本文關鍵詞：椒江河口對圍海工程的響應

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【摘要】：圍填海是解決沿海地區(qū)城鎮(zhèn)發(fā)展用地緊張的重要途徑,給當?shù)貛砹丝捎^的社會與經(jīng)濟效益,同時圍填海改變了河口海岸的地貌形態(tài)與水沙輸移條件,造成河口區(qū)生態(tài)環(huán)境破壞、港口航道淤積、防洪御潮難度加大等一系列不利影響,成片大規(guī)模的中低灘圍填海給河口海岸可持續(xù)發(fā)展造成的不利影響尤為顯著。圍海工程實施后的河口調(diào)整過程非常復雜,研究河口對圍海工程的復雜響應規(guī)律可為圍海工程的科學規(guī)劃與建設提供理論依據(jù)。本文基于非均勻沙理論分析了椒江河口非均勻沙輸移規(guī)律,發(fā)展了潮流非均勻沙數(shù)學模型,基于分形理論建立了河口水力幾何形態(tài)關系式,通過實測資料分析、理論研究及數(shù)值模擬等方法,研究了椒江河口水沙運動與地形沖淤演變對圍海工程的響應�？紤]到河口潮流作用下泥沙輸移的非恒定性,得到了對數(shù)形式的椒江河口時變水流挾沙能力公式,該公式使得非均勻沙情形下以各分組粒徑和沉速的級配幾何平均計算時,非均勻沙總體水流挾沙能力與均勻沙水流挾沙能力和諧一致。給出初等函數(shù)形式的非均勻沙恢復飽和系數(shù)的理論關系式,計算時比以往積分形式的公式簡便得多。采用能適應不同繞流狀態(tài)的泥沙沉速公式,并以動力粘度的形式考慮了泥沙濃度對沉降速度的影響,使之能適用于任何泥沙顆粒在任意濃度下的沉降；對河口細顆粒泥沙考慮了絮凝作用對沉速的影響�；诜蔷鶆蛏称饎痈怕使�,獲得了臨界沖刷切應力公式與臨界沉積切應力公式。臨界沖刷切應力公式不僅考慮了泥沙的非均勻性,而且考慮細顆粒非均勻沙的黏性力作用；臨界沉積切應力公式以分子引力來定量描述了絮凝引起的沉降概率增大,同樣考慮了泥沙非均勻性。采用非均勻沙水流挾沙能力公式、臨界沖刷與沉積切應力公式以及恢復飽和系數(shù)理論關系式等非均勻沙理論成果,基于有限元法建立了二維潮流非均勻沙數(shù)學模型,開發(fā)了可供選擇的2種非均勻沙輸移計算模塊。模塊一的源匯項基于河口非均勻沙水流挾沙能力公式與恢復飽和系數(shù)理論關系式,反映了水流挾沙能力的非恒定性和輸移泥沙的非均勻性;模塊二的源匯項基于非均勻沙臨界沖刷切應力和臨界沉積切應力公式,合理刻畫了河口黏性細顆粒非均勻沙的臨界沖刷與臨界沉積條件。試驗資料及椒江河口實測資料的驗證結果表明所建數(shù)學模型對河口潮流泥沙模擬具有良好的適用性。潮汐河口幾何形態(tài)與潮量間呈冪函數(shù)關系,具有分形特征�；诜中卫碚摬⒖紤]量綱和諧,以相對潮量作為觀測尺度來度量相對過流面積,以相對單寬潮量來度量相對水深,建立了潮汐河口相對過流面積一相對漲(落)潮量、相對水深一相對單寬漲(落)潮量的水力幾何形態(tài)關系,后者適用于沒有橫斷面概念的開敞海域。確定了椒江河口的水力幾何形態(tài)關系式,并結合甌江河口的算例表明公式適用性良好,水力幾何形態(tài)分維值表征了河口的穩(wěn)定性及漲落潮水動力作用的相對強弱：處于相對穩(wěn)定期的河口,分維值接近1,漲落潮時水動力作用強的時段分維值更接近1。采用潮流非均勻沙數(shù)學模型模擬了椒江河口不同圍海階段的水動力場與泥沙運動。結果顯示,圍墾堤線造成河口延伸的那部分水域流速明顯增大；口內(nèi)河段及口外部分海域流速減��；隨著河口外延,河口最大流速分布區(qū)域向海推移。大規(guī)模圍海工程使得灘涂面積及臺州灣水域面積大幅減少,導致潮灘可沖刷泥沙量減少及臺州灣部分水域和椒江口內(nèi)河道水動力減弱,水流挾沙能力降低,以致懸移質(zhì)含沙量相應降低；而新延伸河段流速加大,含沙量相應增加；隨著口門外兩側淺灘被圍墾,河道向海延伸,椒江河口最大渾濁帶向海外移。較全面地分析了不同人類活動對椒江河口的影響,發(fā)現(xiàn)近60年來的歷史灘涂圍墾工程使得椒江河口水動力減弱、攔門沙航道淤積加重,而河口整治工程緩解了圍墾帶來的不利影響。椒江河口現(xiàn)狀岸線下及規(guī)劃圍墾工程后的床面沖淤預測結果表明：現(xiàn)狀岸線下未來河口河道大部分區(qū)域發(fā)生沖刷,口外攔門沙有少量淤積；規(guī)劃圍墾工程后河口河道及口外攔門沙淤積,新延伸河段沖刷；與各圍墾工程單獨作用的疊加效果相比,集群圍墾聯(lián)合作用下的沖淤幅度更大,即存在非線性效應,應在圍墾規(guī)劃時予以重視；由于河口水動力隨毗鄰海域圍墾面積增大而減弱,水流挾沙能力隨之下降,因而河口河道及口外攔門沙的淤積厚度隨圍墾面積的增大而增大。地形沖淤與水動力相互調(diào)整,沖淤速率隨時間推移由快變慢,短期內(nèi)可能呈沖淤交替波動。從水力幾何形態(tài)關系角度分析了椒江河口攔門沙對圍海響應,圍海引起納潮量減少是導致攔門沙頂部淤積的主要原因。
【學位授予單位】：浙江大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2016
【分類號】：P753;TV148

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