發(fā)布時間：2020-10-31 16:55

　　 長江口江寬水深是世界聞名的“黃金水道”。以長江口為核心的長三角經(jīng)濟區(qū)是中國最早和最成熟現(xiàn)代意義上的經(jīng)濟區(qū)。近年來,因社會經(jīng)濟發(fā)展需要,長江口正經(jīng)歷著有史以來最嚴峻的人類干預,水沙特征和自然河勢發(fā)生變化。再加上全球氣候變暖導致海平面上升加劇,厄爾尼諾現(xiàn)象導致降水量分布異常,洪水和旱災頻發(fā)。這將對長江口沿岸的經(jīng)濟發(fā)展和生命財產構成嚴重威脅。因此需要對長江口洪、枯季的系統(tǒng)平衡狀態(tài)做研究,實現(xiàn)長江口河勢穩(wěn)定性評估。為此,本文基于GIS技術和水動力數(shù)學模型,在徑-潮流統(tǒng)一的計算框架下設計了針對地貌、水文和能量等相關物理指標的定量化評估模型,并與經(jīng)典的最優(yōu)化流體地貌理論相聯(lián)系,實現(xiàn)對長江口洪、枯季河勢穩(wěn)定性的全面了解。主要研究內容和結論包括4個方面：(1)水動力模擬在全面收集計算資料基礎上實現(xiàn)了長江口及其鄰近海域水動力數(shù)值模擬和解析模擬的參數(shù)率定和結果驗證,研究區(qū)覆蓋整個河口,長度達550km�；A地形資料經(jīng)過GIS幾何校正、基面校正和拼接處理形成可用的水下地形DEM。為方便管理和應用,地貌、水位、水力邊界條件和底摩擦系數(shù)等圖層都采用狄羅尼(Delaunay)三角網(wǎng)法劃分和最優(yōu)插值法做數(shù)據(jù)同化,建立格式統(tǒng)一的數(shù)據(jù)庫。數(shù)值模擬基于TELEMAC6.2數(shù)值模式,采用實測地形邊界和TPXO7.2全球潮汐模型驅動,反映實際情況,但是局部非線性擾動強烈,難以直觀表現(xiàn)規(guī)律；解析模擬基于CST解析模式,采用簡化的指數(shù)型地形邊界和對稱型潮波驅動,便于表達趨勢性變化,但結果簡單、抽象。兩模型都強調潮波、徑流及其交互作用。因此,這兩種不同類型水動力模式的比較和聯(lián)合應用為實現(xiàn)長江口徑-潮流交互作用下的洪、枯季情景模擬和全面了解河勢的穩(wěn)定性評估打下堅實基礎。(2)情景假設與模擬為保證情景模擬的有效性本研究對一些重要的模擬參數(shù)做了敏感性測試,結果表明：河床地形、底摩擦系數(shù)、徑流和潮汐作用對潮波傳播和能量耗散具有較大影響,而長時間序列天文潮(18.61年和4.4年結點潮周期)波動、海平面上升和斯托克斯漂移等因素影響相對較小,可以忽略不計�；诖�,本研究設計的情景模擬采用實測地形和分段變化的底摩擦系數(shù),情景假設通過不同的潮汐和徑流邊界條件組合實現(xiàn),包括：·平均大潮驅動+洪峰徑流作用(60,000 m3/s)；·平均大潮驅動+平均洪季徑流作用(35,000m3/s)；·平均大潮驅動+平均枯季徑流作用(15,000 m3/s)·平均大潮驅動+無徑流作用(象征性輸入1,000m3/s)；以及·無潮波驅動+徑流作用(15,000m3/s,35,000 m3/s和60,000 m3/s)。結果顯示：洪峰徑流作用下河流占支配地位,潮波影響范圍僅限于河口外部130km處,此時口門處的潮通量(71,322 m3/s)僅占總流量通量的54%。無潮波作用下的情景模擬證明徑流通量沿河口分布為常數(shù)。其他三種情景模擬處于這兩個極端假設之間,為評估洪、枯季變化徑流作用下的河勢穩(wěn)定性研究提供了參考依據(jù)。(3)定量化評估指標在徑流和潮流統(tǒng)一的計算框架下,本研究分別從河口形態(tài)、潮流界、潮流界物質遷移、潮流棱柱體、能量、能量通量和能量耗散7個方面認識長江口洪、枯季變化徑流作用下的指標系統(tǒng)響應機制。結果表明：①喇叭狀長江口表現(xiàn)出“過渡型”地貌形態(tài),洪季地形更具棱柱形特征,枯季更具指數(shù)型特征；②潮流界位置大概在河口以上250km處,隨洪、枯季發(fā)生周期性上下擺動；③潮流界物質在洪季時下行,枯季時上行,但總體趨勢為不斷下行；④長江口屬于大尺度河口(長度400km),其潮流棱柱體在潮流界范圍內由漲、落憩潮位差控制,在潮流界以上由高、低潮位差控制,但總的潮流棱柱體不隨洪、枯季變化(暗示退潮潮流能量不隨洪、枯季變化)；⑤河流和潮流能量(Eh)的空間分布隨洪、枯季變化顯著,洪季時河流勢能主控；⑥潮流能量通量向上游呈指數(shù)遞減,河流能量通量向下游呈指數(shù)遞減,整體表現(xiàn)出兩端大中間小的空間分布特征；⑦長江口能量的季節(jié)性變化主要表現(xiàn)為洪季時潮流做功最小、河口整體能耗率最低,枯季時河口能耗率變大,但仍保持一定受限制條件下的相對較小值,即實現(xiàn)統(tǒng)一能量耗散。(4)洪季平衡態(tài)與動態(tài)平衡最終本文將指標評估結果與Langbein (1963)年提出的河口最優(yōu)化流體地貌理論相聯(lián)系,證明長江口在洪季時(i)局部范圍內實現(xiàn)等能量耗散,(ii)全局范圍內實現(xiàn)最低能量耗散率,此時河口實現(xiàn)最佳平衡態(tài),河勢穩(wěn)定。洪季時潮流做功最小,河流實現(xiàn)統(tǒng)一能量耗散,系統(tǒng)的能量耗散主要來自河流勢能。能量耗散機制分析同樣證明洪季時河流凈能量通量(RNE)主控,河流引起的不對稱能量通量(RJA)與潮汐不對稱能量通量(TIA)相平衡。本文計算結果與Langbein(1963)的結論相矛盾,CST解析模型認為枯季時河口運行效率最優(yōu),但他們都基于經(jīng)典的解析理論,采用對稱型潮波驅動,Langbein (1963)甚至沒有考慮徑流影響。本研究考慮了潮汐型河口在徑-潮流作用下的動態(tài)響應機制,即洪、枯季變化徑流影響下長江口出現(xiàn)了潮汐不對稱,漲、落潮通量和能量通量發(fā)生自動調整,河口形態(tài)也出現(xiàn)喇叭型-棱柱型轉化的動態(tài)響應機制。以上因素體現(xiàn)了潮汐型河口為實現(xiàn)最小功而具備的自動調節(jié)能力,即動態(tài)平衡過程。這是徑流、潮流和地形之間的復雜反饋機制,之前關于這方面的研究較少。長江口作為典型的潮汐型平原河口,本文研究結論可應用于其他同類型河口。
【學位單位】：華東師范大學
【學位級別】：博士
【學位年份】：2015
【中圖分類】：TV148
【部分圖文】：

圖１－１全球重要河口位置分布??Ｆｉｇｕｒｅ?１－１?Ｔｈｅ?ｄｉｓｔｎｂ川ｉｏｎ?ｏｆ?ｇｌｏｂａｌ?ｉｍｐｏｒｔａｎｔ?ｅ巧ｕａｒｙ?ｌｏｃａｔｉｏｎｓ??１．２徑－潮流作用下水動力模擬研究現(xiàn)狀??河口的是礎。一口

ｓｔａｂｌｅ?ｅｑ山?１化ｈｕｍ?（Ｃ），?ａｎｄ?ｍｅｔａ巧ａｂｌｅ?ｅｑｕｉｌｉｂｒｉｕｍ?（Ｄ）．?Ｔｈｅ?ｕｎｄｅｒｌｙｉｎｇ?ｓｕｒｆａｃｅ?ｍａｙ?ｂｅ?ｃｏｎｓｉｄｅｒｅｄ??化?ｂｅ?ａ?ｐｏｔｅｎｔｉａｌ?ｅｎｅｒｇｙ?ｓｕｒｆａｃｅ＾］??圖１－２Ａ為中性平衡（ｎｅｕｔｒａｌ巧山化ｒｉｕｍ）出現(xiàn)在當球體受到稍微擾動之后??不會產生實質性作用力的情況；圖１－２Ｂ為不穩(wěn)定平衡（ｕｎｓｔａｂｌｅｅｑｕｉ化ｒｉｕｍ）出??現(xiàn)在當球體受到稍微擾動么后產生實質性的作用力，并且產生加速偏離原來狀態(tài)??的情況，即擾動力的正向反饋作用；與不穩(wěn)定狀態(tài)相對應的是相對平衡（巧ａｂｌｅ??ｅｑｕｉｎｂｒｉｕｍ），如圖１－２Ｃ，出現(xiàn)在當球體受到稍微擾動之后產生保護性作用力或??恢復性作用力。該作用力可用公式Ｆ?＝?－ｋｘ表示，其中ｋ為常數(shù)，Ｘ為距平衡的距??離，負號表示作用力方向與位移方向相反。實踐證明恢復性作用力并不是簡單的??將小球拉回至原來位置，立刻靜止，而往往會經(jīng)過一段時間震蕩，才逐漸恢復平??衡狀態(tài)。相對平衡狀態(tài)可理解為系統(tǒng)的負向反饋機制。圖１－２Ｄ的動態(tài)平衡狀態(tài)??（ｍｅｔａｓｔａｂｌｅ?ｅｑｕＨｉｂｒｉｕｍ）出現(xiàn)在當球體受到輕微擾動之后仍保持相對平衡的狀??態(tài)，但當擾動力超過一定限度之后系統(tǒng)就形成了不穩(wěn)定狀態(tài)，但隨即會進入下一??個新的相對平衡態(tài)。實際上

日地貌的沉積動態(tài)、沖澈過程等都會呈現(xiàn)出一定的洪、枯季變化。但上游供沙量??卻在不斷減少，而且地貌響應本身是緩慢的歷史演變過程，無法隨著洪枯季立馬??做出快速調整，如圖１－３所示。因此，河勢或地貌如何根據(jù)洪枯季做相應調整呢？??Ｗ及在什么情況下系統(tǒng)運行效率實現(xiàn)最優(yōu)化？到目前為止還沒有一個簡單的公??’?１６??

本文編號：2864228