一维水域潮波运动非线性和底摩擦效应的探讨

一、前言讨论一维潮波运动,特别是对其非线性和底摩擦效应的探讨,所得的结论有助于推广到二维潮波运动的研究,也可以近似地用来说明某些河口的潮汐现象。 Officer,C.B.引述非线性一维潮波动力学方程,根据口门已知一个分潮求解,得出倍潮波。其中没有考虑底摩擦效应,因此未能解释河口的潮波传播的实际问题。Amin,M.在口门取两个分潮作为已知条件求解,在不考虑摩擦项的情况下得出     

珠江口伶仃洋的Kelvin潮波利用二维分析模型和三维数值模拟的研究

伶仃洋的研究是整治珠江口的关键课题之一,也是河口学研究方面极有意义的。其地形复杂:浅滩和深槽互相交替,潮间带在低潮时露出;径流从四个口门流入,洪季和枯季相差几倍;又有大、小潮的变化;除了纵向盐度梯度外,又有横向的盐度梯度。利用分析模型和三维斜压式数值模拟两种方法,认为河口宽度较大因而科氏力起一定作用,加之虎门附近的反射作用,形成具有部分反射的Kelvin潮波系统。斜压作用和漏斗状地形的修正,可以解释主要的水文特征。例如东部潮差较大,水位较低。潮流是往复流,超前于潮波的相位越向南越大,盐度的空间分布是东南较高,时间变化滞后于潮波。含沙量的空间分布是东南较低。揭示出:东部涨潮流大于落潮流,西部则相反,以至形成了海水由东部流入,河水由西部流出的余流循环。这些结果提示:选择航道在东槽较好,东岸排污污染将随余流循环而影响到整个伶仃洋,等等。对经济建设及总体长远规划提供重要的依据。     

长江口潮波传播影响因素探讨

在河口潮波计算假定的基础上,概化长江口崇明岛南侧水域,建立了三种概化模型,探讨影响长江口潮波传播的因素.计算表明,潮波传播是地形、河口平面形状和底摩阻共同作用的结果,河口平面收缩对潮波传播影响最大,其次为河床底摩擦作用,然后是河口断面面积变化.     

一种变截面河口中潮位与潮流相位关系的探讨

根据一维线性潮波方程导出了变截面河口中最大潮流与高潮位之间的相位关系,并对其进行了讨论,其中,河口宽度取为B=B₀e-bx深度h=常数.结果表明,在这种变截河口中纯前进潮波的潮流与潮位之间的相位差取决于不同的h、b和频率σ,可以在0-π/2之间变化,而对这种河口中考虑了反射波效应之后的合成潮波,在靠近外海的相当一段距离内也可能出现潮流和潮位之间的相位差小于π/4的情况,这取决于入射波的潮流与潮位之间的相位差以及反射波的衰减情况.因此,在变截面河口中,仅仅根据潮流与潮位之间的相位差接近于零或者接近于π/2来判定潮波是前进波型还是驻波型是值得商榷的.最后,本文提出了一种判定变截面河口中潮波类型的方案.     

黄茅海河口潮波的传播特征与机理研究

黄茅海位处珠三角的西南,潮波自外海向陆的传播过程中,潮差和潮波性质都发生复杂的变化,对其传播过程及背后机理的研究具有重要的理论和实际意义。采用环境流体动力学(Environmental Fluid Dynamics Code, EFDC)模型,通过不同时段的观测资料对模型进行良好验证后,分析了枯季和洪季时潮波在河口内传播过程中的潮差变化、水位与流速的相位关系的变化情况,探讨了合山水闸的存在以及黄茅海与珠三角河网的相互作用对河口潮波的影响, 结果表明地形变化、摩擦力作用、入射波与反射波的叠加是造成潮波沿程变化的主要原因,合山水闸形成的反射波影响范围可达上百千米,而黄茅海与珠三角河网的相互作用减小了河口的潮差。珠三角的磨刀门河口与伶仃洋—虎门—广州河口的潮波传播表现出与黄茅海河口的不同特征。     

一种变截面河口中非线潮波的的研究

本文采用一维非线性考虑摩擦的流体动力学方程研究变截面河口的非线性潮波、河口宽度呈指数形式变化B=Boe~(-bx),深度h为常数。运用摄动法求解一维非线性流体动力学方程。可以发现解和Airy解是包含在本文解中的两种特殊情况。只要在我们的解中,令b=0,就可以得到前者。若令b=0和f=0(f是线性摩擦系量),则可以得到后者。根据二阶解对变截面河口中非线性潮波的物理机制进行了探讨,指出在线性摩擦系量假定下,河口中浅水分潮波由两部分组成。一部分来自河口以外,是由湾外浅水非线性效应产生的。另一部分则是由浅水非线性效应在湾内产生的。另外,潮余流和余水位与浅水分潮的物理机制并不完全相同。前者由浅水非线性效应、摩擦和河口的变形效应的相互作用产生,而后者主要依赖于浅水非线性效应。最后将本文的非线性模式应用于杭州湾非线性潮波的模拟。共计算了7个分潮(O_1、K_1、M_2、S_2、M_4、S4_、MS_4)。可以发现,运用入射的前进潮波以及它们的相互作用模拟的结果与实测资料吻合良好,从而可以认为杭州湾的潮波基本上是以前进波为主。     

瓯江口及东部海区潮差沿程变化分析

利用瓯江河口及东部近岸海区11个验潮站的实测大潮和小潮潮位过程进行统计,并探讨了潮波由外海向瓯江河口及上游传播过程中潮差的沿程变化。结果表明,受水下地形摩阻、岛屿阻隔及岸线束窄作用,潮波由外海向河口内传播过程中,潮差逐渐减小,且低潮位逐渐抬高;同时,越靠近河口及上游,潮差沿程变化越为显著。     

滦河口段潮波的传播

一、前言潮波从大洋传入内海,潮振幅明显增加。这一潮波再进入河口区段,由于河口的地形不同,潮波的变化有很大的差异,如呈喇叭形状的河口段,由于地形效应,潮波能量逐渐集中,所以进入河口的潮波在传播过程中,振幅逐渐增大。而非喇叭形状的河口区,湖波进入河口段后,由于波能量耗散,湖波在向上游传播过程中,振幅逐渐减小。     

长江河口潮波传播机制及阈值效应分析

河口潮波传播过程受沿程地形(如河宽辐聚、水深变化)及上游径流等诸多因素影响,时空变化复杂。径潮动力非线性相互作用研究有利于揭示河口潮波传播的动力学机制,对河口区水资源高效开发利用具有重要指导意义。本文基于2007—2009年长江河口沿程天生港、江阴、镇江、南京、马鞍山、芜湖的逐日高、低潮位数据及大通站日均流量数据,统计分析不同河段潮波衰减率与余水位坡度随流量的变化特征,结果表明潮波衰减率绝对值与余水位坡度随流量增大并不是单调递增,而是存在一个阈值流量和区域,对应潮波衰减效应的极大值。为揭示这一阈值现象,采用一维水动力解析模型对研究河段的潮波传播过程进行模拟。结果表明,潮波传播的阈值现象主要是由于洪季上游回水作用随流量加强,余水位及水深增大,导致河口辐聚程度减小,而余水位坡度为适应河口形状变化亦有所减小,从而形成相对应的阈值流量和区域。     

河口潮平均准稳态盐度解析模型

为了建立涵盖更多物理机制的河口潮平均盐度解析模型,更好地探究风对盐度纵向分布的影响,本文在MacCready河口潮平均准稳态盐度模型基础上进行了以下改进：在风作用的基础上,通过加入经过盐度分层作用修正的垂向紊动黏性系数垂向结构进行盐度分布的解析。以现有的改进模型计算不同风速风向下Delaware河口的盐水上溯距离、Ri值、紊流边界层厚度和断面盐通量分布的结果可以发现：对于离岸风,当风速增强,上溯距离、Ri值和断面盐通量都是先增大后减小,边界层厚度不断增加;对于向岸风,当风速增强,上溯距离、Ri值和断面盐通量都是不断减小,边界层厚度不断增加。风对河口垂向平均盐度纵向分布的影响主要体现在张力效应和垂向紊动混合两个方面改变离散盐通量大小,从而直接影响盐度纵向分布。     

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。     

杭州湾北部近岸水域水文泥沙特性

本文根据实地水沙测量资料,阐明了杭州湾北部近岸水域的潮波、潮汐、潮流、余流、盐度、含沙量分布和泥沙输移等特性。根据流场状况和潮流作用的强弱,将边滩的冲淤分为三种类型:南汇嘴前沿的强冲型,金汇河口边滩的淤积型,石化厂前沿的缓冲型。     

长江河口盐淡水混合的数值模拟计算

建立了河口三维非线性斜压潮流盐度数学模型，数学模型中的水平压强梯度分为水位梯度的正压项和密度变化的斜压项，以反映河口盐淡水混合中的斜压现象。采用欧拉－拉格朗日法离散潮流运动方程中的对流项和盐度扩散方程，以提高计算稳定性和数值模拟精度，提出盐度边界条件，初始条件以及盐度场计算稳定标准的设置方法，针对长江河口水域的盐淡水混合情况进行模拟计算，结果反映了部分混合型河口盐度分布特征，表明所建立的河口三维非线性斜压潮流盐度数学模型能够较好地模拟长江河口盐淡水混合的时空分布。     

黄河入海径流量与河口沉积物的侵蚀关系

河口地区海水环境变化复杂,岸滩侵蚀严重,入海径流对侵蚀的影响不可忽视.从入海径流量与河口盐度变化的关系入手,主要阐述了海水盐度变化对河口泥沙沉降及泥沙沉降后固结的影响,进而讨论盐度变化对河口沉积物侵蚀的影响,其中,着重对黄河口地区入海径流量与河口沉积物侵蚀的关系进行了探讨;并且概述了黄河口沉积物侵蚀相关的研究情况,指出在黄河三角洲等河口岸滩侵蚀的研究中,可以以盐度等为媒介,把入海径流与沉积物本身联系起来,综合考虑分析岸滩侵蚀机理.     

珠江磨刀门河口潮波振幅梯度与上下游动力边界的关系异变研究

强人类活动目前已经成为河口演变的主要动力。阐明流量驱动下河控型河口潮波传播演变过程及机制,对河口治理及人类活动的影响评价具有重要指导意义。以珠江磨刀门河口为例,研究了径潮动力阶段性演变特征。采用流量驱动的R_TIDE数据驱动模型探究了该区潮波振幅梯度和上下游动力边界(即上游流量和口门振幅)关系的变化规律。结果表明,在强人类活动影响下,各潮位站M₂分潮振幅明显上升(三灶站除外),且具有季节性差异和阶段性变化,灯笼山-马口河段的M₂分潮振幅沿程平均增大约0.07 m,河段潮波振幅梯度平均增大约4.61×10^–6 m^–1。研究潮波振幅梯度与上下游动力边界的阈值的关系表明,阈值效应主要出现在甘竹-马口河段。在强人类活动影响下,潮波振幅梯度阈值增大,相应的流量阈值增大,而振幅阈值基本不变。在达到振幅阈值之前,由于底床摩擦效应,大潮振幅衰减效应大于小潮,而在超过振幅阈值后,地形辐聚效应成为影响潮波振幅梯度变化的主要因素,大潮振幅衰减效应小于小潮。阈值的变化主要与流量、地形、摩擦等多因子耦合作用有关,当地形辐聚效应和底床摩擦效应达到平衡时,潮波振幅梯度与上下游动力边界之间则出现阈值效应。该现象的发现可为河口海岸防灾减灾和水资源管理等实际问题提供重要理论支撑。     

强人类活动驱动下珠江磨刀门河口径潮动力的季节性异变特征

人类活动对河口环境影响巨大,揭示在强人类活动驱动下河口径潮动力非线性相互作用的异变特征,有利于了解人类活动影响河口动力地貌的机制,对河口区水利工程建设及环境保护等具有重要指导意义。基于1960—2016年珠江磨刀门河口沿程潮位站(甘竹、竹银、灯笼山、三灶)的逐月高、低潮位数据及马口水文站的月均流量数据,统计分析了磨刀门河口在强人类活动驱动下月均水位、潮波振幅及其空间梯度(即月均水位坡度和潮波振幅衰减率)的季节性异变特征。结果表明,1990年和2000年为磨刀门河口径潮动力的异变年份, 1990年前为自然演变阶段, 2000年后为恢复调整阶段,1990—2000年为过渡阶段;高强度采砂导致的河床下切使磨刀门河口月均水位及月均水位坡度显著减小,夏季减小幅度最为明显,沿程平均分别减小0.53m和8.93×10^-6;月均水位坡度减小导致潮波衰减效应减弱,进而使沿程潮波振幅增大,多年平均增大0.071m;磨刀门河口径潮动力相互作用具有明显的季节性差异,夏季月均水位坡度随流量增大在上游抬升明显,冬季月均水位坡度在上游显著减小,但在下游略有抬升;随着流量的增大潮波振幅的衰减作用...     

从河口发育过程探讨河海界线

当河口三角洲逐渐向海洋伸展时,必定会对河口附近的海洋进行改造,从而改变口外海滨某些海洋要素,据此可作为河海界线的判断标准,即在常态状况下,某些要素的改变,是否已经改变了口外海滨本来的属性,如果已经改变,应界定为河流,如仍以海洋属性(包括动力、海水理化性质、沉积、地形等)为主,则仍界定为海洋.河口是河流和海洋相互连接的枢纽地带,在这里主要动力有径流(河流属性)、潮汐、海流和波浪(海洋属性)等.在它们的作用下,通过泥沙运移,塑造各种地貌形态,反过来,地貌形态又改变了水动力的属性.从河口地貌学的角度,河口可以分为3部分,即近口段、河口段和口外海滨段.近口段是在原来的口外海滨或河口段,经历三角洲外伸,沙洲并岸,河槽束狭,河槽成型、加深等阶段,逐渐形成的.从近口段的演化过程看出,该段属于河流.口外海滨段虽然受到河流影响,但是其仍然表现为海洋属性,因此,属于海洋无可置疑.河口段介于近口段和口外海滨段之间,该区段受径流和潮流的共同作用而造成自然要素的不连续,这种不连续表现在河口形态,底床形态,潮汐特征,水团(盐度、絮凝体)、浊度及沉积物特性等方面.河口形态的变化比较直观.潮波从外海传入河口口门后,因受到地形的影响而改变,包括潮汐性质、潮差,甚至变形破碎形成涌潮.所以在河海界线上,潮波变形造成的最大潮差、最大流速、乃至潮波破碎形成涌潮的位置具有一定意义.河口段存在最大浊度带,其内界与最大絮凝体位置相当.根据我国现行定义的海陆界线为平均大潮高潮位线,从平面上看河海界线时,沉积相是一个重要指标,即只有出现三角洲平原相时,才说明河口对海洋改造已基本完成.     

冰后期最大海侵以来长江口潮波特性的变化

冰后期最大海侵时,现今长江三角洲地区为一巨大河口湾,研究古长江河口湾及其周围海域的潮波特性,并与现今长江口的进行对比,有助于深入了解长江三角洲形成发育的动力过程。根据冰后期最大海侵时古长江河口湾及其周围海域３５个计算站一个半日潮周期的潮位、潮流过程曲线得知,冰后期最大海侵时古长江河口 及其周围海域的潮波为驻波以及驻波－前进波混合型。此后,丰古长江河口被充填、长江口东进南移,长江口的潮波也逐渐转 变     

潮汐对河口沉积的影响

分析了半月潮周期及潮波变形对河口沉积的影响，结果表明，潮汐在维持河口过程中，稳定和平衡起重要作用。     

长江感潮河段潮波传播变化特征及影响因素分析

径潮相互作用是感潮河段水动力变化的典型特征,受其影响潮波传播具有明显的洪枯季及沿程变化。本文基于长江感潮河段天生港、江阴、镇江、南京、马鞍山及芜湖6个潮位站2002-2014年连续高低潮位资料及大通站月均流量数据,统计分析长江感潮河段潮波振幅衰减率、潮波传播速度及余水位坡度等传播特征值的洪枯季及沿程变化特征,并探讨这些潮波传播特征的变化规律及其主要影响因素。结果表明,潮波传播特征的洪枯季差异自上游至下游逐渐减小,其分界点位于天生港与江阴之间(其中,天生港和江阴站的多年平均洪枯季潮差差值约为0.01 m和-0.04 m);径流动力对潮波衰减的影响主要位于江阴以上河段,江阴以下河段主要受潮汐动力控制;径流驱动下余水位坡度引起的余水位及水深增加,导致潮波传播的有效摩擦减小,当流量超过某个阈值时潮波振幅衰减反而减弱,特别是上游马鞍山-芜湖段最为明显,统计结果表明该河段流量阈值约为33 000 m3/s。本文分析结果作为前人研究的重要补充,可为长江河口感潮河段径潮相互作用机制研究及河口治理等提供基础参考。