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。     

斜向波作用下海底管线周围床沙组成变化

海底管线周围的不平衡输沙影响着海底管线的局部冲刷,进而影响海底管线的安全运营。基于波浪港池实验,考虑规则波的作用,采用中值粒径为0.219 mm的原型沙铺设与波浪传播方向成45°夹角的斜坡,斜坡坡度为1∶15,研究管线局部冲刷坑床沙组成变化情况。实验结果表明:与冲刷深度随时间的发展类似,冲刷宽度随时间的发展也分为初级阶段和次级阶段;管线周围床沙粗化程度最高的地方并不在管线的正下方,而在管线的后下方;周期增加,冲刷坑床沙粗化程度增大;与原始床沙相比,周期较小时,冲刷坑下方床沙细化,周期较大时则粗化,而波高对床沙扰动的影响具有不稳定性。     

海啸波作用下泥沙运动——Ⅰ.岸滩剖面变化分析

在波浪水槽实验的基础上,对海啸波作用下的岸滩剖面演变规律开展研究。实验采用1/10~1/20的组合坡度,考虑3种不同的水深,选取N波作为入射波,同时采用规则波和非规则波进行对比研究。实验对波高、波浪的上爬、回落和水跃过程、每个波作用后的地形进行了测量和记录。研究结果表明,水动力特性的不同造成了N波与规则波和不规则波作用下不同的岸滩剖面演变特点。N波作用下发生了明显的岸滩冲刷和淤积,水流回落时滩肩发生冲刷,高速薄层回流和出渗水流作用是滩肩冲刷的主要原因,离岸区水跃发生水流挟沙力降低,泥沙淤积呈沙坝剖面。     

海啸波作用下泥沙运动——Ⅴ.红树林影响下的岸滩变化

近年来频发的海啸灾害造成巨大损失,而红树林具有很好的减小海啸灾害的作用。实验采用PVC圆管来概化模拟红树林,以无黏性沙堆砌而成1/10~1/20组合坡概化岸滩,选取孤立波模拟海啸波。实验结果表明,红树林的存在对岸滩剖面变化产生了较大影响,适当增加植物分布密度,并优化植物的分布方式,可有效减小海啸波对岸滩的冲刷危害。在本次实验条件下,得到了岸滩冲刷坑尺度、淤积沙坝尺度、最大冲刷深度、最大淤积高度与红树林的分布方式和密度、海啸波波高、泥沙比重和岸滩坡度之间的关系式,揭示了沙质岸滩剖面变化与红树林、海啸波水动力特性、泥沙颗粒、岸滩坡度之间的内在联系,为减小海啸灾害提供科学依据。     

海啸波作用下泥沙运动——Ⅲ. 数学模型的建立与验证

基于Boussinesq方程耦合泥沙运动和地形演变模型,建立海啸作用下泥沙运动数学模型。地形演变模型采用WENO差分格式,并将WENO差分格式与Lax-Wendroff格式和FTBS格式进行对比分析。运用Synolakis、Kobayashi和Young的实验数据分别对水动力模块和地形演变模块进行验证,数值模拟结果与实验数据吻合良好,模型能够很好地模拟海啸波的传播、破碎、上爬、回落过程以及岸滩的冲淤变化过程,该数学模型能够运用到海啸作用下的岸滩演变研究和预测中。     

海啸波作用下泥沙运动——Ⅳ.建筑物局部冲刷

基于波浪水槽实验,以沿海公路为对象,对海啸波作用下建筑物局部冲刷机理开展研究。实验采用1/10与1/20的组合坡度,选取N波作为入射波。实验对波高、波浪的上爬、回落和水跃过程、每个波作用后的地形进行了测量和记录。实验结果表明,N波作用下地形发生冲淤变化,在回落水流所形成的螺旋流作用下,路基向海侧形成明显的冲刷坑。路基所在位置是最主要因素,波高是次要因素,路基深度影响较小。路基位于滩肩侵蚀发生处,则最大冲刷深度相对较大。     

波浪作用下斜坡沙质海床上桩柱周围局部冲刷试验研究

在斜坡上桩柱引起的局部冲刷与平底条件下产生的冲刷存在差异。布置中值粒径为0.320 mm、坡度为1:16的斜坡沙床,开展规则波作用下桩柱周围的局部冲刷试验研究。试验主要考虑小Keulegan-Carpenter数（KC数）条件,探讨了波高、波周期和桩柱位置对局部冲刷的影响,并从最大冲刷深度和冲刷形态两个方面对比分析了斜坡与平底条件局部冲刷的异同。结果表明:斜坡上桩柱位置对局部冲刷有较大影响;在相同的KC数条件下,斜坡沙床上的最大冲深大于平底沙床;斜坡沙床的清水冲刷形态与平底沙床差异较大,而浑水冲刷形态相似。     

孤立波作用下淹没垂直桩柱局部冲刷试验研究

孤立波在近岸地区会引起剧烈的泥沙运动,导致采用淹没式桩基础的近海建筑物周围发生局部冲刷,严重影响近海建筑物的稳定性。采用中值粒径为0.22 mm的均匀沙在波浪水槽中布置平底沙床,在两种不同桩径条件下,对孤立波作用下淹没桩周围的冲刷发展过程进行了记录分析,探讨入射波高及淹没率对局部冲刷的影响,并从冲刷形态方面对比分析了孤立波与单向水流、规则波作用下局部冲刷的异同。结果表明:在相同淹没率条件下,随着入射波高的增大,桩周冲刷形态由双喇叭型向瞬态型冲刷形态发展;在相同入射波高条件下,桩高与桩径比h_c/D位于1～7范围内,淹没率对桩前最大冲刷深度影响不大,而桩后最大冲刷深度随淹没率增大而减小,并给出了淹没因子K_s与淹没率的多项关系曲线;孤立波与单向流作用下的淹没桩周围地形变化相似,而与小周期规则波作用下的地形变化差异较大。对实测数据进行多元回归得到冲刷深度的综合计算公式,经验证该公式计算值与实测值最大误差不超过7%。     

黄河下游河道悬移质泥沙与床沙交换计算研究

在前人研究成果的基础上,根据挟沙水流任一粒径组泥沙在输移过程中质量守恒原理,建立了一维非恒定挟沙水流悬移质泥沙和床沙交换基本方程;通过引入平衡冲淤物粒径的概念,建立了河床处于淤积与冲刷时冲淤物粒径的计算公式,并提出了一套完整的一维非恒定挟沙水流悬移质泥沙和床沙交换计算方法。将该成果引入黄河下游一维扩展泥沙数学模型中,采用黄河下游1977年高含沙洪水与1999年汛后至2002年汛前冲刷系列进行了验证。结果表明,该方法能较好地模拟悬沙与床沙的交换过程,克服分组挟沙力方法的缺陷,使得非均匀沙计算理论上更加完善,应用上更加方便。     

复杂边界作用下三峡水库泥沙淤积特征与趋势

受上游水沙条件和水库调度过程等影响,三峡水库实际淤积过程较为复杂。本文基于一维泥沙数学模型,分析上下游边界条件变化对三峡水库淤积特征的综合影响,建立入库沙量和汛期坝前水位与库区淤积的经验关系,讨论了其贡献及未来淤积趋势。结果表明：上游干支流入库沙量和汛期坝前水位是影响三峡水库淤积的主要因素,其变化均将造成库区淤积重心的偏移,变动回水区下段及常年回水区上段的泥沙分选及冲淤情况受影响最为明显;2013—2020年,干流来沙对三峡库区淤积的贡献减小(由65%减小至42%),支流来沙贡献逐步增大(由32%增大至56%);汛期坝前水位变化对该时段库区淤积较2003—2012年期间的影响已经较小(1.6%～1.8%);当遭遇平常水文年水沙过程,未来三峡水库泥沙淤积量约在0.5亿t/a左右;当遭遇不利洪水组合水文年,尤其是支流发生大规模强降雨使岷江和嘉陵江洪峰流量大于30 000 m³/s时,三峡水库泥沙淤积量约在1.6亿t/a左右。     

用Monte Carlo方法模拟砂土的自然堆积过程

用MonteCarlo随机模拟方法模拟砂土颗粒在重力作用下,在圆柱与长方体容器中的自然堆积过程。首先用参考网格法生成一个砂土颗粒的松散结构,松散结构中粒子与粒子、粒子与边界间不存在任何接触;然后启动MonteCarlo随机模拟算法,即给处于松散结构中的每个粒子施加随机位移,得到新构形,如果新构形中粒子间或粒子与边界间发生重叠,则放弃这个构形;如果没有重叠存在,则判别粒子体系的势能变化,运用Metropolis准则来判别这个构形是否被接受,重复这个过程可以得到砂土的密集堆积结构。采用Schinner建议的接触发现算法判别粒子间是否存在重叠,同时详细介绍了粒子与边界间的接触发现算法。模拟结果表明,用MonteCarlo方法模拟砂土的自然堆积结构是非常有效的,可以为砂土的流动、压实等的数值模拟工作提供初始构形。     

陕北风沙滩地区面向生态的地下水可持续开发方案

陕北风沙滩地区地处干旱半干旱地区,矿产资源丰富,生态环境脆弱。地下水是区域内生产生活用水的主要来源,同时也是控制区内生态环境演化的重要因子。在查明该区域地下水补径排条件与生态环境关系的基础上,应用地下水流数值模拟技术,以地下水开发-生态环境响应-地下水调控为主线,分析了地下水开发方案下的生态环境响应,确定了区域地下水开发的合理阈限,为区域地下水开发利用与生态环境的良性发展提供技术支撑。     

四川盆地白垩纪沙漠石英沙颗粒表面特征

石英具有较大的硬度和较高的化学稳定性，因而其颗粒表面特征能很好地反映沉积环境。而通过扫描电镜研究石英颗粒表面微细特征是分析沉积环境行之有效的方法。虽然多数人认为四川盆地白垩纪地层存在沙漠沉积(打儿凼组和夹关组)，但仍有人对沙漠沉积的存在持怀疑态度，并认为是河流成三角洲沉积。过去关于其沉积环境的判别主要是根据沉积结构和构造，并未对其石英沙颗粒表面特征进行过系统分析。笔者对采自四川盆地白垩系不同层位地层的样品进行了石英沙颗粒表面特征系统分析。结果表明，石英沙颗粒表面特征分析可以成功地将石英沙区分为风成和水成沉积。因此，本文从石英沙颗粒表面特征方面进一步肯定了四川盆地白垩纪古沙漠的存在。     

Spatial and temporal variations of sediment size on a mixed sand and gravel beach

Mixed sand and gravel beaches have been the subject of comparatively few studies in the UK. This paper describes the sediment distribution before, during and after a programme of beach nourishment along a section of mixed sand and gravel beach forming part of the Pevensey Bay Coastal Defences, in East Sussex, UK. The beach was recharged in September 2002, and beach profiles were measured along three cross-shore transects from August 2002 to February 2003. Sediment samples were taken along the transects between August and November 2002, and a total of 147 sediment samples were analysed, 40 before nourishment and 107 after nourishment. The majority of the sediment samples were strongly bimodal, with mean sizes varying between a minimum of 0.18 mm (2.48 ?) for the sand fraction and a maximum of 27 mm (− 4.74 ?) for the gravel. The recharge material was also bimodal but contained more fine sediment than the natural beach material, particularly on the upper beach. The recharge sediment had grain sizes and sorting similar to some of the natural material but lower bimodality parameters than any of the natural sediment. The sediment distributions after recharge contained significantly more fine sediment, particularly on the upper beach. Over time, the beach profile lowered and fine sediment appeared to be selectively transported seawards from the beachface.     

潮滩剖面形态与泥沙分选研究进展

潮滩剖面形态与多组分泥沙分选是海岸动力学与河口、海岸地貌学的重要研究内容,对保持生物多样性、研究沉积历史和沿海工程评估等具有重要的实际意义。从现场观测、理论解析和数值模拟等方面,归纳了在潮滩剖面形态特征与多组分泥沙分选方面研究的主要进展。回顾了潮滩剖面形态分别在潮流和波浪主导下的经典理论解析解,剖析了包括潮流、波浪泥沙来源及特性等主要影响因子以及植被、海平面上升、围垦工程等其他影响因子对潮滩剖面形态水平向、垂向泥沙分选过程的作用机理,同时提出了考虑水动力、生物作用、人类活动等多因子耦合作用下潮滩演变研究以及定量化预测方向的若干亟待解决的科学问题。     

云南西北部丽江—剑川地区古近纪宝相寺组石英砂颗粒表面特征

石英砂具有丰富的颗粒表面特征,是判别沉积环境的重要标志。利用扫描电镜对云南丽江—剑川地区宝相寺组(E2b)的石英砂颗粒表面特征进行了系统分析:下部样品具水成特征,中部样品具风成特征,上部样品则具经水流改造后的风成特征。结合野外观察结果,从宝相寺组石英砂颗粒表面特征的变化规律可以看出,下部为近源洪积环境、中部为风成沙丘环境、上部为湖泊环境。其中中部样品的石英砂磨圆、分选极好,普遍具有标准的碟形、新月形撞击坑和毛玻璃化表面,是典型的沙漠砂沉积。     

云南西北部丽江—剑川地区古近纪宝相寺组石英砂颗粒表面特征

石英砂具有丰富的颗粒表面特征,是判别沉积环境的重要标志。利用扫描电镜对云南丽江—剑川地区宝相寺组（E2b）的石英砂颗粒表面特征进行了系统分析：下部样品具水成特征,中部样品具风成特征,上部样品则具经水流改造后的风成特征。结合野外观察结果,从宝相寺组石英砂颗粒表面特征的变化规律可以看出,下部为近源洪积环境、中部为风成沙丘环境、上部为湖泊环境。其中中部样品的石英砂磨圆、分选极好,普遍具有标准的碟形、新月形撞击坑和毛玻璃化表面,是典型的沙漠砂沉积。     

云南西北部丽江—剑川地区古近纪宝相寺组 石英砂颗粒表面特征

石英砂具有丰富的颗粒表面特征,是判别沉积环境的重要标志。利用扫描电镜对云南丽江—剑川地区宝相寺组(E2b)的石英砂颗粒表面特征进行了系统分析:下部样品具水成特征,中部样品具风成特征,上部样品则具经水流改造后的风成特征。结合野外观察结果,从宝相寺组石英砂颗粒表面特征的变化规律可以看出,下部为近源洪积环境、中部为风成沙丘环境、上部为湖泊环境。其中中部样品的石英砂磨圆、分选极好,普遍具有标准的碟形、新月形撞击坑和毛玻璃化表面,是典型的沙漠砂沉积。     

Numerical simulation of tsunamis — Its present and near future

Hindcasting of a tsunami by numerical simulations is a process of lengthy and complicated deductions, knowing only the final results such as run-up heights and tide records, both of which are possibly biased due to an insufficient number of records and due to hydraulic and mechanical limitation of tide gauges. There are many sources of error. The initial profile, determined with seismic data, can even be different from the actual tsunami profile. The numerical scheme introduces errors. Nonlinearity near and on land requires an appropriate selection of equations. Taking these facts into account, it should be noted that numerical simulations produce satisfactory information for practical use, because the final error is usually within 15% as far as the maximum run-up height is concerned.The state-of-the-art of tsunami numerical simulations is critically summarized from generation to run-up. Problems in the near future are also stated. Fruitful application of computer graphics is suggested.