台风浪对长江口深水航道骤淤的影响研究

概述风暴对长江口航槽短期地形变化的影响和研究现状，将缓坡方程、Boussinesq方程和动谱平衡方程进行分析比较，选择后者做为长江口台风浪数值预报模式。介绍球坐标下动谱平衡方程模型及方程右端源汇项的处理方法，以9912号台风对波浪数值模型进行验证。数值预报EES向20m/s风场下深水航道水域波浪要素：有效波高分布和波浪水质点底部轨迹运动速度分布。由泥沙起动底流速公式得到深水航道水域底沙起动底流速场，根据长江口波浪水质点底部轨迹运动速度的均方根值与泥沙的起动底流速之差的分布场进行骤淤机理分析。结果表明在EES向20m／s风场作用下横沙浅滩和九段沙浅滩的大部分水域底部泥沙将被掀扬至水体，部分泥沙在跨槽水流带动下会进入航道而造成严重淤积。最后提出研究长江口深水航道风暴骤淤问题的进一步工作。     

基于非结构网格的长江口横沙东滩新陆域数值模拟

为探讨长江口横沙东滩新陆域不同成陆方案对长江口北槽水动力条件的影响,基于CJK3DWEM模型,建立了新陆域数学模型,划分计算水域三角形单元138 281个,网格边长平均约150.0 m。计算结果表明:横沙东滩新陆域形成后,北港上断面、南槽下断面落潮分流比略有减小,分流比变化均在1.00%以内;南港河段、北槽中上段涨落急流速不同程度增加,增加幅度为5~15 cm/s;北槽下段涨落急流速略有减小,减小幅度为5~10 cm/s;北港沿程落急流速有不同程度减小,减小幅度为5 cm/s左右;工程区北侧和南侧高潮位降低,低潮位变化相对较小,原因在于圈围工程主要布置在横沙东滩高程-5.0 m以上浅滩区域,圈围后明显阻隔了涨潮漫滩流。     

基于OpenFOAM的挡板透空式防波堤水动力特性数值分析

基于有限体积法理论,应用开源计算流体力学软件OpenFOAM求解黏性不可压缩流体的连续性方程和动量方程,建立了二维数值波浪水槽,并通过规则波作用下挡板式透空结构的物理模型试验数据(波面、压力和流速)对数值波浪水槽进行了验证;计算并比较分析了不同入射波浪条件下挡板相对入水深度对透射系数和挡板底部流速的影响.结果表明,当挡...     

Impacts of wind waves on sediment transport in a large,shallow lake

Lake Okeechobee is a large, shallow subtropical lake, located in south Florida. Over the last several decades, Lake Okeechobee has experienced accelerated eutrophication due to excessive phosphorus loads from agricultural run‐off. Recycling of phosphorus from bottom sediments through resuspension is critical to addressing eutrophication of the lake and for water quality management. The present study investigates the impacts of wind waves on sediment transport in Lake Okeechobee, using measured data and the Lake Okeechobee Environmental Model (LOEM). The LOEM was fully calibrated and verified with more than 10 years of measured data in previous studies. Analysis of the measured data indicates significant wave height (SWH) and suspended sediment concentration are closely correlated to the wind speed in the lake. The nonlinear interaction of high‐frequency wind waves with relatively low‐frequency currents in the boundary layer plays a key role in sediment deposition/resuspension. Without considering the effects of wind waves, the bottom shear stress can be greatly underestimated. The spatial variations of key variables for sediment modelling, including SWH, water depth, orbital velocity, current velocity, bottom shear stress and sediment concentration, are discussed. In general, the near‐bottom wave velocity (and the associated bottom shear stress) is greater than or the same order of magnitude as the near‐bed current velocity (and the associated bottom shear stress) in this shallow water system. Although the sediment zones of Lake Okeechobee were described in previous studies, few published papers discussed its formation mechanisms. The findings of the present study include that the multiyear averaged bottom shear stress with wind‐wave effect plays a key role in forming the spatial patterns of the sediment zones. The study results are currently being used in lake management and in developing strategies for reducing phosphorus in the lake.     

近40年来长江口沉积物粒度变化及其对底床冲淤的响应

在全球变化和人类活动的双重驱动下,长江口的沉积物来源、输运和河床冲淤正在经历持续性调整。为了探索近40年长江口沉积物输运和海底冲淤时空变化趋势,基于1980—2020年长江口海底沉积物粒度和水下地形数据,采用沉积物粒径趋势模型和多种空间分辨率网格统计分析方法开展研究。结果表明,长江口北支沉积物总体向河道中下部汇聚,南支则在南、北港分流处靠近崇明岛区域形成沉积中心,该结果与基于2012—2020年地形计算的冲淤变化基本相符,沉积中心具有较大的淤积幅度。多年统计结果表明:1980—2003年为高强度输沙时期,整个河口区处于淤积状态,沉积物粒径变细但整体变幅较小;2003—2012年河流输沙量快速降低背景下,2009年前河口区整体依然处于淤积状态,粒径变化不显著;2009—2012年是由淤积转为冲刷的过渡期,口外区域首先出现了小范围侵蚀和沉积物粗化现象;2012—2020年,河口区整体出现大面积侵蚀和粒径粗化现象,粒径与侵蚀变化间呈显著相关。研究发现,高分辨统计网格可以更有效地捕捉到小范围地貌由淤转冲的信号。总体而言,近40年来,长江口已经由显著淤积转为局部侵蚀,未来可能面临持续性的海岸侵蚀灾害。     

河口高浑浊带航道回淤影响因子分析方法研究

针对河口高浑浊带区域的航道回淤影响因子分析问题,研究提出了一套合理的分析方法。采用了理论模型计算、实测资料分析和相关性分析等技术手段,以长江口深水航道为例,计算比较了冲刷动力、淤积动力以及满足淤积条件的近底层含沙量等因子对航道回淤量的影响,并提出了满足淤积条件的小流速时近底层高含沙量是直接影响长江口高浑浊带区域航道回淤量的主要因子。这一结论通过洪枯季对应数据的差异比较得到了验证,也表明了所提分析方法的合理性。     

河口海岸潮流速分布模式研究

在沿岸水域尤其是在浅海陆架和近岸区,潮流在水流运动中起着主导的作用,在潮流运动中,近底流速剖面偏离传统的对数分布。根据前人的研究,笔者曾从理论上得到了近底流速分布的对数线性模式。但该模式对近底层的数据要求较高,一般近底1m之内需要四层测量数据,而这些数据在实际应用时很难得到。因此,本文根据潮流运动的表面边界条件将该模式进行扩展研究,使其能适用于传统的六点法测量数据。该扩展模式为对数抛物模式,适用于全水深,是潮流速分布模式。通过长江口和江苏岸外西洋海域两个实例计算分析,并与传统的对数分布模式比较,结果表明该潮流速分布模式在各层数据上都与实测数据具有良好的相关性且物理量z0与u．之间具有更好的一致性和相关性,可应用于河口海岸流速分析研究。     

三峡建库后芦家河水道的演变预测

针对长江中游芦家河河段的特性，建立了适合该河段的平面二维水流数学模型，用芦家河水道的实例资料验证表明，计算值在水位，流速，流向等方面与实例情况一致，说明该模型能够较好地反映芦家河水道的水流运动特性。     

直立堤前能谱与反射系数和底流速的综合分析

通过波谱分析的方法，研究了堤前能谱，反射系数和底流速的各自分布规律，分析了它们的相互关系：从堤前能谱表达式推导出反射系数的表达式，并将该反射系数用于求堤前任意位置的底流速，给出了堤前与入射波的底流速的统一形式，实验及计算表明，在无基床条件下得到的堤前能谱和底流速关系可推广到低基床的相应情况。     

长江口河势近15年变化特征及其对河口治理的启示

1998年长江口深水航道治理工程实施以来,开展了常年定期的长江口河势跟踪监测分析工作。基于此,从宏观角度系统分析和总结了长江口河势近15 a来的总体变化特征,并探讨了河势演变特征对后续河口治理开发的若干启示。结果表明:近15 a来长江口河势变化整体仍符合陈吉余等1979年提出的河口历史发育模式;长江口深水航道治理工程、青草沙水库等重大涉水工程建设对稳定“三级分汊、四口入海”的河势格局起到了重要作用;在2007年之后长江口河床冲淤调整程度总体趋于放缓,年内冲淤变化受径流过程影响仍较明显。从河势发展的角度看,未来长江河口的治理开发,须继续遵循河口向东南方向的演化趋势,综合考虑河口开发的相互影响,以及加快长江口综合整治开发等规划的实施步伐。     

长江口悬沙含量垂向分布数值模拟

根据长江口北槽和南槽实测的水沙资料，利用垂向一维悬沙数学模型模拟了长江口悬沙含量及其分布，并对摩阻流速和临底悬沙含量进行了简要分析。结果表明，计算值与实测值较为吻合。     

Application of SWAN+ADCIRC to tide-surge and wave simulation in Gulf of Maine during Patriot's Day storm

The southern coast of the Gulf of Maine in the United States is prone to flooding caused by nor'easters. A state-of-the-art fully-coupled model, the Simulating WAves Nearshore(SWAN) model with unstructured grids and the ADvanced CIRCulation(ADCIRC) model, was used to study the hydrodynamic response in the Gulf of Maine during the Patriot's Day storm of 2007, a notable example of nor'easters in this area. The model predictions agree well with the observed tide-surges and waves during this storm event. Waves and circulation in the Gulf of Maine were analyzed. The Georges Bank plays an important role in dissipating wave energy through the bottom friction when waves propagate over the bank from offshore to the inner gulf due to its shallow bathymetry. Wave energy dissipation results in decreasing significant wave height(SWH) in the cross-bank direction and wave radiation stress gradient, which in turn induces changes in currents. While the tidal currents are dominant over the Georges Bank and in the Bay of Fundy, the residual currents generated by the meteorological forcing and waves are significant over the Georges Bank and in the coastal area and can reach 0.3 m/s and 0.2 m/s, respectively. In the vicinity of the coast, the longshore current generated by the surface wind stress and wave radiation stress acting parallel to the coastline is inversely proportional to the water depth and will eventually be limited by the bottom friction. The storm surge level reaches 0.8 m along the western periphery of the Gulf of Maine while the wave set-up due to radiation stress variation reaches 0.2 m. Therefore, it is significant to coastal flooding.     

近十年来台风诱发长江口航道骤淤的初步分析

台风诱发航道骤淤已成为长江口航道淤积的主要表现形式之一,一定程度上威胁长江口航道的安全运行和上海国际航运事业的发展。根据现场实测资料,初步分析了近十年来多次台风期长江口北槽航道骤淤变化特点和规律,探讨了台风诱发北槽航道骤淤的主要影响因素及其内在机理,并提出了防治航道骤淤的有关建议。结果表明,每年台风造成的航道骤淤量在200～800万m3左右,对航道年回淤总量的贡献率在4%～50%之间不等;航道骤淤程度会随航道维护水深的增加而有所增强;航道骤淤分布呈时间和空间均相对集中的特点。分析还表明,台风诱发北槽航道骤淤分布与长江口深水航道治理工程建设引起的水沙动力和河床环境变化是相适应的,而较大的航道骤淤量还与台风期间泥沙来源种类的增加有关。     

基于SWAN和ECOMSED模式的大风作用下黄骅港波浪、潮流、泥沙的三维数值模拟

根据黄骅港外航道淤积问题的具体情况,本文采用三维细颗粒泥沙的ECOMSED模式对黄骅港海域的潮流、泥沙进行了模拟。数值计算结果与潮流为主要动力条件的现场实测结果进行了比较,二者吻合较好。在此基础上,本文采用SWAN风浪模型和ECOMSED对黄骅港骤淤进行了数值模拟,并与收集到的现场实测资料进行比较,也得到较好的结果。数值模拟显示,波浪是造成黄骅港外航道泥沙淤积的主要动力因素;在以波浪为主的动力条件下,含沙量在波浪破碎带达到最大,并且沿水深变化梯度较大。破碎带当地的泥沙跨过航道落淤是黄骅港外航道淤积的主要原因,岸边泥沙随落潮流下泻不是黄骅港外航道大风骤淤的主要原因。     

长江口风暴潮流场计算

利用一、二维数学模型，并考虑长江口深水航道治理工程的进展情况，对长江口区风暴潮流场进行了数值模拟计算。计算结果表明，治理工程对风暴潮引起的增长影响不显著，风暴潮增水期间潮位升高，涨、落潮流速及长江口北槽的分流会增大。     

长江口深水航道治理一期工程实施前后北槽最大浑浊带分布及对北槽淤积的影响

以长江口深水航道治理一期工程实施前后的水文同步测验资料、浮泥观测分析资料、水下地形测量资料以及航槽回淤统计资料等为依据,首次对北槽深水航道一期工程实施前后最大浑浊带的分布规律进行系统总结和分析,研究评价了北槽最大浑浊带的分布对北槽航槽淤积和拦门沙地形发育的影响,研究成果可为北槽深水航道治理二、三期工程的顺利实施提供参考,同时澄清一些认识。     

长江口北槽泥沙起动流速研究

在大量实测资料分析、室内水槽试验和现场坐底观测试验的基础上,对长江口北槽泥沙起动流速特性进行了分析研究。首先分析了北槽河床质实测资料,明确了北槽中段河床组成特性。通过北槽天然沙的室内水槽试验研究了天然沙在浅水区的起动特性。通过北槽现场坐底观测的实测结果分析了北槽实际的泥沙起动特征,其中泥沙起动状态主要通过近底泥沙浓度变化和床面冲淤变化的判定。在以上实测资料的基础上分析了北槽的泥沙起动规律,推荐了在浅水区和深水区适宜的泥沙起动流速经验公式。     

离子型表面活性剂对细颗粒泥沙起动的影响

表面活性剂是天然水体中常见污染物。泥沙吸附表面活性剂后,泥沙表面性质发生变化,从而影响泥沙起动规律。以长江武汉段细颗粒泥沙为研究对象,通过循环水槽装置模拟泥沙起动过程的试验,从定性和定量两方面研究了离子型表面活性剂对泥沙起动的影响机理。结果表明:①泥沙的起动过程可细分为7个阶段,当流速为15.0~20.0 cm/s时,水明显浑浊,泥沙起动;②由于表面活性剂的存在,泥沙悬浮相对减少,平衡含沙量明显降低,只达到初始含沙量的50%左右;③随着阴离子表面活性剂浓度升高,泥沙临界起动流速从19.37 cm/s增加到23.05 cm/s,而完全起动流速略微减小,从37.06 cm/s降至36.15 cm/s;④随着阳离子表面活性剂浓度升高,泥沙临界起动流速从19.37 cm/s增加到23.32 cm/s,完全起动流速从37.06 cm/s降至32.12 cm/s。电子显微镜观测结果表明,表面活性剂促进了泥沙絮凝,从而显著影响了泥沙的起动规律,且阳离子表面活性剂对泥沙的影响较阴离子表面活性剂大。研究结果不仅具有现实意义,而且为进一步完善泥沙运动体系提供了理论依据。     

长江口深水航道的选择及其治理原则

在长期系统研究的基础上，分析对比了长江口的水流动力、泥沙运动和河床演变等各种条件，选择了北槽作为长江口深水航道先予治理，确立了符合长江口实际情况的治理原则．长江口深水航道一、二期治理工程的实施，已取得了良好的治理效果和巨大的经济效益．     

长江河口九段沙近期冲淤演变过程研究

1998年以前,九段沙是一个人类活动干预很小的天然河口江心沙洲。北槽深水航道治理工程建设,使九段沙头部和北边界基本固定,南北槽分流分沙比改变,水沙交换减少。同时,随着流域来沙和河口河道底沙来源减少,近期九段沙冲淤演变发生新的变化。如今的九段沙0m水深线包络体在不断地淤高扩宽。上沙沙头迅速淤涨,并越过南导堤向北偏伸入北槽,沙尾则快速向南槽延伸,并与南导堤和中沙之间形成新的涨潮沟通道;九段沙南北侧由于冲淤不均其水边线形态出现明显不规则变化,下沙尾部东南端冲蚀,东北端淤涨,沙洲长轴线逆时针转动,但洲体整体位置摆动极小。作为国家级自然保护区,其上沙沙尾的快速延伸和沙洲南侧局部冲淤不平衡须引起重视,确保九段沙沙洲整体稳定。