基于FVCOM模型的珠江河口及其邻近海域的潮汐模拟

基于FVCOM模型,将珠江河网、河口和口外海区作为整体,建立完全三维数值模式,对珠江河口及其邻近海域的潮汐进行数值模拟.采用23个潮位站的潮汐表水位资料对模式进行验证,结果表明模式能比较准确地重现珠江河口的潮汐变化过程.通过对计算结果进行潮汐调和分析,给出了珠江河口区域及近岸海域8个主要分潮的同潮图,讨论了潮波的传播特征.珠江河口潮汐属于混合潮类型,潮型系数介于0.8—1.5.浅水分潮成分很小,最大振幅不超过5cm.对珠江河口的潮差进行统计,给出了珠江河口大潮和小潮期间的潮差大小及分布,大潮时潮差介于2.2—3.1m,小潮时减小到0.6—1.1m.     

A numerical study on water diversion ratio of the Changjiang (Yangtze) estuary in dry season

We studied the flood, ebb and tidal averaged along (net) water diversion ratio (WDR) during dry season in the Changjiang (Yangtze) estuary, China, along with the effects of northerly wind, river discharge, tide and their interactions on WDR using the improved version of three-dimensional numerical model ECOM. Using data for annual mean wind speed and river discharge during January, we determined that the flood, ebb, net WDR values in the North Branch of the estuary were 3.48%, 1.68%, −4.06% during spring tide, and 4.82%, 2.34%, −2.79% during neap tide, respectively. Negative net WDR values denote the transport of water from the North Branch into the South Branch. Using the same data, the corresponding ratios were 50.09%, 50.92%, 54.97%, and 52.33%, 50.15%, 43.86% in the North Channel and 38.56%, 44.78%, 103.96%, and 36.92%, 43.17%, 60.97% in the North Passage, respectively. When northerly wind speed increased, landward Ekman transport was enhanced in the North Branch, increasing the flood WDR, while the ebb WDR declined and the net WDR exhibited a significant decrease. Similarly, in the North Channel, the flood WDR is increased, the ebb WDR reduced, and the net WDR showed a marked decrease. In the North Passage, the flood WDR also increased while the ebb and net WDR declined. As the river discharge increased, the flood and ebb WDR of the North Branch increased slightly and the net WDR increased markedly. In the North Channel the flood and ebb WDR changed very slightly, while the net WDR declined during spring tides and increased during neap tides. The WDR in the North Passage changed slightly during flood and ebb tides while the net WDR showed a marked increase. The WDR values of different bifurcations and the responses to northerly wind, river discharge, and tide are discussed in comparison with variations in river topography, horizontal wind-induced circulation, and tidal-induced residual current.     

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Ⅲ.盐水入侵

本文应用本系列论文Ⅱ中建立的长江河口水动力和盐水入侵三维数值模式,模拟长江河口20世纪50年代、70年代和2012年盐水入侵,定量分析不同年代河势下盐水入侵状况和变化程度及其原因。在北支,不同年代盐水入侵的变化是由分流比和潮差共同作用造成的。50年代北支盐水入侵较强,70年代大幅下降,中上段出现淡水,2012年盐水入侵极为严重,整个北支被高盐水占据,上段出现强烈的盐度锋面。50年代和2012年,北支盐水倒灌南支,大潮期间远大于小潮期间,2012年远强于50年代,70年代没有北支盐水倒灌南支现象。在南支,50年代、70年代南支大部分为盐度都小于0.45的淡水,在2012年大潮期间由于出现了强烈的北支盐水倒灌,南支上段出现盐度大于0.45的盐水。在南北港,在50年代盐水入侵最严重;大潮期间,北港净分流比南港大21.6%,北港盐度小于南港盐度,外海盐水主要通过南港入侵,出现南港盐水倒灌进入北港的现象。至70年代,南支主流转向南港,南港净分流比增大,比北港大10.4%,南港盐度明显小于北港盐度;南北港盐水入侵较弱。在2012年,南支主流再次转向北港,北港分流比比南港大10.4%,南港的盐水入侵再次强于北港。小潮期间,50年代由于南港分流比相比于大潮时更小,南港盐水上溯距离更远,上段盐度比更大;至70年代,北港分流比减少,盐水入侵减弱;至2012年,由于大潮时期北支倒灌的盐水在小潮期间到达北港,北港净盐通量比大潮时期大。由于潮动力减弱,小潮期间各年代垂向盐度分层更明显,盐水入侵变化与大潮期间一致。     

长江河口青草沙水库盐水入侵来源

应用改进的三维数值模式ECOM-si,从模式计算的盐度和流向的变化过程、涨憩和落憩时刻盐度等值线和淡水区域的变化,分析在一般动力条件下青草沙水库取水口盐水入侵来源。计算结果表明,小潮后中潮、大潮、大潮后中潮和小潮期间北支倒灌占青草沙水库取水口表层盐水入侵比例分别为69.5%、89.3%、98.5%和99.5%,占底层盐水入侵比例分别为34.9%、88.9%、98.5%和99.5%。除了小潮后中潮期间底层盐水入侵来源主要来自下游外海(占65.1%),青草沙水库取水口表层和底层盐水入侵来源主要来自北支盐水倒灌,尤其是大潮后中潮和小潮期间几乎全部来自北支盐水倒灌。     

杭州湾、长江口余流及其物质输运作用的模拟研究I.杭州湾、长江口三维联合模型

根据杭州湾、长江口流场和物质输运的特点,引进正交曲线网格版本ECOM模型,并对斜压梯度力和物质对流扩散的计算作了改进,建立了一个以杭州湾和长江口为整体的三维联合模型,用于潮流、余流和物质输运的计算和研究.     

M2分潮对夏季长江冲淡水扩展影响的数值研究

利用σ坐标系下的斜压浅涨环流模式,研究Ｍ２分潮对夏季长江冲淡不扩展的影响,在“准定常流”作用下,模拟出能反映夏季长江冲水火水扩展的盐度场,并模拟出与黄、东海实测资料相符的Ｍ２分潮。在此基础上,用两种方案讨论Ｍ２分潮对冲淡水的影响。第一种方案,仅考虑Ｍ２分潮,计算它对冲淡水扩展的影响,第二种方案,将Ｍ２分潮和“准定常流”耦合,计算冲淡水的变化,结果表明,Ｍ２分潮对冲淡水扩展有一定影响,其中包括潮混合     

夏季长江冲淡水扩展的数值模拟

建立一个σ坐标系下三维非线性斜压陆架模式,研究夏季径流量、台湾暖流、黄海冷水团、风场对长江冲淡水扩展的影响。数值试验基本再现了夏季长江冲淡水低盐水舌伸向东北的现象和渤、黄、东海的环流结构。长江径流量只影响近口门附近冲淡木朝东南方向扩展势力和整个冲淡水扩展范围的大小。台湾暖流深受底形的影响,流动路径稳定,且不受自身强度的影响,又主流远离长江口,对长江冲淡水扩展的影响不大。黄海冷水团产生的余流在长江口海区阻碍着冲淡水沿岸向南扩展,在远离长江口海区诱导冲淡水向东南运动。总的黄海冷水团的作用是使长江冲淡水低盐水舌伸向东北。黄海冷水团越强,这种作用就越明显。夏季风场在冲淡水转向东北的过程中作用显着。     

无结构网格二维河口海岸水动力数值模式的建立及其应用

为完全拟合河口近海复杂岸线和工程结构以及有效局部加密,设计并建立了一个无结构三角形网格二维河口海岸水动力数值模式。空间离散主要基于有限体积法以保证守恒性,时间积分采用预估修正法以提高精度。水位在三角形网格中心通过连续方程求解;水平x方向和y方向的流速U和V均在网格边中点上通过动量方程求解。流速平流项的求解中采用了TVD格式。TVD流速平流通量为一个一阶迎风格式通量和一个二阶格式通量的组合,一阶格式通量和二阶格式通量根据流速的局部分布情况得出配比,最终组合得到TVD通量。TVD格式具有低耗散和无频散的优点,提高了模式的稳定性。应用实测资料验证建立的模式,结果显示水位、流速和流向的计算值与实测值均符合良好。     

河口大型围垦工程中龙口水动力特点

河口大型围垦工程围区吞吐潮量大,河口滩势条件复杂,龙口位置选择和极值流速确定是工程设计中的关键环节。以两个典型河口大型围垦工程龙口为例,从水动力分析角度提出合理的龙口平面选址和龙口渡汛时因地制宜的结构布置。在青草沙水库工程中,龙口位置的确定充分利用围区原有深槽的过流能力,以保证库区内外及时水交换,并兼顾到围堤实施顺序与工程区整体河势环境相协调,避免口门进出水引起工程河段滩地的大冲大淤,也确保了堤基安全。龙口渡汛需要面临长时间大潮汛过流考验,龙口流速大小决定了龙口结构的保护方案和后期的合龙方案,常规使用的堰流计算方法能较为准确地计算龙口流量和断面平均流速过程,数值模型能对大型龙口流速空间分布情况进行很好的模拟,是常规计算方法的重要补充。计算结果表明口门横向上中心流速大于口门两侧流速,在纵向上底坡内外两侧顶角处水流受重力作用加强,垂向断面收缩,在涨、落急时刻分别形成大流速区,是龙口结构布置时重点抗冲保护区域,需要设置抗冲性较强、自重大且联接牢固的护面材料。此外,同一潮周期内涨急流速通常大于落急流速也是其重要水动力特点。