發(fā)布時間：2020-05-30 20:07

【摘要】：河口三角洲區(qū)域不僅是人類生活的高密度聚居地,也是陸海相互作用最為敏感的地區(qū)。河口的物質(zhì)輸運是陸海相互作用的關(guān)鍵過程,河口的動力場是物質(zhì)輸運的關(guān)鍵驅(qū)動因素。受徑流、潮流、波浪及鹽淡水相互作用影響,河口的水動力異常復(fù)雜。多級分汊河口灘槽相間的地貌形態(tài),進(jìn)一步強化了河口動力的三維特性。關(guān)于河口縱向環(huán)流,已有經(jīng)典的動力解釋和科學(xué)認(rèn)識。近年來,針對河口環(huán)流結(jié)構(gòu)與橫向環(huán)流的研究也取得諸多進(jìn)展,發(fā)現(xiàn)橫向動力過程在河口分層、環(huán)流形成以及物質(zhì)輸運中具有舉足輕重的地位。對于長江河口這樣的多級分汊河口,受分流分沙比及多級分汊地貌格局的控制,各個汊道河口環(huán)流結(jié)構(gòu)不同,頻繁的灘槽交換導(dǎo)致不同汊道的水流相互影響。關(guān)于這種分汊河口的環(huán)流動力,尤其是橫向環(huán)流結(jié)構(gòu)及其給河口動力帶來的影響仍然缺乏認(rèn)識。以長江河口這類強動力分汊型河口為代表的的大型河口系統(tǒng),開展三維動力場結(jié)構(gòu)的研究,不僅能豐富河口動力學(xué)的研究內(nèi)容,而且對泥沙輸移、污染物輸運及地貌演變等方面的研究具有重要意義。本文通過建立長江河口三維水動力數(shù)學(xué)模型,利用大量實測水位、流速和鹽度數(shù)據(jù)對模型進(jìn)行驗證,使之能夠準(zhǔn)確的反映長江河口的動力特征。利用模型計算分析刻畫了長江口各主要汊道水體分層狀態(tài)、河口環(huán)流結(jié)構(gòu)和變化過程以及控制因子;利用動力平衡分析,論述了橫向環(huán)流在驅(qū)動河口環(huán)流中的作用;采用機制分解的方法,闡述了河口環(huán)流變化對鹽水輸運的影響�；诓煌攴莸暮涌诘匦谓�(shù)學(xué)模型,討論了人類活動驅(qū)動下河口動力場的改變,發(fā)現(xiàn)了橫向動力差異減小和灘槽水流交換減弱對河口層化、河口環(huán)流的影響;分析計算結(jié)果還顯示,深水航道工程對河口動力場的影響不僅局限于攔門沙河段,甚至?xí)绊懰氯侵耷熬壍臎_淤格局。論文的主要研究成果總結(jié)如下:1.揭示長江河口各主要汊道河口環(huán)流結(jié)構(gòu)及其轉(zhuǎn)化機制。以往對河口環(huán)流的研究,主要集中在沿河槽的方向,而忽略了河口環(huán)流的三維結(jié)構(gòu)。水體的層化程度決定了垂向的動量交換,使長江河口各汊道的河口環(huán)流展現(xiàn)出不同形態(tài)。北港的河口環(huán)流結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)“垂向梯度型(vertically sheared)”結(jié)構(gòu),即底層余流向陸,表層余流向海;北槽與南槽的向陸余流出現(xiàn)在河槽北岸并延伸至水體中上層,而向海余流則聚集靠近南側(cè)淺灘的河槽中,河口環(huán)流結(jié)構(gòu)為“橫向梯度型(laterally sheared)”。受河口河勢變化和大型工程影響,長江河口三個主要入海汊道的分層均有所增強,水流紊動被抑制并減弱了上下層水體的動量交換,表底層動力差異增大,底層向陸余流向上層水體的延伸受限;同時河槽束窄,科氏力對潮流動力的橫向分異作用趨弱。河口河槽窄深化導(dǎo)致北港河口環(huán)流結(jié)構(gòu)的“垂向梯度型”特征進(jìn)一步明顯,南槽河道尚寬淺,仍然保持著“橫向梯度型”結(jié)構(gòu),北槽的環(huán)流結(jié)構(gòu)從“橫向梯度型”轉(zhuǎn)變?yōu)椤按瓜蛱荻刃汀薄?.闡明多級分汊河口越灘水流產(chǎn)生的正壓力是橫向環(huán)流產(chǎn)生的主要原因之一,橫向環(huán)流改變水體層化過程。與差異平流為主的單汊道河口不同,分汊型河口的橫向環(huán)流主要受橫向水位梯度控制。在漲潮期間,潮流越過淺灘,在主槽水體表層產(chǎn)生由南向北的橫向環(huán)流,橫向鹽度梯度產(chǎn)生的斜壓力驅(qū)動底層水體由北向南運動;落潮時,越灘流消失,差異平流的作用使得橫向環(huán)流形成了從深槽到淺灘的輻散型結(jié)構(gòu),其量值相比漲潮時大幅減小。關(guān)于水體的層化機制研究表明,縱向、橫向的潮汐應(yīng)變和對流作用,都會導(dǎo)致水體分層發(fā)生變化,其中縱向潮汐應(yīng)變和對流占據(jù)主導(dǎo)作用。橫向環(huán)流的垂向梯度與橫向的鹽度梯度相互作用產(chǎn)生橫向潮汐應(yīng)變,使水體在漲潮后期迅速趨于層化;發(fā)現(xiàn)大潮期間,因為橫向環(huán)流垂向梯度和橫向鹽度梯度增加,橫向潮汐應(yīng)變的作用超過縱向,成為水體層化的主要控制因子。受河口大型工程和淺灘淤積的影響,橫向水流交換受到阻礙,河口橫向環(huán)流強度在各個河槽均出現(xiàn)不同程度的降低,大潮時,北港、北槽和南槽三個主要河槽,橫向環(huán)流量值分別減小28%、35%和27%,小潮分別減小22%、29%和26%。此外,鹽度的橫向梯度減小,橫向潮汐應(yīng)變作用減弱,河口層化主要縱向的物理過程控制增強。3.提出多級分汊河口橫向環(huán)流產(chǎn)生的非線性對流加速度度是河口環(huán)流的重要驅(qū)動因子。動力平衡分析表明,非線性對流加速度度的最大值在北港、北槽與南槽三個河槽分別為0.2×10~-44 m/s~2,0.4×10~-44 m/s~2和0.2×10~-44 m/s~2,具有與壓力梯度相同的數(shù)量級,是河口動力的重要組成部分。漲潮時,橫向環(huán)流將淺灘的低流速水體輸送至高流速的主槽,從而降低河槽南側(cè)的漲潮流流速;在斷面北側(cè),橫向環(huán)流將深槽的高流速水體輸運至淺灘,使?jié)q潮流速增加。落潮期間,橫向環(huán)流呈現(xiàn)由深槽向兩側(cè)淺灘的輻散型結(jié)構(gòu),橫向環(huán)流的對流作用將深槽高流速水體輸送至兩側(cè)淺灘,增加了兩側(cè)淺灘的落潮流速。從潮平均的時間尺度分析,由于漲潮期間的橫向流速高于落潮,非線性對流加速度項增加了斷面北側(cè)的向陸余流與南側(cè)的向海余流,成為河口環(huán)流的另一驅(qū)動因素。4.河口局地大型水利工程對動力場結(jié)構(gòu)調(diào)整是沖淤格局轉(zhuǎn)化的主要驅(qū)動力之一。以往對河口水下三角洲前緣的沖淤研究主要聚焦在流域來沙減少的影響,而忽略了河口局地工程對沖淤格局的影響。研究發(fā)現(xiàn)長江入海泥沙通量從1986-1997年間的3.48×10~8 t/yr降低至1997-2010年間的2.17×10~8 t/yr,長江口水下三角洲前緣仍然呈現(xiàn)淤積態(tài)勢,但凈淤積強度已經(jīng)從5.78×10~8 m~3減小至3.74×10~8m~3,相應(yīng)地,凈淤積速率從16.7 mm/yr減小至9.1 mm/yr。在沖淤的空間分布特性上,潮灘在持續(xù)淤漲,而口外水下三角洲前緣在近十年形成了南北走向的條帶狀沖刷區(qū)域。研究選用潮流能量耗散與侵蝕速率兩個物理指標(biāo)來衡量水下三角洲前緣的動力場變化程度。結(jié)果表明,長江口深水航道工程已經(jīng)顯著改變了其周邊水域的水動力場結(jié)構(gòu),并進(jìn)而塑造了工程附近區(qū)域的地貌沖淤格局。研究證實,深水航道工程導(dǎo)致北槽與南槽出口的侵蝕率較原有自然條件的水平增大了90%,在北港口外的10-20 m等深線水域,侵蝕率增加了近30%。侵蝕率增加區(qū)域與1997-2010年間口外出現(xiàn)的沖刷帶相一致,深水航道工程導(dǎo)致侵蝕率增加,是造成工程附近水域局地沖刷的主要動力機制。在導(dǎo)堤北側(cè)的橫沙淺灘,由于工程對潮波的阻擋作用,侵蝕率顯著減小,則出現(xiàn)明顯的淤積。
【圖文】：

.1.3 河口環(huán)流河口環(huán)流是河口研究的基本問題之一。河口的生態(tài)健康在很大程度取決的余環(huán)流。雖然潮流在短時間內(nèi)對營養(yǎng)物和污染物的輸運起到主要作用，些物質(zhì)的凈輸運主要由環(huán)流決定(Staceyetal.,2001)。此外，環(huán)流還能指示凈輸移和長周期運動(Codiga andAurin, 2007)。河口環(huán)流受徑流、潮汐、風(fēng)、降雨、蒸發(fā)以及河口地形等影響，存在著時空變化。一般地，水位梯度產(chǎn)生的正壓力與密度梯度產(chǎn)生的斜壓力在潮間尺度下產(chǎn)生表層水體向海、底層水體向陸的重力環(huán)流(圖 1.1)，垂向上，的紊動作用促使表底層之間產(chǎn)生能量交換和鹽淡水混合(Pritchard, 1952, 1汐應(yīng)變導(dǎo)致漲、落潮的混合出現(xiàn)不對稱，，影響動力的交換過程，進(jìn)而產(chǎn)生應(yīng)變環(huán)流”。在混合程度較好的水體中，潮汐應(yīng)變環(huán)流的量值甚至超過重(Burchard and Hetland, 2010)。

1970; Chen and Sanford, 2009)。以上的驅(qū)動因素中，差異平流的產(chǎn)生向環(huán)流最為普遍。在漲潮時，由于潮流的空間差異，深槽的鹽度高于兩側(cè)淺灘成了由深槽指向兩側(cè)淺灘的斜壓力，并由此產(chǎn)生了底層環(huán)流向兩側(cè)淺灘的橫流，表層的橫向環(huán)流動向深槽幅聚(圖 1.2)。在落潮時期，鹽水在深槽中向海運更快，鹽度在深槽低于兩側(cè)淺灘，形成了與漲潮時期相反的橫向環(huán)流。值意的是，由于落潮時河口分層增加，橫向的斜壓力較漲潮時為小，橫向環(huán)流潮期間小于漲潮期。由于科氏力的存在，在漲潮時，水體受科氏力的影響向北半球)偏轉(zhuǎn)，表層橫向環(huán)流的幅聚中心也偏向右側(cè)(Lerczak and Geyer，200河口兩側(cè)淺灘的斜坡，由于紊動較強，水體混合較好，密度等值線垂直于邊坡成了沿兩側(cè)邊坡向上的橫向環(huán)流(圖 1.3)。與差動平流產(chǎn)生的橫向環(huán)流不同，層混合產(chǎn)生的橫向環(huán)流對泥沙輸運至關(guān)重要：在深槽被侵蝕的泥沙會隨著橫流輸送到右側(cè)淺灘，使河槽形狀產(chǎn)生不對稱(Chen and Sanford, 2009)。
【學(xué)位授予單位】：華東師范大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號】：TV148

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本文編號：2688653