调水调沙影响下黄河口泥沙异重流过程

利用黄河干流大型水库进行调水调沙,在短期内将大量沉积物快速输送入海,是河口泥沙异重流触发的重要窗口期。根据2010年调水调沙期间黄河口沉积动力现场观测资料,建立覆盖整个渤海海域的ROMS数学模型,以黄河利津站逐日水沙数据和海域潮汐、风场数据作为模型驱动条件,模拟调水调沙期间的河口泥沙异重流发育过程。模拟结果显示,在没有大风扰动的情况下,河流入海悬沙浓度29.0 kg/m~3时会在河口产生高密度泥沙异重流。黄河冲淡水携带大量悬浮物从河口流出后,与海水迅速混合,在潮流影响下,冲淡水舌随时间由西北向东南偏转,输运至莱州湾西侧。淡水和沉积物主要以表层羽状流和底层异重流形式输运:表层羽状流扩展范围较大,输运路径为河口西北方向-远岸(河口东北区域)-莱州湾西侧;底层异重流扩散范围较小,输运路径为河口西北方向-河口沿岸(东)-莱州湾西侧。河口泥沙异重流生消和水体垂向结构存在周期性变化特征:落潮时段异重流发育较好,水体层化增强;涨潮时段异重流逐渐消亡,水体混合增强。估算出黄河口清水沟清8叉流路主泓区内水体由河口径流、潮汐应变和潮汐搅动引起的势能变化率,其中潮汐应变和潮汐搅动起主导作用,比河口径流引起的势能变化率高出2～3个数量级(102～103)。     

黄河清8出汊河口泥沙异重流特征及其时空分布

选用1996年9月5—6日黄河口新口门水文泥沙同步观测资料,采用距离倒数加权插值法(IDW)生成河口泥沙异重流的含沙海水密度、流速和含沙量随时间变化的等值线图。基于此,分析了黄河口泥沙异重流发育形成的时空变化特征,并结合遥感影像和水下地形图进一步探讨了泥沙异重流对河口沉积的影响。研究结果表明,黄河口(新口门)泥沙异重流发育频繁,且其形成时的含沙海水密度与老河口相似;泥沙异重流的空间分布与水下三角洲泥沙堆积体及河口沙嘴的形态存在明显相关,泥沙异重流的存在直接影响河口前缘泥沙的沉积,但对侧缘的影响不大;泥沙异重流形成初期,在低高潮涨潮阶段中的一次较小的涨落潮周期内其形成和消亡过程与潮流的涨落潮周期呈正向对应关系,且在这一时段的涨憩时泥沙异重流的泥沙含量达到最大;流速垂向分布为泥沙异重流形成初期流速小于上层海水流速,且层次分明,随其进一步向深海运动流速呈增大再减小的趋势,至三角洲前缘陡坡段其底层流速大干中上层海水流速。     

黄河口最大浑浊带特征及其时空演变

根据汛期黄河口多船同步水文泥沙实测资料,对黄河口最大浑浊特征及其时空演变进行研究,得出汛期黄河口最大浑浊带在整个潮周期始终存在,其含沙量和范围形态受潮相的控制,在落急和落平时最为发育。文中还探讨了黄河口最大浑浊带的形成机制,指出其形成主要受河流携带大量泥沙、泥沙异重流、河口密度环流及湍流的作用。     

黄河口最大浑浊带特征及其时空演变

根据汛期黄河口多船同步水文泥沙实测资料,对黄河口最大浑浊带特征及其时空演变进行研究,得出汛期黄河口最大浑浊带在整个潮周期始终存在,其含沙量和范围形态受潮相的控制,在落急和落平时最为发育.文中还探讨了黄河口最大浑浊带的形成机制,指出其形成主要受河流携带大量泥沙、泥沙异重流、河口密度环流及湍流的作用.     

潮汐河段挖入式港池异重流淤积探讨

盐水与泥沙异重流的基本运动特性是相类似的。文本利用盐水楔扩散问题试验研究的成果,应用到泥沙异重流受潮汐影响的扩散和淤积分析。利用紊动能量损失与扩散系数之间关系,进行潮汐河段异重流问题的研究;并求得紊动能量损失指标G/J<50,属异重流范围。又利用挖入式港地实际淤积资料与淤积计算对比分析,初步认识到异重流淤积量占总量相当大的比例,是由于落潮时无径流量而只有些潮蓄量下泄,流速很小而形成异重流。此外,小潮大径流量时,也有异重流。 在潮汐河段上,由于水位与流速随涨落潮的过程不断地改变,除涨落地期间流速较小外,一般流速较大,即使产生了盐水楔,它也不能持久。因此有人认为有潮汐的盲肠河段或挖入式港池内,不会有异重流的淤积问题。但另有一些人认为水流情况与有潮河段并不完全相同。如在落潮时只有盲肠或港池的潮蓄量外泄,流速很小,有利于形成异重流而淤积。因有上述二种不同看法,故对潮汐河段挖入式港池异重流淤积进行初步探讨。     

黄河现行河口的潮区界

本文根据1984年5月和7月对黄河口进行的水文泥沙测验资料,分析了现行黄河口的潮区界和潮流界,对了解黄河口和研究制定治理河口方案提供了参考依据。凡是流入海洋的河流,在其下游河段受到海潮的顶托作用,都有一段感潮段。在感潮段内的水位受到海水潮汐涨落的影响,随着潮汐的周期作     

黄河口地貌形态演变过程数值模拟

由于黄河口来水来沙量大、变化频繁,黄河河口呈现形态多样和多变的特征。采用数值模拟再现这些特征可以揭示河口地貌形成机理和演化过程。采用计算模拟方法对黄河口动力地貌特征演变过程进行了数值模拟,再现了黄河口的2种地貌形态(双槽单浅滩型和单槽双浅滩型)。模拟采用水深平均水平二维水动力模型、泥沙输运模型以及与地形演变方程相结合的耦合模型。对耦合模型的求解采用了能够捕捉间断解的高精度的WENO差分格式。对黄河口地形演变过程纵向剖面、横向剖面和平面形态的计算结果与实际测量结果进行了比较,讨论了黄河来水来沙、潮流幅值变化对不同地貌形态之间相互转化的影响,并考虑了河口两岸淤长(动边界)对地形计算结果的影响。计算结果表明,可以实现对黄河口地貌演变的模拟预报,且模拟演变趋势与实际观测趋势大致一致,为今后模拟黄河口地貌特征的演变提供计算模型和算例参考。     

黄河钓口河口行水期泥沙输运过程的三维数值模拟

由于钓口流路行水时期普遍缺乏对河口和近海的系统观测,基于1976年黄河三角洲实测水深数据和汛期水沙数据,采用EFDC三维数值模式对钓口河口泥沙沉积动力过程进行了数值模拟研究。模型结果表明,钓口河口的羽状流和异重流的时空分布具有显著的潮周期变化特征。受与岸线平行的涨落潮流作用,表层羽状流的侧向摆动幅度较大,河口羽状流输沙主要平行于岸线方向,跨等深线的泥沙输运受到限制。汛期黄河入海的高浓度泥沙在钓口河口形成潜没的异重流,在底层沿河口轴线向北输运泥沙至三角洲前缘区域,泥沙输运通量比表层羽状流的输送通量高出一个数量级,且随着离岸距离的增大而呈指数形式快速衰减。随着水深增大,单宽泥沙通量的衰减速率逐渐减小。计算结果显示,由于汛期高浓度泥沙入海,钓口河口的异重流稳定存在,导致约75%的入海泥沙沉积在10m水深以浅的区域,25%的入海泥沙淤积在三角洲前缘外侧,异重流过程对汛期钓口河口泥沙向深水区输运和沉积具有控制作用。数值模拟结果与前人根据水深变化揭示的三角洲冲淤分布格局一致,与钻孔的沉积记录基本吻合。     

刚性植被对沿坡运动泥沙异重流动力及湍流特性的影响

开展一系列开闸式斜坡泥沙异重流水槽实验,采用高速相机记录异重流发展过程,并利用声学多普勒流速仪(acoustic doppler velocimeter, ADV)获取泥沙异重流的速度、浓度及湍流结构,探究刚性植被对异重流运动特性的影响。实验结果表明:随着植被高度的增大,泥沙异重流的头部与尾部发生分离,且植被高度对异重流头部速度削减作用的重要性大于植被密度;受植被作用的影响,异重流速度剖面的峰值位置和峰值大小均发生改变;此外,由于植被与异重流相互作用产生的湍流,使异重流的泥沙浓度剖面发生改变,并使悬浮于流体中的泥沙颗粒向上输运。本研究的结论对自然环境保护、水下工程建设等生产实际问题提供重要的科学依据。     

黄河口海域潮汐、潮流、余流、切变锋数值模拟

采用有限体积三维近岸海洋模型,建立无结构三角形网格,对当今地形下的黄河口海域进行高分辨率数值模拟,在成功模拟渤海潮汐潮流的情况下,重点研究了黄河口海域。当前黄河口附近海域潮汐为不规则半日潮,潮流为往复流,方向近似平行于岸界,潮致欧拉余流在岬角两侧存在成对的涡旋,涡旋的方向为南顺北逆,黄河径流对此涡旋有加强的作用。由于地形等复杂因素的影响,河口海域附近在涨落潮转换过程中存在内涨外落型和内落外涨型切变锋,其首先出现在浅水区域,然后向深水区域传播,1~2 h后消失,它的产生是由于近岸海域潮汐相位领先于外海海域潮汐相位。     

Hyperpycnal plumes and plume fronts over the Huanghe (Yellow River) delta front

The Huanghe (Yellow River) discharges extremely high suspended sediment concentrations (25 to 220 g/l) which favor sustained hyperpycnal plumes (underflows). Observations of weakly hyperpycnal unchannelized plumes and indirect evidence of strongly hyperpycnal channelized underflows over the delta front indicate the importance of these modes of sediment dispersal. The weakly hyperpycnal plumes occupy the entire water column over the shallow (<5 m) delta top. From a pronounced front near the break in slope at about 5 m depth, they descend over the delta-front slope as wide-spread underflows. Evidence of strongly hyperpycnal underflows was shown from subaqueous valleys partly filled with low-density mud.     

Numerical modeling of hyperpycnal flows in an idealized river mouth

Numerical experiments in an idealized river mouth are conducted using a three-dimensional hydrodynamics model (EFDC model) to examine the impacts of suspended sediment concentration (SSC), settling velocity of sediment and tidal mixing on the formation and maintenance of estuarine hyperpycnal flows. The standard experiment presents an illustrative view of hyperpycnal flows that carry high-concentrated sediment and low-salinity water in the bottom layer (>1.0 m in thickness) along the subaqueous slope. The structure and intra-tidal variation of the simulated hyperpycnal flows are quite similar to those previously observed off the Huanghe (Yellow River) mouth. Results from the three control experiments show that SSC of river effluents is the most important parameter to the formation of hyperpycnal flows. High SSC will increase the bulk density of river effluents and thus offset the density difference between freshwater and seawater. Low SSC of river effluents will produce a surface river plume, as commonly observed in most large estuaries. Both the settling velocity of sediment particles and the tidal mixing play an important role in maintaining the hyperpycnal flows. Increasing settling velocity enhances the deposition of sediment from the hyperpycnal layer and thus accelerates the attenuation of hyperpycnal flows, whereas increasing tidal mixing destroys the stratification of water column and therefore makes the hyperpycnal flows less evident. Our results from numerical experiments are of importance to understand the initiation and maintenance of hyperpycnal flows in estuaries and provide a reference to the rapidly decaying hyperpycnal flows off the Huanghe river mouth due to climatic and anthropogenic forcing over the past several decades.     

人类活动和自然演变共同驱动下黄河三角洲海域潮波及物质输运变化

在海堤建设等人类活动和三角洲蚀淤等自然演变的共同作用下,黄河三角洲岸线水深近年来发生了剧烈变化,同时也将引起邻近海域潮波系统及物质输运路径的重要变化。本文基于FVCOM数值模式,建立了黄河三角洲及邻近海域三维高分辨率潮汐、潮流及拉格朗日粒子追踪数值模型。通过与环渤海长期验潮站的潮汐调和常数、黄河三角洲临时潮位站和测流站的实测资料对比,模型结果验证良好,能较好反映黄河三角洲及邻近海域潮汐、潮流运动特征,并获得了2019年M₂分潮无潮点位置。通过设置1980年、2019年黄河三角洲岸线自然演变、海堤建设及相应水深地形变化的5个数值实验,结果表明:在人类活动与自然演变共同驱动下,黄河三角洲海域的M₂分潮无潮点向东南方向移动,主要影响因素为水深。黄河口向海延伸和海堤丁坝建设导致的岸线变化,对无潮点位置影响较小,但在该凸出岸段两侧形成余流流涡,使得黄河入海物质在莱州湾内停留时间变长,向渤海输运扩散的时间推迟。     

黄河口潮滩泥沙絮凝研究

本文基于现场观测的絮团粒径、悬沙浓度及水动力数据,研究了黄河口南部潮滩泥沙絮凝特征。研究发现,黄河口潮滩絮团粒径在25.42～264.44 μm之间,平均为95.20 μm。水体紊动对黄河口潮滩絮凝的影响存在差异,紊动对絮凝促进作用的上限约为G_l=3.76 s?1。紊动强度低于G_l时,紊动促进泥沙絮凝,絮团粒径随紊动加强而增大;反之水体紊动对絮凝主要起抑制作用,絮团粒径随紊动强度增大而减小。悬沙浓度对黄河口潮滩泥沙絮凝起抑制作用,同等紊动条件下高悬沙浓度对应的絮团粒径更小。黄河口潮滩絮团有效密度与粒径呈现负相关关系,沉速主要受粒径影响。本研究补充了对弱潮河口潮滩泥沙絮凝特性的认识。     

黄河三角洲洪、枯季泥沙冲淤的数值模拟

本文针对黄河三角洲海岸潮间带广阔、黄河入海水沙变化剧烈、近岸及河口区水动力条件复杂的特点 ,建立了 1个潮流作用下的平面二维动边界全沙数学模型。动边界的处理采用窄缝法 ,并利用此模型对黄河三角洲洪、枯季时悬沙分布以及底床的冲淤进行了数值模拟 ,进而据此探讨了黄河三角洲洪、枯季的冲淤变化规律。     

2-D Current Field Numerical Simulation Integrating Yangtze Estuary with Hangzhou Bay

—In this paper,integrating the Yangtze Estuary with the Hangzhou Bay,a 2-D velocity fieldmodel is established.In the model,fine self-adaptive grids are employed to adapt to the complicated coast-al shape.The hydrodynamic equations satisfied by two contravariant components of velocity vector andsurface elevation in non-orthogonal curvilinear coordinates are used.In each momentum equation thecoefficients before the two partial derivatives of surface elevation with respect to variables of alternative di-rection coordinates have different orders of magnitude,i.e.,the derivative with the larger coefficient mayplay a more important role than that with the smaller one.With this advantage,the ADI scheme can beeasily employed.The hydrodynamic factors include tidal current,river runoff and wind-induced current.In terms of tidal current,seven main constituents in the area are considered in the open boundaries.Theverifications of surface elevation process and current velocity process in the spring tide and in the n     

基于解析解的长江口南港悬沙侧向捕集特征分析

为探讨长江口南港的水动力结构及悬沙侧向输运特征,本文从解析解的角度构建了潮汐河口水沙输运数学模型,并将其应用到长江口南港某横断面上。南港水动力主控于半日潮流,余流主要由陆相径流及本地非线性对流项驱动,悬沙分布上北侧副槽远大于南侧主槽,水沙分布的计算结果与实测结果在结构上基本一致。通过输沙函数进一步分析表明,潮流输沙和余流输沙是南港侧向输沙函数的两个主要部分。南港中强劲径流削弱了涨潮流,增强了落潮流,使得向河槽南侧的涨潮流输沙小于向河槽北侧的落潮流输沙,潮流输沙指向河槽北侧。径流驱动的南港侧向余流在涨潮流方向上为一逆时针环流结构,余流输沙指向河槽北侧。扩散输沙指向南侧主槽,因其总是指向悬沙浓度梯度的负方向。在各输沙因子的综合作用下,南港中大量悬沙捕集于河槽北侧,使得河槽北部底层潮平均含沙量值达到最大值。     

杭州湾枯季水沙若干特征分析

根据2014年1月及2017年2月杭州湾大、小潮水沙资料,计算了流速、含沙量、单宽潮量、单宽输沙量,进而分析了潮周期断面净潮量、净输沙量和区域冲淤分布。研究发现杭州湾涨、落潮平均流速比值整体较20世纪八九十年代增大,绝大部分区域大于1.0,涨潮流相对增强,澉浦南岸和金山北岸尤为显著。含沙量平面上分布澉浦、杭州湾南岸两个高值区(大潮大于3 kg/m³,小潮大于1.3 kg/m³)以及北岸湾口至乍浦之间的低值区(大潮小于2 kg/m³,小潮小于0.9 kg/m³),随潮汛变化显著,最大含沙量浓度通常滞后于急流时刻。各测站涨、落潮量和输沙量呈现“大涨大落”和“大进大出”的特征,造成杭州湾短时间尺度内的“大冲大淤”。大潮两涨两落金山与乍浦、乍浦与澉浦之间区域净输沙量可达几千万吨,净冲淤则在几百万吨。     

崇明东北潮滩泥沙输运过程的研究

潮滩泥沙的输运过程是河口近岸泥沙输运的重要组成部分,也是诊断潮滩侵蚀-淤积的重要动力指标,特别是在地貌演变过程显著的区域更具指示意义。本研究选择长江口崇明岛东北部潮滩,在2018年3月30日—4月10日进行三脚架多参数观测,获取了高分辨率的流速、含沙量等剖面数据,运用机制分解法分析了连续21个潮周期的泥沙输运过程。结果表明:崇明东北侧潮滩观测站位的含沙量从观测开始至大潮阶段不断增大,在此期间底部含沙量也出现了最大值(7.82 g·L~(-1))。大潮过后直到小潮期间含沙量逐渐减少;观测站位单宽净输沙量有着明显的潮周期差异,从数量上看,大潮期间的单宽净输沙量为1.61×10~4kg·m~(-1),中潮期间为8.28×10~3kg·m~(-1),均远远大于小潮期间的单宽净输沙量,从方向上看,则具有大潮和小潮向口内,中潮向口外的泥沙净输运方向差异;大潮和中潮内的单宽输沙率均大于0.17 kg·m~(-1)·s~(-1),远大于小潮时的单宽输沙率。对各项输沙机制的结果分析来看,"潮泵效应"对输沙量的贡献最大,平流输运次之,而由于水深较浅,垂向环流对输运量影响较小。在观测期间出现了显著的从潮滩向主槽的泥沙输运。总体上看,潮滩泥沙输运过程指示了显著的向口内和主槽的泥沙输运,是北支河口区域泥沙淤积的重要来源。