黄河口泥沙输运三维数值模拟Ⅰ--黄河口切变锋

采用三维数学模型研究黄河口泥沙输运过程,并利用实测资料对模型进行了检验。数值模拟结果揭示了黄河口切变锋的时空运动过程及其对河口泥沙传输的作用。黄河口切变锋在涨、落潮时段存在两种不同的形态,分别历时2小时左右。切变锋在浅水区域产生,向深水区移动,经历2小时左右消失,它的产生是由于近岸区域与10 m深线以外区域的潮汐相位差所导致。切变锋对河口泥沙的向海传输有重要的阻隔作用,导致河口泥沙集中在切变锋的向岸一侧随落潮流向北侧传输,在涨潮时河口向海排沙量降低,少量泥沙随涨潮流沿岸向南传输。长期的地貌演化表明切变锋对河口的淤积和侵蚀分区有重要的控制作用,导致河口泥沙在其向岸一侧沉积,是长时间尺度的河口地貌演化对短时间尺度河口沉积动力过程的重要响应。     

2001—2011年黄河入海泥沙分布及其扩散机制

通过对2001年6月、2011年6月黄河口及邻近海域进行水下地形测验,分析了调水调沙10a间入海泥沙的分布及扩散情况。结果表明:黄河泥沙入海后,首先遭遇到入海上层径流与底层海流作用形成的切变锋的第一道拦阻,使66%的入海泥沙淤积在110km2的口门区,然后河口10m水深处潮汐相位差切变锋的第二道拦阻,又导致83%的入海泥沙被阻隔在面积245km2的12m水深节点线以内近岸区域,这两道切变锋对泥沙的连续、强烈"捕捉"是黄河口拦门沙形成的最主要机制。     

太湖风生流特征的数值模拟研究

该文基于对太湖地形和水动力特征的分析,建立了沿垂向平均的太湖二维浅水动力学模型,给出了模型参数和模型的数值求解方法.通过对太湖风生流的模拟,分析了太湖风生环流的基本形态特征,并得到了实测流场的良好验证.进一步对盛行风场下的太湖流场和水动力特征进行数值研究表明,太湖风生流的形成主要由风场、湖泊边界及湖底地形决定;得到了不同湖区的流动规律和水动力特征,并揭示了不同湖区流动差异的形成原因.     

黄河调水调沙14a来河口拦门沙形态变化特征

黄河水沙入海上层径流与底层海流作用形成的切变锋锋面拦阻,是河口拦门沙形成的重要动力机制,黄河口拦门沙地形监测是监控这一动力机制作用变化结果的重要手段。通过对2001年6月—2015年8月多测次黄河口拦门沙水下地形测验,明确了黄河调水调沙以来14 a间黄河口拦门沙464.08 km~2海域淤积量为14.88亿t,占期间利津入海泥沙的75.6%;同期河长最大延伸8 km,造陆61.55 km~2,年均4.40 km2;1 m等深线14 a间淤进面积为54.10 km~2,年均3.86 km~2,最大向外推进8 km;通过勾画4个阶段黄河口拦门沙海域冲淤演变特征,着重分析了河口拦门沙地形测验应改进的问题,最后形成了黄河口拦门沙地形测验站网优化设计。     

长江口盐水入侵数值模型研究

本文利用ECOM模式建立了一个长江口水动力盐度三维数值模型。当水底地形变化比较剧烈时，原ECOM模式中水平扩散项的计算就可能产生虚假的流场和物质输运，所以文中首先对ECOM模式物质输运方程的水平扩散项计算方法进行改进，采用返回z坐标系计算，离散变量利用σ层二次Lagrange插值得到。对于改进方法，文中采用Huang＆spaulding提出的数值试验进行验证，证明此方法大大地提高了水平扩散项的计算精度。改进模型采用长江口实测水文资料进行率定验证，计算和分析了南北槽垂向盐度分布和盐水通量过程，结果表明，模型能较好反映测点盐度变化过程，也能较好地模拟出垂向表底层的盐度差异。     

数值分析磨刀门水道咸潮上溯控制工程措施的效应

珠江河口磨刀门咸潮入侵有逐年增强趋势,其发生频率越来越高.此文采用有限体积近岸海洋模型(FVCOM)建立了珠江河口三维咸潮水动力数学模型,并采用实测潮位、盐度和流速对模型进行了率定和验证,表明该模型较好地反映珠江河口,特别是磨刀门咸潮上溯的水动力情况.采用已率定的FVCOM模型,分别对疏挖磨刀门拦门沙以及建设人工潜坝之后的工况进行数值模拟,研究了控制工程措施对咸潮上溯的影响.结果表明,疏挖拦门沙后,5‰盐度等值线的上溯最远点向内陆推进了2.5km,咸潮入侵程度有所加剧;而建造距河底3m高的人工潜坝后,5‰盐度等值线的上溯最远点向外海退缩了1.3km,咸潮入侵程度有所减弱.该研究对压咸措施有一定的指导意义.     

长江口盐水入侵特征及规律

在分析长江口2002年3月枯季全潮水文测验资料的基础上,建立了“长江口—杭州湾—舟山群岛”海域大范围二维水流盐度数学模型,对长江口盐水入侵的特征及规律进行了研究。结果表明:受北支盐水倒灌影响,时间上南支某些水域不同于一般的涨(落)憩时盐度达到峰(谷)值,而是涨憩时盐度达到谷值,落憩时盐度达到峰值;空间上南支盐度分布在大潮期间呈现出“高—低—高”的格局,口门处的盐度在涨憩时明显大于落憩时,数值模型计算结果与实测数据分析相一致。同时,通过对北支潮径动力分析可发现,外海潮差越大,上游径流量越小,北支盐水倒灌南支的可能性越大,即北支口分流比随上游径流量呈指数增长,而与外海潮差成反比。研究成果可供研究长江口盐水入侵科技人员参考。     

基于DEM技术的黄河口拦门沙分析

为了解近年来黄河口拦门沙发育情况,利用2017—2019年该区域水下地形数据,通过GIS建立DEM模型,分析区域淤积变化情况,发现黄河口拦门沙向西北和东北方向逐年发育,近口门处水下地形变化剧烈,来水来沙是形成拦门沙的主要因素。     

钱塘江河口沙坎演变的数值模拟研究

运用Delft3D软件模拟钱塘江河口沙坎的形成演变过程,探讨钱塘江河口沙坎的演变机理.将钱塘江河口概化为喇叭形,假定底质泥沙粒径单一,不考虑波浪作用,在径流和潮汐的作用下,建立钱塘江河口沙坎演变的数值模拟,重现沙坎演变的过程.钱塘江河口沙坎的形成演变主要受水动力、泥沙输运、河床演变三者非线性相互作用的控制.流域来水与外海潮汐的相互作用为沙坎提供了水动力条件,外海巨量泥沙输入为沙坎形成提供了丰富的泥沙来源.     

基于EFDC的九龙江口-厦门湾三维潮流及盐度数值模拟研究

环境流体动力学模型(EFDC)集水动力模块、泥沙输运模块、污染物运移模块和水质预测模块于一体,可以用于河流、湖泊、水库、湿地和近岸海域一维、二维和三维物理和化学过程的模拟。为了研究岛屿多、岸线地形及流态复杂的九龙江口-厦门湾水动力过程,该文将EFDC模型运用于该水域三维潮流及盐度场的数值模拟,对比实测资料校核了模型参数,利用实测潮位、流速和盐度数据对模拟结果进行了充分的验证,吻合度高。该水域属于规则半日潮类型,平均涨、落潮历时约6 h;潮流以往复流运动为主,表层流速最大可达2 m/s;低平潮前后出现面积合计约74 km2的多处露滩;发现河口区分层及不同类型的盐度锋现象均在低潮后1 h时最显著。结果表明,该模式成功复演了九龙江口-厦门湾潮汐潮流和盐度场的时空变化过程,适用于模拟和分析河口及近海海域的水动力场。     

珠江口盐度锋面对营养物质和生物的影响

利用MIKE 3的非结构网格水动力数学模型对珠江河口流场、温度场和盐度场进行数值模拟及对比分析。结果表明:河口锋面对水体中营养物质的输送起阻碍作用,从而使生物在锋面附近有特定的分布形式,即锋面使得营养物质、生物在其两侧积聚形成高值区,物质难以通过锋面进行输送。     

潮致地下水环流对黄河口外海含氮量的影响

近年来,渤海水质营养盐结构发生了显著变化,黄河口外海水质逐渐从高磷低氮向低磷高氮转变,特别是黄河口外无潮点海域水体无机氮含量较高。研究表明:由于无潮点海区沿海岸潮差分布差异比较明显,因此导致内陆一侧潜水层内地下水超高在空间分布上也存在显著差异,促使内陆地下水流从高潮差滨海区向低潮差滨海区运动,并促进内陆污染物迁移入海;靠近无潮点的海岸超高最小,成为地下水流的汇合入海处;随着近年来农村氮肥的大量使用,陆源污染有所加重,地下水中氮元素含量远高于地表水,在此类地下环流的长期作用下近岸海水中氮含量有所增高,由此导致局部海域水质逐渐由氮限制向磷限制方向演化。     

基于Delft3D-flow模型的长江口盐度扩散规律模拟

为了研究长江口环流动力过程下的河口盐度扩散和分层混合机制,采用河口三维模型(Delft3D-flow)模拟了长江口盐度分层扩散规律和扩散系数变化对河口分层的影响。通过模拟实际水文情况下的长江口水动力过程,反映了该区域受到较强的径潮流动力作用后,对盐度在涨落潮周期内的垂向混合分层产生了重要影响,进一步验证了分层河口紊动扩散系数对盐度的水平扩散输移、垂向非稳定层化和混合的影响均较大。模拟结果较好地反映了河口在复杂水动力过程下盐度扩散和分层规律。     

漳卫新河河口最小生态需水量研究

由于水资源过度开发利用,海河流域诸多河口入海径流量大幅减小,导致河口生态严重退化.选择盐度为河口栖息地关键环境因子,利用河口潮流和盐度数学模型模拟栖息地盐度与入海径流量的关系,以20世纪70年代塘沽海洋站年平均最大盐度值为控制标准,计算得到该标准下的河口最小生态需水量.结果表明,漳卫新河河口年最小生态需水量为3.19亿m3.20世纪80年代以来,漳卫新河河口多年平均入海径流量为1.55亿m3,约84%年份无法保证河口最小生态需水量.计算结果可为流域生态调度和河口生态系统修复提供参考.     

地形变异条件下长江口南港河段水动力变化

1958—2010年,长江口南港河段河槽断面形态呈“U”型和“W”型交替变化。基于二维潮流数学模型,模拟了1958,1973,1997和2010年长江口地形条件下的水动力变化,进而分析了地形变化对潮波传递和潮流运动的影响。研究表明,南港河段水动力与地形变化密切相关。自1958年以来,南港河段潮差逐渐减小,潮波变形逐渐加剧;潮流与瑞丰沙发展变化联系紧密;1997年,瑞丰沙范围最大时,南港流速平面上呈复式分布,长兴水道为涨潮占优,其他年份,落潮占优,南港主槽始终为落潮占优;南港落潮分流比自1958至1973年明显降低,1973年后趋于稳定,为50%左右,随地形变化较小。     

港珠澳大桥对珠江口水域水动力影响的数值模拟

港珠澳大桥连接香港、珠海和澳门三地,横跨珠江口水域,大桥沿线大量的桥墩和海中人工岛必将对珠江口水域的水动力环境产生影响.采用平面二维潮流数学模型模拟了建桥前后珠江口水域的水动力变化和影响程度,采用非结构网格模拟桥墩和人工岛的形状,有限体积法求解水沙控制方程.模拟结果表明,大桥工程引起的水动力变化区域主要集中在东、西人工岛上下游各5 km及非通航区桥位上下游各1 km范围以内水域,对珠江口水域的水动力分布格局基本不产生影响.     

黄河口盐沼湿地植被群落适宜生境模拟Ⅱ：应用

在径流和潮汐的共同作用下,黄河口三角洲天然盐沼植被具有明显的带状分布特征。本文基于盐沼植被对土壤水盐的响应机理构建地下水动力-种群动力学生境耦合模型,模拟了径流和潮汐共同作用下,黄河三角洲不同土壤水盐条件下盐沼植被适宜生境及生物量的时空分布。以不同年份黄河利津站的水资源量为依据,模拟了最大年、丰水年、平水年和枯水年和最小年5种水文年时间序列方案,模拟不同河流径流过程对河口盐沼植被的影响。研究发现盐沼植被在研究区内的适宜生境在黄河两岸呈带状分布,在距离黄河较远的区域呈散点状分布;芦苇的生物量积累主要发生在较窄的条带上,而翅碱蓬和柽柳的生物量积累均匀分布在面状区域,3种盐沼植被在散点状适宜生境上均无生物量积累;丰水年情景下生长季内适宜生境月均面积最大,达研究区总面积的16.66%;而枯水年情景生长季内月均生物量最多,最大达13.86万t。研究构建了地下水动力-种群动力学生境耦合模型,能够定量化模拟不同径流情景下河口湿地地下水、土壤水盐条件及盐沼植被适宜生境与生物量分布规律,以期服务于河口三角洲盐沼植被保护与修复。     

河口近岸海域生态需水研究——漳卫新河河口生态需水分析

应用河口-海岸-海洋模型对漳卫新河河口近岸海域盐度分布进行了模拟,考虑鱼类的盐度耐受能力,分析了不同来水情景下漳卫新河河口的鱼类盐度适宜范围分布面积。研究结果表明,现状来水条件下,漳卫新河河口鱼类盐度适宜范围分布面积较小,生境较差。根据不同来水量与鱼类盐度适宜面积的关系曲线,分析得出维持漳卫新河河口生态系统稳定所需要的最小生态流量约为10m3/s,最适生态流量为160m3/s;最小年需水量为9.4亿m3,适宜年需水量为15.2亿m3。