该大桥桥位附近的潮位变化范围应为3.0~5.0 cm;该大桥及大、小门岛围堤工程实施5~6 a后,冲淤可达到新的平衡状况,其中,大桥西段浅滩冲淤基本没有受到影响,大桥东段冲刷2.0~3.5 m,大桥主桥孔位置冲刷1.5~2.7 m;该大桥主桥墩上、下游将形成狭长的淤积带。     

龙口湾水动力特征及其对人工岛群建设的响应

基于龙口湾及附近海域的水文实测资料,利用Mike21数学模型模拟了人工岛建设前后的潮流、波浪、纳潮量及水交换率等水动力特征,探讨了人工岛群建设对龙口湾水动力环境的影响。结果表明,人工岛建设显著改变了龙口湾潮流场特征及水体运动路径,湾内受到人工岛的阻挡,流速普遍减小,局部区域潮流运动形式由往复流变为旋转流,流向变化较大,余流形成多个涡旋;湾外由于堤头挑流作用导致局部区域流速增大且余流流速增大,潮流运动形式未发生明显改变。受人工岛的掩蔽作用,人工岛及附近区域的波浪有效波高普遍减小。龙口湾潮位出现北部最大潮差变小、南部最大潮差增大的格局,壅水作用导致人工岛内部水道潮差变化明显。人工岛建设直接占据了龙口湾海域面积,导致其纳潮量明显减小,水交换率呈现南部和北部增大、人工岛北侧以及内部水道减小的特征,人工岛造成的水动力环境的改变是影响水交换率变化的主要原因。人工岛群建设导致龙口湾内的潮流、波浪、纳潮量以及水交换等水动力特征减弱,是引起龙口湾水动力条件变化的根本因素。     

茅尾海生态修复工程对冲淤影响的数值模拟研究

基于MIKE 21FM模型建立了茅尾海海域二维水动力模型,通过验证,结果与实测资料吻合良好。利用建立的水动力模型分别模拟出生态修复工程完成前后该海域的流场,并对比其变化情况。基于已建立的水动力模型,耦合泥沙输运模块建立茅尾海冲淤模型,分别模拟了生态修复工程前后茅尾海海域在波流共同作用下的泥沙输运情况。对比结果表明,工程的实施能够极大地避免岸滩冲刷,有效保护红树林。     

钱塘江河口潮波特性变化及原因剖析

为掌握钱塘江河口潮波特性的响应机制，采用小波分析法研究了该河口 6 个潮位长期观测站的年平均高、低潮位及年平均涨潮历时等时间序列的变化特征，结合该河口实施的治江缩窄工程及径流周期性变化，探讨了该河口潮波特性时空变 化的因果关系。结果表明：1953—2017 年，钱塘江河口呈现出高潮位显著抬升、涨潮历时缩短，低潮位在河口上段略有抬高、中段大幅抬升、下段变化不大的趋势；受治江缩窄工程进展、位置以及径流周期性变化等影响，各站潮波特性的变化在时间上存在差异；钱塘江河口的治江缩窄工程加剧了河口下段的潮波变形和潮波反射，增强了河口上、中段的河流特性，导致高潮位抬升、涨潮历时缩短，是造成潮波特性变化的主要原因；径流直接影响河口上、中段的潮位和潮流，此外，还通过流速变化改变河床地形而间接影响潮波特性。     

近60年来长江河口河势变化及其对水动力和盐水入侵的影响Ⅱ.水动力

本文基于本系列论文Ⅰ中数值化的长江河口20世纪50年代、70年代海图获得的岸线和水深资料,以及2012年水深实测资料,设置不同年代模式网格,考虑径流量、潮汐和风应力作用,建立长江河口水动力和盐水入侵三维数值模式,模拟和分析不同年代潮汐潮流、单宽余通量、分汊口水通量和分流比,及其河势变化对它们的影响。最大潮差在3个年代间的变化主要在北支区域,50年代至70年代,北支潮差减小,减小区域集中在北支中段,2012年相比70年代北支潮差增大。单宽水通量在50年代北港大于南港,北支下段向上游输运、上段量值较小,在70年代南港大于北港,北支下段量值较小、上段向下游,在2012年南北港水通量较为接近,北港稍大,整个北支水通量向上游。定量给出了50、70年代和2012年南北支、南北港大潮期间和小潮期间涨潮、落潮和净水量和分流比,结合河势变化分析了不同年代间的变化原因。     

Tidal level response to sea-level rise in the yangtze estuary

The rise of tidal level in tidal reaches induced by sea-level rise has a large impact on flood control and water supply for the regions around the estuary.This paper focuses on the variations of tidal level response along the tidal reaches in the Yangtze Estuary,as well as the impacts of upstream discharge on tidal level response,due to the sea-level rise of the East China Sea.Based on the Topex/Poseidon altimeter data obtained during the period 1993～2005,a stochastic dynamic analysis was performed and a forecast model was run to predict the sea-level rise of the East China Sea.Two-dimensional hydrodynamic numerical models downscaling from the East China Sea to estuarine areas were implemented to analyze the rise of tidal level along the tidal reaches.In response to the sea-level rise,the tidal wave characteristics change slightly in nearshore areas outside the estuaries,involving the tidal range and the duration of flood and ebb tide.The results show that the rise of tidal level in the tidal reaches due to the sea-level rise has upstream decreasing trends.The step between the stations of Zhangjiagang and Shiyiwei divides the tidal reaches into two parts,in which the tidal level response declines slightly.The rise of tidal level is 1～2.5 mm/a in the upper part,and 4～6 mm/a in the lower part.The stations of Jiangyin and Yanglin,as an example of the upper part and the lower part respectively,are extracted to analyze the impacts of upstream discharge on tidal level response to the sea-level rise.The relation between the rise of tidal level and the upstream discharge can be fitted well with a quadratic function in the upper part.However,the relation is too complicated to be fitted in the lower part because of the tide dominance.For comparison purposes,hourly tidal level observations at the stations of Xuliujing and Yanglin during the period 1993～2009 are adopted.In order to uniform the influence of upstream discharge on tidal level for a certain day each year,the hourly tidal level observations are corrected by the correlation between the increment of tidal level and the increment of daily mean upstream discharge.The rise of annual mean tidal level is evaluated.The resulting rise of tidal level at the stations of Xuliujing and Yanglin is 3.0 mm/a and 6.6 mm/a respectively,close to the rise of 5 mm/a according to the proposed relation between the rise of tidal level and the upstream discharge.     

桐花树红树林潮滩近底层悬沙浓度垂向剖面变化特征分析*

观测红树林潮滩在波浪和潮流作用下的近底层垂向剖面悬沙浓度变化过程, 对理解海岸带植被的消能促淤机制和滨海湿地生态修复工程有着重要作用。本文以北部湾七星岛岛尾桐花树红树林潮滩为例, 基于剖面流速仪HR、声学多普勒单点流速仪ADV、浪潮仪T-wave及剖面浊度仪ASM, 获取了研究区域2019年夏季大潮连续3天的水文数据, 同时结合桐花树典型植株实测参数, 分析了潮周期内红树林潮滩近底层垂向剖面悬沙响应波浪、潮流作用及桐花树空间结构的运动过程。结果表明: 1) 桐花树潮滩近底层悬沙浓度和悬沙通量具有涨潮明显大于落潮的潮汐不对称现象, 剖面垂向高悬沙浓度区域在涨潮初期—涨急由距底部0.1~0.37m转变为距底部0.5~0.67m, 落急—落潮末期则由上部转变为下部; 2) 潮周期内悬沙起动和再悬浮阶段发生在以波浪作用主导的涨潮初期和落潮末期, 平流和沉降发生在以潮流作用为主的涨急至落急整个阶段; 3) 涨潮阶段桐花树冠层的茂密枝叶通过减缓流速拦截多于冠层上部40%以上的悬沙, 落潮水体则挟沙自陆向海经过桐花树群落, 使得悬沙浓度下降超过71%。该不对称涨、落潮动力沉积机制有利于悬沙向岸输运, 促进潮滩扩张过程。     

广西近岸海域潮流数值模拟

采用有限元三角形网格的分步杂交方法,建立了广西近岸海域的二维潮流数值模型,计算值与实测资料符合较好。采用主要分潮组合输入,模拟了研究海域的平均潮潮流场。模拟结果表明:涨急时,潮流向为东北方向,最大涨潮流速为74cm/s左右;落急时,潮流向为西南方向,最大落潮流速约100cm/s,落潮流速大于涨潮流速。近岸区域潮流为往复流,离岸边越远潮流越接近旋转流。     

长江口北支悬沙浓度及输移的时空变化

本文基于4次洪枯季同步水文观测资料,着重分析了长江口北支悬沙浓度的潮周期变化、垂向分布、纵向分布和悬沙输移及其时空差异。研究结果显示,悬沙浓度的潮周期变化过程在大中潮期以M型(双峰型)为主,下段主槽内在大潮期多出现V型,上段在枯季可出现涨潮单峰型;小潮期可出现无峰、单峰或双峰型。涨、落潮悬沙浓度峰值及均值,在枯季多涨潮大于落潮,洪季中小潮特别是小潮期易出现落潮大于涨潮;下段主槽内在大潮期易出现落潮大于涨潮。悬沙浓度的垂向分布及其变化特点,在大中潮期与悬沙的潮周期变化型式有关,其中M型存在显著的洪枯季差异。纵向上,最高悬沙浓度在枯季出现于中段灵甸港至三和港之间及附近河段,洪季则在下段三条港附近。潮周期悬沙净输移,枯季大多向陆特别是大中潮期,洪季中上段大多向海,下段大潮期多向陆、中小潮易出现向海;下段主槽内在大潮期易出现向海。     

珠江三角洲网河区径流潮流相互作用分析

在大量实测资料基础上采用小波分析方法对珠江三角洲网河区径流与潮汐的相互作用进行分析,得出如下结果:网河区潮差和潮位的周期变化既有典型潮汐的半日周期和全日周期以及半月周期,也有径流量的周期变化如64.8 d的周期变化,即同时具有径潮的周期变化.不同河段潮差及各分潮波振幅与径流量的大小具有明显的反相关关系,径流量越大,潮差越小,三水站潮差随流量以-0.0002的速度减小,网河区下游河段则减小得较慢.上游径流量越大,因克服径流的阻碍作用而消耗的能量越大,潮汐作用强度迅速减弱,各分潮潮波振幅和潮差沿程减小越快.随着径流量的增大,三水站潮簇D₁,D₂和D₄的振幅明显减小,D₂的振幅衰减得最快.     

Dynamics of the turbidity maximum in King Sound, tropical Western Australia

King Sound is a 100-km-long embayment located in tropical northwestern Australia with a spring tidal range of 11 m. This is the second largest tide in the world after the Bay of Fundy in Canada. Intertidal areas cover about 800 km². The upper reaches of the sound are turbid with fine suspended sediment concentration reaching 3 kg m⁻³. Field studies of the dynamics of water and fine sediment were carried out in the dry seasons of 1997 and 1998. The tide was a propagating wave, shoaling and dissipating by friction as it entered the sound. This mode of propagation generated an asymmetric tidal current with a stronger current at flood than at ebb. An evaporation-driven salinity maximum zone was found in the upper reaches of the sound, and this was also where the turbidity maximum occurred. Tidal pumping by the tidal asymmetry and, possibly, the biological filter formed by muddy marine snow, trapped the fine sediment in the upper regions of King Sound. Wind-driven waves contributed significantly to entrainment of bottom fine sediment, possibly through wave pumping of the sediment and not wave-induced orbital velocities. Field data suggest that erosion of bottom fine sediment was proportional to the sixth power of the tidal current and the third power of the wave height.     

长江口横沙东滩外侧建设人工岛的自然条件分析

利用2001-2008年的海图资料和2011-2012年枯季现场水文调查数据,分析长江口横沙东滩外侧海域的河势、水动力条件及泥沙含量的潮周期过程,讨论在此建设人工岛的自然条件。结果表明,横沙东滩外侧海域,2001-2008年间冲淤有变化,由滩向海的断面显示上部淤积,下部侵蚀,冲淤转换面在-7~-10m之间,-10~-20m海域整体呈现微冲趋势,但侵蚀速率减缓,河势趋于稳定。横沙东滩受北槽深水航道北导堤影响,向东南方向淤进。定点船测潮流表现出旋转流性质,枯季大潮最大流速不超过188cm/s,小潮最大流速小于134cm/s;北港口外的定点余流显示向口内输运,北槽口外则是向海输运。两测站数据显示枯季大小潮垂线平均含沙量处于0.061~0.116kg/m3之间,水体泥沙含量整体处在较低水平。从自然条件上来说,不考虑风浪影响情况,研究区域内河势渐趋稳定,水深条件良好,水动力条件适宜,水体含沙量较低,在该区域内建设人工岛具有可行性。     

长江三峡建坝前后流量和海平面对感潮河段潮位的影响差异

三峡大坝运行和海平面上升对河口水文动力变化的影响广受国内外关注。本文选取长江感潮河段沿程6个站（芜湖、马鞍山、南京、镇江、江阴和天生港） 1963-1985年（其中1970年和1971年数据缺失）和2003-2013年（其中2008年和2012年数据缺失）共30个年份的1月和7月的月均高潮位资料,以及相应月份上游大通站的流量（1950-2013年）、长江河口吴淞站潮位资料,通过肯德尔趋势分析、回归分析和偏相关分析等方法研究长江感潮河段潮位变化规律和影响因素。结果表明,三峡建坝后：（1）枯季流量和海平面的增加,导致上下段（以江阴为界）的潮位分别上升了0.33 m和0.20 m;洪季流量减少和海平面增加,导致上段潮位减小0.19 m、下段潮位增加0.04 m。（2）感潮河段洪季海平面与潮位回归方程的斜率均增加,表现为建坝后洪季洪涝灾害增加。（3）上下段流量和海平面对潮位贡献率的显著变化是导致上下段潮位呈现不同演变趋势的主要原因。