黄河口泥沙输运三维数值模拟Ⅱ--河口双导堤工程应用

黄河口双导堤工程是继国家“八五”攻关项目:“延长清水沟流路行水年限”完成后提出的黄河口治理的重大工程设想。本文利用河口海岸三维数学模型(HEM-3D)对黄河口双导堤工程实施后河口高、中流量条件及低流量与东北风组合条件下的河口泥沙输送过程进行了数值计算。对比不同方案下的计算结果发现,当河口流量控制在1 500m3/s以上时,泥沙可以经由河口双导堤顺畅入海,在潮流作用下向导堤两侧输送,这对疏通河口拦门沙并进一步稳定黄河入海流路能够起到积极的作用。在低流量与东北大风的组合条件下,河口泥沙难以通过双导堤顺畅入海,大部分的泥沙可能会在导堤内部淤积。因此,在目前形势下如何通过水库调度保证充足的入海径流量是工程实施前需要深入研究的重要问题。     

黄河口水流和延伸对渤海流场的影响

利用平面二维水流模型,进行了渤海流场模拟,分析了渤海流场变化特征,结果表明:在黄河三角洲北部行河的黄河口向北延伸时会造成黄河口附近M2分潮无潮点大幅度向西偏北移动;在黄河三角洲东部行河的黄河口向东延伸时会造成黄河口附近M2分潮无潮点向东北方向移动,但移动幅度较小。随着现代三角洲的形成,黄河口附近M2分潮无潮点北移,莱州湾潮差加大。黄河口地形变化对秦皇岛附近M2分潮无潮点位置变化影响不大,黄河口沙嘴延伸约40km时口门流速最大,黄河入海流量5000 m3/s时仅对口门附近约15 km范围的水位、流速有影响。初步成果表明,单用延伸黄河口、加大入海水流的方法来解决黄河口泥沙淤积问题效果不会很明显。     

漳卫新河河口泥沙冲淤分析及防洪治理规划

漳卫新河河口属感潮河段 ,由于受海相来沙影响 ,河道淤积严重。分析了河口泥沙冲淤规律、冲淤量并研究了多个治理方案 ,通过泥沙淤积预测、工程措施及综合分析比选 ,推荐导堤方案治理漳卫新河河口。     

三峡水库库区支流磨刀溪河口泥沙淤积特性及成因研究

三峡水库库区支流众多,水库蓄水后大部分支流河口段淤积明显,少数形成类似拦门沙的淤积体,对水库库容及支流航运会造成一定影响。以磨刀溪为例,分析其河口泥沙淤积特性及成因。结果表明,2006-2011年磨刀溪河口段约10 km范围内河床淤积泥沙247万m~3,2002-2015年河口段深泓平均抬高7 m以上,口门断面最大抬高约14.4 m,淤积幅度大于干流河段。2002-2011年磨刀溪河口段淤积的泥沙以干流倒灌来沙为主,支流来沙占淤积量的比例不超过32%;随着干支流来沙量减少,其河口泥沙淤积将趋缓。     

黄河河口潮流和泥沙淤积过程数值分析研究

用有限元方法对黄河河口海域的潮流海洋动力过程进行了数值模拟和分析；通过对典型时刻河口潮流流速矢量图和流速等值线分布图的分析计算，验证了黄河河口门外以及渤海湾和莱州湾交界点存在的两个高流速场；通过入海泥沙淤积厚度等值线平面分布及其变化过程、淤积厚度沿入海流路纵向的变化过程和海底典型高等线+1m，0m和-1m变化过程对河口海岸冲淤、海底变形过程进行了动态跟踪模拟和分析，所得结果与实测资料和遥感解译图像分析基本一致。     

人类活动影响下磨刀门河口的泥沙输运沉积

磨刀门河口的自然演变进程深刻叠加了人类活动的影响,河口的地貌演变、水动力特征和泥沙输移沉积、底床冲淤趋势等发生显著变化.对围垦滩涂和修建治洪导堤两个主要人为治理措施的影响进行分析,得出整治前的磨刀门河口深槽水流散漫、泥沙漫滩沉积的状况得到改变,治理后河口的干支水道格局明确,水沙归槽输运,其中磨刀门水道因河槽束水束沙,径流输运显著,河槽呈现冲刷、延长的趋势;洪湾水道和白龙河水道亦河槽断面窄化、深化;磨刀门河口呈现出向外海延伸发展的趋势.     

永定新河纳潮冲淤可行性分析

入海河口建闸后，闸下淤积是普遍而严重的问题，针对永定新河河口建闸方案，利用河口的潮汐观测资料和本河口泥沙的基本特性，对纳潮冲淤的可行性进行了分析，在北方河口水源匮乏的情况下，利用纳潮冲淤是解决上淤积较为经济、有效的措施。     

沭新北船闸导流堤体型优化下航道水力特征影响研究

为了研究沭新北船闸枢纽航道水流特征，采用水工模型试验方法，分析调度流量、导流堤延伸长度因素对航道水力特性影响，重点分析航道回流区特征、航段流速以及泥沙淤积变化。结果表明，回流区集中区域不受调度流量影响，但调度流量愈大，回流区分布长、宽愈大，且回流区内各项指标参数均明显增强，如随调度流量梯次变化，回流速度平均可增长67.3%。导流堤延伸长度为25～55m与70～100m时，航道断面流速分别呈递增-小幅递减-再次递增、递增-递减-稳定变化，且延伸长度愈大，流速愈低，但延伸长度70～100m后降幅减弱。航道断面泥沙淤积厚度分布呈稳定-递增-递减变化，且导流堤延伸长度愈大，淤积厚度愈低，但在延伸长度70～100m后泥沙淤积限制效果不及25～70m内。研究成果可为船闸工程水工模型试验设计及船闸枢纽运营提供参考。     

长江河口南汇嘴潮滩圈围工程前后水沙运动和冲淤演变研究

南汇嘴潮滩地处长江河口拦门沙地带,是上海陆沿海岸滩淤涨速度最快的滩地,也是促淤圈围土地最频繁的地带.在1994-2003年期间实施了大规模低滩筑堤促淤圈围工程,圈围土地约15 000hm2.由此,也必将对潮滩水沙过程和冲淤变化产生影响.工程实施期间,促淤坝田淤积速率明显增大,最大淤积区年淤积厚度在1.0m以上,一般淤积区年淤积厚度在0.3～0.8m,而促淤堤外侧浅滩受坝田外泄清水影响,滩面发生不规则的冲刷,一般冲刷深度0.3m左右,最大冲刷区达到1.0m左右,在水深大于3m的浅滩区仍以淤涨为主;圈围工程完成后,由于圈围工程堤线保持了原有格局,对水流流势影响较小,在流域来沙量出现锐减,而河口区再浮悬泥沙和海域来沙量有所增大的环境下,南汇嘴潮滩水体含沙量仍较高,大潮汛实测潮周期平均含沙量为1.67kg/m3左右,小潮汛为0.92kg/m3左右,而且浅滩水流输沙方式有利于促使潮滩淤涨发育过程.     

海河流域河口防淤减淤对策研究

海河流域在总长５６５ｋｍ海岸线上分布着大小入海口６２个，淤泥质可口在海河流域分布很广，造成河口泥沙严重淤积，从而降低各河道的泄流能力。通过对河口各项数据的综合分析，论述了河口淤积及其引起的防洪问题，河口治导线的规定，不同的河口治理分别采取导堤工程、建闸结合清淤，清淤整治工程３个治理方案，为河口进一步治理和减轻洪涝起到积极作用。     

珠江磨刀门口门治理开发工程效益显著

磨刀门是珠江流域八大出海口门之一，排洪量占西江来水量的１／３左右，由于口门开阔，流速缓慢，大量泥沙向海外推移淤积，使河口每年向外海延伸１００ｍ左右，河口平均每年淤高３．３９ｃｍ，使三角洲附近地区的防洪，排涝，灌溉，航运和环保等条件日益恶化。经科学的规划设计，采用治理工程与地方垦相结合的方法，实行正确的施工策略，加速了口门的治理开发工程的实施，效益显著，不仅治理河口，对泄洪，防潮，防台风，改善水质，     

论黄河河道平衡输沙量临界阈值与黄土高原水土流失治理度

本文采用实测资料分析与理论分析相结合的方法,系统研究了黄河干流河道平衡输沙量临界阈值及其与黄土高原水土流失治理程度的关系,结果表明,黄河河道冲淤平衡输沙量临界阈值是随着不同时段来水来沙条件的变化而变化的。今后一个时期内,黄河上游宁蒙河段平衡输沙量临界阈值为0.4亿t/a左右;黄河中下游河道及河口平衡输沙量临界阈值为3亿t/a左右。通过水沙调控和河道整治等综合措施,未来将黄河上游宁蒙河段年输沙量控制在0.4亿t/a左右,可塑造与维持平滩流量约2000 m~3/s左右的输水输沙通道,宁蒙河段基本实现河道冲淤平衡;将黄河中下游河道及河口年输沙量控制在3亿t/a左右,则潼关高程可基本实现升降平衡,稳定在328 m左右,下游河道可塑造与维持平滩流量4000 m~3/s左右的中水河槽,基本实现河道冲淤平衡;河口基本实现海岸淤蚀平衡,保持流路相对稳定。黄土高原水土流失治理也存在达到一定程度后治理效果不显著的临界状态,表明黄土高原水土流失治理存在治理度,针对黄土高原水土流失治理各种措施减沙的临界阈值,本文提出未来通过科学调整黄土高原水土流失治理格局,将入黄年沙量控制在3亿t/a左右,达到黄土高原水土流失治理程度与黄河干流河道输沙的平衡,为未来黄土高原水土流失确定了治理目标。     

大潮差河口闸下水流的流动特性分析

福建数座河口水闸发生剧烈淘刷,闸上游和下游的最大冲刷深度达到闸室高度的0.5~1.2倍,且屡修屡毁。有的水闸经多次除险加固后,不得不再花巨资重建。通过数学模型和物理模型揭示了河口水闸下游水位因受东海大潮差海潮影响发生剧烈波动时的变化规律,发现了水闸泄流过程中的间歇性淹没及非常工况甚至出现逆流的独特流动现象,给出了典型日孔流及堰流泄流能力动态变化过程线,分析了消能工变化对闸址水流结构的显著影响,并对水闸水毁修复前后闸下冲刷进行了预测。结果表明:水闸修复前闸下涨急最高水位4.53 m,修复后下降0.67 m,水闸修复后逆流现象减弱。修复后首次水跃位置往上游移动了35 m,平均水跃高度下降47.46%,闸后及二级池末端最大流速2.27 m/s和0.08 m/s,较修复前分别下降了40.58%和96.48%。常遇泄流条件下,水闸的淹没度和泄流能力呈现不断变化的动态过程。当西溪水闸62#先启孔全开,上游保持正常高水位3.2 m,下游为最低潮位-0.72 m时,修复后最大冲刷深度减少64.48%,消能防冲效果十分明显。研究成果对河口水闸安全运行具有一定的参考价值。     

长江口枯水期最大浑浊带形成机制

用ADCP获得了长江口最大浑浊带内的高频率和高分辨率流速和悬沙浓度数据,对不同定点站位和走航断面的悬沙浓度、流速和盐度数据进行了分析,同时对不同站位的再悬浮通量以及悬沙输运机制也进行了计算,进而讨论了长江口枯水期最大浑浊带的形成机制。结果表明,枯水期的长江口处于淤积状态,再悬浮通量较小,其数量级介于10-4-10-7kg·m-2s-1之间;平均流输运在整个悬沙输送中占主导地位,斯托克斯漂移效应、垂向环流和潮振荡的垂向切变作用对悬沙输运也有着重要作用;通过分析走航断面的数据确定了枯水期中潮期内最大浑浊带的显著分布区域,“潮泵”作用和河口重力环流作用均在该地区最大浑浊带形成中都发挥着重要作用。     

径流量变化对长江口北槽最大浑浊带影响分析

长江口属巨型多级分汊河口,由于受中等强度潮汐及季节性变化明显的径流共同作用,其动力-地貌物理过程十分复杂。研究了长江口北槽最大浑浊带水沙动力与大通径流量的响应特征。聚焦于径流变化对河口最大浑浊带的三重作用:一是水流起悬能力增强;二是泥沙输运能力增大;三是在河口最大浑浊带这个特殊区域,由于河流效应,还会引起河口环流增强及底部向陆方向的输运能力增加。实测资料和数学模拟结果表明:对于长江口而言,径流越大,小流速的滩地由于动力增加而含沙量会越大;但主流区由于流量增加的三重作用,最大浑浊带含沙量并非单向增大,而是最大浑浊带含沙量在上游流量为30 000~40 000 m3/s时达到最大。本研究定量分析了不同径流条件下河口泥沙悬浮状态,可为长江口水域相关水土资源开发利用、生态环境保护及航道疏浚维护等工作提供参考。     

黄河口汛期泥沙分布特征及其对水流结构的影响

本文以黄河口汛期六船同步测验取得的水文泥沙资料为基础，得到含沙量与流速的垂向分布经验式，据此了解黄河口汛期的泥沙分布特征：泥沙异重流的含沙量垂向分布很不均匀，随水深的增加含沙星迅速增加；流速随水深分布均匀，无论是上层清水还是下层泥沙异重流流速都较大。并利用室内粒度分析资料研究泥沙对水流结构的影响。     

日本大井河河床变动的数值模拟

利用一维的泥沙数值模型研究了位于日本中部的大井河河床变动情况.在传输模块中考虑了床沙的非均质特性.1981至1996年实测的流量和泥沙数据被用于确定模型参数.为了控制下游河道的淤积,针对不同的挖沙范围和大坝的有无对大井河泥沙传输进行了30年的预测.根据计算结果提出了下游河道和河口的整治方案.     

Not all breaks are equal: Variable hydrologic and geomorphic responses to intentional levee breaches along the lower Cosumnes River,California

The transport of water and sediment from rivers to adjacent floodplains helps generate complex floodplain, wetland, and riparian ecosystems. However, riverside levees restrict lateral connectivity of water and sediment during flood pulses, making the re‐introduction of floodplain hydrogeomorphic processes through intentional levee breaching and removal an emerging floodplain restoration practice. Repeated topographic observations from levee breach sites along the lower Cosumnes River (USA) indicated that breach architecture influences floodplain and channel hydrogeomorphic processes. Where narrow breaches (<75 m) open onto graded floodplains, archetypal crevasse splays developed along a single dominant flowpath, with floodplain erosion in near‐bank areas and lobate splay deposition in distal floodplain regions. Narrow breaches opening into excavated floodplain channels promoted both transverse advection and turbulent diffusion of sediment into the floodplain channel, facilitating near‐bank deposition and potential breach closure. Wide breaches (>250 m) enabled multiple modes of water and sediment transport onto graded floodplains. Advective sediment transport along multiple flow paths generated overlapping crevasse splays, while turbulent diffusion promoted the formation of lateral levees through large wood and sediment accumulation in near‐bank areas. Channel incision (>2 m) upstream from a wide levee breach suggests that large flow diversions through such breaches can generate water surface drawdown during flooding, resulting in localized flow acceleration and upstream channel incision. Understanding variable hydrogeomorphic responses to levee breach architecture will help restoration managers design breaches that maximize desired floodplain topographic change while also minimizing potential undesirable consequences such as levee breach closure or channel incision.     

复式断面河槽流速横向分布及其对滩唇形成的影响

通过对水流微小控制体进行受力分析,建立了复式断面流速横向分布模型,该模型考虑了侧向副流惯性力的影响。采用实验资料对该模型进行检验,模型计算值与实测值符合较好。运用该模型计算了不同条件下复式断面流速和挟沙力的横向分布,并定量分析了横向分布特性对滩唇形成的影响。分析表明,水流漫滩时,复式断面的横向挟沙力变幅较大,尤其是在主槽和河漫滩交界处,挟沙力减小迅速,而含沙量减小相对较小,泥沙发生淤积,容易形成滩唇。单从水流挟沙力角度考虑,水流漫滩后水深越小、滩槽的糙率差越大,越容易形成滩唇。     

强潮河口环境和生态需水及其计算方法

针对钱塘江河口以海域来沙为主的强潮河口特点，提出其环境和生态需水，包括维持河口冲淤平衡需水、防止河口咸水入侵需水、维持河口水功能区水质达标需水及最小生态需水。研究了各部分需水的计算方法，在一定计算条件下给出了定量的计算结果。根据分时段考虑原则、兼容性原则和区域性原则，对环境和生态需水的综合计算方法进行了探讨。研究表明，钱塘江河口环境和生态需水年总量主要由维持河口冲淤平衡需水决定，占多年平均来水量的80%，而年内不同时期需水的主要控制因素不同，并随计算条件发生转化。