夏季黄河入海泥沙的数值模拟研究

掌握黄河入海泥沙输运、沉积的规律可以为渤海沿岸经济发展的规划及环境保护管理提供理论参考。本文基于FVCOM(Finite-Volume Community Ocean Model)建立了三维水动力、泥沙耦合数值模式,利用实测水位、海流和悬沙资料,对模式进行了检验,模拟结果与观测符合较好。利用该模式研究了2007年夏季丰水丰沙期黄河入海泥沙的输运过程,并对渤海悬沙空间分布特征进行数值模拟。模式较好地再现了夏季黄河口入海泥沙的空间分布特征及底部冲淤状况。结合黄河口附近的潮流和余流特征,对悬沙分布特征和底部冲淤结果进行了分析,结果表明:黄河入海泥沙随余流向南和东南方向输运到莱州湾,在莱州湾中部向外海扩散,很可能沿东北方向进入渤海中部。在这个输运过程中,莱州湾表现为入海泥沙向外海扩散的通道。     

调水调沙影响下黄河口泥沙异重流过程

利用黄河干流大型水库进行调水调沙,在短期内将大量沉积物快速输送入海,是河口泥沙异重流触发的重要窗口期。根据2010年调水调沙期间黄河口沉积动力现场观测资料,建立覆盖整个渤海海域的ROMS数学模型,以黄河利津站逐日水沙数据和海域潮汐、风场数据作为模型驱动条件,模拟调水调沙期间的河口泥沙异重流发育过程。模拟结果显示,在没有大风扰动的情况下,河流入海悬沙浓度>29.0 kg/m3时会在河口产生高密度泥沙异重流。黄河冲淡水携带大量悬浮物从河口流出后,与海水迅速混合,在潮流影响下,冲淡水舌随时间由西北向东南偏转,输运至莱州湾西侧。淡水和沉积物主要以表层羽状流和底层异重流形式输运：表层羽状流扩展范围较大,输运路径为河口西北方向—远岸（河口东北区域）—莱州湾西侧;底层异重流扩散范围较小,输运路径为河口西北方向—河口沿岸（东）—莱州湾西侧。河口泥沙异重流生消和水体垂向结构存在周期性变化特征：落潮时段异重流发育较好,水体层化增强;涨潮时段异重流逐渐消亡,水体混合增强。估算出黄河口清水沟清8叉流路主泓区内水体由河口径流、潮汐应变和潮汐搅动引起的势能变化率,其中潮汐应变和潮汐搅动起主导作用,比河口径流引起的势能变化率高出2～3个数量级（102～103）。     

2005年黄河调水调沙期间入海泥沙扩散研究

针对黄河调水调沙试验开始前,黄河入海水沙通量非常少,调水调沙试验开始后,入海径流量和泥沙量增加近10倍的情况。通过2005年黄河调水调沙入海泥沙扩散的数值模拟,并结合收集到的黄河口卫星航片解译结果,研究结果表明,调水调沙实验开始后黄河入海水沙量急剧增加,由于地形及射流效应,入海水沙出河口后形成E和SE方向为主扩散的泥沙流,但其扩散范围有限,呈现以河口为中心的扇形分布格局,最大影响距离约20km×40km。风作为悬浮泥沙扩散的驱动力,成为泥沙扩散运动方向和大小的重要决定性因子。     

黄河清水沟流路稳定性分析

根据１９８９年５月和８月枯、洪水两个季节黄河拦门沙区及河口海区地质和水文调查资料，结合黄河利津水文站近几年的径流量和输沙量变化，对黄河清水沟流路稳定性及其影响因素进行综合分析研究。结果表明，近年来黄河来沙量渐少是清水沟流路稳定的重要因素之一，随着河口向南转向海动力作用较弱的莱州湾，海水沿河上溯力逐渐减弱，河流泥沙得以更顺利入海，并在口门外沉积；现流路河口海域的水动力作用虽然较弱，但涨，落潮流的分布     

黄河调水调沙影响下河口入海泥沙扩散及沉积效应

基于2013年黄河调水调沙期间四条断面连续25h的温度、盐度、含沙量资料,分析了黄河调水调沙影响下河口入海水沙的扩散的范围。结合2010年调水调沙期间(7月)和调水调沙前后(5、9月)黄河口底质沉积物粒度的变化特征,探讨了黄河调水调沙工程对黄河输沙的影响以及河口沉积效应。结果表明:调水调沙期间,入海泥沙以粗颗粒为主,快速沉积在河口口门附近,扩散范围有限,而河口冲淡水则能够扩散至离岸较远的距离,入海水沙扩散范围不一致。黄河口沿岸悬浮泥沙主要向东北及偏东北方向扩散,最大通量可达2000kg/cm/s,但在距离河口10km以外区域通量锐减。黄河调水调沙期间,入海沉积物源由调水调沙前期粗颗粒的河床沉积物转变为后期小浪底水库排放的细颗粒沉积物,沉积物在河口附近快速堆积,导致河口区沉积环境短期内急剧改变。     

黄河三角洲海岸及滨海区演变与河口流路、入海水沙的关系

黄河自1855年夺大清河道入渤海的140多年来，除1938年以前部分时段在河口段以上改道使现三角洲河竭和1938～1947年花园口人为决口夺淮入海外，其余100多年均在现三角洲上行河入海。由于黄河每年都携带巨量泥沙进入河口地区，并且在三角洲面上决口、分汊、改道频繁，使三角洲演变剧烈，海岸变化复杂。黄河输往河口地区的泥沙除一部分淤积在河口附近河道外，其余部分进入河口滨海区，其中大部分快速落淤在河口附近的近岸海域．还有一部分被海洋动力输往较远的海域。因此．黄河三角洲海岸演变与河口流路的变化和入海水沙的变化关系密切。     

基于遥感反演的莱州湾悬沙分布及其沉积动力分析

选用1986-2004年不同时期的LandsatTM/ETM+影像,利用2004年黄河口附近实测数据推导的表层悬浮泥沙浓度反演模型,结合水文气象资料、多年水深数据和极端天气数模结果,研究了莱州湾西南近岸海域表层悬浮泥沙分布特征,结果表明,受黄河丰枯水期的影响,莱州湾西南部海域悬浮泥沙高浓度区主要分布于黄河口附近海域和西南沿岸,其枯水期的覆盖范围一般大于丰水期的。受潮流高流速场控制,黄河口外悬沙浓度高值区与海底泥沙堆积区对应较好,泥沙主要来源于陆源输沙和泥沙再悬浮;在西南近岸浅海区悬沙浓度高值区主要形成于泥沙的再悬浮,在近岸出现轻微冲刷。风等其他海洋动力因素,一般情况下对悬浮泥沙扩散的程度和范围具有一定的影响作用,但悬沙受潮流场影响而形成的总体扩散趋势未发生改变;极端条件下,风暴潮流使莱州湾西南部近岸浅海区的悬浮泥沙浓度显著增加。     

黄河入海径流对河口海域盐度影响研究

为研究黄河入海径流变化条件下河口附近海域盐度扩散特征,以更好地保护河口海域生物资源多样性,本文以黄河下游利津水文站的长序列实测径流数据资料为基础,利用近海水动力模型FVCOM,分析径流变化对黄河口海域盐度的影响规律。结果表明：黄河口与莱州湾之间存在顺时针的环流系统,在余流作用以及涨落潮方向的影响下,黄河冲淡水长期向莱州湾扩散;丰水期黄河冲淡水几乎影响了整个莱州湾,27盐度锋可以到达莱州湾中部,27等盐线的表层包络面积为2 665.61 km²,占莱州湾的1/4左右,枯水期低盐度水只有向南扩散的趋势,27以下的低盐度水集中分布在黄河口门附近,27等盐线的表层包络面积只有199.65 km²;5月份,随着入海径流量增加,27等盐线扩散的范围、距离、方向都会发生明显变化。在对近海生物资源有迫切保护需求的情景下,适当减少其他用水户供水量以增加入海生态径流量,可以有效改善黄河口海域附近的盐度情况,为生物资源的生长繁殖创造良好条件。     

黄河入海泥沙在渤海中悬移输送季节变化的数值研究

利用实际的风场和地形等条件,基于一个浪流耦合模型提供的动力场驱动一个悬沙输送模型,研究黄河入海泥沙在渤海中悬浮输运的季节变化特征.通过数值计算发现,69%的黄河入海泥沙最终滞留在滨海区,输往外海的泥沙占入海泥沙总量的31%,尚有4%的泥沙通过渤海海峡输往北黄海.因此,黄河口附近的悬沙含量非常高(≥1kg/m3),且其季节变化主要受到入海水沙通量多寡的影响,丰水丰沙的夏秋季最高.除黄河口外,渤海其他海域海水中悬浮体含量的平面分布具有明显的地区性和季节性,其基本趋势是悬浮体含量随离岸距离的增加而减少,且其季节变化主要受风场时变控制.数值计算得到的悬沙输运年平均结构显示:黄河入海泥沙部分输向渤海湾南岸;而大部分泥沙向东南输向莱州湾,大量泥沙并不在此沉积,继而向东北方向输运,莱州湾只是一个向外输沙的通道.泥沙输运通量的结构与海底冲淤之间有良好的对应关系,最具典型代表性的是黄河口南北两侧涡状通量以及与之对应的泥质沉积区.     

夏季黄河入海径流对黄河口及附近海域环流影响的数值研究

基于区域海洋模式ROMS,建立了一个三维非线性斜压浅海模式,考虑了包括径流、风场、海面热交换以及黄渤海环流等因素,研究了夏季8月份黄河入海径流量对黄河口及附近海域环流结构的影响。数值实验较好地佐证了黄河冲淡水的"北偏"现象,并很好的体现了冲淡水对河口附近海域环流结构的影响。数值研究表明:黄河入海径流量对河口附近海域环流结构有显著影响,径流越大冲淡水向北-西北方向偏转越明显,同时流轴中心余流流速也显著增大;莱州湾顺时针环流受黄河入海径流影响显著,径流量越大越不利于该环流的发育和维持,而径流量越小环流越稳定;径流量越大导致河口附近海域表层余流加大,余流垂向梯度得到加强,底部补偿流增强,河口垂向环流越明显。     

黄河中游主要支流输沙量变化对黄河入海泥沙通量的影响

以60年来(1950-2009年)黄河中游7条主要支流(皇甫川、窟野河、无定河、延河、北洛河、泾河、渭河)及支流最终汇入黄河的控制水文站——潼关站逐年的水沙资料为依据,分析各支流年均径流量、输沙量的变化趋势,同时,对7支流、潼关、利津输沙量的年际变化过程研究,进一步探讨了中游泥沙减少对黄河入海泥沙通量变化的决定性作用。结果表明:黄河主要支流的年径流量和年输沙量均呈显著的减少,与20世纪50-60年代相比,7条支流总的输沙量由13.5亿t/a剧减至最近10年的3.4亿t/a,减幅达75%。黄河中游输沙量的急剧减少是降水减少,特别是黄土高原地区水土保持措施的实施(梯田、林地、草地、淤地坝等),以及退耕还林后植被覆盖度大幅度提高等因素共同作用的结果;黄河中游主要支流输沙量的急剧减少是黄河入海泥沙通量锐减的决定性因素,而20世纪80年代以来,下游引水、耗水的急剧增加以及水库调蓄(淤积)加剧了黄河入海泥沙通量的快速减少。     

Sediment transport off the Huanghe (Yellow River) delta and in the adjacent Bohai Sea in winter and seasonal comparison

Based on the data on the current velocity, water temperature, salinity, turbidity and concentration of suspended sediment collected in November 2006 along three survey transects at three time-series, ship-based stations off the Huanghe (Yellow River) delta, and at twenty-four grid survey stations in the adjacent Bohai Sea, sediment transport off the Huanghe delta and in the adjacent Bohai Sea under winter regime were studied and compared with those from the summer season.     

55年来黄河下游逐日水沙过程变化及其对干流建库的响应

以55年来(1950-2004年)黄河下游花园口和利津水文站逐日水沙资料为依据,将黄河下游水沙变化分为5个阶段,分别与4个黄河干流水库的开始运作时间对应,分析和对比了花园口和利津两站5阶段逐日水沙记录和图谱特征和变化。结果显示黄河下游逐日水沙特征在干流水库的运作下发生显著的阶段性改变,至小浪底水库建成后发生了根本性变化,主要是洪峰和沙峰消失,传统汛期与非汛期季节划分趋于模糊,调水调沙短期内的输沙量占全年输沙量的2/3以上,下游由淤积变为冲刷、可能产生泥沙异重流的天数大幅度减少。下游河道有显著的削峰、滞洪和淤沙作用,花园口/利津站36月逐日水沙量差距分阶段快速加大,最大可达20倍,表明下游耗水增加并集中在春灌时段,是入海水量减少的主因之一。目前,水库联合调水调沙期间是河口异重流发育的最佳时段。55年来黄河下游逐日水沙过程的变化表明,黄河逐日水沙特征发生了受控于人类活动的根本性变化。     

鸭绿江西水道口悬沙动力特征

根据鸭绿江西水道口外两个站位大小潮实测悬沙数据,结合表层沉积物特征及潮流动力分析结果,从悬沙浓度、悬沙输沙量和悬沙粒级3个方面,分析了悬浮泥沙浓度大小潮时空变化特征及其与潮汐、潮流动力因素的关系,净输沙量特征及输沙方向、悬沙各粒级百分含量与涨落潮及泥沙沉积物之间的关系等内容。计算分析表明:影响悬沙动力特征的主要因素为空间位置、动力强弱及泥沙源;1#站位细粒沉积物丰富,潮流及输沙受口门地形控制,2#站位地形平坦,沉积物颗粒粗,泥沙源来自异地;悬沙浓度受潮流、潮汐动力影响呈规律性变化,输沙量受潮流动力、泥沙来源双重影响;两个站位悬沙粒级百分含量随涨落潮的峰值变化及与流速、流向、潮位的对应关系的不同,有效的指示了沉积物空间分布特征,反映了外部环境对悬沙的作用过程。     

黄河三角洲飞雁滩表层沉积物对水动力的响应

利用2004年4月所采集的104个表层沉积物样品粒度分析资料及实测水文数据,探讨了空间上黄河三角洲飞雁滩表层沉积物对潮流及波浪等水动力的响应过程,以及该区域表层沉积物的输移趋势和补给来源问题。结果表明:(1)该区潮流掀沙作用范围包括潮沟前部约8~12 m水深和1~5 m水深内水下潮沟区域,以及海堤前部1.7~17 m水深范围,而对于波浪动力作用,其掀沙范围除受沉积物空间分布格局控制外,还取决于其波能的大小和实际水深,且该区所能够承受最大波浪波高不超过3 m;(2)该区域沉积物补给来源主要为波浪动力尤其是大风浪引起的风暴潮所起动并导致其离岸输移的潮间带甚至潮上带较细颗粒泥沙;(3)总体上,除潮沟入口处外,该区域表层沉积物以离岸输移为主。     

黄河钓口河口行水期泥沙输运过程的三维数值模拟

由于钓口流路行水时期普遍缺乏对河口和近海的系统观测,基于1976年黄河三角洲实测水深数据和汛期水沙数据,采用EFDC三维数值模式对钓口河口泥沙沉积动力过程进行了数值模拟研究。模型结果表明,钓口河口的羽状流和异重流的时空分布具有显著的潮周期变化特征。受与岸线平行的涨落潮流作用,表层羽状流的侧向摆动幅度较大,河口羽状流输沙主要平行于岸线方向,跨等深线的泥沙输运受到限制。汛期黄河入海的高浓度泥沙在钓口河口形成潜没的异重流,在底层沿河口轴线向北输运泥沙至三角洲前缘区域,泥沙输运通量比表层羽状流的输送通量高出一个数量级,且随着离岸距离的增大而呈指数形式快速衰减。随着水深增大,单宽泥沙通量的衰减速率逐渐减小。计算结果显示,由于汛期高浓度泥沙入海,钓口河口的异重流稳定存在,导致约75%的入海泥沙沉积在10 m水深以浅的区域,25%的入海泥沙淤积在三角洲前缘外侧,异重流过程对汛期钓口河口泥沙向深水区输运和沉积具有控制作用。数值模拟结果与前人根据水深变化揭示的三角洲冲淤分布格局一致,与钻孔的沉积记录基本吻合。     

黄河三角洲孤东海域沉积物及水动力

根据黄河三角洲孤东近岸海域表层沉积物取样、水文泥沙观测和风浪资料推算,分析沉积物特征和运移趋势,并通过水动力条件(潮流和波浪)探讨沉积物起动和输移特征。结果表明,孤东海域沉积物多为粉砂类物质,由内向外逐渐变细,分选变差,丁坝的修建对周围粒径分布影响明显;沉积物运移趋势受风成余流、岸线轮廓和丁坝工程修建的影响,不同区域表现为不同的输移方向;研究区水动力表现为波浪掀沙、潮流输沙的特征,由于潮流较小,不足以引起泥沙的起动,泥沙起动主要由波浪引起。     

气候变化和人类活动对黄河中游输沙量影响的甄别

根据黄河流域1951-2011年间的主要水文站实测降雨量、径流量和输沙量的月际和年际序列资料,采用水文法和对比分析法,发现在4个阶段(1951-1968、1969-1986、1987-1999、2000-2011年)内汛期5-9月份的产沙率变化为80.97%、78.04%、89.31%、97.42%。建立了基准期的汛期"降雨量-输沙量"关系统计模型,据此估算人类活动对其输沙量的减少贡献快速上升,2000-2011年期间基本上完全受人类活动(小浪底水库调蓄)控制,气候变化(主要为降雨)的影响已不足3%。研究结果表明,过去的61年来黄河河流系统发生重大调整,河流输沙量的变化由过去的气候因素控制快速转变为人类活动控制,导致黄河入海泥沙通量在快速减少,对黄河三角洲的冲淤演变产生了根本性的影响。