海岸河口潮流数值模拟的研究与进展

对海岸河口地区潮流场的数值模拟方法进行了较为系统的归纳总结和评述,对潮流数值模拟的发展趋势进行了分析.     

长江河口潮波时空特征再分析

长江河口的潮波传播受到近岸及河口浅水地形及长江径流的显著影响,表现出很强的时空变化特征。已有相关研究主要关注徐六泾以下的河口段,还缺少对河口系统的潮波特征分析。本文基于大通、南京、徐六泾和牛皮礁4站的年内连续潮位资料,分析了主要天文分潮和浅水分潮的振幅沿程变化、季节变化特征和规律,认识到洪季大径流对江阴以上的近口段潮汐衰减作用显著大于枯季,而河口段的平均潮差有一定的半年周期变化,年内秋季最大。口内高频浅水分潮振幅在河口下段最大,且洪季大于枯季,低频浅水分潮则在河口上游振幅最大,由此反应径流对潮汐改造的非线性作用。这些认识可为水道航运及相关河口研究提供基础认识。最后本文也指出关于长江河口潮汐特征尚需进一步研究的若干问题,以期下一步工作取得相应进展。     

黄河三角洲典型潮汐湿地碳、氮、磷生物地球化学特征

选择位于黄河三角洲的广饶潮汐湿地为研究对象,对比了在不同的植被覆盖和水文条件下潮汐湿地土壤碳、氮、磷元素的垂直分布及生态化学计量学特征。结果表明,在芦苇(Phragmites australis)覆盖下的GRA2区域沉积物总有机碳(TOC)和总氮(TN)含量明显高于碱蓬(Suaeda salsa)覆盖下的GRA1区域。GRA1柱样TOC含量均值为1.798 mg/g,而GRA2柱样则为3.109 mg/g。GRA1柱样的TN含量范围在0.108~0.213 mg/g,均值为0.165 mg/g,而GRA2柱样TN含量范围则为0.307~0.473 mg/g,均值为0.353 mg/g。总体上,总磷(TP)含量的变化水平相对于TOC和TN来说较大,其垂直变异系数较高。而与TOC和TN相反的是,GRA2柱样中TP含量均值为0.298 mg/g,低于GRA1的0.388 mg/g,这可能跟GRA2区域芦苇的生长比碱蓬需要吸收更多的P元素有一定关系。研究区域沉积物C、N、P元素生态化学计量学比值普遍较低。相对较高的C/N值,较低的C/P值和N/P则显示黄河三角洲潮汐湿地的生物地球化学过程可能更多地受营养元素N和P等的限制,而前者可能是主要限制因素。本研究可为滨海湿地对全球碳和氮的储存提供基础数据,为滨海湿地可持续发展的管理和保护提供科学依据。     

基于潮沟定点观测的潮间带水、沙、盐交换研究

为研究潮间带和潮下带的水、沙、盐交换,于2006年6月25~28日（夏季大潮）和2006年12月29日~2007年1月4日（冬季中-大潮和小潮）在长江口九段沙一典型潮沟的固定点利用OBS-3A和ADP-XR进行了水深、浊度、盐度、流速流向剖面和回声强度观测。结果和结论为：（1）夏季大潮、冬季中-大潮、冬季小潮的潮周期垂向平均流速分别为26.5、15.9和8.4 cm/s,夏、冬季观测到的最大流速分别为84 cm/s和35 cm/s。（2）夏季盐度变化范围为0.65~4.91,平均盐度2.14;冬季盐度变化范围为3.5~10.3,中-大潮和小潮平均盐度分别为6.26和7.98。（3）高悬沙浓度出现在涨潮初期和部分落潮末期的低水位阶段;涨潮阶段的平均悬沙浓度是落潮阶段的1.11~7.0倍。（4）涨、落潮阶段的水体和盐输运量大体上趋于平衡;（5）无论是冬夏季或大小潮,潮沟在潮周期内的净输沙方向均指向陆,即落潮输沙量小于涨潮输沙量（平均小40%）;平均每个潮周期的净输沙量为6102 kg,结合潮盆面积推算的潮周期沉积速率为0.0112 mm/tide,或8.2 mm/a。     

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。     

潮优型河口动力对水深变化的响应机制研究——以葡萄牙Guadiana河口为例*

强人类活动(如航道疏浚)和自然气候变化(如海平面上升)对近岸河口环境不同影响的辨识是目前河口海岸学研究的热点和难点问题。在地形概化和动力简化条件下, 解析模型能够快速辨识强人类活动和自然气候变化对河口环境的影响, 它是探讨河口动力过程对外界干扰的响应机制的重要工具。本文基于前人对葡萄牙Guadiana河口不同分潮之间非线性相互作用的研究, 采用一维水动力解析模型探讨河口不同分潮潮波传播过程对水深变化(模拟航道疏浚和河道淤积过程)的响应机制。研究结果表明: 平均水深$\overline{h}$的变化影响无量纲河口地形参数γ和摩擦参数χ, 进一步影响河口动力参数包括潮波振幅参数ζ、流速振幅参数μ、波速参数λ、潮波振幅增大/衰减率参数δ以及流速与水位之间的相位差?等; 平均水深变化对河口中下游段(x=0~60km)的潮汐动力影响较大, 而对河口上游段(x=60~78km)影响较弱; 主要半日分潮(M₂、S₂、N₂)对水深变化的响应略大于全日分潮(K₁、O₁); 航道疏浚幅度小于2m时, 对河口潮汐动力格局影响不大, 而当疏浚幅度大于2m时, 将对河口潮汐动力格局及水环境(如盐水入侵等)产生较大影响; 河道淤积将导致潮汐动力减弱, 流速振幅、潮波振幅及传播速度减小, 流速和水位之间的相位差也减小。     

灌河口潮汐不对称数值模拟研究

建立灌河口平面二维潮流数字模型,并在灌河口口门至陈家港河段沿程布置5个采样点和3个横向断面,通过对各采样点一个月数值模拟结果进行调和分析,得出灌河口M2分潮及其主要倍潮的基本特征,然后利用潮位-流速关系图及通过对动量方程中各项的统计计算,研究了灌河口潮波运动的基本动力平衡、M2的主要倍潮的产生机制及其对潮汐不对称现象的影响。研究认为:灌河口潮汐潮流均属正规半日潮型。M4、M6分潮对于灌河口潮波变形有着重要的影响,M8分潮除在浅滩处外对潮汐不对称的影响很小。在深槽处M4分潮导致最大落(涨)潮流速减小(增大),最大涨(落)潮流速与最高(低)潮位之间的相位差增大。M6分潮的影响与M4基本一致,但其作用明显小于M4分潮。在浅滩处M4分潮导致最大涨落潮流速均大于M2分潮的值,M6和M8分潮使最大涨落潮流速均出现在高潮位附近,但M6、M8使最大涨潮流速减小,而使最大落潮流速增大。外海边界处倍潮波的传入对于口门附近的潮汐不对称有一定影响。M4和M6分潮导致灌河口的潮汐不对称表现为涨潮主导型,潮波运动主要受到压强梯度力、非线性对流和底摩擦力,三者与局地惯性力构成灌河口的基本动力平衡,摩擦力并不是最重要的作用力。     

潮汐河口支流建闸闸下淤积研究

潮汐河口建闸的关键问题是闸下淤积。在潮汐河口支流口门上建闸,其闸下淤积面貌主要取决于干流主槽的位置,这与在潮汐河口干流上建闸的闸下淤积问题有着本质上的差异。以钱塘江河口支流曹娥江口门建闸为例,应用河床演变分析、动床实体模型和现场冲淤试验预测了曹娥江大闸闸下淤积面貌和淤积速率,为曹娥江大闸的建设提供了科学依据。     

Distribution pattern of zooplankton in the han river estuary with respect to tidal cycle

The monthly distribution of zooplankton communities in Han River estuary was investigated at two stations from July 1998 to June 1999. Monthly mean abundance of total zooplankton varied remarkably, with the range from 20 indiv.·m^-3 to 19,600 indiv.·m^-3. During the study period, dominant species of zooplankton community were dinoflagellateNoctiluca scintillans, copepodsParacalanus indicus, Paracaanus crassirostris, Acartia hongi, Acartia ohtsukai, and meroplanton cirriped larvae. According to tidal states, relative high abundance occurred at high tide without regard to season. The temporal distribution of abundance implied that the reduced salinity probably limited the zooplankton populations and the fluctuations of salinity were an important factor in the variation of abundance. However, the results of salinity tolerance test shows that the variations in salinity do not directly influence the decrease of abundance. This study shows that the relatively high abundance of zooplankton near high tide seems to be related with the expansion of abundant zooplankton inhabiting Incheon coastal waters through tidal currents.     

Nutrient limitation of phytoplankton growth in the freshwater tidal zone of a turbid,Mediterranean estuary

Identification of the limiting nutrient(s) is a requirement for the rational management of eutrophication. Here, we present the first experimental analysis of nutrient limitation of phytoplankton growth and its seasonal variation in the Guadiana estuary (SE Portugal-SW Spain). Ten microcosm experiments were performed during 2005 and 2008, using water samples collected in the freshwater tidal zone of the Guadiana estuary. Nitrate, phosphate and silicate were added in a single pulse, alone and in combinations. Experimental treatments were incubated for 4 days under controlled laboratory conditions. Phytoplankton response to nutrient enrichment was evaluated through changes in biomass (Chla), and abundance of specific phytoplankton groups.     

黄茅海内治导线对潮汐要素影响的试验研究

通过物理模型试验 ,研究了黄茅海内不同治导线对潮汐要素的影响 ,得出治导线对河口湾内的潮位变化随着上游径流量的增加而逐渐减弱的结论。中水大潮时 ,湾顶与湾腰处高潮位降低 ,低潮位抬高 ,其幅度与治导线进占的海域面积成正比。洪水大潮时 ,高潮位一般也降低。低潮位则有时降低 ,有时有所抬高。河口湾治导线实施后 ,涨潮最大流速、平均流速和落潮平均流速均有所减小 ,但落潮最大流速不减反增。涨、落潮潮量有不同程度的减少 ,其减幅与治导线的进占规模成正比。各站的高、低潮位发生时间都有前移趋势 ,治导线越往外推 ,潮时前移量就越大。本文对这些现象的成因进行了分析 ,并就潮位、潮流速及潮流量的变化对防洪水位和交通航运水深的影响作了阐述。     

围（填）海工程对厦门湾潮流动力累积影响的初步研究

利用2007年厦门湾岸线和地形,对数学模型的参数进行验证,在验证结果达到规范要求的基础上,对厦门湾5个典型历史时期岸线和地形下的潮流场进行模拟计算,并根据数值模拟结果分析不同期间围（填）海工程对厦门湾潮流动力的累积影响.到2009年,通过嵩鼓断面和厦鼓断面的潮量分别减少了54.9%和24.5%,而通过同安湾湾口断面的潮量减少了23.7%.围（填）海工程对厦门湾湾内流速大小的影响比较明显,厦门西海域和同安湾海域的主要航道及湾口流速变化尤为明显.嵩鼓水道流速减少了40%以上,厦鼓水道流速减少了20%以上.结果表明：由于诸多围（填）海工程建设,致使海域面积大量缩小,进而引起了厦门湾纳潮量显著减少,潮流动力条件明显降低.     

河口潮滩沉积物磷的季节性累积和生物有效性

对长江口潮滩表层沉积生磷的赋存形态和含量的研究表明,碎屑态磷为沉积物中磷的主要形态,约占总磷的62.52%;铁结合态磷和有机磷次之,分别占总磷的18.06%和14.69%;自生磷灰石加钙结合态磷和吸附态磷最少。综合研究区内的各种理化条件,指出弱吸附态磷、铁结合态磷和有机磷是长江口潮滩潜在生物可利用磷,约占总磷的33.16%,是导致水体富营养化的潜在因素。上覆水的盐度效应是影响沉积物铁结合态磷含量的关键性因子;而自生磷灰石加钙结合态磷的含量变化则与上覆水的温度、溶氧量及沉积物有机质的分解有关;有机磷在时间和空间尺度上都存在较大变化,主要与潮滩生物动态过程,即磷的再矿化有关。     

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。     

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。     

Benthic macroinvertebrates' vertical distribution in the Tagus estuary (Portugal): The influence of tidal cycle

In this work we evaluated the vertical distribution pattern of benthic infauna during the tidal cycle at one of the most important mudflats of the Tagus estuary. Samples were collected hourly during 24 h periods at four complete tidal cycles, using a corer specifically designed for the study purpose that allowed easy and effective separation of 15 different sediment layers. A particular case of general linear models, the hurdle model, was used to analyse data sets. We found that different species have different distribution and abundance according to sediment layers. Results showed that individuals tend to go deeper into sediment with a lower water column height and that these migrations are more visible during spring tides.     

泥质河口闸下冲淤特性及冲淤量的分析预报

通过泥质河口建闸工程闸下淤积特性的分析研究表明,闸下河段淤积的条件是涨潮流带入河段的泥沙数量大于落潮流从河段内带走的泥沙数量。其水动力原因是径流量减小和潮波变形。在此基础上提出了建闸工程和建闸与双导堤相结合闸下淤积和冲刷的分析预报方法,这些冲淤分析预报方法得到了相关工程的实测资料及浑水动床物模试验结果的验证。     

Tidal time-scale variation in nutrient flux across the sediment–water interface of an estuarine tidal flat

We determined the range of the tidal variations in nutrient flux across the sediment–water interface and elucidated mechanisms of the flux variation in two estuarine intertidal flats (one sand, one mud) in northeastern Japan. Nutrient flux was measured using in situ light and dark chambers, which were incubated for 2 h, 2–6 times per day. Results showed that nutrient concentration in overlying water varied by tide and was also affected by sewage-treated water inflow. The nutrient fluxes responded quickly to the tidal variation in overlying water chemistry and the range of the variation in flux was as large as the seasonal-scale variation reported in previous studies. In the sand flat, salinity increase likely enhanced benthos respiration and led to increases in both O₂ consumption and PO₄³⁻ regeneration under low illumination, while benthic microalgae were likely to actively generate O₂, uptake PO₄³⁻ and suppress PO₄³⁻ release under high illumination (>900 μmol photons m⁻² s⁻¹). Also in the mud flat, PO₄³⁻ flux was related with O₂ flux, although the range of temporal variation in PO₄³⁻ flux was small. In both the flats, NH₄⁺ flux was always governed by NH₄⁺ concentration in the overlying water; either an increase in NH₄⁺ uptake or a decrease in NH₄⁺ release was observed as the NH₄⁺ concentration rose due to inflow of river water or input of sewage-treated water. Although NO₃⁻ tended to be released in both tidal flats when low NO₃⁻ concentration seawater dominated, their relationship was likely to be weakened under conditions of low oxygen consumption and suppressed denitrification. It is likely that tidal variation in nutrient flux is governed more by the nutrient concentration than other factors, such as benthic biological processes, particularly in the case where nutrient concentration in the overlying water is relatively high and with wide amplitude.     

渤海夏季实测潮流特征

对渤海内11个测站的夏季潮流资料进行调和分析。对不同仪器、不同时间段潮流资料的分析结果进行比较,并通过潮流调和常数进一步计算潮流椭圆要素,据此分析分潮流最大流速的垂直分布,渤海全日潮和半日潮的潮流旋转方向和潮流性质。