涌潮数学模型在钱塘江河口桥梁工程中的应用

钱塘江河口潮大流急,特别是汹涌的涌潮,对钱塘江河口的桥梁工程破坏力极大.应用以准确Riemann解为基础的Godunov格式,结合WLF方法模拟了钱塘江涌潮.在验证计算的基础上,预测了潮差频率为0.33%、1%、2%、5%条件下环杭州湾萧山通道工程(钱塘江十桥)桥位处的设计流速和设计流量,为桥梁工程的设计提供了依据.     

涌潮的水槽模拟及验证

在涌潮玻璃水槽中，通过调节水槽两端变频器的频率控制潮前水深的稳定，使水体具有一定的潮前落潮流速，并以此为工况，增加下游变频器不同的运行频率模拟各种强度的涌潮，测试涌潮的传播速度、涌潮高度、流速垂向分布等水动力学特征参数，捕捉涌潮形态.在此基础上，选用2010年10月钱塘江河口盐官河段的现场实测资料对试验结果进行比较分析，结果表明涌潮水槽试验结果与盐官河段实地观测资料匹配良好.这说明涌潮玻璃水槽物理模型能成功模拟涌潮，适用于涌潮的测试研究.     

钱塘江强涌潮河段水沙数值模拟

通过建立涌潮作用下的二维泥沙数学模型,验证了钱塘江尖山河段两种不同河势下的水文资料,并应用模拟结果分析了水沙的异同点。结果表明,两种河势下,钱塘江河口尖山河段水沙运动的共同点是:潮波变形剧烈,是涌潮形成、发展和壮大的河段;涌潮到达时,流速及含沙量急剧增大,瞬间增幅大,且水流及含沙量均存在间断;涌潮是含沙量急速增加的主要动力因素。水沙运动的不同点是:分汊河势下沿程各潮位站的高、低潮位均高于走南河势,但潮差略小于走南河势,涨、落潮平均流速均较走南河势强,分汊河势存在南、北两股涌潮,最终形成交叉潮,涌潮作用下的最大含沙量为走南河势的2~3倍,单宽输沙率为走南河势的1.5~2.5倍。研究成果可为尖山河段治理研究和有关部门管理提供技术支持。     

钱塘江河口涌潮长期观测体系的建立

建立钱塘江河口涌潮观测体系，是防御潮灾、保护涌潮资源和研究涌潮规律的重要基础工作。在梳理以往观测资料的基础上，结合不同河段的涌潮特性和现状节点，沿钱塘江两岸布设盐官和美女坝等2站8点，按涌潮的水力特性确定涌潮高度、形态、流速、压力、行进速度、含沙量、潮位过程、河床冲淤过程及风速风向等9项观测内容，初步形成钱塘江河口的涌潮观测体系，为涌潮的保护利用及河口两岸的基础建设提供技术支撑。     

考虑涌潮作用的钱塘江二维泥沙输移数值模拟

钱塘江涌潮前后水位、流速和含沙量等物理量存在突变，给数值模拟带来了很大的困难，传统的数值模型往往不能准确模拟涌潮作用下的泥沙输移。在已建立的二维涌潮数值模型的基础上，应用基于准确Riemann解的Godunov格式建立了二维泥沙数值模型，模型首先检验了纯对流问题，然后模拟了钱塘江涌潮作用下的泥沙输移，计算结果反映了涌潮到达时刻含沙量的突变过程以及涌潮对泥沙输移的影响，揭示了钱塘江河口高含沙量区成因，以及涌潮是钱塘江河口大冲大淤的机理之一。     

基于定点连续观测的钱塘江涌潮特性研究

本文基于天文大潮期间钱塘江涌潮河段定点连续实测的最新资料,对钱塘江涌潮的潮位、潮流、盐度和浊度等特性参数进行分析研究。潮位、平均流速、垂向分层流速和盐度、浊度变化数据表明:涨落潮期间该河段的潮位呈双峰变化过程,涌潮抵达时水位骤然升高,之后下降,约40.0 min后,水位再次开始升高至高潮位,涌潮到达约3.5 h之后逐渐变为憩流;涌潮Fr为1.10,涌潮形态呈现为波状涌潮且水波较弱。涌潮到达瞬间,流场整体发生转向,流速大于涌潮前流速,且底层流速增大幅度大于表、中层,流速分层不明显。盐度在涌潮到达后约40.0 min后开始明显增大,与流速的改变相比存在一定的滞后,主要因为潮流入侵引起盐度增加。底层浊度随涌潮的到达而同步升高,主要是涌潮导致流场剧烈变化,引起床面冲刷和大量细颗粒泥沙悬浮;之后,浊度随涨潮流减弱而逐渐减小,憩流时达到最小,而后随着流速转向及退潮流增大而再次增大。该研究为钱塘江涌潮特性分析和钱塘江取水及岸滩冲淤防护等工程提供了科学依据。     

钱塘江涌潮特性及其数值模拟

在钱塘江涌潮实测资料的基础上,分析了钱塘江涌潮高度、涌潮传播速度、涌潮流速、涌潮形态及景观、涌潮压力等涌潮特性.同时,应用基于KFVS (kinetic flux vector splitting)格式的二维涌潮数值模型模拟了钱塘江涌潮的形成、发展和衰减的全过程,复演了"交叉潮"、"一线潮"、"回头潮"等现象.通过对计算结果的比较分析,对涌潮特性有了进一步的认识.     

钱塘江海宁三期治江围涂工程对涌潮影响的数值模拟研究

应用KFVS格式建立了钱塘江二维涌潮数值模型,在实测涌潮资料验证的基础上,模型预测了钱塘江北岸海宁三期治江围涂工程对钱塘江涌潮的影响.研究结果表明:实施围涂1万亩后,在走南河势下,大缺口及盐官的涌潮高度分别抬高0.23m和0.09m,海塘堤前涌潮流速增加5%,涌潮到达时间提前约3分钟,盐官涌潮后5分钟内的水位和流速变化率加大;围涂工程对涌潮潮景的影响较小:盐官附近的一线潮将更为壮观,尖山附近的交叉潮位置有所下移,老盐仓附近的回头潮基本不变.     

考虑涌潮作用的钱塘江二维泥沙输移数值模拟

钱塘江涌潮前后水位、流速和含沙量等物理量存在突变,给数值模拟带来了很大的困难,常规的数值模型往往不能准确模拟涌潮作用下的泥沙输移。在已建立的二维涌潮数值模型的基础上,应用基于准确Riemann解的Godunov格式建立了二维泥沙数值模型,模型首先检验了纯对流问题,然后模拟了钱塘江涌潮作用下的泥沙输移,计算结果反映了涌潮到达时刻含沙量的突变过程以及涌潮对泥沙输移的影响,揭示了钱塘江河口高含沙区的成因,以及涌潮是钱塘江河口大冲大淤的机理之一。     

钱塘江嘉绍大桥对强潮河口水动力的影响

为研究嘉绍大桥对钱塘江涌潮形态及水动力的影响,在分析现场涌潮观测资料的基础上,建立基于KFVS格式的平面二维涌潮数学模型,计算比较了建桥前后涌潮及潮流场的变化。结果表明：受嘉绍大桥阻隔影响,涌潮经过桥位时其形态的整体性被破坏,过桥后约500m涌潮形态基本恢复,桥位下游涌潮高度增加,桥位上游涌潮高度降低;建桥对涨、落潮流的影响主要在桥位近区,对上下游的潮位和流向影响较小,桥位上下游涨、落潮流速减小0～5％,桥轴线断面桥跨中间流速增加2％～10％;建桥对涌潮的影响是局部的,桥位上下游近区的潮动力有所减弱。     

涌潮水流CFD数值模拟

涌潮是一种对涉水建筑物冲击巨大的非线性强间断流,实现涌潮的小尺度精细模拟是分析涉水建筑物在涌潮作用下结构稳定性的前提。采用大涡模拟(LES)技术求解N-S方程,利用流体体积法(VOF)实现对自由水面的追踪,边界上给定基于涌潮理论公式推导出的涨潮流速与水深条件,进行了涌潮的小尺度精细模拟。结果表明,数值模拟得到的涌潮传播速度与理论值比较接近,Fr < 1.3时为波状涌潮,Fr>1.5时为旋滚涌潮,涌潮形态分区与前人的试验成果吻合。在涌潮传播过程中,潮头处流速最大,且表层流速波动幅度始终大于中低层流速波动幅度,旋滚涌潮潮头水体紊动比波状涌潮强烈。模拟结果同时表明涌潮潮前水深与涌潮高度是影响潮头流速波动和形态的主要因素。上述涌潮模拟方法可为涌潮河段涉水建筑物的结构设计及安全评估提供参考。     

钱塘江涌潮对风场响应的三维数值研究

台风作用下钱塘江涌潮观赏性强,破坏力大。结合台风期实测潮汐资料分析,基于三维数学模型研究了顺风和逆风条件下恒定风况对钱塘江涌潮水流的影响,得到了不同风况对涌潮高度、流速、传播速度和涌潮潮景的影响程度。顺风作用导致涌潮高度、流速和传播速度均增大,风速愈大,增加幅度愈大,涌潮流速沿水深分布愈不均匀。在顺风30 m/s风况下,盐官涌潮高度增加5%,涌潮流速增大33%,涌潮传播速度加快37%;顺风作用下,老盐仓回头潮更强,回头潮水位更高,反映了台风期间老盐仓经常出现回头潮翻越海堤堤顶的情况。逆风作用与顺风作用相反。计算结果与实际情况在定性上一致。     

Experimental hydrodynamic study of the Qiantang River tidal bore

To study the hydrodynamics of tidal bore, a physical modeling study is carried out in a rectangular flume with considerations of the tidal bore heights, the propagation speeds, the tidal current velocities, the front steepness, and the bore shapes. After the validation with the field observations, the experimental results are analyzed, and it is shown that: (1) the greater initial ebb velocity or the larger initial water depth impedes the tidal bore propagation, (2) the maximum bore height appears at an initial ebb velocity in the range of 0.5 m/s-1.5 m/s, (3) when the Froude number exceeds 1.2, an undular bore appears, after it exceeds 1.3, a breaking bore occurs, and after it exceeds 1.7, the bore is broken.     

长江口北支涌潮的形成条件及其初生地探讨

根据2001年4月青龙港出现涌潮时的实测流速和水深，采用水跃原理，简明地揭示了涨潮流速大于潮波传速是北支涌潮的成因。通过影响流速和波速的因素分析，并经实例计算认为：北支的喇叭形河势和水下沙坎是涌潮形成的必要条件；青龙港一潮的进潮量达到1.5亿m3，或北支口门一潮进潮量达到18亿m3是涌潮形成的充分条件。进而据沿程水深和潮汐等有关资料，经对比、试算，建立了沿程变化的进潮量、潮差等计算公式，并计算得到：在口门最大进潮量20.7亿m3的条件下，也只有当潮波上溯到距离口门约50km的灵甸港时，才出现流速大于波速，初生涌潮。由此表明，灵甸港是现今北支涌潮的初生地。     

运用神经网络理论研究钱塘江涌潮的影响因素

 在定性分析涌潮主要影响因素的基础上，借助BP神经网络建立了盐官站潮头高度的预测模型，经检验该模型具有较好的泛化能力。结合正交试验设计理论，定量地分析了各因素对涌潮的影响程度。研究结果表明：潮头高度与下游潮汐呈正相关关系，而与河道地形呈负相关关系，当径流流量小于7 000 m3/s时，潮头高度与上游径流也呈正相关关系，超过此范围，则呈负相关关系。     

钱塘江九溪涌潮重塑在工程实践中的探索研究

为保护钱塘江涌潮景观、减小涌潮危害,重塑钱塘江九溪涌潮,变潮害为潮景,使涌潮可赏、可控、安全。应用KFVS格式建立二维涌潮数学模型,在实测水文资料验证的基础上,计算优化方案实施前后的流场及涌潮传播特性,从构筑物近区涌潮高度、涌高明显的岸线长度和涌高明显的区域面积等3个指标综合评判涌潮重塑效果。通过物理模型试验,模拟涌潮的形成与传播过程,分析比较各方案实施前后工程区域附近涌潮传播过程的壅高、越堤等变化情况,进一步验证了重塑效果。研究结果表明,通过优化工程布局,采取工程措施,钱塘江九溪涌潮重塑具有可行性,既能保留九溪涌潮特性,又能实现安全观潮。     

“烟花”台风对钱塘江涌潮影响的数值模拟

2021年7月25日“烟花”台风登陆于浙江舟山,恰逢天文大潮期,对钱塘江涌潮产生了较大的影响。为研究该强台风对涌潮的影响,建立了台风暴潮作用下的涌潮数学模型,采用“烟花”台风登陆期实测数据进行数学模型的验证,模型较好地复演了台风登陆期潮位和涌潮的变化过程。拟定计算方案以分离台风的直接和间接影响,计算结果表明:受“烟花”台风登陆时的逆风影响,台风对盐官河段涌潮的直接影响明显较间接影响小。“烟花”台风登陆时盐官潮差为3.59 m,盐官—老盐仓的涌潮传播速度增加7.7%,一线潮和回头潮的潮头高度平均增加0.30和0.22 m。“烟花”台风使盐官一线潮和老盐仓回头潮的潮到时间分别提前62和65 min。