钱塘江涌潮流速研究

涌潮流速是涌潮的重要特征,一直深受涌潮研究者的关注。21世纪以来,随着声学剖面流速仪的使用,涌潮流速观测有了突破性的进展。本文收集了2003年以来9次钱塘江涌潮流速观测资料,结合理论分析和数值模型计算成果,分析了影响涌潮流速的因素、涌潮流速时空分布规律。结果表明:影响涌潮流速的微观因素主要有涌潮高度和陡度、潮前流速和潮前水深、风速风向等;在涌潮河段,最大流速即为最大涌潮流速,与当地潮差呈良好的正相关关系;在弯道段,涌潮流速在弯道凸岸大于凹岸;涌潮到达后流速从落潮迅速转化为涨潮,没有明显的憇流现象,且涨潮流速过程存在多峰现象;涌潮垂向流速基本上比纵向流速小1个量级,在涌潮时段垂向流速相对较大。     

钱塘江下游建桥对涌潮景观影响的研究

采用实测资料分析、潮浪水槽试验、定床模型试验以及已建桥梁对涌潮影响的现场观测等手段,研究了钱塘江下游尖山河段建桥对涌潮景观的影响。研究结果表明,钱塘江河口的喇叭形河湾和庞大的水下沙坎使潮波能量积聚、潮差增大,水深急剧变浅、潮波剧烈变形是形成钱塘江涌潮的主要原因。影响涌潮的主要因素是潮汐、江道地形和治江围涂工程,而建桥不会影响涌潮产生的条件,但由于桥墩的阻水作用,对桥上游500 m范围内的涌潮形态有所影响;当采用合理的桥台设计方案,即阻水面积较小时,对上游涌潮高度的影响仅3 cm左右,故不会影响涌潮的景观。     

波状涌潮在变化地形上的水动力研究

本文采用非静压单相流模型（NHWAVE）研究了波状涌潮在变化地形上的传播演变特性。通过设置合理的计算工况,系统分析了涌潮高度、潮前水深和斜坡坡度对波状涌潮水动力特性的影响。计算结果表明,涌潮高度和潮前水深对波状涌潮在变化地形上的水动力特性影响显著,不同的地形坡度对波状涌潮水动力特性影响较小。变化地形的存在可导致涌潮高度显著增大,引起沿程最大水位的剧烈变化,并且使涌潮传播速度降低。随涌潮高度的逐渐增加,斜坡前后潮差持续增大,同时表层速度与水深平均速度均呈现增大趋势。当增加潮前水深时,斜坡前后潮差减小,表层速度与水深平均速度单调递减。本文研究成果对于正确认识波状涌潮在变化地形上的传播演变规律有一定的参考意义,为波状涌潮河段涉水建筑物的工程设计及安全评估提供了科学依据。     

钱塘江涌潮对地形变化的响应研究

钱塘江涌潮以汹涌磅礴闻名中外,并对沿江防灾减灾带来巨大挑战,研究涌潮规律具有重要的学术价值和现实意义。采用涌潮数学模型研究钱塘江涌潮在地形变化下潮汐和涌潮特征的变化。结果表明,地形变化对潮汐和涌潮影响显著;随着地形的降低,钱塘江沿程低潮位下降,高潮位总体呈下降趋势,潮差增大,涨潮历时增加;涌潮高度和涌潮最大流速随相对Froude数呈先增后减规律,起潮点上移,涌潮传播速度增大;当地形降低到临界值后,相对Froude数小于1,涌潮消失。研究结论解释了钱塘江丰水地形涌潮大、枯水地形涌潮小的现象。为保护涌潮资源,维持适当的江道容积是必要的。     

堤线调整对九溪涌潮景观影响评价研究

因建设需要,拟对钱塘江九溪岸段堤线进行调整。九溪岸段是钱塘江知名的观潮点之一,涌潮是该河段一个重要的自然景观资源。为减小堤线调整对涌潮景观的影响,建立了基于有限元/有限体积法的SCHISM三维涌潮模型,复演了九溪涌潮现象,提出了观潮区的涌潮高度、涌高明显的岸线长度和涌高明显的区域面积等三个综合评价指标,对堤线调整给涌潮带来的影响做出了评价。该研究对其他工程对钱塘江涌潮景观的影响评价具有借鉴意义。     

不同湍流模式下钱塘江涌潮水流三维模拟

钱塘江涌潮具有动力作用强和流速变化快等特点。涌潮水流紊动复杂,流速的垂向分布和紊动强度息息相关。通过涌潮水流实测资料的分析可以发现,涌潮作用下流速垂向分布在底部和上层存在差异。为研究涌潮作用下流速垂向分布的特征,应用基于非结构网格下有限体积法模型FVCOM对钱塘江涌潮河段水流运动进行三维数值模拟。考虑到涌潮紊动作用复杂且对流速的垂向分布起着重要影响,采用不同的湍流模式对涌潮传播过程中水流的运动特征开展研究。通过与涌潮河段实测资料的验证,复演涌潮到达前后水流运动特征,给出涌潮水流湍动能的变化过程。研究成果有助于深入认识涌潮水流紊动特征和流速的分布规律,为涌潮作用下物质输运的研究提供基础。     

杭州湾跨海大桥对钱塘江河口水流的影响

通过河工模型试验,研究建设在潮汐河口的特大型桥梁——杭州湾跨海大桥对水环境产生的影响。杭州湾跨海大桥河工模型上边界选在老盐仓,下边界定在金山,平面比尺为1000,铅直比尺为100,模拟总水域面积约2200km2;模型运用2000年9月杭州湾实测水下地形及大范围同步水文测验资料进行了验证,其精度较高。在此基础上,结合实测资料分析,运用定床模型试验对杭州湾跨海大桥建成后附近水域流态的变化及对钱塘江涌潮、上游行洪等的影响进行了分析和预测。建桥前后潮位、流速流向、潮流量以及涌潮高度等试验数据的变化表明,杭州湾跨海大桥建成后对钱塘江河口水流的影响主要在桥位近区,对涌潮、上游行洪基本没有影响。     

径流和风对涌潮影响的数值模拟

由于实际江道中地形和江道轮廓等复杂性,难以分析涌潮演变规律。以钱塘江河口为基础,建立了概化河口的水动力数学模型,将复杂问题简单化,通过数学模型计算分析了径流和风况对潮差、涨潮历时、涌潮高度和涌潮传播速度的影响。结果表明,不同河段存在涌潮高度最大值的相应临界流量,越往下游,临界径流量越大;涌潮高度随风向变化规律是"逆风"<"无风"<"顺风";顺风条件下,风速越大,涌潮高度越大。     

FVCOM模型关键参数的处理及其在涌潮模拟中的应用

通过改进海床阻力系数和设置合适的垂向紊动背景系数,应用FVCOM模型成功再现了钱塘江河口强涌潮的演进过程。海床阻力系数采用Manning公式形式,取值随水深、地形在0.000 2~0.002 9之间变化;垂向紊动背景系数取1×10^-4 m²/s。模拟结果较好地复演了涌潮到达时刻、涌潮高度及涌潮抬升过程、涌潮水平流速以及其沿垂向分布规律,表明阻力系数及垂向紊动背景系数等关键参数的改进和处理是合理的,可应用于涌潮三维潮流运动特征模拟。     

强潮河口桥墩涌潮压力试验研究

为明确强潮河口设计条件下涌潮压力特征,以嘉绍大桥工程为背景进行了涌潮压力的动态测试和分析。选取主墩围堰和施工栈桥进行现场观测,分析了涌潮压力分布及其变化的特点。利用经验模态分解法,研究了涌潮压力的时均和脉动特性,建立了涌潮压力及其脉动分量极值与涌潮高度的拟合关系。研究结果表明:涌潮压力变化脉动性强,经验模态分解法能较好地处理这种非平稳时变信号;时均分量反映了局部水位的平均变化趋势,脉动分量反映了涌潮与结构物相互作用时自由水面的紊动情况;从垂向分布上看,压力极值在潮前低水位附近最大,并随着传感器安装高程的增加而减小;从平面分布上看,主墩围堰的迎潮面压力极值最大,背潮面最小;涌潮压力及其脉动分量的极值与涌潮高度满足指数分布规律。     

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。     

钱塘江涌潮二维数值模拟

采用基于准确Riemann解的Godunov格式,求解包括底坡项的二维浅水流动方程,应用WLF(water level-bottom topogra-phy formulation)方法求解Riemann解。经实测涌潮资料验证,较好地模拟了钱塘江涌潮的发生、发展及其衰减的过程,复演了涌潮的相交、反射和一线潮等现象,对钱塘江涌潮宏观规律的认识有所加深。     

超强台风“威马逊”作用下红河三角洲海域水动力环境变化的数值研究

201409号超强台风"威马逊"于2014年7月从北部湾北部过境,对红河三角洲近岸海域的水动力环境产生重要影响。本文基于Delft3D建立三维潮、流、浪耦合数值模型,对红河三角洲水位、海流及波浪对台风的响应变化进行模拟。结果表明:威马逊台风期间,红河三角洲海域风速增大约6倍,风向由偏南风转为偏北风,表底层流速均受影响,其中表层变化较大,表现为北分量流速明显增大,流向变为偏南向,与风向主分量变化有关;波高增大为正常海况的9倍,时间变化与风速一致。本研究获得了从北部湾北部海域过境的台风影响下红河三角洲海域水动力环境的响应变化特征,对该海域的物质输运研究及海洋工程建设有重要意义。     

钱塘江强潮河段江道缩窄治理研究

对钱塘江强潮河段江道缩窄治理进行研究。首先,回顾治理方案的比选,江道全线缩窄时河轴线线路和河道宽度的确定原则,以及不同河段的指数放宽率。然后,介绍了在涌潮汹涌、滩涂淤坍变化剧烈的强潮河段,实施筑堤所采取的工程措施的步序与要点。最后,分析论证了大规模江道缩窄治理后河床、潮汐、洪水位及涌潮高度等特征值的变化。可供进一步深入理论研究和工程施工参考运用。