一种改进的近岸波浪破碎数值模型

提出一种基于完全非线性Boussinesq方程的改进波浪破碎模型,用于模拟近岸浅水波浪破碎.模型借助水滚的概念,提出一种确定k方程紊动模式中紊动源项的计算公式,通过解k方程计算Boussinesq方程中的涡黏系数,实现对破碎波的模拟.岸边界采用窄缝法,使得模型可用于波浪爬坡的计算.用实验室实测波高和增减水资料对模型进行了验证,得到了一致的结果.紊动源、紊动动能以及紊动耗散率的计算结果表明:①在破波点处紊动源项值最大,随着波浪向岸边传播,逐渐减小;②破波点处,水平方向的对流和扩散在紊动能量输移中发挥重要作用;③岸边附近紊动源与紊动耗散接近平衡.     

A Finite-Difference Approach to the Time-Dependent Mild-Slope Equation

A finite-difference approach is used to develop a time-dependent mild-slope equation incorporating the effects of bottom dissipation and nonlinearity.The Euler predictor-corrector method and the three-point finite-difference method with varying spatial steps are adopted to discretize the time derivatives and the two-dimensional horizontal ones,respectively,thus leading both the time and spatial derivatives to the second-order accuracy.The boundary conditions for the present model are treated on the basis of the general conditions for open and fixed boundaries with an arbitrary reflection coefficient and phase shift.Both the linear and nonlinear versions of the numerical model are applied to the wave propagation and transformation over an elliptic shoal on a sloping beach,respectively,and the linear version is applied to the simulation of wave propagation in a fully open rectangular harbor.From comparison of numerical results with theoretical or experimental ones,it is found that they are in reasonable agreement.     

长江口南部水域次级羽状锋

1994年11月24-25日（枯季），在长江口南部水域内，对2个定点，2个段面（24个站位）进行了水流流速，盐度及悬沙浓度观测，而后，分别绘制出：（1）水流流速、盐度和悬沙浓度沿水深，时间变化过程组；（2）各层水流流速、流向随时间变化过程图。结果表明：1）实测水流流速、盐度及悬沙浓度垂向，水平分布具不连续性，表明了次级羽状锋的存在；2）在枯季，相对于径流、波浪而言，外海潮流对长江口次级羽状锋的影响占主导作用；3）次级羽状锋可能使得悬沙在南汇东滩附近大量淤积；4）次级羽状锋在长江口与杭州湾之间的水沙交换中起着一定作用。     

长江口潮沼植物对动力沉积过程的影响

为探讨潮沼植物对动力沉积过程的影响,在长江口南汇东滩沼泽和邻近的光滩上进行了近底层流速、波浪、悬沙浓度、沉积物粒径和滩面淤积速率等对比实验,并在九段沙潮沼中做了两种先锋植物黏附悬沙的实验.结果表明,沼泽和同高程的邻近光滩近底层平均流速的比值为0.16～0.84;两种环境平均波周期、平均波高和平均悬沙浓度的比值分别为1.4,0.43,和0.71.波浪传入沼泽后,一方面波高大大降低,另一方面变得规则有序.海三棱草和草两种先锋植物群落黏附的悬沙分别达到298和40g/m2.由于水动力降低和植物的捕沙功能,细颗粒泥沙易于在沼泽中沉积下来,导致沼泽环境沉积物明显较相邻光滩细;沼泽中沉积速率加快,侵蚀受到抑制.     

长江河口北槽弯道横向次生流、混合与层化

2013年2月25至26日(枯季/大潮)、7月23至24日(洪季/大潮)分别在长江河口北槽弯道沿着3条横向测线CS6、CSW和CS3(每条测线上有北、中、南3个站位)测得水位、流速、盐度和含沙量的时间序列资料。通过这些资料的定量计算、分析,理解弯道横向次生流、混合与层化的时、空变化和各种物理机制及其相对重要性。3条横向测线均存在横向次生流,且横向测线CS3还出现横向次生环流。枯、洪季,仅在横向测线CS6、CS3出现环状欧拉余流。枯、洪季,沿着横向测线CS3,3个站位的横向斜压梯度比离心加速度和科氏加速度都大1~2个数量级,而后两项大小接近且数量级都是10-4,罗斯贝数在1左右。这些表明:横向次生流受横向斜压梯度、离心加速度和科氏加速度共同驱动,前一项相对于后两项更加重要。沿着3条横向测线:1)枯、洪季大潮,平均势能差异分别约为54.23、66.56 J/m3,表明洪季层化强于枯季;2)枯季涨潮,平均的势能差异普遍小于落潮,而洪季涨潮,平均的势能差异普遍大于落潮,表明枯、洪季湍流混合均存在潮汐不对称性;3)枯季,由横向、纵向水深平均应变(ΦS-y、ΦS-x)引起的势能差异变化率的范围分别是-67×10~(-3)~37×10~(-3)、-7×10~(-3)~11×10~(-3)W/m~3,而洪季,相应的范围分别是-45×10~(-3)~30×10~(-3)、-14×10~(-3)~13×10~(-3)W/m~3,表明枯、洪季差异不明显,横向水深平均应变(ΦS-y)均大于纵向水深平均应变(ΦS-x),前项对水体混合与层化的影响更大;4)枯季大潮,纵向平流(ΦA-x)、横向平流(ΦA-y)、纵向水深平均应变(ΦS-x)和横向水深平均应变(ΦS-y)的潮汐平均绝对值占四项总和之比例分别为26%、33%、18%和23%,而洪季大潮,相应的值的比例分别为13%、9%、22%和56%,表明枯季,平流项(ΦA-y最大)对混合与层化的控制可能占主导地位;洪季,应变项(ΦS-y最大)可能占主导地位。无量纲数(m)被用于判别横向平流(ΦA-y)、横向水深-平均应变(ΦS-y)的相对重要性。一个概念性模式被用于显示层化与横向次生流/环流的相互关系。     

潮汐应变对长江口北槽枯季湍流混合与层化的影响

利用TELEMAC-3D开展了长江口北槽2010年枯季条件下湍流混合与层化的有限元数学模拟研究。该模型在外海开边界设置了8个主要分潮,并在自由表面考虑了定常风的影响,利用北槽水域3个潮位站(横沙、北槽中、牛皮礁)和2个水文观测站(北槽中段CSW、北槽下段CS8)2010年枯季的潮位、流速及盐度观测资料对模型进行验证并获得了良好的精度,从而得到北槽水域纵向、平面流场和盐度场。模拟得到的流速、盐度被用来计算势能差异(φ)、势能差异变化率(φ/t)、Simpson数(Si)和梯度Richardson数(Ri)。结果显示:1)北槽水域大潮平均和小潮平均的势能差异的变化范围分别约为0~30 J/m3和0~90 J/m3,且较大的势能差异基本位于主航槽,这些表明北槽水体小潮的层化大约是大潮的3倍,主航槽的层化强于坝田区,而北槽中段往往具有更强的层化。2)落急时刻,就北槽下段而言,潮汐应变、潮汐与风共同搅动引起的势能差异变化率的范围分别约为-20×10-4~100×10-4W/m3、0~100×10-4W/m3,这些表明,从大潮至小潮,潮汐应变总体增强而潮汐与风共同搅动总体减弱。空间上,主航槽丁坝附近的潮汐应变明显强于坝田区,潮汐与风共同搅动的强度在坝田区内、外也存在差异,导堤和丁坝的影响明显。3)对于北槽下段CS8站,大潮至中潮的Si数在0.15~0.4之间(介于下临界值0.088和上临界值0.84之间),表明潮汐与风共同搅动占优,属于应变致周期性层化(SIPS)。小潮的Si数在0.9~1.5之间(高于上临界值0.84),表明潮汐应变显著增强并占优,属于持续性层化。4)北槽下段CS8站梯度Ri数的量级范围在混合较好的表层和底层约10-3~10-2,在层化较好的中间水层约100~101。该站湍动能耗散率的量级范围大潮为10-3~10-9W/kg,小潮为10-5~10-10W/kg,具有明显的M4周期性特征和涨、落潮不对称分布,且表层和底层分别由于风应力和底摩擦作用而具有较强的耗散,中间水层稳定层化区的耗散则显著减小,潮汐应变是造成湍动能耗散率在涨、落潮周期内不对称分布的重要因素。     

杭州湾深水航道浮泥的观测

对在杭州湾深水航道上的站点外观测到的水文泥沙数据进行分析，并绘制出水流、悬沙浓度随时间、空间变化的等值线图以及各层观测的水流流速、流向随时间过程图。得出了该处的水流、悬沙浓度随时间、空间变化的规律：流速基本上是随涨急、落急达到最大值，随涨憩、落憩达到最小值。流向随时间变化较大。悬沙浓度一般是在涨急、涨憩和落急附近达到最大值并在底层形成高含沙区，即有浮泥产生。即使是处于小潮，杭州湾依然有浮泥产生。利用一个悬浮泥沙声学观测仪，在杭州湾深水航道东挖槽小潮时，对底部泥沙浓度进行了实验观测。结果发现底部泥沙存在分层结构：从上往下分别是低浓度悬沙层、高浓度悬沙层和浮泥层。声学图像显示有四种不同频率的界面波：Ⅰ．介于低浓度悬消层和高浓度悬沙层之间的低频界面波；Ⅱ．介于高浓度悬沙层和可移动浮沙层之间的低频内波；Ⅲ．介于可移动移动浮沙层和固定浮泥层之间的波，被谨慎地解释为低频界面波；Ⅳ．在固定浮泥层上产生的是高频界面波。这些界面波起到次级的动力作用，增强了局部粘性泥沙的再悬浮和再挟运。     

垂向二维潮流数值模型及其在长江口北槽的应用

应用变网格有限元方法，采用任意四边形等参单元，离散横向积分的Navier—Stokes方程，建立河口潮流垂向二维数学模型。应用此模型，对长江口北槽水域两个观测站的潮流水位、流速垂线分布和整个北槽潮流流速纵向分布进行了模拟。潮流水位、流速垂线分布的模拟值分别与观测站的实测值可以较为吻合，证明了本文模型的实用有效。模拟得到的涨急、落急时刻整个北槽潮流流速纵向分布给出了定性的结果。     

长江河口北槽的周期性层化对潮流椭圆垂向结构的影响

基于现场观测流速、盐度资料,通过采用整体理查森计算公式、潮汐调和分析理论,本项研究定量分析了长江河口北槽的周期性层化对M2半日分潮潮流椭圆垂向结构的影响。结果显示:小潮期间层化显著强于大潮,仅小潮出现密度跃层。在向陆端位于导堤和丁坝内的各站位,各层的潮流椭圆均退化为往复流形式;然而,在向海端位于导堤和丁坝外的站位,各层的潮流椭圆均呈顺时针旋转。小潮期间整体理查森数与表、底层潮流椭圆率之差呈现清晰的正线性相关关系,表明层化对潮流椭圆的垂向结构有显著影响。在向海端位于导堤和丁坝外的站位,小潮期间表、底层潮流椭圆倾角差达到约40°,而大潮为10°以下。小潮期间大多数站位的表、底层潮流椭圆相角差达到20°~50°,而大潮为10°以下,小、大潮周期性变化明显。潮流椭圆倾角和相角都在密度跃层处存在明显的垂向突变。在强层化的小潮期间,层化导致的密度跃层处垂向涡动粘性系数的剧烈衰减可能是潮流椭圆椭圆率、倾角和相角垂向变化的主要物理因素。