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。     

Reynolds stress and TKE production in an estuary with a tidal bore

We report new measurements of the turbulent properties of the flow in a tidally energetic estuarine channel of almost uniform cross-section. A high-frequency (1.2 MHz), bottom-mounted Acoustic Doppler Current Profiler (ADCP) has been used to observe the velocity field at a sampling rate of 10 Hz in parallel with measurements of the surface elevation by tide gauges. Our data have been analysed using the Variance Method to determine turbulent kinetic energy (TKE), shear stress and TKE production over the tidal cycle with a time resolution of 60 s. During the highly energetic but brief flood period, when the surface axial velocity reaches 2 m s⁻¹, we observed large values of stress (>2 Pa) and shear production (5 W m⁻³). TKE is also input through the release of energy in the bore itself which results in a brief but intense injection of energy at the bore front with large transient TKE levels (100 J m⁻³). Subsequent input by shear production maintains TKE levels which are generally lower (20 J m⁻³) than the strong peak associated with the bore for the rest of the flood. On the ebb, the flow is relatively tranquil with maximum speeds 0.5 m s⁻¹ and peak TKE production rates of 0.1 W m⁻³.The flow and elevation data have also been used to estimate the energy fluxes into and out of the estuary. Short (1 h), intense energy inputs (8 MW at springs) on the flood flow are largely balanced by longer, less intense seaward energy flow on the ebb. The net energy input is found to be 0.1 MW at springs which is consistent with estimates of upstream dissipation. Peak dissipation in the bore itself may exceed the mean energy input but it is active only for a small fraction of the tidal cycle and its average contribution does not exceed 12% of total dissipation.     

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。     

钱塘江下游建桥对涌潮景观影响的研究

采用实测资料分析、潮浪水槽试验、定床模型试验以及已建桥梁对涌潮影响的现场观测等手段,研究了钱塘江下游尖山河段建桥对涌潮景观的影响。研究结果表明,钱塘江河口的喇叭形河湾和庞大的水下沙坎使潮波能量积聚、潮差增大,水深急剧变浅、潮波剧烈变形是形成钱塘江涌潮的主要原因。影响涌潮的主要因素是潮汐、江道地形和治江围涂工程,而建桥不会影响涌潮产生的条件,但由于桥墩的阻水作用,对桥上游500 m范围内的涌潮形态有所影响;当采用合理的桥台设计方案,即阻水面积较小时,对上游涌潮高度的影响仅3 cm左右,故不会影响涌潮的景观。     

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。     

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。     

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。     

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。     

Internal tidal bore warm fronts and settlement of invertebrates in central Chile

We studied the occurrence of large high frequency temperature fluctuations and their potential association with settlement of intertidal invertebrates during the spring/summer period 1999/2000 at Las Cruces, on the coast of central Chile. Our results showed the existence of internal tidal bores, characterized by sharp drops in water temperature at the surface and near the bottom, and subsequent temperature increases, which occurred with a semidiurnal periodicity. Measured currents support the hypothesis of alternating onshore and offshore movement of warm-water fronts. The frequency of the events varied through the summer and their amplitude seems to be modulated by onshore winds. The strongest events were observed when strong onshore winds occurred in late afternoon hours and the entire water column showed a semidiurnal temperature signal. Highest values of chlorophyll concentration in the intertidal zone and daily settlement of bivalves, gastropods and crustaceans were observed at times when conditions were favorable for occurrence of internal tidal bores. Results suggest that internal tidal bore warm fronts could play an important role in the transport of neustonic larval invertebrates and the delivery of phytoplankton to at least some intertidal sites along the coast of Chile.     

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。     

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。     

象山港潮滩坡度对潮动力影响的数值研究

象山港属于狭长型半封闭港湾,湾内分布有大面积潮滩。多年以来象山港内实施了大量海岸工程及养殖工程,湾内潮滩坡度发生了显著变化。基于非结构网格和有限体积数值模式（FVCOM）建立象山港三维潮动力模型,研究湾内不同区域潮滩坡度变化对象山港潮动力过程的影响机理。结果表明：潮滩坡度下降将增大湾内纳潮量,进而增大M2分潮振幅和迟角,反之则反。铁港潮滩坡度的减小（增大）,将改变底部耗散项,进而增大（减小）M4分潮振幅。由于M2和M4分潮的振幅在湾顶较大,所以湾顶（铁港）潮滩坡度对象山港潮动力过程的影响明显大于侧岸（西沪港）。西沪港潮滩坡度对象山港潮动力过程的影响是局部的。铁港、西沪港潮滩坡度对湾内潮汐不对称、余流及潮能影响显著。铁港潮滩坡度的改变均会减弱湾内落潮占优程度。西沪港区域潮滩坡度的减小将减弱湾内落潮占优趋势,反之则反。铁港和西沪港潮滩坡度的减小,将增大余流大小及潮能密度,进而潮能耗散增大,反之则反。研究结果对河口海岸潮滩区域的工程建设及生态修复有重要参考价值。     

钱塘江涌潮对杭州河段水资源的影响

采用钱塘江潮汐、上游径流与杭州河段江水咸度指标的多元相关方程,分析了钱塘江涌潮对杭州河段水资源的影响。结果表明:钱塘江涌潮对杭州河段江水咸度的影响在下游河段比在上游河段大;钱塘江涌潮强度越强,对杭州河段江水咸度的影响越大。     

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。     

Combined tidal velocity and duration asymmetries as a determinant of water transport and residual flow in Paranaguá Bay estuary

Net transports of water, salt and suspended particulate matter (SPM) for a cross-section in front of the Paranaguá Harbour (Paranaguá Bay, Brazil) are presented for eight distinct tidal cycles. Data include measurements over single spring and neap tidal cycles, during both wet and dry seasons. The main drive forces of circulation and SPM dynamics are identified. Advective transport dominated under moderate to high vertical salinity stratification and weak currents, while mixing processes dominated under well-mixed conditions generated by high currents and low freshwater input. Under partially mixed conditions, both advective and mixing processes were important. The tide-induced residual circulation dictated the magnitude and direction of residual currents and net transports of water and salt, but not of SPM transport. The SPM dynamics was intrinsically related to cyclical processes of erosion, resuspension and deposition driven by tidal currents. The turbulent mixing intensity conditioned the vertical mixing of SPM. Resuspension and vertical mixing were conspicuous in spring cycles, while the horizontal advection preponderated in the neaps. Lags between maximum currents and SPM peak concentrations occurred, with more pronounced hysteresis during ebb periods.     

涌潮沉积揭示长江河口湾全新世最高海面

海面变化对沿海地区的自然环境和社会经济有着重要影响,了解过去海面变化规律可以为预测未来海面上升情景提供参考依据。以长江古河口湾湾顶附近的扬州市昌建广场建筑工地所揭示的自然沉积剖面（CJGC剖面）为研究对象,通过详细调研,在剖面下部发现了保存有海相贝壳的涌潮沉积,为研究全新世最高海面和最大海侵提供了绝佳的地质材料。通过系统的沉积相与光释光（OSL）年代学研究,重建了古河口湾中全新世以来沉积环境的变化过程。结果表明,该地点中全新世以来经历了从陆相→潮滩→河口沙坝→河漫滩的沉积环境变迁,清晰显示了由海侵到海退的变化过程。OSL测年数据表明长江河口全新世最高海面和河口湾湾顶最大海侵出现的年代约为5.6 ka,当时对应的海面高度不低于海拔1.3 m,这一时期的高海面在世界多地均有记录。     

古长江河口湾充填潮流作用机制的初步探讨

长江三角洲的发育是以古长江河日湾的充填来实现的.研究潮汐、潮流在古长江河口湾充填中所起的作用,可深入了解长江三角洲的形成发育过程.建立了渤海、黄海、东海的二维潮流数学模型,数值模拟了冰后期最大海侵,即现今长江三角洲地区为巨大河口湾时的M2潮汐、潮流.在此基础上,计算了古长江河口湾及其周围海域8种粒径泥沙的潮平均悬移与推移输沙率,并根据输沙率散度的正负,划分了海底冲刷区与淤积区.根据计算结果得出,冰后期最大海侵时,存在大致以古长江河口湾湾口中点为腹点、波腹线向海凸起的独特驻潮波波腹区.在其控制下,外海潮流大致以古长江河口湾湾口中点为顶点作辐聚、辐散运动.在古潮流场作用下,经历每一个潮周期后,古长江河口湾周围海域的泥沙均向河口湾内净输运,并在河口湾内淤积.古长江河口湾的充填是在长江带来大量泥沙,外海的潮汐、潮流又有利于泥沙向河口湾内净输运,且在河口湾内沉积的情况下实现的.外海的潮汐、潮流为古长江河口湾的充填、长江三角洲的发育提供了必要而又有利的水动力环境.     

河口往复流中潮流不对称与推移质输沙的关系

潮流不对称现象是近岸潮波运动的基本特征之一,为了研究潮流不对称对推移质泥沙长期净输运的作用机制,首先在往复流情况下对Bagnold推移质输沙率公式(1966)由于不包含起动流速所可能导致的误差进行理论分析,进而由统计学中的"偏度"的概念出发,推导了河口潮流不对称与推移质输沙之间的定量关系。研究认为,虽然Bagnold推移质输沙率公式不包含泥沙起动流速,但是只要泥沙起动流速和最大流速的比值在一定范围内,则在理论上公式的计算误差是可以接受的。由偏度结合Bagnold公式导出了潮流不对称与推移质输沙之间的关系,表明推移质泥沙的长期净输运不仅与余流有关,而且与不同分潮组合之间、余流与分潮之间的相互作用紧密相关。该关系还给出了一个由潮流调和常数估算河口推移质输沙的简便方法。经对比,从潮流不对称出发估算推移质输沙与直接采用推移质输沙率公式结果一致。     

一个潮流不对称计算方法及其在北仑河口的应用

河口近岸海域潮流不对称对于物质输运、地形地貌变化有重要作用,因此研究河口近岸海域潮流不对称具有重要的意义。从统计学角度出发推导了一种潮流不对称的计算方法,并将该方法应用于全日潮类型的北仑河口。研究认为:从三阶原点矩出发推导的计算方法能够合理的量化潮流不对称;潮流不对称的方向由分潮的相对相位决定,不同分潮对潮流不对称的影响大小由其相对振幅和相对相位共同决定;在正规全日潮海区,三阶原点矩即可满足对潮流不对称的计算。北仑河口潮流表现为落潮流速占主导,潮流不对称空间上表现为口门强于外海,浅滩强于深槽。     

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。