發(fā)布時間：2018-10-08 19:06

【摘要】：河口河槽水動力結構及懸沙側向捕集模式直接制約著河槽地貌和生態(tài)環(huán)境的演變趨勢,一直以來也受到眾多研究者的關注。早期的研究主要側重于野外觀測和室內(nèi)分析,近年來,在此基礎上的水動力及懸沙輸運解析模型模擬分析逐漸受到重視。 美國切薩比克灣(Chesapeake Bay)James河口和我國長江口南港的潮動力均以半日分潮為主。James河口余流驅(qū)動因子以水平密度梯度為主,徑流量非常小,而長江口南港的余流驅(qū)動因子以徑流為主,水平密度梯度非常小。相應地,James河口中大量懸沙捕集在河槽南側淺灘,而長江口南港中大量懸沙捕集在河槽北側深槽。為解釋潮汐河口懸沙的側向捕集機制,Huijts等(2006)曾建立了包括M2分潮和水平密度梯度等為主要驅(qū)動力的潮汐河口懸沙側向輸運解析模型,并成功模擬分析了美國Chesapeake灣南部James河口懸沙在河槽南側淺灘的捕集機制。但是,該模型沒有考慮James河口較弱的徑流作用,還忽略了風應力、潮致余流、M4分潮、沉降滯后等因子,而這些因子卻是眾多河口河槽動力沉積地貌的重要驅(qū)動因子。為此,本文在Huijts等(2006)的解析模型基礎上,構建綜合考慮M2分潮、水平密度梯度、風應力、潮致余流、M4分潮、空間沉降滯后等多個懸沙驅(qū)動因子的潮汐河口懸沙側向捕集模型。 本文構建的解析模型適用于岸線順直的河段。水動力計算采用慣性坐標系下的三維淺水navier-stokes方程。水體表層考慮風應力；底部采用無滑移邊界條件；外海開邊界由M2分潮和M4分潮驅(qū)動；河口上游由徑流驅(qū)動。含沙量計算采用泥沙質(zhì)量守恒方程。模型考慮非粘性細顆粒均勻泥沙；水體表層不考慮懸沙與外界交換；河槽近底懸沙與床沙交換量在潮周期內(nèi)平衡；含沙量的垂向分布取決于近底水流剪切力,側向分布取決于動力地貌平衡條件,即認為潮周期內(nèi)河槽側向凈輸沙量內(nèi)為零。 通過對模型中水沙方程及其邊界條件的無量綱化及攝動分析,從而將各控制方程組線性化,獲得各物理量的解析解。為對解析模型中各個獨立的水動力因子驅(qū)動的流場結構進行驗證,本文首先采用無結構海洋數(shù)值模式(FVCOM)對M2和M4分潮潮流和由風應力、徑流、潮流、密度梯度等驅(qū)動的余流解析解進行對比驗證。驗證結果表明解析解與數(shù)值解基本一致或差異較小,因此認為該潮汐河口懸沙側向捕集模型基本合理。 James河口潮流以半日分潮為主,余流主控于水平密度梯度,徑流影響微弱。在側向密度梯度的驅(qū)動下,河口橫斷面上形成一個順時針環(huán)流(河口向上游),致使大量懸沙從河口南側深槽向北側淺灘輸運,并捕集于此。另一方面,觀測資料與模擬分析結果均顯示河槽北側也捕集了少量泥沙,其主要由M4分潮輸沙和懸沙沉降滯后貢獻,前者將泥沙向河槽北側深槽輸運,后者則致力于將懸沙從水動力較強的河槽向水動力較弱的淺灘輸運。M2分潮輸沙和徑流驅(qū)動的余流輸沙等相對較小。 長江口南港潮流以半日分潮為主,日分潮相對較小,余流主控于徑流,水平密度梯度微弱。河槽側向余流在科氏力的偏轉(zhuǎn)下形成的逆時針環(huán)流將底部大量懸沙向河槽北側輸運,導致大量懸沙聚集在河槽北部。另外,強勁的M2分潮潮流輸沙也是大量懸沙向河槽北側輸運的主要動力因子。M4分潮輸沙和風生余流輸沙等相對較小。 鑒于James河口河槽懸沙側向捕集的主要驅(qū)動因子是密度梯度,而長江口南港河槽懸沙側向捕集的主要驅(qū)動因子是徑流和M2分潮,兩者雖然懸沙捕集模式不同,但卻同時捕集于水深較淺的區(qū)域。因此,在已構建的潮汐河口水動力模型基礎上,進一步發(fā)展了河槽側向地貌演變解析模型。地貌演變模型中不考慮地貌平衡動力條件,懸沙可與底沙自由交換,其余邊界條件與懸沙捕集模型一致。 為討論不同動力類型河口中的懸沙捕集模式及地貌演變趨勢,本文分四種情景模式,將已構建的潮汐河口河槽懸沙側向捕集模型和地貌演變模型應用于理想河口中。每一種情景模式分別對應于Prichard對河口按驅(qū)動力及地貌形態(tài)劃分的一種河口類型。討論結果如下： 1)在諸如Chesapeake灣頂端河槽的平原型河口,水動力僅由M2分潮控制,側向輸沙的主要貢獻因子是M2分潮,其將懸沙從河槽中央向兩側輸運,并使懸沙捕集于兩側淺灘,與Chesapeake灣頂端河槽懸沙捕集的觀測結果一致。這種動力類型的河口河槽中部與兩側淺灘略有淤積,其左、右側深槽略有沖刷,總體來說沖淤幅度小,河槽形態(tài)穩(wěn)定。 2)在諸如James河口的平原型河口,水動力由M2分潮和水平密度梯度控制,側向輸沙的主要貢獻因子包括側向密度梯度和M2分潮,前者將懸沙從河槽右側往左側輸運,后者將懸沙從河槽中央向兩側輸運,并使大量懸沙捕集于河槽左側,少量懸沙捕集于河槽右側,與James河口懸沙捕集的觀測結果一致。這種動力類型的河口河槽左側淤積,逐漸發(fā)展成為淺灘,右側沖刷,逐漸發(fā)展成為深槽。 3)在諸如長江口南港的徑流優(yōu)勢型河口,水動力由M2分潮和徑流控制,側向輸沙的主要貢獻因子包括徑流和M2分潮,兩者均將懸沙從河槽左側往右側輸運,并使大量懸沙捕集于河槽右側,這與長江口南港的觀測結果一致。這種動力類型的河口河槽右側淤積,逐漸發(fā)展成為淺灘,左側沖刷,逐漸發(fā)展成為深槽。 4)在平原型和徑流優(yōu)勢型過渡的河口,水動力同時由M2分潮、徑流和水平密度梯度控制。取水平密度梯度為(dp/dx, dp/dy)=5x10-4kg m-4,當徑流量較小時(500m3s-1),側向輸沙的主要貢獻因子是側向密度和M2分潮,懸沙大量捕集在河槽左側：當徑流量較大時(5000m3s-1),側向輸沙的主要貢獻因子是徑流和M2分潮,懸沙大量捕集在河槽右側；若取徑流量為3500m3s-1,徑流輸沙和潮流輸沙基本抵消,M2分潮輸沙占主要地位,懸沙捕集于河槽兩側淺灘。 同時,本文還針對長江口南港,對風暴潮、鹽水入侵及洪水三種極端天氣或水文條件下南港的懸沙捕集模式及地貌演變趨勢做了模擬分析。 本解析模型雖較好地模擬分析了不同動力類型潮汐河口的水動力特征及懸沙捕集模式,但主要在以下幾個方面急需進一步改進：考慮水沙結構的縱向變化；考慮更多頻率的潮動力；模擬河口中長期地貌演變。
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【學位授予單位】：華東師范大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2014
【分類號】：TV148

【參考文獻】

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本文編號：2257930