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。     

长江口水动力过程的研究进展(1979～1999)

长江口是长江注入东海的入海口 ,自徐六泾以下经过３次分汊 ,共形成４个入海通道。长江口为中潮河口，口外潮汐为正规半日潮 ,口内为非正规半日浅海潮。长江河口水动力的研究主要起因于：（１）海洋科学海陆相互作用中河口动力学的基础理论研究；（２）长江口深水航道的维持（整治、疏浚）；（３）长江河口水环境、污染物处理的日益恶化；（４）长江河口淡水资源的开发利用。长江口水动力过程主要研究径流、潮流、波浪、柯氏力及沿岸流相互作用。长江口水动力情况复杂 ,径流、潮汐、波浪、柯氏力及沿岸流作用都较强烈 ,赵保仁１９９３年认为…     

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.     

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)。     

长江河口与瓯江河口最大浑浊带的比较研究

长江河口与瓯江河口均发育了庞大的最大浑浊带（TM），但这两条河口的河流性质、几何形态、径潮流动力条件、盐淡水混合类型和泥沙来源等差异极为明显，长江口与瓯江口TM的变化特点是：前者洪盛枯衰，后者枯盛洪衰；所在部位，前者在口门附近，后者在口门之内，研究结果表明，除了径潮流动力平均带和丰富的泥沙来源是发育长江口、瓯江河口TM的两个基本条件外，河口环流和潮汐不对称分别在长江、瓯江河口的TM形成、发育、维持过程中起了第二位作用。     

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.     

河口水流结构分解及斜压M4分潮流探讨

河口水流是河口生态环境、河道演变、物质输运等物理过程的根本动力。由于径流、潮波、地形以及气象等因素的影响,河口水流呈现复杂的三维结构。其中既包括淡水注入形成的余流,也包括周期性的潮流、风生流、斜压流及河口非线性作用导致的流动等。为探究河口水流的组成及其潮内变化,基于瓯江口实测资料,利用主成分分析（Principal Component Analysis, PCA）法对河口水流进行分解,探讨了PCA法对河口水流的分解性能及斜压分潮流的高频特征。研究认为,PCA法在河口水流结构研究中既可采用原始数据操作亦可用标准化的数据进行计算。PCA法可分解出斜压成分（河口重力环流型结构）,但不能将正压成分（径流和潮流）分开,径流和潮流二者综合作用的结果体现在主成分的得分之中。主成分的取舍应根据水流结构和累计解释方差综合判断,不宜仅依据累计解释方差。河口斜压流动具有明显的高频特征,近似呈1/4日分潮的周期。     

中国强混合河口最大浑浊区成因研究

最大浑浊区在潮汐河口普遍存在,并对河床冲淤演变有重大影响.本文在笔者多年研究基础上,首次系统地探讨我国强混合河口最大浑浊区的形成机理.认为此类河口形成最大浑浊区的根本原因在于床面水流切应力(或流速)有规律地先沿程增强继而递减,而潮波不对称引起的相向净输沙是导致泥沙在最大浑浊区聚集的重要因子,絮凝沉降则加强了泥沙的这种滞留富集趋势.此外,细泥沙补给是最大浑浊区发育的物质基础,并主要控制其浓度和规模.     

长江近口段水动力特征对来水变异的响应

三峡水库的调蓄作用使长江中下游的径流动力发生异变,并诱使长江近口段的潮汐动力发生变化。本文基于长江近口段近20 a的流量和潮位资料,运用水文学、统计学和调和分析的方法研究长江近口段的水动力特征对三峡水库调蓄作用产生的来水变异的响应。研究结果表明:三峡水库的调蓄作用使长江近口段的径流动力发生变化,泄水期1—3月多年月平均流量增幅达20%以上;蓄水期9—11月多年月平均流量减少,10月的多年平均流量减少8 488 m³/s。长江近口段径流动力的变化使潮汐动力发生相应调整,大通-江阴段保证率为10%～70%的高、低潮位显著下降,而保证率为80%～100%的高、低潮位则小幅上升。泄水期1—3月平均潮差和M₂分潮振幅减小,近口段的潮汐动力减弱;蓄水期9—11月平均潮差和M₂分潮振幅增加,尤其是10月份潮差增加最为显著,近口段潮汐作用显著增强。     

长江河口洪水造床作用

据多年实测资料统计 ,长江口年径流总量 92 4 0亿m3,年输沙量 4 .86亿t,洪季的径流量和输沙量分别占全年总量的71.7%和 87.2 %。如遇洪水年 ,当洪峰流量超过 6 0 0 0 0m3 s时 ,中、下游河道水位明显抬高而进入防汛警戒状态 ,河床有明显冲淤变化 ;洪峰流量超过 70 0 0 0m3 s时 ,新生汊道及切滩串沟频频出现 ,给河口治理及深水航道开发带来重要的影响。从长江河口河槽演变基本特征及南港、北槽底沙输移强度引证长江洪水在河口地区的造床作用     

Impact of the eastern water diversion from the south to the north project on the saltwater intrusion in the Changjiang Estuary in China

The south to the north project(WDP) on the saltwater intrusion in the Changjiang Estuary is studied by the improved three-dimensional(3D) numerical model.The net unit width flux in the Changjiang Estuary as well as the sectional salt flux is calculated in the North Branch(NB),the South Branch(SB),the North Channel(NC),the South Channel(SC),the North Passage(NP) and the South Passage(SP),respectively.The net seaward water flux in the SB is reduced,and the net water flux spilling over from the NB to the SB is enhanced after the eastern WDP.Under the mean river discharge condition in the dry season,the net salt flux spilling over from the NB to the SB is increased by 2.09 t/s and 0.52 t/s during the spring and neap tides,respectively,due to the eastern WDP.The saltwater intrusion in the Changjiang Estuary is enhanced by the eastern WDP.Compared with that during the spring tide,the net water diversion ratio during the neap tide in the NC is smaller,and thus the enhancement of the saltwater intrusion by the eastern WDP is smaller in the NC,and larger in the NP and the SP.The tidally averaged surface salinity at the water intakes of the Dongfengxisha Reservoir,the Chenhang Reservoir and the Qingcaosha Reservoir rises both during the spring and neap tides.     

长江河口涨落潮不对称性动力成因分析

长江河口存在着涨落潮流速和历时的不对称现象.本应用长江河口三维数值模式,数值试验定量给出了不同径流量、潮汐和水深下南北支、南北港和南北槽涨潮落潮平均流速和历时,通过横断面涨潮落潮通量必须满足质量守恒观点从动力机制上给出了涨潮落潮流速和历时不对称的成因.     

长江河口下扁担沙水域最长连续不宜取水时间

长江河口已建成陈行水库、青草沙水库和东风西沙水库，提供了约80%的上海用水。但随着社会和经济的发展，用水缺口仍然存在。下扁担沙位于南北港分汊口上游，大潮落潮期间滩涂露出。本文利用研究组长期研发和应用的长江河口盐水入侵三维数值模式，计算在1978-1979年特枯径流量条件下该水域的盐水入侵和连续最长不宜取水时间，了解下扁担沙水域能否作为备用水源地。本文采用2017年2月19日到3月1日北支8个站位的观测资料，结果表明表层和底层盐度模拟值和实测值之间相关系数、均方根误差和技术分数的平均值分别为0.85、1.82和0.82，模式计算盐度和实测值吻合良好，能较好地模拟长江河口盐水入侵。模式计算表明，下扁担沙模式输出点最长连续不宜取水时间为13.79 d，盐水入侵在大潮后期和大潮后中潮主要源自上游北支倒灌，小潮后中潮主要源自下游正面入侵，且前者影响比后者大。能取水时段就出现在小潮后中潮，淡水是南支上游南侧随落潮流平流过来的。下扁担沙水域的最长连续不宜取水时间远比青草沙水库和东风西沙水库的短，表明下扁担沙水域淡水资源远比南支上游和下游水域充足，是个极为优越的备用水源地。     

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。     

长江河口航道拦门沙冲淤变化的数学模拟和预测

本文选用1975—1978年长江口南槽逐月水下地形图以及相应的大通站的流量和含沙量,中浚、横沙和高桥等站的潮位资料,应用数理统计理论和方法,对长江口南槽航道拦门沙的冲淤变化进行数学模拟。结果表明,多元回归数学模式能够客观地反映拦门沙变化的内在规律。且该模式的拟合计算值与实测值基本相符。因此所建模式可以预测三峡工程和上游调水后,因水沙改变而引起的拦门沙的变化趋势。     

基于GOCI影像的长江口及其邻近海域CDOM遥感反演及其日内变化研究

采用静止轨道海洋水色卫星（GOCI）数据对长江口及其邻近海域有色溶解有机物（CDOM）反演。以QAA-CDOM算法为基础,根据实测数据,利用BP神经网络模型来拟合QAA-CDOM算法中需要针对长江口水体进行优化的悬浮颗粒后向散射系数b_bp与吸收系数a_p的关系,从而准确估算CDOM的浓度。结果表明,反演结果准确度较高,平均相对误差为0.35。基于GOCI日内连续成像的优势,选取2014年3月15日8景GOCI影像,利用优化后的QAA-CDOM-BP算法,对长江口及其邻近海域CDOM的日内变化进行反演和分析,得到的变化规律如下:长江口及其邻近海域的CDOM日变化主要受潮流、长江径流等共同影响。长江口内CDOM浓度在涨潮期高于退潮期,由于受长江冲淡水的作用,CDOM从口外往外海区呈现逐渐递减趋势。     

长江口北支强潮河道悬沙运动及输移机制

随着崇明北侧岸滩的自然淤涨和人工圈围,北支河道显著束窄,"喇叭口"顶点位置下移。在新的地形及流域来水来沙变异背景下,作为长江河口的分支强潮汊道,其悬沙运动与输移特点值得探讨。根据2010年4月小潮至大潮连续8 d的半个半月潮水沙观测,结合多年不同河段水沙观测数据得到的含沙量过程曲线显示:整个河道潮流强、含沙量高,含沙量过程曲线呈 "单峰-双峰-单峰"的变化特点;河道悬沙的输移以平流输移和"潮泵输移"为主,以"喇叭口"顶点为界,上游段河道平流输移占主导地位,"潮泵输移"次之;下游段"潮泵输移"占主导,平流输移次之。净输沙总量呈:上段河道向海,下段河道向陆,在"喇叭口"顶点附近存在一个泥沙汇聚的最大浑浊带区域。     

长江口宝钢码头溢油事故油膜漂移扩散数值模拟

溢油事故发生后, 油膜的漂移扩散会对周围水域和环境敏感目标造成污染。研究溢油事故后油膜漂移扩散, 可为溢油事故的处理提供理论指导。本文应用河口海岸三维水动力模式ECOM-si(semi-implicit estuarine, costal and ocean model), 耦合溢油漂移扩散模块, 模拟和分析长江口宝钢码头发生溢油事故后油膜的漂移扩散, 以及对环境敏感保护目标的影响。基于长江口崇明东滩气象站实测风速风向资料, 给出影响溢油漂移的主导风和不利风向。在冬季多年平均1月径流量11700m³·s^-1、主导风、3个不利风和潮汐作用下, 数值模拟并详细给出了宝钢码头溢油事故发生后油膜的平面分布、油膜到达和离开4个水库取水口和饮用水水源保护区以及其他环境敏感保护区的时间、持续影响时间和最大油膜厚度。长江口宝钢码头溢油事故发生后, 油膜随涨落潮流作上下游来回振荡, 径流使油膜向海输运, 风使油膜朝风向方向漂移。在主导风北风5.6m³·s^-1风速下, 油膜沿长江口南岸向下游漂移扩散, 小部分进入北槽南侧。在不利风向东南风4.0m³·s^-1风速下, 油膜西北方向漂移, 聚集于南支北岸, 受径流作用沿南支和北港的中北侧向下游输运。在不利风向西北风4.8m³·s^-1风速下, 西北风减轻了溢油事故点上游和北港、崇明东滩外侧敏感目标的影响, 加重了南港和南槽的环境敏感保护目标的影响。在不利风向西南风3.2m³·s^-1风速下, 大部分油膜在北港中北侧向下游漂移扩散, 小部分油膜聚集在北槽的中北侧。西南风减轻了溢油事故点上游和下游南港、南槽环境敏感目标受到的影响, 加重了对北港和崇明东滩外侧敏感目标的影响。不同风向作用下油膜的分布和对环境敏感保护目标影响显著不同, 风在油膜漂移扩散中起着十分重要的作用。     

长江口南北槽分流口洪季水沙变化过程研究

河口分流口的水沙变化过程是影响河口三角洲发育的核心环节,对下游河势的稳定起着关键性的作用。本文通过对北槽二、三期工程前后的南北槽分流口河段洪季大潮期间的同步水沙观测数据进行分析,以探讨长江口深水航道工程整治对分流口水沙过程的影响。结果表明:(1)北槽二期工程到三期工程后,分流口洪季以落潮优势流、优势沙为主的格局基本没有发生改变,但南槽优势流、优势沙出现略有变大,而北槽略有变小现象;(2)分流口洪季的水体输移主要受控于欧拉余流的变化,除北槽入口段水体净输移量一直较小外,其他河段在二、三期工程实施期间均有大幅提升,其中斯托克斯余流变化不大,拉格朗日余流与欧拉余流变化相一致,南槽呈波动状上升,北槽先增后减;(3)在二期到三期工程期间,北槽分流比明显减小,入口段落潮流速减小,含沙量较高,水体输移量降低,输沙强度减弱,由此导致二期工程以来北槽入口河段淤积强度加重。