渤海湾曹妃甸港区开发对水动力泥沙环境的影响

针对渤海湾曹妃甸海域波浪、潮流、泥沙及海床演变特点,应用波流共同作用下二维泥沙数学模型研究港区开发方案。2006年冬季和夏季大、小潮潮流泥沙验证表明,该海域潮位及15条同步垂线流速、流向、含沙量过程的计算值与实测值吻合良好,并进行了矿石码头港池前沿海域在潮流与波浪共同作用下悬沙引起的冲淤验证,计算的冲淤厚度及其分布趋势与实测值比较接近。在此基础上,研究了曹妃甸前岛后陆的港区围垦方案对水动力环境的影响问题,包括该工程引起的曹妃甸甸头以南深槽、老龙沟深槽及各港池的流速变化及底床的冲淤变形等。     

山东半岛东部海域悬浮体分布季节变化及其冬季输送通量研究

山东半岛东部近岸海域流系和水团要素季节变化显著,沉积动力环境特殊,发育有剖面形状独特的泥质沉积体。基于两个年度的夏、冬季山东半岛东部近岸海域水体温度、浊度、悬浮体浓度和海流等调查资料,分析了水团要素分布季节变化特征,并结合研究区域冬季海流和余流分布特征,计算了冬季经山东半岛东部近岸海域向南输送的悬浮体净通量。结果表明:山东半岛东部近岸海域悬浮体分布受沿岸流、黄海冷水团和黄海暖流等流系季节变化的影响存在显著季节变化。夏季,水体垂向层结和黄海冷水团均可抑制悬浮体垂向和东西向扩散。与以往的研究有所不同的是,冬季大量悬浮体可穿越沿岸流与黄海暖流形成的海流切变锋面,进入黄海暖流向北输送,海流切变锋的屏障作用会随着黄海暖流的减弱或东移而削弱。每年冬季经山东半岛东部近岸海域输送的悬浮体占渤海海峡向外海输送的悬浮体年净通量的3.22%~9.10%,冬季的悬浮体输送量较大,占冬季渤海海峡向外海输送的悬浮体年净通量的6.84%~19.38%。     

强弱风浪扰动下太湖的营养盐垂向分布特征

在一次风速12m/s的强风浪过程中及在连续多天弱风浪之后,对太湖梅梁湾一浅水区营养盐、悬浮物等的垂向分布进行了观测和分析。结果表明,在水底沉积物约20cm的情况下,强风浪期间与弱风浪期间相比,湖水中悬浮物浓度提高了10倍,总磷浓度提高了3 6倍。而强风浪期间与弱风浪期间的水体溶解性总磷(DTP)、溶解性活性磷(SRP)的浓度无显著差异。说明尽管强风浪过程引起沉积物大量悬浮,水体悬浮颗粒态营养盐显著增高,但是由于悬浮过程营养盐释放与沉降机制作用十分复杂,活性营养盐的浓度未必能提高。无论强风浪还是弱风浪期间,水体的表层至水土界面上50cm层的悬浮物浓度、营养盐浓度没有明显的分层现象,但明显低于水土界面上50cm内的悬浮物浓度和总磷浓度。无论是强风浪期间还是弱风浪期间,表层到底层水体SRP浓度无显著差异。     

马虎山橡胶坝蓄水区汛期冲淤变化分析

橡胶坝常年天然条件下运行易产生淤积,着重分析马虎山橡胶坝蓄水区在汛期河道来水量相对较大的条件下的冲淤变化规律,得出橡胶坝蓄水区总体呈冲刷趋势,为辽河河道泥沙冲淤变化、橡胶坝淤积防治等基础研究积累资料,结果表明:橡胶坝蓄水区冲淤变化受区间采水量、橡胶坝运行状况、人为因素等方面影响。     

钱塘江河口一维盐度动床预报模型及应用

钱塘江河口为强涌潮、高含沙量、河床冲淤剧烈的河口,其盐度输移时空变化受河床冲淤的反馈影响十分显著。建立了考虑河床冲淤变化的一维盐度动床数学模型,耦合求解水沙运动、河床冲淤及盐度输移过程,数值计算方法采用守恒性较好的有限体积法。验证结果表明:河床冲淤对氯度的影响非常显著,动床模型的结果与实测基本吻合,在长历时盐度预报中采用动床模型是必要的。应用该模型分析了钱塘江河口咸水入侵对上游建库、治江缩窄工程等人类活动的响应,探讨了杭州城市供水水源保证率。结果表明,新安江水库、河口治理缩窄工程对改善河口淡水资源利用、保障杭州市供水安全显著;供水保证率要达95%以上,需采取上游水库泄水调度和新建备用水库等措施。     

1998年三峡坝区水流特性与河道冲淤分析

在三峡工程建设过程中,三峡坝区河段水文泥沙及河床冲淤的变化情况对工程有着至关重要的影响,特别是１９９８年大洪水,使得三峡坝区河床冲淤及水文泥沙等要素的变化非常之大。根据１９９８年三峡坝区的实测资料,对坝区的水流冲淤等情况进行了分析,得出了坝区水流情况和河道冲淤的一般规律,同时也提出了一些值得关注的问题。     

长江口水流挟沙力公式初步研究

本文根据泥沙运动理论和水流能量平衡原理,结合水流对泥沙的作用效果并分析了现有水流挟沙力公式的适用条件,通过实测资料的整理和研究,推导得出长江口水流挟沙力公式.结果表明,河口半潮平均挟沙力应考虑水流对悬移质的输送和对床沙中悬移质的上浮,同时还应考虑河口其它动力因素(如风、波浪等)及其各类动力过程的非线性作用效应对水流挟沙力的贡献.本文提出的公式从泥沙输运及悬浮的角度去分析河口水流挟沙力,从而有利于河口冲淤特性的分析研究.对长江口而言,洪季水流对泥沙的输运作用大于悬浮作用,落淤的可能性大于冲刷;而枯季水流对泥沙的作用则以悬浮为主,冲刷的可能性大于落淤,从另一侧面解释了长江口"洪淤枯冲"的现象.     

风浪扰动引起湖泊磷形态变化的模拟试验研究

为了解一次完整的大风浪过程(包括风浪扰动及扰动后的静风期)水体中各形态磷的变化情况及其影响因素,进行了室内模拟风浪扰动的试验研究。结果显示大风浪扰动初期水体中悬浮物(SS)、总磷(TP)、颗粒态磷(PP)和溶解性总磷(DTP)的浓度大幅增加,扰动持续半天后水体SS、TP、PP的浓度均达到最大值,扰动停止后,至少需要10d时间水体中SS、TP、PP的浓度才能回复到扰动前水平;扰动期间水体DTP浓度居于高值,但风浪停止后立即降低;整个风浪过程水体中溶解性反应磷(SRP)浓度变化不大。试验表明,扰动初期沉积物中Fe、Mn结合态磷能快速释放到水体中,但随着扰动的持续,水体复氧,释放到水体中的溶解性活性磷又能与Fe、Mn结合随悬浮物沉降到水底。扰动期间及随后静置1d时间内,水体中悬浮颗粒物的中值粒径连续下降,意味着悬浮颗粒物对磷的吸附能力在不断增强。但水体静置较长时间后,扰动引起的悬浮物几乎全部沉降,絮凝等作用导致水体颗粒物粒度增大。本研究说明虽然大风浪扰动初期能引起浅水湖泊中颗粒态和溶解态营养盐浓度的迅速提高,能够为水华蓝藻的快速生长提供大量可直接利用或酶解的营养盐,但随着风浪扰动的持续,由于水体复氧、水中颗粒物粒度不断细化、颗粒物中的有机成分比例不断增高等,悬浮颗粒物对活性磷的吸附能力也相应提高,两种作用相互削减使得风浪扰动后期水体活性磷浓度的增幅并不明显。     

黄河泥沙冲淤数学模型研究

应用作者提出的动床阻力、非均匀沙挟沙力、床沙交换调正及滩槽水沙交换等关系与新的不平衡输沙等初步经验关系,建立了黄河下游及水库河床变形计算一维数学模型。经1960年～1988年共28年实测水沙资料的验证计算,结果与实际基本符合。该模型的特点是可预报各种水流及河床边界条件下的动床阻力;可同时计算确定混合沙中各粒径组的推移质、悬移质挟沙力、含沙浓度垂线分布及上滩水流含沙量;能较好地反映浑水上滩淤积减沙使主槽减淤增冲的实际情况;能够基本反映泥沙多来多排及高含沙水流的冲淤特性;能综合反映出来水流量、含沙量及级配的调节变化产生的输沙冲淤差别。应用该模型计算黄河小浪底水库库区及下游河道的冲淤,成果比较合理。     

南黄海悬浮体的垂直分布特性及其指示意义

重点研究了南黄海典型断面的悬浮体垂直分布特性及其指示意义。结果表明:四季南海黄海北部断面悬浮体分布的共同特征是西高东低,冬、春季鲁北沿岸流携带悬浮体向南输运和黄海暖流北上是南黄海与北黄海进行物质交换的重要方式和途径;夏半年南黄海中部断面深水域存在的表层云团状悬浮体高值区或"中层悬浮体最大值"现象与该海域的生物活动具有密切的联系;冬、春季苏北浅滩外侧海域近岸区的悬浮体含量显著高于夏、秋季,且冬半年近岸区的悬浮体具有向外海输运的趋势;长江口东北部断面各季节均存在2个悬浮体高值区,其中位于断面西部近岸海域的高值区与长江冲淡水(夏季)或苏北沿岸水(冬季)的影响有关,位于断面东部深水域处的悬浮体高值区是黄海西部沿岸流物质输运的结果,并与济州岛西南部海域的泥质区总体相对应,黄海与东海的物质交换过程主要通过夏季长江冲淡水东北向扩展与冬半年黄海西部沿岸流南下和黄海暖流北上进行。另外,水体层化和陆架锋也显著影响着南黄海悬浮体的垂直分布状况,锋面是控制夏季悬浮体向外海深水区输运的主要物理机制。     

Tidal and Meteorological Forcing of Suspended Sediment Flux in a Muddy Mesotidal Estuary

Although the supply and fate of suspended sediment is of fundamental importance to the functioning and morphological evolution of muddy estuaries, reliable sediment budgets have been established in only a few cases. Especially for smaller estuaries, inadequate bathymetric surveys and a lack of intertidal sedimentation data often preclude estimation of the sediment budget from morphological change, while instrument-derived residual fluxes typically lie well within the errors associated with measurement of much larger gross tidal transports. Given suitably long-term records of continuously monitored suspended sediment concentration (SSC), however, analysis of the major scales of variation in sediment transport and their relation to hydrodynamic and meteorological forcing permits qualitative testing of hypotheses suggested by directly measured residual fluxes. This paper analyzes data from a 1-year acoustic Doppler profiler deployment in the Blyth estuary, a muddy mesotidal barrier-enclosed system on the UK east coast. Flux calculations indicate a small sediment import equivalent to just 1.5% of the gross flood tide transport. Little confidence can be assigned to either the magnitude or direction of such a small residual when considered in isolation. However, the inference that the sediment regime is finely balanced is qualitatively supported by the close similarity between flood-tide and ebb-tide SSC values. Singular spectrum analysis of the SSC time series shows the expectedly large contributions to the variance in SSC at intratidal and subtidal (semimonthly and monthly) scales but also picks out intermittent variability that is initially attributed to a combination of non-tidal surge and wind stress forcing. Closer examination of the data through cross-correlograms and event-scale analysis indicates that local meteorological forcing is the major factor. Acting through the resuspension of intertidal mudflat sediments at times of strong westerlies, meteorological forcing is directly implicated in episodic sediment export from the estuary. Thresholding of tide-averaged fluxes using a range of critical wind stress values further indicates that ‘tide-dominated’ (i.e., low wind stress) and ‘wave-dominated’ (high wind stress) conditions are associated with sediment import and export. Sediment balance is potentially sensitive to the frequency of high wind stress events, since the associated sediment exports are several times larger than the average import under calm conditions. Intermittent meteorological forcing may thus exert an important control on the sedimentary balance of otherwise tidally dominated muddy estuarine systems, and the role of wind climate should not be overlooked in studies of estuary response to environmental change.     

波流作用下太湖水体悬浮物输运实验及模拟

利用室内外实验和数学模型对波浪和湖流共同作用下太湖水体悬浮物输运过程进行了研究.结果表明:当太湖日平均风速在2~8m/s时,水体悬浮物再悬浮通量与平均风速符合正相关关系;太湖悬浮物沉降属于絮凝沉降.悬浮物浓度较低时,其沉降速率与浓度无明显的相关关系;而浓度较高时,沉降速率随浓度升高而增大.悬浮物浓度和沉降速率符合Logistic函数;将太湖湖流模型和波浪模型耦合,有效地反映了太湖的水动力过程;在太湖悬浮物模型中,引入底泥起悬条件,将底泥的起悬量与沉降量分开处理,有效地模拟了太湖悬浮物的输运过程.模拟结果表明太湖悬浮物沿岸区域受湖流的影响较大,湖心区域受波浪影响较大.     

Fine sediment transport and accumulations at the mouth of the Seine estuary (France)

A comprehensive study of fine sediment transport in the macrotidal Seine estuary has been conducted, including observations of suspended particulate matter (SPM), surficial sediment, and bathymetric data, as well as use of a three dimensional mathematical model. Tide, river regime, wind, and wave forcings are accounted. The simulated turbidity maximum (TM) is described in terms of concentration and location according to tidal amplitude and the discharge of the Seine River. The TM is mainly generated by tidal pumping, but can be concentrated or stretched by the salinity front. The computed deposition patterns depend on the TM location and are seasonally dependent. The agreement with observations is reasonable, although resuspension by waves may be overestimated. Although wave resuspension is likely to increase the TM mass, it generally occurs simultaneously with westerly winds that induce a transverse circulation at the mouth of the estuary and then disperse the suspended material. The resulting effect is an output of material related to wind and wave events, more than to high river discharge. The mass of the computed TM remains stable over 6 months and independent of the river regime, depending mainly on the spring tide amplitude. Computed fluxes at different cross-sections of the lower estuary show the shift to the TM according to the river flow and point out the rapidity of the TM adjustment to any change of river discharge. The time for renewing the TM by riverine particles has been estimated to be one year.     

Sudden Clearing of Estuarine Waters upon Crossing the Threshold from Transport to Supply Regulation of Sediment Transport as an Erodible Sediment Pool is Depleted: San Francisco Bay, 1999

The quantity of suspended sediment in an estuary is regulated either by transport, where energy or time needed to suspend sediment is limiting, or by supply, where the quantity of erodible sediment is limiting. This paper presents a hypothesis that suspended-sediment concentration (SSC) in estuaries can suddenly decrease when the threshold from transport to supply regulation is crossed as an erodible sediment pool is depleted. This study was motivated by a statistically significant 36% step decrease in SSC in San Francisco Bay from water years 1991–1998 to 1999–2007. A quantitative conceptual model of an estuary with an erodible sediment pool and transport or supply regulation of sediment transport is developed. Model results confirm that, if the regulation threshold was crossed in 1999, SSC would decrease rapidly after water year 1999 as observed. Estuaries with a similar history of a depositional sediment pulse followed by erosion may experience sudden clearing.     

莱州湾悬沙输运机制研究

基于2012年实测的潮流、含沙量及表层沉积物数据及资料等,分析了潮流、余流、潮流底应力及底质类型对含沙量变化的影响,并运用物质通量分析方法,探讨了莱州湾悬浮泥沙的输运机制.研究结果表明:研究海域受半日潮控制呈往复流特征,涨、落潮期间近底含沙量与流速及潮流底应力显著相关,存在明显的再悬浮现象,含沙量呈现潮周期变化特征;底质类型与含沙量大小密切相关,细颗粒物质更容易发生悬浮;平流输运与潮泵效应是莱州湾海域的悬沙输运的主要动力因素.     

海啸波作用下泥沙运动——Ⅱ.床沙组成变化分析

在波浪水槽实验的基础上,对海啸波作用下的床沙组成变化规律开展研究。实验采用1/10~1/20的组合坡度,选取N波作为入射波。实验对波高进行采集,对波浪的上爬、回落和水跃过程进行拍摄记录,对每个波作用后的地形进行测量,并对初始和最终的床面顶层泥沙进行采样筛分。实验结果表明,N波作用下泥沙在离岸区水跃发生区域堆积,淤积沙坝泥沙粒径呈粗化趋势。同时采用规则波和非规则波进行对比,波浪作用后形成岸滩也为沙坝剖面,淤积沙坝泥沙粒径呈细化趋势,结果均遵循Çelikoğlu提出的泥沙运动的基本规律,细颗粒泥沙会在强烈的紊动作用下从床面中被筛选出来,并被搬运到低紊动地区,此过程造成了剧烈紊动区泥沙的粗化。     

破碎波作用下沙质海床床面形态变化试验

波浪在斜坡沙质海床上破碎会加剧泥沙输移导致海床形态变化,研究破碎波作用下沙质海床形态变化机制对于岸滩演变分析极为重要。在波浪水槽中采用中值粒径0.47 mm原型沙铺设1∶20坡度的底床模型进行试验研究,测量不同波浪条件下床面形态和沙坝顶端悬浮泥沙浓度变化。通过测量和计算破碎带输沙率、沙坝尺度和沙坝移动速度,分析破碎波作用下沙质斜坡海床上床面形态变化规律。试验结果表明,破碎带沙坝顶端的悬浮泥沙浓度与水深和底部床面密切相关,在形成沙坝和沙坝水平方向移动时,悬浮泥沙浓度较大;斜坡上沙坝前后来回运动的周期大小具有随机性,沙坝既有向岸又有离岸移动;在多组波长时间作用后沙坝尺度趋于稳定,底床净输沙量趋于0。     

渤海表层悬浮泥沙的空间模态及其时间变化

针对整个渤海海域悬浮泥沙分布全貌研究的不足,基于2000-2004年连续5年的354个SeaWiFS反演的渤海表层悬沙浓度资料,经多年月平均得到其季节变化特征;通过经验正交函数分解,给出其空间模态及时间系数,揭示渤海表层悬浮泥沙的空间分布特征及其随时间的变化。渤海表层悬沙浓度除秦皇岛海域外近岸高,离岸低,辽东湾东岸浓度远大于西岸;冬季浓度最高,春秋次之,除河口海域外夏季浓度最低;河口海域冬夏季均为浓度高值区。经验正交分解显示第一空间模态反映渤海悬沙浓度的总体分布特征,其显著变化周期为12个月,显示渤海表层悬沙的季节变化特征。第二空间模态反映黄河入海径流对渤海表层悬沙浓度分布格局的影响, 其周期为6个月,代表黄河口海域悬沙浓度的变化周期。第三模态显示渤海不同海域悬沙浓度的增加或减小过程并不同步,存在明显的位相差异。     

水电开发对河流水沙年内分配的影响分析

以中国西南重要的国际河流澜沧江为研究对象,借鉴"基尼系数"的构建思路,建立了水沙年内分配均匀度计算模型,并通过下游水沙与上游天然水沙和区域降水的关系,建立了河流水沙年内分配均匀度回归还原模型。还原结果与实测对比表明:漫湾、大朝山电站建设以来,澜沧江径流年内分配均匀度年均升高1.14%,变幅在-7.32%~10.81%之间,输沙年内分配均匀度年均降低0.23%,变幅在-18.98%~26.76%之间;漫湾、大朝山电站同时运行期间,澜沧江径流年内分配均匀度年均升高3.90%,输沙年内分配均匀度年均降低0.42%;大朝山水电站建设后,澜沧江径流年内分配均匀度升高而输沙年内分配变化不明显,说明大朝山水电建设后河流水沙关系发生了变化,但变化较小。该成果不仅能为相关研究提供方法借鉴,也为水电开发对澜沧江水沙年内分配影响程度的科学评估提供了新的依据。     

强潮河口区近底部沉积动力过程的高分辨率观测与分析

现场试验表明,三角架观测系统稳定性良好,获取了边界层内多层位、连续的温、盐、流速、浊度同步观测数据,适用于浅海近底部沉积动力过程高分辨率观测及物质输运研究。观测结果显示:观测期间,边界层内存在向陆的余流,并呈现逐渐减小的趋势,其主要由涨、落潮流的不对称造成,大风天气和密度环流亦是影响余流强弱的重要因素;观测期间多数时刻底部切应力大于起动切应力,底质沉积物可产生明显的搬运甚至再悬浮;悬沙浓度对沉积动力的响应在涨、落潮,大、小潮阶段均有各自的特点,水动力的变化、潮流加/减速时间的长短、床面泥沙的供应量、上部水体泥沙的沉降是导致悬沙浓度变化的主要原因;底部边界层内,涨、落潮期间不对称输沙导致潮周期内悬沙净向河口湾内输运。