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。     

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。     

台风对钱塘江涌潮影响研究

钱塘江年最大涌潮几乎都发生在台风期间。基于实测潮汐资料,结合天文潮调和分析,研究台风对钱塘江河口涌潮起潮点下游河段潮汐的影响,探讨因潮汐变化间接引起的钱塘江涌潮变化。结果表明:台风引起低潮位、潮差、潮到时间、涨潮历时等变化,间接影响涌潮,造成涌潮高度、陡度、传播速度、到达时间和涌潮流速等变化。总体而言,台风期间盐官涌潮高度平均增大0.18 m,到达时间平均提早37 min;澉浦至盐官段涌潮传播速度平均增大8.9%,陡度变陡,流速有增有减,但单宽流量增大。     

强潮河口三维无结构网格盐度数学模型

采用平面无结构网格和垂向直接分层,建立了强潮河口盐度三维斜压力数学模型。无结构网格使模型能够适应河口复杂的边界,并可以根据需要进行局部加密。Casulli的半隐式法离散模型水位梯度和垂项紊动扩散项,克服了水位梯度和垂项紊动扩散对模型稳定性的影响,Semi-Lagrangian法用于模型对流项的离散,使模型具有"无条件"稳定性。采用水池风生流和盐度异重流算例检验了模型,并应用模型模拟了强潮河口(瓯江口)的潮流盐度运动,计算和实测结果进行比较,表明该模型是准确、可靠的。     

基于FVCOM模式钱塘江河口涌潮三维数值模拟研究

应用FVCOM模型进行钱塘江涌潮的二维和三维数值模拟,并使用2007年10月大潮期间的现场观测结果进行模型验证。结果表明,平面二维模拟结果与实测值吻合较好,与基于Godunov算法求解钱塘江涌潮二维特征的结果基本一致。三维计算结果再现了流速在垂向上的差异,以及在落潮转向涨潮时刻,涨潮先从底部开始,垂向上从底层向表层逐步从落潮流转为涨潮流。敏感性分析显示模型网格大小和曼宁系数的选取对模拟结果有较大的影响。     

涌潮冲击丁坝的数值计算

鉴于钱塘江涌潮水流复杂多变和带有自由表面的情况,采用VOF方法追踪自由表面,考虑各向异性,用修正的K吨模型封闭Reynolds方程,用施主一受主法求解流体体积函数控制方程,计算了涌潮冲击丁坝时的压力场和自由面状况,并与现场实测值进行了比较,取得了良好的效果,为涌潮的小尺度数值模拟提供了借鉴的经验。     

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。     

天然感潮河道水流紊动特性分析

采用多谱勒三相流速仪，在长江口徐六泾水文观测断面分别进行了涨潮、落潮时中泓与近岸垂线的流速观测，根据这些观测资料，对天然感潮河段潮流紊动的周期、频率、概率密度函数等进行了定量的数学描述，并对时均流速、紊动强度、雷诺应力等沿垂线分布进行了分析计算。     

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。     

Undular tidal bore dynamics in the Daly Estuary, Northern Australia

Measurements in the macro-tidal Daly Estuary show that the presence of an undular tidal bore contributed negligibly to the dissipation of tidal energy. No recirculation bubble was observed between a trough and the following wave crest in the lee waves following the undular bore. This differs to stationary undular bores in laboratory experiments at larger Froude numbers where a recirculation bubble exists. Secondary motions and the turbulence generated by the undular bore had no measurable influence on the sediment transport. This situation contrasts with the intense sediment resuspension observed in breaking tidal bores. The tidally averaged sediment budget in the Daly Estuary was controlled by the asymmetry of tidal currents. The undular bore may widen the river by breaking along the banks that it undercuts, leading to bank slippage. A patch of river-wide macro-turbulence of 3-min duration occurred about 20 min after the passage of the bore during accelerating tidal currents.     

涌潮水沙动力过程现场观测研究进展

涌潮是潮波传播过程中产生的一种自然现象,是潮波非线性畸变的结果。涌潮有波状和破碎形态之分,波状涌潮是一系列平行向前传播的涌波构成的波列,破碎涌潮则是前锋陡立向前推进的水滚。基于国内外涌潮水沙动力过程现场观测的主要成果,从形成机理出发,归纳涌潮生成的必要条件,剖析潮波运动非线性和摩擦效应对涌潮生成的影响;针对典型的波状和破碎涌潮,总结潮头的自由表面特征参数、流动结构和传播演化特征;回顾涌潮局部湍流和混合过程、泥沙输运和沉积的研究进展,评述涌潮脉冲过程对河口生态环境的影响。涌潮的周期性传播引起自然系统的大规模混合,对潮汐河口区域的生态环境平衡具有重要意义。涌潮现象的研究推动潮汐学的发展,现场观测是涌潮研究的基础。随着仪器设备和分析手段的进步,涌潮多尺度生成与演化机制、涌潮多物理过程耦合作用机理和涌潮脉冲过程的生态效应定量评价是今后需要深入研究的问题。     

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。     

江苏近海潮流湍流切应力研究

潮流的流速分布和湍流切应力的分布密切相关。为了研究潮流湍流切应力的特征和变化规律,本文从潮流运动方程推导出随潮流呈周期性变化的湍流切应力随深度的分布表达式。从江苏近海现场实测流速剖面中计算得到一个潮周期内的湍流切应力的变化过程。通过将实测值与本文理论解的比较发现,计算值能很好地反映出实测值的变化特征,尤其是能正确地反映潮流在加速和减速过程中,湍流切应力偏离线性分布呈现上凹和下凹的现象,以及只有在加减速转换的时候切应力才呈现线性分布的特点。最后,通过分析湍流切应力振幅及相位沿水深的变化情况,认为反映潮流周期、涡粘性和水深之间关系的参数Ri是决定湍流切应力弯曲程度及分布形态的重要参数。对于近海潮流,水深是影响湍流切应力偏离线性程度的主要因素。     

河口变形效应与涌潮的形成

作者采用非线性潮波方程,假定河口的宽度B(x)和深度h(x)是任意可微函数,导出了涌潮发生的条件,并讨论了各种变形情况下涌潮的形成。得出结论是,在涌潮形成过程中起决定作用的是浅水非线性效应,而河口变形效应则是起促进作用的。     

Field Test and Numerical Simulation of Tidal Bore Pressures on Sheet-Pile Groin in Qiantang River

A field test of bore pressures on a sheet-pile groin in the Qiantang River was carried out to investigate the characteristics of tidal bore pressures in which temporal and spatial distributions of bore pressures on the sheet-pile groin were obtained through the test. The standard turbulence model was used to simulate the propagation of the tidal bore over a sheet-pile groin with the free surface tracked by the volume of fluid (VOF) method. With the simulated bore pressure over the sheet-pile groin, a finite difference method was used to simulate the dynamic response of the sheet-pile groin subjected to bore pressures. Good agreement between the field test and the simulated results validated the present numerical method. It was found that the bore pressures on the sheet-pile groin varied linearly in the vertical direction and obtained maximum value at the still water level. Bore pressures below the still water level decreased slightly with the depth and were characterized by a trapezoidal distribution.     

The study on a new technology of waterway information system

It is a lot limitations to survey and design waterway by the CAD technique,due to timely variation of hydrology and ecology in the complicated estuary area,such as Changjing River estuary.In this paper,the advantages of GIS technique is applied to manage and process the multi kind,multi scale and multi time hydrographic parameters,including water depth,current velocity,tidal,waves,wind speed,temperature and salinity etc.,also to deal with different projection,different scale charts.Meanwhile,in the paper,combination techniques of GIS and CAD has been developed for unification of the charts for efficient management,two-way automatic carts conversion between GIS and CAD,automatic cutting and assemble of a number of Charts,flight path of the projection of spatial data and coordinate transformation.This new technique has been applied to survey and design waterway of Changing River estuary.The result shows that the combination technology of GIS and CAD has application potentiality in the waterway survey and design.     

Numerical simulation of tidal bores and hydraulic jumps

An implicit finite difference formulation of the nonlinear shallow water equations is developed to allow for the treatment of tidal bores and hydraulic jumps. Five different schemes are investigated involving upwind treatment of convective terms, central differences combined with dissipative interface, forward time-centering and various combinations of these techniques. The schemes are analyzed with respect to their effective amplification portraits, and they are tested on periodic bores, uniform bores and steady hydraulic jumps. In this connection the model results are verified against analytical solutions and a numerical solution obtained with a Godunov Riemann solver. Scheme 4, which combines forward time centering and dissipative interface, is found to be superior to the others and it is applicable for Courant numbers within the range 0.25 to 1.5. This scheme is applied to a case study of the tidal bore in Huangzhou Bay and Qiantang River. The model results are shown to be in very good agreement with field data.     

黄河口潮滩泥沙絮凝研究

本文基于现场观测的絮团粒径、悬沙浓度及水动力数据,研究了黄河口南部潮滩泥沙絮凝特征。研究发现,黄河口潮滩絮团粒径在25.42～264.44μm之间,平均为95.20μm。水体紊动对黄河口潮滩絮凝的影响存在差异,紊动对絮凝促进作用的上限约为G_l=3.76 s^-1。紊动强度低于G_l时,紊动促进泥沙絮凝,絮团粒径随紊动加强而增大;反之水体紊动对絮凝主要起抑制作用,絮团粒径随紊动强度增大而减小。悬沙浓度对黄河口潮滩泥沙絮凝起抑制作用,同等紊动条件下高悬沙浓度对应的絮团粒径更小。黄河口潮滩絮团有效密度与粒径呈现负相关关系,沉速主要受粒径影响。本研究补充了对弱潮河口潮滩泥沙絮凝特性的认识。