波—流共同作用下长江口二维悬沙数值模拟

海岸悬沙运移数学模型
朱志夏;韩其为;丁平兴
【期刊名称】《海洋学报（中文版）》
【年(卷),期】2002(024)001
【摘要】根据适合大范围缓变地形情况下,不恒定、非均匀流场中随机波折绕射联合数值模式及波浪作用下的二维浅水环流方程和悬沙扩散方程,建立了波浪、潮流共同作用下二维悬沙数学模型,并将该模型应用于渤海湾北部海域,进行了波、流共同作用下航道疏浚弃土的悬沙扩散、运移及海床演变的数值模拟,为工程单位决策提供科学依据.
【总页数】7页(P101-107)
【作者】朱志夏;韩其为;丁平兴
【作者单位】上海交通大学港口与海岸工程系,上海,200030中国水利水电科学研究院,北京,100044;中国水利水电科学研究院,北京,100044;华东师范大学河口海岸国家重点实验室,上海,200062
【正文语种】中文
【中图分类】TV148+.5
【相关文献】
1.垂向二维悬沙输移有限元数学模型 [J], 李世森;李国杰;蔡惊涛
2.湄洲湾秀屿港进港航道悬沙分布特征和运移趋势 [J], 骆智斌;潘伟然;张国荣
3.网格嵌套技术在模拟海底沙波运移中的应用Ⅱ——南海北部沙波运移 [J], 江文
滨;林缅;李勇;范奉鑫;闫军
4.乐清湾悬沙的浓度分布与运移 [J], 李伯根;许卫忆;陈耕心
5.河口海岸二维悬沙数学模型挟沙力公式修正及应用 [J], 殷亚明;张金善;宋志尧因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。

连云港旗台防波堤工程二维潮流泥沙数值模拟林岩;路川藤【摘要】以连云港旗台防波堤为研究背景,基于非结构网格有限体积法建立二维潮流泥沙数学模型,研究旗台防波堤建成前后港区附近潮汐、潮流与悬移质含沙量的变化,以期为日后连云港港口开发建设提供技术支持.研究认为,旗台防波堤的建设完成后,港区内外潮汐特性基本不变;港区内潮流呈减弱趋势,防波堤口门处潮流增强,防波堤内侧港区形成明显的回流区域；港区外侧高含沙量水体向外海移动,港区内最大含沙量整体降低.【期刊名称】《水运工程》【年(卷),期】2014(000)004【总页数】6页(P30-34,39)【关键词】连云港;有限体积法;数值模拟;潮流;泥沙【作者】林岩;路川藤【作者单位】河海大学港口海岸与近海工程学院,江苏南京210098;连云港港口集团有限公司,江苏连云港222042;南京水利科学研究院,江苏南京210098【正文语种】中文【中图分类】TV148近年来，连云港港口与航道建设高速发展，目前已建成30万吨级深水航道一期工程和30万吨级大型矿石码头，开创了港口经济又好又快的发展局面。

研究连云港的学者众多，张玮[1]在数学模型的基础上研究了连云港附近海域的泥沙运动，该模型能够同时模拟淤泥质与粉砂质泥沙运动。

张海文[2]研究了连云港进港航道的回淤原因，认为抛泥是航道回淤的主要来源，建议加强抛泥工艺研究与管理。

曲红玲[3]研究了连云港30万吨级航道扩建工程防波堤方案的比较，认为防波堤工程的实施有利于航道的维护。

解晓鸣[4]研究了连云港防波堤的建设对于航道回淤的影响，认为口门处含沙量升高，口门内外两侧含沙量降低，航道回淤量与含沙量变化关系一致。

张存勇[5]、黄卫明[6]研究连云港附近海域的潮汐潮流特性，连云港港区附近潮汐为正规半日潮，潮波以前进波为主。

黄志扬[7]在数学模型的基础上，模拟了连云港附近海域潮流、泥沙运动，研究了航道的回淤问题。

以上学者的研究均基于现场资料或结构网格数学模型，基本反映了连云港附近海域的基本水动力与泥沙概况。

长江口水动力学及其泥沙运输规律一、长江口概况：长江河口地处我国东部沿海，受到来自流域径流、泥沙和外海潮流、成水入侵、风、波浪及河口科氏力和复杂地形等绪多园了的影响，动力条件多变，泥沙输运复杂。

从陆海相互作用的角度看，长江河口至少存在几个水沙特性不同的典型河段，而每个典型河段又存在不同性质的界面，如：大通河段(潮区界)、江阴河段(潮流界)、徐六径河段(盐水入侵界)、拦门沙河段(涨落潮流优势转换界面)、口外海滨区(泥沙向海扩散的外边界和长江冲淡水扩散的外边界)。

每个典型河段及关键界而都涉及到物质和能量的传输；每个典型河段及关键界面都有其固有性质，且相互影响，可以说河口过程在很大程度上被发生在每个典型河段的界面上各种现象所制约。

二、水动力方程及验证1、长江口水动力过程的研究进展（长江口水动力过程的研究进展）在过去20多年中, 长江口水动力过程研究成果大量来自河口海岸学家、物理海洋学家、海岸工程师、环境流体力学家的文献、著作。

本文的目的是力图把这些文献(以正式发表的文献为准,不包括研究报告)汇集起来,对长江口潮流、余流、波浪、盐水入侵的研究进行总结, 究竟我们对长江口水动力过程了解多少?究竟长江口水动力过程还有哪些问题值得研究?1.1 长江口余流、环流、水团、长江冲淡水基于现场实测资料, 胡辉等1985年对长江口外海滨余流的运动变化特性进行了一定的研究。

研究结果表明: 长江口外余流约为潮流的1/ 2～1/ 5 , 上层余流以向东为主, 中层余流多偏北, 底层余流有偏西的趋势。

径流是长江口外上层余流的重要组成部分,并以冲淡水的形式存在; 中、下层余流则与台湾暖流的顶托和牵引有关。

王康、苏纪兰1987年研究了长江口南港的横向环流、垂直环流及其对悬移质输运的影响。

在前人基础上导出了长江口相对观测层次的物质断面传输公式,增加了反映环流及振荡切变的各种相互关系的有关项。

基于现场观测资料,Wang等1990年研究了长江口水团、长江冲淡水团等的基本特征。

潮汐河口平面二维悬沙输移及河床变形的数值模拟
史英标
【期刊名称】《河口与海岸工程》
【年(卷),期】1997(000)001
【摘要】本文应用平面二维非恒定水流运动方程和悬移质不平衡输沙方程，针对不同物理量的特性，采用不规则网格的差分法求解水流运动方程和有限控制体积法求解悬移质泥沙输移方程。

利用杭州湾水文泥沙实测资料对模型进行了验证，所得结果是满意的。

【总页数】13页(P9-21)
【作者】史英标
【作者单位】浙江省河口海岸研究所规划研究室
【正文语种】中文
【中图分类】TV148.5
【相关文献】
1.小浪底水库拦沙初期泥沙输移及河床变形研究 [J], 张俊华;陈书奎;李书霞;马怀宝
2.垂向二维悬沙输移有限元数学模型 [J], 李世森;李国杰;蔡惊涛
3.基于平面二维潮流模型的北仑河口悬沙输运与底床冲淤数值模拟 [J], 董德信;陈波;李谊纯;陈宪云;张荣灿
4.东碇倾倒区疏浚泥悬沙输移和海床冲淤数值模拟 [J], 张世民;陈德文;邓兆青
5.黄河2009年调水调沙期间河口水动力及悬沙输移变化特征 [J], 刘锋;陈沈良;周永东;彭俊;陈一强;任韧希子
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长江口外海域悬沙浓度垂向剖面实用模型计算法作者：施心慧来源：《湖南师范大学学报·自然科学版》2015年第01期摘要为了测定长江口外海域悬沙浓度，根据2006 年 8 月观测数据，以设定的反映悬沙分布特性的指标变量——悬沙特征系数为基础，根据得出的分析结果测算出来不同的悬沙垂直分布结果，并与实际观测的悬沙浓度进行对比.通过完善提出的悬沙浓度垂向悬沙浓度剖面实用模型，根据实际资料反映出来的数据验证模型的正确性和有效性，从而为由海表悬沙浓度推测水下悬沙浓度奠定基础.关键词悬沙浓度；悬沙特征系数；悬沙实用模型中图分类号TV148+1文献标识码A文章编号10002537（2015）01001205国内外学者对悬沙及其浓度的测算有大量的研究[13]，Einstein[4]是第一位系统地提出悬沙运动学理论的科学家，陈沈良[5]对杭州湾大中小潮悬沙浓度的变化规律进行了分析，认为悬沙浓度变化的主要影响因素是潮的周期流速变化和水位变化，其模型的计算结果与实测资料拟合较好.悬沙剖面的特征吸引大量学者进行研究[614]，获得了具有参考价值的成果.本文提出悬沙特征系数，这个指标与已有文献相比进一步描画出了悬沙分布的特性.作者通过观测台风过境前后长江口外海域悬沙断面层的特征得到悬沙特征系数，建立了一种计算悬沙浓度垂向剖面的实用模型，并选取3个固定点位对这一模型的科学性和有效性进行测试，结果表明此模型具有实用性，能为卫星遥感资料获取悬沙浓度剖面分布信息，实现动态监测悬浮泥沙分布规律提供科学依据.1泥沙数据的有效获取在获取泥沙数据的过程中，科学三号、金星二号科考船做出了巨大贡献.期间台风“桑美”袭扰我国，科考分为两个阶段，分别由科学三号和金星二号执行航段任务，这样既躲避了台风侵袭又能有效获得台风过境前后两个阶段的数据，为下一步分析提供了可靠保障.“桑美”台风过境前（以下简记为风前）的第一航段使用“科学三号”科考船对南起30°N，北到32°30′N，西起122°15′E，东至123°30′E的海域进行了调查，共设置6个纬度断面进行走航观测，其中1号断面位于30°N，2号断面位于30°30′N，向北纬度每隔30′设一断面，6号断面在32°30′N.经度上每个断面间距15′设一站点，共6个站点，在此区域的悬沙浓度剖面观测点共计33个，如图1所示.“桑美”台风过境后的第二航段使用了“金星二号”科学考察船对南起30°30′N，北到31°30′N，从西至东经历了东经122°至123°30′区间，并且设置5个进行观察的纬度断面.其中在1号断面的位置在30°30′N，依次向北纬度每隔15′设一断面， 5号为31°30′N.在经度方向上每个断面每10′设置一个点，除去落在岛屿及管制区内的站点，共35个观测站进行了悬沙浓度剖面的观测，如图2所示.第一航段还在3个站点进行了25 h连续悬沙剖面浓度观测，定点观测站位分别是S1站（122°51.881′E，32°0.187′N）位于观测当天长江口外混浊水的锋面处，S3站（122°29.932′E，31°15.261′N）是长江口外混浊水高浓度区的代表点，S2站（122°54.972′E，31°0.009′N）是混浊水域外侧（东边）较清水域的代表点.S1 站分别在5 m、10 m和27 m分别进行表层、中层和深层观测；而S3站的观测深度有所不同，分别设在 5 m，10 m，19 m处；S2 站的水深略深，深度分别设在 5 m，20 m，40 m处，3个站共获得27个垂向剖面悬沙浓度观测数据.为取得合理的基础数据，海试中主要借助常规法和仪器法对垂向悬沙浓度数据进行观测.观测悬沙浓度的常规方法是在实验室经过采水、过滤、烘干、称量等步骤，获得以mg/L为标准单位的悬沙浓度值，同时借助AAQ1183 水质检测仪的浊度探头，将剖面的浊度观测值记录下来，再将浊度单位值与浓度值进行转换，得出的数据就可以作为基础数据使用.将在同一地点同一时刻获得的悬沙浓度与在浊度仪探头下获得的数据转化后的数值建立对应关系，便得到了每个观测站点的垂向悬沙浓度资料，为继续分析分布特征提供了依据.2悬沙浓度垂向分布特征本文通过描述悬浮泥沙分布特性的量——悬沙特征系数（CCoSSC）来分析悬沙分布特征，即海水中悬沙底层浓度与表层浓度比值的对数：CCoSSC=ln（S底/S表）.（1）S底表示底层海水悬沙浓度，S表表示表层海水悬沙浓度，制作一个表示研究海域的10′×10′的网格点，将悬沙特征系数分别标注到网格上，记为悬沙特征系数表（表1），具体区域为东经1225°～123.5°，北纬30.0°～325°.将表1中数据作图（图3），可知：总体来看，悬沙特征系数呈现向外逐渐变小但在近岸大的特点；研究海域南部（北纬30°～31°）其特征的数值基本上都大于1，其中在123°E，30.5°N附近出现最大值；这片海域北部（32°N附近）有一个相对较低的区域，悬沙特征系数均小于1；北纬31°～315°为中间过渡带.3实用模型的设计及其在长江口外海域的应用根据泥沙扩散理论，对悬沙泥沙的垂向分布进行计算：ln（Sv/Sv0）=-ω（y-y0）/εy.（2）其中，Sv为y处的悬沙浓度，Sv0为海床面y0处的悬沙浓度，ω为悬沙沉降速度，εy为垂向泥沙扩散系数.由（2）式变化得到模型ln S=a+b·hr，hr=-y/H.（3）其中，hr为相对水深，S为悬沙浓度，H为海水的水深，a、b为回归参数.利用表1查出该海域某个地点相应的数值，定出相对水深hr的参数b，同时通过卫星遥感资料易获得该点表层浓度值，故假设表层浓度已知，从而代入公式（3）便可确定另外一个参数a.如此，在a、b两个回归参数确定的情况下，即可利用公示（3）计算出某点所处水层的悬沙浓度的对数值.本文对几十个航站点进行数据模拟，检验模型的有效性.由于在计算悬沙浓度时卫星云图以及相关数据并非表现出绝对0 m的数值，因此计算中使用风前风后站点表层0～5 m观测悬沙浓度平均值，应该更接近实际的结果和真正的表层海水情况.根据表1确定台风过境前后各站点的悬沙特征系数值，然后计算风前风后站点表层0～5 m观测悬沙浓度平均值，从而算出a和b值.然后由模型计算出该点整层水深的垂向悬沙剖面，最后与风前风后站点观测资料进行比较.首先对台风过境前的30多个站点按照上述办法进行测算，得到悬沙浓度观测值与根据公式（3）得出的计算值，算出相对误差和绝对误差（表2）.可以看出相对误差只有0.144 4；绝对误差极小，仅为1.420 8 mg/L，模型较为有效.使用同样的方法对台风过境后35个站点计算风后悬沙断面观测值与模型计算值之间的平均相对误差和绝对误差，如表3所示.可见风后的相对误差有所上升（0.243 3），但是绝对误差略有下降（0.896 5），总体数据基本一致.这表明实用模型能够应用到此海域的研究中.使用同样的方法对台风过境后35个站点计算风后悬沙断面观测值与模型计算值之间的平均相对误差和绝对误差，如表3所示.可见风后的相对误差有所上升（0.243 3），但是绝对误差略有下降（0.896 5），总体数据基本一致.这表明实用模型能够应用到此海域的研究中.根据表1得出相应的S1，S2和S3处的数值，如果这3个点经纬度不在表中的话，则取表中与其距离最近的值，并将模拟值与实测值进行比较（见表5）.结果误差不超过10%，这说明可以用特征系数表计算悬沙浓度值，实用模型可以应用于实际.5结论根据台风过境前后悬沙断面的观测资料数据，得出了悬沙特征系数.通过对台风过境前后各站点实测值与模拟值的比较，以及3定点回归模型的比较，得出结论：实用模型能够应用于研究海域.如果想用卫星图片资料得到海域表层悬沙浓度，只需要设定其中一个参数a，然后利用悬沙特征系数表确定另一个参数b，即可计算本海域的悬沙浓度垂向剖面，由此可借助卫星图片资料比较容易地获得表层悬沙浓度的信息.参考文献：[1]毕世普，黄海军，庄克琳，等. 长江河口峰的悬沙及动力特征初探[J]. 海洋科学，2009，40（12）：1218.[2]刘咪咪. 东海悬沙浓度垂向分布规律研究[D]. 青岛：中国科学院研究生院（海洋研究所）， 2008.[3]陈斌，周良勇，刘健，等. 废黄河口海域潮流动力与悬沙输运特征[J]. 海洋科学，2011，32（5）：7382[4]EINSTEIN H A. The bed load function for sediment transportation in open channelflows[J].Tech Bull， 1950，1026（1）：173.[5]陈沈良，谷国传. 杭州湾口悬沙浓度变化与模拟[J].泥沙研究， 2000，20（5）：4550.[6]郜昂，赵华云，杨世伦，等. 径流、潮流和风浪共同作用下近岸悬沙浓度变化的周期性探讨[J]. 海洋科学进展， 2008，26（1）：4450.[7]陈涛，李平湘，张良培，等.三峡坝区水体悬浮泥沙含量遥感估算模型研究[J].测绘信息与工程， 2008，33（2）：13.[8]孟庆勇.西太平洋特定海域沉积物的地磁场相对强度研究[D].青岛：中国科学院研究生院（海洋研究所）， 2009.[9]庞重光，韩丹岫，赵恩宝.黄东海悬浮泥沙浓度的垂向分布特征及其回归模型[J].泥沙研究， 2009，10（5）：6973.[10]李东义，陈坚，汪亚平，等.九龙江河口区悬沙浓度的实测与模型结果对比研究[J].泥沙研究， 2013，4（2）：3343.[11]董佳，张宁川. 泥沙参数选择方法及在悬沙浓度研究中的应用[J].水道港口， 2011，32（5）：3542.[12]李文丹，李孟国，庞启秀，等.台山核电站取排水工程潮流泥沙数值模拟研究[J].水道港口， 2011，32（2）：6773.[13]孔德星，杨红. 长江口区基于BP算法的表层悬沙浓度计算模型[J].海洋技术， 2009，28（2）：13.[14]郭志刚，杨作升，张东奇，等. 冬、夏季东海北部悬浮体分布及海流对悬浮体输运的阻隔作用[J]. 海洋学报：中文版， 2002，24（5）：7180.（编辑王健）龙源期刊网 。

第2期2007年6月水利水运工程学报H YDR O 2SC I ENCE AN D ENGI NEERI NGNo .2Jun .2007 收稿日期:2006-09-27 作者简介:马进荣(1971-),男,江苏高淳人,高级工程师,主要从事河口海岸动力学、水环境及工程泥沙研究.平面二维悬沙数学模型计算河口闸下淤积的缺陷及弥补方法马进荣,罗肇森,张晓艳(南京水利科学研究院,江苏南京　210029)摘要:分析了感潮河段闸下淤积机理及用平面二维悬沙数学模型模拟闸下淤积存在的缺陷.提出采用分析模式预测近闸段的泥沙平均淤厚,其余河段由平面二维悬沙数学模型预测淤积分布相结合的方法.实例分析表明,该方法可为河口建闸可行性研究提供依据.关　键　词:泥沙淤积;平面二维悬沙数学模型;分析模式;河口建闸;数值计算中图分类号:T V148.1ζT V66 文献标识码:A 文章编号:1009-640X (2007)02-0058-05Study on li m its and rem ed i a ti on of 22D suspended sed i m en t m odel ofsilta ti on down stream of estuary slu i cesMA J in 2r ong,LUO Zhao 2sen,ZHANG Xiao 2yan(N anjing Hydraulic R esearch Institute,N anjing 210029,Ch ina )Abstract:The silting mechanis m downstrea m of sluices and li m its of the 22D sus pended sedi m ent model t o si m ulate the silting downstrea m of sluices in a tidal reach are analyzed .A ne w method is p resented:the average silting thickness in the reach app r oaching the sluice is p redicted by an analytical model,and the silting distributi on in the other reach is p redicted by a 22D sus pended sedi m ent model .Analysis results of an exa mp le show that this method can supp ly the foundati on for the feasibility study of sluice constructi on in the estuary .Key words:sedi m ent silting;22D sus pended sedi m ent model;analytical model;sluice constructi on in estuary;nu merical calculati on我国大陆海岸线长达18000多k m ,有大小各异的河口1800多个,其中大部分中小入海河流河口都建有水闸.在建闸后获得效益的同时,因河口动力调整使闸下也发生了不同程度的淤积,部分淤积严重的还导致水闸淤废.南京水利科学研究院对闸下淤积问题开展了大量研究工作[1-3].通常,进行河工物理模型试验是研究建闸可行性及闸下减淤防淤措施的主要手段,而数学模型则主要为物理模型试验提供边界条件.在建闸决策的前期阶段,往往不具备河工物理模型试验的条件,常需以数学模型进行初步研究.但用数学模型模拟闸下淤积的机理尚存在一定的缺陷,故应采取相关的弥补措施.1　闸下河道淤积机理1.1　淤积成因河口内建闸后,潮波受闸门阻挡发生反射,增强了驻波特征,抬高了高潮位而降低低潮位,致使涨潮历时　第2期马进荣,等:平面二维悬沙数学模型计算河口闸下淤积的缺陷及弥补方法缩短,而落潮历时相对延长.潮波变形幅度从口门往闸址渐增,使口门处涨潮流速增加,而落潮流速相对减小.建闸引起的这种潮流变形,有利于泥沙从口外向建闸河段输送,而不利于河道内泥沙向外海排泄.建闸后,由于闸门的关闭时间远长于开闸时间,上游径流带来的泥沙一般淤积在闸的上部.闸下泥沙来源主要为海相来沙,常以悬沙及浮泥形式进入河道.口外水域是否有宽广浅滩、滩面泥沙粒径、风浪影响程度、浮泥是否发育等均会影响着闸下泥沙淤积的强弱.通常河口区水体含沙量越高,闸下淤积的泥沙来源越丰富.当口外有泥沙来源时,建闸后因口门区涨潮流速增大,涨潮期最大挟沙能力增强;落潮期流速减小,相应的挟沙能力也减弱,一般涨潮挟沙能力大于落潮挟沙能力.此外,由于口外泥沙随涨潮流上溯期,沿程因渐近闸址而流速趋小,泥沙逐渐落淤;涨潮转落潮的涨憩阶段也有大量泥沙落淤;进入落潮期,河道内水体含沙量已相对较小,落淤的泥沙部分会起动再悬浮随落潮流流出口门,部分则留在河道内.就口门横断面而言,一般涨潮含沙量大于落潮含沙量,涨潮期水体含沙量可超饱和,而落潮期含沙量通常欠饱和,涨潮输沙量大于落潮输沙量,涨、落潮不平衡输沙的结果使涨潮期多输入的泥沙落淤在闸下河道内.1.2　淤积分布由淤积成因分析可知,通常建闸后河口段的含沙量大于近闸段.由于河口段的涨潮流速较大,挟带较多泥沙上溯,而落潮期水体含沙量欠饱和,故在建闸初期河口段河床常呈现为冲刷;由于闸下近闸段的流速较小,通常为泥沙纯淤积段.建闸初期,河口冲刷段与近闸淤积段之间为冲淤过渡段,即为有冲有淤.随着闸下的河道淤积,潮波变形趋缓,淤积体有所下移,涨、落潮输沙渐渐达到基本平衡.平衡期的出现时间与建闸河段及口外水沙条件有关.2　数学模型模拟闸下淤积的缺陷2.1　模拟方法由于确定三维泥沙模型床面泥沙的边界条件尚不成熟,建闸引起改变后的床面泥沙边界更趋复杂,故在工程中仍以二维悬沙模型模拟闸下淤积.现仅讨论二维悬沙模型模拟闸下淤积的缺陷.二维悬沙模型中泥沙输运方程如下:9(DS)9t+99x(D uS)+99y(D vS)=99x Dεx9S9x+99y Dεy9S9y+F s(1)式中:D为总水深;S为水体含沙量;u,v分别为流速在坐标x,y方向的分量;εx,εy分别为坐标x,y方向的泥沙扩散系数;泥沙冲淤函数Fs=αω(S3-S)[4],其中,α为泥沙沉降机率,ω为沉速,S3为挟沙能力.泥沙冲淤函数Fs是数学模型能否正确模拟水域床面泥沙冲淤变化的关键.由其表达式可见,当水流挟沙能力大于水体含沙量时,床面有冲刷趋势,而床面冲刷程度与床面泥沙补给条件有关,冲刷量则可由泥沙沉降机率α调节,α需能够反映当地床面泥沙补给条件;当水流挟沙力小于水体含沙量时,水流挟带着过饱和泥沙,有淤积趋势,淤积速度受泥沙沉降机率α调节.α为需要在数值计算模型中调试确定的正实数,其值一般小于1.2.2　闸下近闸段的水流特征河口建闸后,由于关闸时间远长于开闸时间,关闸期间闸下涨潮水流不能上溯,闸下涨潮流速趋于0;落潮时闸下没有水量补给,水流依然极其缓慢,亦接近静水.因此,关闸期间闸下一定距离的河道内近乎静水.水位、流速变化满足水流连续方程,闸下静水段至河口段沿程涨、落潮流速满足渐变关系.2.3　平面二维悬沙数学模型模拟闸下淤积的缺陷挟沙能力与水流流速通常呈3次方关系[5],在近海水域的计算中也有取2次方关系[6]的.无论数学模型采用何种挟沙能力模式,当流速趋于零时挟沙能力必然也趋于零,而河口至闸下静水段流速是连续渐变的,自河口往闸址,挟沙能力由大到小直至趋于零.这样,由泥沙冲淤函数可知,涨潮期,潮流挟带的泥沙自河口向闸址运动过程一般会经历:不淤阶段,此时潮流流速较大、挟沙能力较强,基本无落淤,甚至有微冲;过渡阶95水利水运工程学报2007年6月段,潮流流速减缓、挟沙能力下降,水体含沙量与挟沙能力相当,床面有冲有淤;纯淤积阶段,潮流流速较小,水体含沙量大于挟沙能力,泥沙沿程落淤.落潮期,自闸下往河口,落潮流速渐增,涨潮期间落淤的泥沙,需在潮流流速达到起动(或扬动)流速后再悬浮并随潮流往下输送.闸下近闸段一定范围内趋于静水,涨潮流挟带的泥沙经过纯淤积阶段的河道后,水体含沙量往往已经很小,涨潮流实际上已无法将大量的泥沙带到闸的附近,由于受平面二维悬沙数学模型的冲淤模式所限,计算得到的最大泥沙淤强一般出现在闸下的一定距离,这与建闸后闸的附近淤积最强的现象不符合.闸的附近淤积最强的原因是闸下静水段内水体含沙量小,并接近清水,该清水段与下游浑水交界面附近由于清、浑水比重的差异,易形成异重流,异重流潜入清水底部继续向闸运动[3].该异重流现象是沿垂线平均的平面二维悬沙数学模型所无法模拟的.此外,闸下泥沙淤积通常是一个漫长的过程,用数学模型模拟预测时,还需面临建闸后长历时的闸上游水沙条件与闸下游潮汐动力条件匹配的问题,来水来沙条件、挟沙能力、悬底沙交换、地形调整与水动力条件的相互作用等诸多因素,在数学模型中的概化处理均会引起一定的误差,长历时数值计算不可避免的存在预测精度问题.3　分析模式可弥补数学模型的缺陷由于平面二维悬沙数学模型无法准确模拟闸下近闸段的泥沙淤积,为弥补数学模型的缺陷,可采用平面二维悬沙数学模型与分析模式相结合的方法,由分析模式预测近闸段的平均泥沙淤厚,用二维数学模型预测其余河段的泥沙淤积分布.分析模式的理论依据是河口河相关系公式.本文主要介绍根据窦国仁[7]河相关系推导出的分析模式.韩曾萃等[8]根据有关河流资料建立的地区性的分析模式与窦国仁的分析模式相似.将窦国仁推导的平原河流及潮汐河口的河床形态关系式[7]简写为:B=k1Q5/9e S1/9e(2)H=k2Q eS e1/3(3)A=k1k2Q8/9eS2/9e(4)式中:形态参数B,H,A分别为河床断面宽度(m)、平均水深(m)和断面面积(m2);Qe为包括径流量在内的落潮平均流量(m3/s);Se 为落潮平均含沙量(kg/m3);k1,k2为与河床、河岸泥沙特性及河流输沙有关的综合系数.窦国仁公式适用于建闸前、后河床形态的变化.令建闸前的河床形态参数为A1,B1,H1;建闸后为A2,B2, H2;建闸前的平均落潮流量和含沙量为Q1和S1,建闸后为Q2和S2;对同一河道而言,由于河道的泥沙特性不变,故建闸前、后的k1、k2也不变,则由上述(2)～(4)式可导得:B2=B1Q2Q15/9S2S11/9(5)A2=A1Q2Q18/9S1S22/9(6) 应用(5)、(6)式,由数学模型计算取得Q1,Q2,S1和S2,并在已知A1和B1的条件下求得的A2、B2和H2即为建闸后相对平衡的数值,也就是建闸后多年发生的河床平均变化的特征值.窦国仁和韩曾萃等的公式在推导过程中不仅采用了大量现场资料,且公式的正确性也得到了验证.但在将其用于弥补二维数学模型计算闸下淤积时,有必要分析有关参数的敏感性.(5)、(6)式中的建闸后流量和含沙量这两个参数,在建闸前不可能有实测资料,还需由数学模型提供.闸下河段的潮流量与地形之间有着相互影响的关系,但在近闸段落潮流量主要为径流量,可通过数值计算得到较为精确的流量值,而数值计算得到的含沙量则可能偏小.若假定含沙量S2偏小30%,由(5)式计算得到的B2就会偏小4%;由(6)式计算06　第2期马进荣,等:平面二维悬沙数学模型计算河口闸下淤积的缺陷及弥补方法得到的A 2会偏大8%.由此计算出的平均泥沙淤厚将偏大12.5%.在建闸初期的决策研究中这一偏差是可以接受的.4　应用实例采用平面二维悬沙数学模型与上述分析模式相结合的方法,对浙江省灵江庙龙港建闸可行性进行了初步研究.灵江、椒江位于浙江省台州市境内,椒江河口呈喇叭型,口外有广阔浅滩,滩面泥沙易受风浪影响,故在椒江河口常有浮泥发育.椒江和灵江示意图见图1.拟建的闸址初步选定在灵江庙龙港,该闸址距潮区界约20km ,距河口约48km.由平面二维悬沙数学模型预测建闸约2.5a 的闸下各断面平均淤厚,以及用分析模式预测平衡期闸下各断面淤厚见表1.由表1可见,13号断面以下的各断面由平面二维悬沙数学模型计算得到的平均水深基本上均小于分析模式;13号断面以上的各断面平均水深则反之.这主要是因为数学模型预测时间较短,河床形态未达到冲淤平衡.平面二维悬沙数学模型预测的闸下淤积分布见图2.从平均情况看,通过二维水沙计算,图1　椒江及灵江示意图Fig .1　Sketch of J iaojiang R iver and L ingjiang R iver 在平常开闸排水(用水量为年径流量的20%)时,用窦国仁分析模式计算得到的闸下河段断面面积减少了24.8%,与韩曾萃[8]的计算结果减少18%接近.在枯水年枯水期,用窦国仁分析模式计算得到的闸下河段断面面积减少了27%,则与罗肇森、顾佩玉的经验模式估算减少28.4%接近[9].可见,用本文的方法作出的闸下淤积预测结果符合已有的建闸实际情况.在资料相对缺乏的条件下,用平面二维悬沙数学模型和分析模式相结合的方法,为灵江庙龙港建闸可行性研究提供了依据.表1　二维数学模型和分析模式预测庙龙港闸下断面平均泥沙淤厚Tab .1　Average silting thickness on secti ons downstrea m ofM iaol onggan Sluice p redicted bythe 22D sus pended sedi m ent model and the analytical model断面号平均水深/m 预测的平均淤厚/m 二维模型分析模式14.94-0.03-0.2925.33-0.11-0.3236.54-0.07-0.40410.770.12-0.7756.55-0.01-0.3765.20-0.03-0.2175.060.09-0.1185.360.10094.850.090.04105.120.280.36117.240.650.39断面号平均水深/m 预测的平均淤厚/m 二维模型分析模式127.250.600.57136.670.860.54147.170.290.50157.510.130.43167.260.260.58176.810.750.73189.300.330.87196.930.230.662013.400.190.58219.580.040.93226.280.042.11 注:表中“-”为冲刷,其余为淤积.16水利水运工程学报2007年6月图2　灵江庙龙港建闸后闸下河道冲淤变化预测(2.5a)Fig.2　Predicti on of scouring and silting in the reach downstrea m of M iaol onggang Sluicein L ingjiang R iver(t w o and an half years after constructi on of the sluice)5　结　语(1)本文分析了用平面二维悬沙数学模型模拟河口闸下淤积存在的缺陷,提出了用平面二维悬沙数学模型与基于河相关系的分析模式相结合的方法,可弥补这一缺陷.(2)采用三维泥沙数学模型模拟相对复杂的闸下淤积,需解决较多的技术难题.目前采用分析模式预测近闸段的泥沙平均淤厚,其余河段由平面二维悬沙数学模型预测淤积分布,可有效地解决工程实际问题.实例分析表明,含沙量模拟误差30%引起的闸下淤积厚度预测偏差仅为12.5%.(3)由于监测闸下异重流的资料较为困难,目前将垂向二维数学模型应用于近闸段仍有一定的困难,平面二维悬沙数学模型长历时预测也存在着诸多困难.因此,均有待于继续研究.参　考　文　献:[1]　罗肇森,顾佩玉.建闸河口淤积问题分析和减淤经验[R].南京:南京水利科学研究所,1983.[2]　窦国仁.射阳河闸下淤积问题分析[R].南京:南京水利科学研究所,1962.[3]　辛文杰,罗肇森,黄建维,等.我国建闸河口闸下淤积问题及其对策[R].南京:南京水利科学研究院,2003.[4]　窦国仁,赵士清,黄亦芬.河道二维全沙数学模型的研究[J].水利水运科学研究,1987,(2):1-11.[5]　陆永军,左利钦,王红川,等.波浪与潮流共同作用下二维泥沙数学模型[J].泥沙研究,2005,(6):1-12.[6]　辛文杰.潮流波浪综合作用下河口二维悬沙数学模型[J].海洋工程,1997,(1):30-47.[7]　韩曾萃,符宁平,徐有成.河口河相关系及其受人类活动的影响[J].水利水运工程学报,2001,(1):30-37.[8]　窦国仁.平原冲积河流及潮汐河口的河床形态[J].水利学报,1964,(2):1-13.[9]　马进荣,罗肇森,赵晓冬.灵江庙龙港建闸潮流泥沙数学模型研究[R].南京水利科学研究院,2006.26。

风浪作用下河口航道骤淤的模拟陆永军1，左利钦，王红川，李浩麟（南京水利科学研究院 水文水资源及水利工程科学国家重点实验室, 江苏 南京 210029）摘要：应用波浪与潮流共同作用下的二维泥沙数学模型，研究河口航道开挖后的骤淤问题。

引进前期含沙量的概念，得到了潮流挟沙能力公式，波浪作用下的挟沙能力采用窦国仁公式，浮泥挟沙能力采用罗肇森公式。

在瓯江口潮流与含沙量验证基础上，进行了拦门沙航槽开挖后悬沙、底沙与浮泥引起航槽骤淤的验证计算，计算的淤积厚度及沿航线分布趋势与实测值比较接近。

为风浪作用下河口航道骤淤的预测提供了一种新的模拟方法。

关键词：波浪；潮流；数学模型；悬沙；底沙；浮泥；航槽回淤众所周知，大风在海面上形成风吹流，由此引起近岸区域波浪掀沙、潮流输沙，有时会使新开挖的航槽发生骤淤。

2002年，温州港务局在殴江口拦门沙浅滩进行了航槽开挖，开挖深度约1.5 m 。

该航槽于2月初竣工，几乎每月进行航深测量。

5月底航槽淤积了0.19 m ；7月中旬淤积了0.35 m ；8月底航槽基本淤平，淤积了1.45 m ，仅1.5~2个月就淤积了如此之厚的泥沙，对河口拦门沙航道来说，就是一次灾难。

造成7月~8月泥沙很快淤积可能与风浪有关，其间，7月16日~20日遇5~6级SSW~S 风，8月6日~8日受SSW~S 风影响，平均风力达6~7级。

如何模拟风浪作用下泥沙输移并预报航道骤淤，成为港口航道泥沙研究的前沿课题之一[1]。

早期研究中大多遵循河流输沙的研究途径，以波浪、潮流共同作用下的床面剪切应力替代河流泥沙输运公式中的剪切应力[2，3]。

近来不少研究者采用流场模型，但在悬沙扩散方程中采用波浪—潮流共同作用下的挟沙能力，从而讨论波浪—潮流共同作用下的泥沙扩散[4，5]；或在潮流方程中引入辐射应力[6]，然后结合悬沙扩散方程，讨论波浪与潮流共同作用下的泥沙扩散[7]。

河口海岸泥沙运动机理为波浪掀沙、潮流输沙。

由于波浪周期远小于潮汐周期，数学模型对波、浪联合作用不得不采用两种不同的途径加以概化处理[7，8]。

长江口细颗粒悬沙浓度垂向分布摘要在长江口利用“声学悬沙观测系统”观测到大潮四种典型的高时空分辨率细颗粒悬沙浓度声学垂向分布图和垂线分布曲线。

悬沙浓度垂线分布曲线表明：(1)在涨潮时呈L形，悬沙浓度的垂向变化梯度小(浓度小于1.0g/l)。

(2)在涨急时呈射流形，射流顶的悬沙浓度达10g/l，悬沙浓度的垂向变化梯度大。

(3)在落潮时从水面到水底悬沙浓度按指数增加，可能代表恒定均匀流中悬沙处于平衡条件的分布，泥沙垂向扩散系数εS在数值上大约是泥沙颗粒沉降速度ωＳ的两倍。

(4)在落急时是不连续，并且在水体中部呈射流形，悬沙浓度的垂向变化梯度大。

关键词长江口细颗粒悬沙浓度高时空分辨率声散射1 前言Kirby和Parker[1]首次用LUTOCLINE(泥跃层)一词描述潮汐河口粘性细颗粒悬沙浓度垂向分布的不连续性，即垂向悬沙浓度出现明显的变化。

此后，泥跃层和近底高含沙层被发现普遍存在于许多高浑浊的河口海湾[2～5]。

Ross和Mehta、Smith和Kirby以及Wolanski等[5～9]详细地研究了泥跃层和近底高含沙层的动力特性，并建立了相应的数学模型。

这些研究加深了我们对潮汐河口近底水—泥相互作用的认识，这种相互作用控制整个潮汐河口细颗粒泥沙的输移过程。

在海岸工程应用上，如河口航道、港口、码头和系船池，需要对细颗粒泥沙运动定量化。

由于河口悬沙浓度随深度迅速变化，因此，悬沙浓度的精确观测是一个关键。

至今，为了获得近瞬时的悬沙浓度的垂向分布，已发展了许多新的技术。

特别是声学技术被广泛应用于海洋中悬沙浓度的测量[10～13]，使我们能得到高时空分辨率悬沙浓度垂向分布；但是声学技术尚未广泛应用于河口粘性细颗粒悬沙浓度的连续观测。

国内，在河口细颗粒泥沙输移现场观测研究中，悬沙浓度资料大多依赖于野外水样的采集[14～16]。

Li等[17]利用光学测沙系统研究了浙江椒江河口细颗粒泥沙输移。

本文作为“声学悬沙观测系统”在长江口北槽口外悬沙运动研究应用的系列成果[18～20]，其目的是为了解河口细颗粒悬沙浓度近瞬时垂向分布提供一种较好的途径。

二维垂向淹没射流冲刷粗砂砂床的数值模拟王建军;倪福生【摘要】采用泥沙冲刷模型对二维淹没射流冲刷无黏性砂床作了数值模拟,冲刷时间为10 s.湍流模型选用RNGk-ε占模型,它对于低强度湍流和具有强烈剪切区域的流动应用更加广泛.数值计算结果和实验结果吻合比较良好.数值模拟结果和实验结果都表明:当冲刷时间相同时,射流速度越大,冲刷深度越大;当射流速度一定时,最大冲坑深度和冲刷时间呈对数关系.【期刊名称】《科学技术与工程》【年(卷),期】2014(014)003【总页数】4页(P108-111)【关键词】二维;淹没射流;冲刷;数值模拟【作者】王建军;倪福生【作者单位】疏浚技术教育部工程研究中心,河海大学机电工程学院,常州213022;疏浚技术教育部工程研究中心,河海大学机电工程学院,常州213022【正文语种】中文【中图分类】U442.32耙吸式挖泥船，是水力式挖泥船中大型自航、自载式挖泥船，因其具有广泛的适应性和经济性，是目前世界上使用较广泛的一种挖泥船，它适用于开挖淤泥、黏土、砂壤土及各种砂土。

现有耙吸挖泥船在挖掘泥土时，一般配备高压水流破土，工作时高压水流从喷嘴射出，将板结砂土冲碎松散，再通过耙齿的切削，冲切相互作用使泥砂容易悬浮，便于吸入泥管，提高挖泥效率。

高压水射流冲刷技术在耙吸式挖泥船上的应用有效地提高了耙吸式挖泥船的产量，对其进行研究是很有必要的，本文研究二维垂向淹没射流对无黏性粗砂砂床的冲刷效果。

对于射流局部冲刷问题，目前国内外学者已开展了广泛的研究。

李文学根据实验结果得出射流冲刷坑的几何相似性并建立了射流冲刷坑特征长度的经验公示［1，2］;槐文信在计算和实验研究的基础上给出了射流冲刷平衡时冲刷坑特征长度的半经验表达式［3］。

近年来，随着计算流体力学(CFD)的发展，采用数值模拟的方法研究射流冲刷问题是一种省钱、省力、灵活性较大的方法。

邓军根据冲刷过程中冲刷深度和坑顶压力及流速之间的平衡关系，给出控制冲刷坑底边界的方法［4］;钱忠东采用欧拉模型计算了二维淹没射流作用下的无黏性沙床的冲刷过程，分析了沙层中沙粒和孔隙水的速度场，探索了沙粒运动的规律［5］;槐文信建立了基于希尔兹数的推移质泥沙输运模型并采用动网格技术捕捉射流冲刷时沙水交界面的变化［3］。

第36卷第4期2018年10月海洋科学进展A D V A N C E S I N MA R I N E S C I E N C E V o l .36 N o .4O c t o b e r ,2018长江口规划工程影响下的咸潮入侵数值模拟栾华龙1,2,柯科腾1,葛建忠1*,陈炼钢3,杨万伦1,丁平兴1(1.华东师范大学河口海岸学国家重点实验室,上海200062;2.长江科学院河流研究所,湖北武汉430010;3.南京水利科学研究院水文水资源与水利工程科学国家重点实验室,江苏南京210029)收稿日期:2017-06-19资助项目:国家重点研发计划项目 大型水库对河流-河口系统生物地球化学过程和物质输运的影响机制(2016Y F A 0600903);国家自然科学基金项目 高浊度河口近底高浓度泥沙形成机制与数值模拟研究(41776104)作者简介:栾华龙(1988-),男,湖北云梦人,工程师,博士,主要从事河口海岸动力学方面研究.E -m a i l :l u a n h u a l o n g @126.c o m *通讯作者:葛建忠(1981-),男,江苏镇江人,副研究员,博士,主要从事河口海岸流体动力学方面研究.E -m a i l :j z g e @s k l e c .e c n u .e d u .c n (李 燕 编辑)摘 要:基于无结构网格数值模型F V C OM 建立了长江口三维盐水输运模型,模型经充分验证后能够合理刻画长江口水动力和盐度输运过程,并成功对2010 2014年多次咸潮倒灌过程进行后报模拟,计算结果与实测吻合较好㊂以2014-01 02咸潮入侵事件为背景模拟三峡运行后河口规划工程对长江口咸潮入侵和倒灌的影响㊂结果表明河口规划工程整体上减弱南支咸潮入侵和倒灌,但使口门地区盐度增大,北支下段咸潮上溯稍有增强㊂规划工程减弱青草沙水库和陈行水库受咸潮入侵的影响,但使东风西沙水库取水口盐度增大,尤其在南支规划工程的作用下盐度最大值和平均值均有所增大,这主要是受扁担沙护滩潜堤的阻流作用影响而使入侵和倒灌的盐水团落潮不畅形成滞留㊂未来十年随着长江口规划工程的推进㊁上游水沙条件变异及其引起的地形冲淤变化,需进一步开展系统的咸潮入侵演变和影响研究㊂关键词:咸潮入侵;F V C OM ;三维数值模拟;河口规划工程;长江口中图分类号:P 731.12 文献标识码:A 文章编号:1671-6647(2018)04-0525-15d o i :10.3969/j .i s s n .1671-6647.2018.04.004上海市地处长江经济带和沿海经济带的交汇处,是我国经济体量最大㊁人口分布最集中的区域,也是国际金融和贸易中心㊂随着经济发展和人口增长,上海市对淡水资源的需求逐年增加,对淡水资源安全的关注保持着极高的热度[1]㊂毗邻上海市的长江河口是世界第三㊁亚洲第一大河 长江的入海口,1950 2010年平均径流量达到8964亿m 3[2],巨大的径流量为上海市及江苏沿岸城市提供了丰沛且优质的淡水资源㊂2010年,随着青草沙水库建成并运营,上海市的淡水来源经历了从黄浦江等内河水源为主向长江口水源为主的转移,已建成的陈行水库和在建的东风西沙水库同样利用长江口淡水资源㊂在上海市中长期城市供水水源规划研究中,长江口依然是上海市主要原水来源地[3]㊂长江河口是典型的径潮流相互作用下的河口㊂由于特有的河口地貌形态,长江口淡水资源同时受到外海咸潮入侵和北支倒灌南支的威胁(图1)[4-6]㊂前人基于大量的实地观测和模型分析认为咸潮入侵和倒灌是径流㊁潮汐㊁风况㊁地形等多个因素共同作用的结果[7-8]㊂近十几年来气候变化和人类活动在改变上述因子的同时又相互叠加,共同决定了长江口咸潮入侵的变化趋势[9]㊂枯季咸潮入侵还呈现显著的空间变化特征,北支被高盐水控制,南支受北支倒灌影响为两头高㊁中间低,横向上北支㊁南槽㊁北槽㊁南港依次递减[6]㊂526海洋科学进展36卷图1长江口地形及咸潮倒灌和入侵路径示意图[6]F i g.1 B a t h y m e t r y a n d s c h e m a t i c d i a g r a mo f s a l t w a t e r i n t r u s i o n i n t h eY a n g t z eE s t u a r y[6]近十几年来长江口越来越受到局地工程的影响,这些工程的建设势必会对咸潮入侵过程产生影响㊂目前长江口已建有大量整治工程,包括北槽深水航道工程㊁横沙浅滩圈围工程㊁青草沙水库㊁浦东机场促淤工程㊁崇明东滩互花米草及鸟类栖息地优化工程㊁北支新村沙圈围工程等㊂2008年国务院批准了水利部上报的‘长江口综合整治开发规划“,规划的核心目标是控制和稳定河势,规划内容多为固沙潜堤和滩涂围垦等整治工程措施[10],主要包括白茆小沙鱼骨坝促淤工程㊁白茆沙头部潜堤与鱼骨坝护滩工程㊁上下扁担沙右缘潜堤工程㊁瑞丰沙潜堤工程㊁堡镇沙圈围工程㊁横沙东滩圈围工程㊁南汇边滩圈围工程㊁新村沙综合整治工程㊁北支下段中缩窄圈围工程㊁顾园沙圈围工程等(图2),部分工程已开工建设,如横沙东滩围垦工程和白茆沙头部潜堤工程㊂这些大型河口工程实施后长江口咸潮入侵和倒灌的演变和影响值得深入研究㊂李禔来等[11]使用二维盐度数学模型研究长江口整治工程对盐水入侵的影响,结果表明南北支整治工程的实施将减弱北支倒灌,然而二维模型无法刻画盐水入侵过程中显著的垂向差异㊂陈泾和朱建荣[12]使用改进后的三维数学模型E C OM-s i模拟北支新村沙围垦工程后咸潮倒灌的变化时发现工程增强北支下段盐水入侵,减弱北支咸潮倒灌南支;李林江和朱建荣[13]基于相同的模型模拟南汇边滩围垦工程对盐水入侵的影响,结果表明南槽盐水入侵减弱,而北港和崇明东滩盐度增大㊂以上两者均是对单个整治工程进行模拟研究,而长江口规划工程遍布整个河口,所有工程完工后可能会对咸潮入侵和倒灌产生大范围的影响㊂工程建设的同时,长江入海水沙条件也在发生变异,后三峡工程时代长江口咸潮入侵特征将发生相应改变[14],如遇类似2006年的极端枯水年[15]以及极端天气情况,咸潮入侵和倒灌过程将变得更加复杂㊂因此,在研究长江口规划整治工程的影响时,有必要考虑河流上游来水条件的变化㊂本文基于三维数学模型F V C OM研究长江口规划整治工程实施后咸潮入侵和倒灌的演变和影响㊂模型在以往验证的基础上,补充验证了2012-12北支加密站位的水文和盐度观测,并且对历史咸潮倒灌过程进行模拟和分析,以保证模型在水动力和盐度模拟中具有较高的精度㊂以2014-01 02为背景工况,模拟三峡运用后河口规划工程影响下长江口咸潮入侵和倒灌的演变㊂4期栾华龙,等:长江口规划工程对咸潮入侵影响的三维数值模拟研究527图2 长江口规划工程位置及盐度输出断面F i g .2 L o c a t i o n s o f p l a n n e d p r o j e c t s i n t h eY a n g t z eE s t u a r y a n d s e c t i o n s f o r s a l i n i t yp r o f i l e s 1 模型建立和验证1.1 F V C O M 模型简介本文采用国际上已发展成熟的无结构三角形网格架构㊁有限体积㊁自由表面㊁三维原始方程海洋数值模型F V C OM (F i n i t e -V o l u m eC o mm u n i t y O c e a n M o d e l )[16-17],控制方程组包括动量方程㊁连续方程和盐度方程:∂u ∂t +u ∂u ∂x +v ∂u ∂y +w ∂u ∂z -f v =-1ρ0∂p ∂x +∂∂z (K m ∂u ∂z )+F u ,(1)∂v ∂t +u ∂v ∂x +v ∂v ∂y +w ∂v ∂z +f u =-1ρ0∂p ∂y +∂∂z (K m ∂v ∂z )+F v ,(2)∂u ∂x +∂v ∂y +∂w ∂z =0,(3)∂S ∂t +u ∂S ∂x +v ∂S ∂y +w ∂S ∂z =∂∂z (K h ∂s ∂z )+F s ,(4)式中,x ,y ,z 为三维直角坐标系下相互垂直的各个方向;u ,v ,w 为对应各个方向上的速度分量;S 为盐度;ρ为密度;p 为压力;f 为科氏参数;g 为重力加速度;K m 为垂向涡黏性系数,K h 为垂向涡扩散系数,这两项由湍流闭合模型参数化给出;F s 为盐度水平方向扩散项㊂该模型垂向上使用σ坐标系或通用垂向s 坐标系对不规则底部地形进行拟和,水平方向上利用无结构三角形网格对水平计算区域进行空间离散,能够较好地拟合复杂岛屿㊁岸线及地形㊂在数值计算上,利用对水平三角形控制体进行通量有限体积积分的方式对控制方程进行离散求解㊂该有限体积积分方法结合了有限元方法的自由几何拟和特性和有限差分方法的离散结构简单及计算高效的特性,综合了这两种方法的优点㊂因此,F V C OM 模型在岸线地形处理和数值处理方法上的优势使其在河口海岸区域得到了广泛应用㊂528海洋科学进展36卷1.2模型设置和验证模型设置主要基于陶英佳[18]建立的长江口咸潮入侵预报系统㊂模型计算区域覆盖长江口㊁杭州湾㊁舟山群岛㊁东海内陆架及邻近海域,河流上边界位于潮区界大通附近,网格分辨率从外海开边界向河口内逐渐增大,北支区域具有较高的空间分辨率,最高达到200m左右(图3)㊂由于长江口存在强烈的盐淡水混合过程,水体垂向盐度差异显著,因此模型采用随地形变化的σ坐标在垂向上分20层㊂选取更适合近岸浅水区域的G O T M湍闭合模型[19]㊂模拟不同年份(2010,2011,2012和2014年)咸潮入侵时,长江口内及口门地区主要采用对应年份的实测地形资料,地形图比例尺均为1ʒ50000,长江口外水深变化较小,采用海图数字化资料㊂模型外海开边界受13个天文潮驱动(M2,S2,K1,O1,N2,K2,P1,Q1,M4,M S4,M F,MM和MN4),河流边界由大通站实测时间序列的径流量给出㊂欧洲中期天气预报中心(E C MW F)提供的风场数据,空间分辨率达到0.125ʎˑ0.125ʎ,时间分辨率为3h,能够满足模型的需求㊂同时,该数据是基于实测历史资料同化后的再分析数据,具有比较高的精度㊂图3模型计算区域网格F i g.3 M o d e l d o m a i na n d g r i d s本文所使用的长江口F V C OM模型对天文潮水位和实测水位做了大量的验证[18,20],结果表明模式在水位过程模拟方面可靠性较高㊂模型还经过了2003 2008年长江口洪㊁枯季水文和盐度观测数据的验证[20-22],更新地形后对2013-03 2014-01长江口大规模定点水文观测数据进行了验证[18],计算结果与实测值均吻合较好,对误差的统计分析均在合理范围以内㊂在此基础上,本文还对2012-12北支加密观测获得的流速和盐度资料进行验证,观测站位主要位于北支河道(图1)㊂受篇幅限制,本文选取A3和A5为代表站位给出了表层和底层流速和盐度验证,结果吻合较好(图4),显示出模型对北支水动力和盐度输运模拟具有较高精度㊂4期栾华龙,等:长江口规划工程对咸潮入侵影响的三维数值模拟研究529图42012-12北支流速㊁流向㊁盐度验证F i g.4 V a l i d a t i o no f f l o wv e l o c i t y,d i r e c t i o na n d s a l i n i t y i nD e c e m b e r20122北支历史咸潮倒灌过程模拟和分析2.1咸潮倒灌统计分析对2011 2016年部分观测资料进行统计分析,得到北支咸潮倒灌与大通径流量及青龙港潮差关系(图5)㊂从图中可以看出,当径流量小于32000m3/s时北支咸潮倒灌显著,在小于22500m3/s时倒灌发生的次数明显增多,介于两者之间的在潮差大于3.1m时更容易发生倒灌㊂径流量在10000~22500m3/s这个倒灌多发的范围内潮差主要为2.0~4.5m,潮差大于3.1m多次出现倒灌,说明潮差越大发生盐水倒灌的几530海洋科学进展36卷率越高㊂低径流量条件下更容易发生倒灌,随着径流量的增大,倒灌发生时所需要的潮差越大,径流量在29000~33000m3/s范围内时倒灌多发生在潮差大于3.1m时㊂总体来讲,径流量大于33000m3/s时一般不会发生倒灌现象,而当径流量小于22500m3/s且潮差大于3.1m时发生倒灌的可能性很高㊂图5北支咸潮倒灌条件下大通径流量与青龙港潮差F i g.5 R e l a t i o n s h i p b e t w e e n r i v e r d i s c h a r g e a tD a t o n g a n d t i d a l r a n g e a tQ i n g l o n g g a n g w h e ns a l t w a t e r s p i l l e do v e r f r o mt h eN o r t hB r a n c h2.2历史过程模拟采用野外站位实时监测数据,模拟2010 2014年长江口枯季多次咸潮倒灌过程㊂主要监测站位分布于北支永隆站㊁南北支分流口崇西站㊁崇明岛南门与堡镇站㊁长兴站与横沙站(图1)㊂这些野外观测站自2010-01开始高精度地对盐度过程进行实时监测和回传,具有良好的数据质量㊂咸潮倒灌对河口淡水水库 青草沙水库取水口的调度运行影响密切,由于堡镇站与青草沙水库位置相近,同处北港河道两侧,隔江相望,因此采用堡镇站位作为控制站位进行咸潮倒灌影响对比分析㊂2.3模拟结果分析模拟与观测对比结果表明该模型可以较好地反映出长江口南支的咸潮倒灌(图6)㊂从时间特征上看,枯季的咸潮倒灌主要发生在天文小潮汛之后的数天之内,其原因主要为天文小潮期间,潮流动力减弱,从而外海高盐水与河口内淡水形成的斜压梯度力增强,有利于外海高盐水向口门内上溯倒灌㊂同时,盐度升高还受到北支倒灌盐水团的控制,北支盐水倒灌南支后,在下移出海过程咸水团到达七丫口至高桥所需时间约为3~6d,正值小潮期,盐度达到最大㊂高盐度值是由来自上下游两个方向的咸水在此叠加引起㊂大潮期因受外海盐水入侵影响甚微,北支高盐水尚在南北支交汇处,故在南支下段和南北港上段出现盐度低值区㊂长江口海区的风场对咸潮倒灌也具有非常显著的作用,在冬季西北向季风的影响下,近岸风生艾克曼输运非常有利于外海水体向河口口门输运和堆积[23-25]㊂该数值模型采用E C WM F模型风场,虽然在空间精度和分辨率上较其他全球风场源数据有比较大的提高,在准确度上仍存在不足,有可能造成部分咸潮倒灌过程错位偏移和误差㊂例如2012-01-20 23由于E C WM F的风场有非常显著的北风过程,风速强劲,且持续时间较长,与实际风场过程有较大误差,从而数值模拟得到更加强烈的咸潮倒灌过程(图6e)㊂4期栾华龙,等:长江口规划工程对咸潮入侵影响的三维数值模拟研究531图6堡镇站风矢量及盐度过程验证F i g.6 W i n dv e c t o r s a n dv a l i d a t i o no f s a l i n i t y a tB a o z h e n s t a t i o n3模型数值实验结果和讨论3.1数值实验方案设置2014-01 02长江口发生了严重的盐水入侵事件,北支入口段盐度与同期白茆沙盐度高出一个数量级,且持续时间较长[26],模型也较为准确地刻画出这一盐水入侵事件(图6f),因此本文将这一事件作为模型数值实验的背景工况㊂未来随着规划工程的开工建设,三峡工程运行以及上游多个梯级水库也将逐步建成运行,长江入海径流量的季节性分布将受到影响,表现为枯季前的中水期蓄水㊁枯水期放水㊂根据上游以三峡为核心的控制性水库运用后来水条件,采用三峡至长江口徐六泾一维水沙数学模型,计算基于90系列(1991 2000年)有无三峡及上游水库群联合调度下10a长时间系列的大通来水系列过程,通过逐级流量的频率分析,计算出大通1a的综合来水过程[27],将考虑上游水库群调度下的未来10a平均来水过程作为咸潮入侵模拟的河流边界条件(图7)㊂模型计算时间为2013-11-01 2014-03-01,以保证模拟中考虑完整的枯季,结果输出时间为2014-01-15 03-01(共计45d),对应此次咸潮入侵事件的发生期㊂532海洋科学进展36卷图7大通站有无上游水库群调度作用下未来10a平均流量过程F i g.7 D e c a d a l-a v e r a g e dw a t e r d i s c h a r g e o f e a c hc a l e n d a rm o t ha tD a t o n g s t a t i o nw i t ha n dw i t h o u t t h e o p e r a t i o no f u p s t r e a mr e s e r v o i r g r o u p模型首先考虑现状河口工程作为本地工况模拟咸潮入侵过程㊂由于长江河口现状和规划工程遍布整个河口,鉴于长江口巨大的空间尺度以及动力环境的空间差异,不同区域的工程建设对咸潮入侵的影响程度也存在差异,因此模型中分别考虑北支㊁南支和口门三个区域以及全部规划工程㊂综上,模型根据工程位置的不同共计设置了5组数值实验(表1)㊂表1数值实验方案T a b l e1 C o n f i g u r a t i o n s o f n u m e r i c a l e x p e r i m e n t s工程条件工程配置工程位置编号河流径流条件模拟背景时段C a s e0现状工程C a s e1只有北支规划工程1,2,3 C a s e2只有南支规划工程4,5,6,7,8 C a s e3只有口门规划工程9,10 C a s e4全部规划工程1~10考虑水库群调度的来水条件2014-01 02注:工程位置编号与图2对应,空白处表示无数据3.2现状河口工程条件下咸潮入侵过程模拟图8a,8b给出了现状河口工程条件下大潮期间涨憩和落憩表层盐度分布㊂由于2月份长江径流量较小,涨潮过程中(图8a)咸潮入侵较为明显,南支和北支都分别发生了显著的咸潮入侵过程以及咸潮倒灌南支过程,北港咸潮入侵强于南港㊂北支的咸潮倒灌主要经由青龙港往南北支分流口区域的北侧深槽,南侧区域为浅滩和淤积区域㊂北支内的高盐水具有显著的空间差异性,涨潮流主要从北侧水深较大的主槽上溯,从而使北支北侧盐度较高,比如在3条港区域盐度可以达到25~27㊂落潮过程中(图8b)北支主体仍被高盐水控制,整体上有所下移,南北支分流口咸潮倒灌消失,崇头区域主要为低盐水㊂但在白茆沙南北水道至吴淞口这个区域内有一个北支咸潮倒灌和南支咸潮入侵共同形成的盐度约为1的水团,该盐水团的形成位置与咸潮倒灌的路径密切相关[28]㊂整体上看,在咸潮入侵强的时间段内,崇明岛北侧㊁南侧堡镇下游及崇明东滩被高盐水控制,而崇头至南门段在上游径流的稀释作用下盐度较低㊂4期栾华龙,等:长江口规划工程对咸潮入侵影响的三维数值模拟研究533图8模拟的大潮表层盐度分布F i g.8 M o d e l s i m u l a t e d s u r f a c e s a l i n i t y d i s t r i b u t i o nd u r i n g s p r i n g t i d e提取相同时刻南支(S E C T1)和北支(S E C T4)两个纵断面的盐度分布能够给出整个垂向水体咸潮入侵和倒灌的情况(图9)㊂南支断面盐度垂向分层显著,高盐水从底部上溯:涨憩时刻堡镇至共青圩之间形成了2个高盐水团,其中上游盐水团主要来自于横沙通道的涨潮水流;下游盐水团盐度主要来自于北港北汊的入侵[29];落憩时刻南支断面下段的盐水团合并㊁下移并减弱㊂北支断面上段在涨潮和落潮期间盐度差异较为明显,下段始终被高盐水团控制,落潮时刻相较涨潮时刻盐度有所下降㊂图9 C a s e0模拟的大潮特征断面盐度分布F i g.9 S i m u l a t e d l o n g i t u d i n a l s a l i n i t yp r o f i l e s d u r i n g s p r i n g t i d e i nC a s e0534海洋科学进展36卷3.3规划河口工程条件下咸潮入侵过程模拟图8c,8d给出了全部规划河口工程条件下大潮涨憩和落憩长江口表层盐度分布,其整体态势与规划工程实施之前相似,但部分区域差异较为显著㊂受堡镇沙围垦工程的影响,涨潮过程中(图8c)北港水流受阻导致咸潮入侵减弱,高盐水团相较工程前下移㊂由于围垦处的河宽束窄改变了流路,涨潮时上溯的盐水团向南偏使横沙到北侧共青圩附近盐度增大㊂在横沙东滩围垦工程和南汇边滩圈围工程的影响下,南港咸潮入侵也明显减弱,南港区域高盐水团消失,北槽和南槽上段盐度减小幅度超过5㊂而在北支河段,规划工程对北支咸潮入侵的态势没有发生显著变化,还是以高盐水控制为主,下段中缩窄圈围工程后河宽减小使得咸潮入侵增强㊂落潮过程(图8d)受工程影响同样显著,南港下段和南槽上段高盐水团相较工程前有所减弱和下移㊂由于南支和口门地区的圈围工程缩窄河宽使得潮流受阻,崇明东滩东侧㊁北港下段和南北槽入海口咸潮入侵均有所增强㊂规划工程条件下南北支断面盐度分布基本态势与工程前相同(图10)㊂南支断面在涨潮最强时刻底部盐水上溯减弱,共青圩上游底部仅剩一个高盐水团,断面最东侧盐度有所增大;落潮最大时刻盐度整体小于工程前㊂北支断面下段仍然被高盐水控制㊂图10 C a s e4模拟的大潮特征断面盐度分布F i g.10 S i m u l a t e d l o n g i t u d i n a l s a l i n i t yp r o f i l e s d u r i n g s p r i n g t i d e i nC a s e43.4咸潮上溯距离分析基于数值实验的模拟结果,统计了2月大潮汛期间连续3d南支-北港河段表层咸潮上溯最大和平均距离,距离起算点为共青圩,并定义1为咸潮上溯临界盐度值(表2)㊂结果表明现状工程条件下咸潮上溯最大和平均距离分别为69.61和61.13k m,位于白茆沙至七丫口之间㊂北支工程建设对上溯距离影响甚微,而南支规划工程使最大上溯距离稍有增大,平均上溯距离显著减小至39.33k m,大致位于新浏河沙头㊂口门地区的工程建设加剧了咸潮上溯的最大距离,盐水达到崇头,平均上溯距离也向上游移动约2.50k m㊂全部规划工程条件下最大上溯距离基本不变,平均上溯距离明显缩短,仅为34.17k m,位于青草沙水库取水口附近㊂4期栾华龙,等:长江口规划工程对咸潮入侵影响的三维数值模拟研究535表2南支咸潮上溯距离T a b l e2 S a l t w a t e r i n t r u s i o nd i s t a n c e i n t h eS o u t hB r a n c h上溯距离C a s e0C a s e1C a s e2C a s e3C a s e4最大上溯距离/k m69.6169.7371.3877.0070.25平均上溯距离/k m61.1361.1639.3363.6934.17注:取共青圩为起算点3.5水库取水口盐度过程分析对比分析数值实验中青草沙㊁东风西沙和陈行三个水库取水口的盐度过程(图11),结果表明现状工程条件下(C a s e0):青草沙水库盐度峰值出现在大潮后的中潮和小潮后的中潮,后者盐度峰值更大(>3),这主要受该时期连续偏北大风的影响[26,30],发生咸潮入侵事件,整个时段内青草沙水库取水口的盐度值均不满足取水标准;东风西沙水库盐度峰值同样出现在中潮期,其中大潮后的中潮盐度峰值(ʈ1)大于小潮后的中潮,连续不宜取水主要发生在大潮和之后的中潮,而小潮后的中潮盐度低值持续时间长,因此没有发生连续不宜取水的情况;陈行水库的盐度峰值在大潮期间,峰值与东风西沙水库接近,大潮至小潮盐度整体呈下降趋势,小潮时降至最小,连续不宜取水发生在大潮汛前后㊂注:黑色虚线为饮用水标准的临界盐度值0.45图112014-02清草沙水库取水口水位及三水库盐度过程线F i g.11 W a t e r l e v e l a tQ i n g c a o s h a r e s e r v o i r a n d s a l i n i t y a t t h r e e r e s e r v o i r i n t a k e s模拟结果表明北支规划工程对这3个取水口的盐度影响甚微,因此C a s e1的盐度过程线未在图中显示㊂南支规划工程条件下(C a s e2):青草沙水库在大潮后的中潮盐度相较工程前显著减少,盐度峰值下降到1.2左右,盐度低值已满足取水标准,而小潮后的中潮盐度下降不明显,仍然处于连续不宜取水状态,这主要536海洋科学进展36卷是连续偏北大风的影响,可见南支规划工程并不能改变强劲北风促发咸潮入侵这一情形;东风西沙水库盐度在大小潮周期内整体增大,小潮后的中潮盐度增大尤为明显,盐度峰值接近1.5;陈行水库盐度整体减小,几乎全部时间都满足取水盐水要求㊂口门规划工程条件下(C a s e3),青草沙水库在大潮后的中潮盐度峰值相比工程前变化不大,但盐度低值有所减小,减小程度弱于南支工程的影响,小潮后的中潮盐度整体有所减小;东风西沙水库盐度峰值在大小潮时均有所增大;陈行水库的盐度在大潮期间变化不大,中潮和小潮期间盐度整体相比工程前减小㊂全部规划工程条件下(C a s e4),3个水库的盐度过程线与C a s e2接近,说明水库取水口的盐度主要受南支内的规划工程的影响,口门规划工程的作用有限㊂3.6水库取水口盐度统计分析基于水库取水口盐度最大值和平均值,定义一天内盐度低于0.45的持续时间不足4h则认为当天不宜取水[31],得到3个水库的连续不宜取水天数(表3)㊂统计结果表明现状工程条件下(C a s e0),青草沙水库连续不宜取水天数最长,陈行水库天数最短㊂北支规划工程(C a s e1)对3个水库取水口的盐度影响甚微,这主要是由于北支工程与南支水库距离较远,几乎不会造成直接影响㊂规划工程使青草沙水库和陈行水库取水口盐度有所减小,全部规划工程条件下(C a s e4)青草沙水库连续不宜取水天数缩短为5d,陈行水库不再出现连续不宜取水的情形㊂东风西沙水库在规划工程建设后盐度最大值和平均值均增大,尤其南支规划工程条件下(C a s e2)增大最明显㊂尽管盐度最大值和平均值均增大,但盐度低值并未相应增大,这是连续不宜取水天数保持不变的主要原因㊂南支(C a s e2)和全部规划工程条件下(C a s e4)连续不宜取水天数反而有所减少,通过分析盐度过程发现以上两种条件下的大潮汛时存在盐度明显增大的情况,使得盐度最大值和平均值整体增大,对应时间内工程前后均为不宜取水,而小潮汛时盐度低值减小,使得工程前连续不宜取水变成适宜取水,因此综合作用下连续不宜取水天数减小㊂表3水库连续不宜取水天数及规划工程前后水库取水口最大和平均盐度差值T a b l e3 T h e c o n s e c u t i v e p e r i o do f u n s u i t a b l e f r e s hw a t e r t a k i n g a n d c h a n g e so fm a x i m u ma n da v e r a g e s a l i n i t y a t r e s e r v o i r i n t a k e s工程条件盐度指标青草沙水库东风西沙水库陈行水库C a s e0连续不宜取水天数/d45119C a s e1最大值变化量0-0.01-0.01平均值变化量+0.0100连续不宜取水天数/d45119C a s e2最大值变化量-0.29+0.56-0.39平均值变化量-0.4+0.12-0.1连续不宜取水天数/d741C a s e3最大值变化量-0.83+0.42+0.06平均值变化量-0.25+0.18-0.05连续不宜取水天数/d7117C a s e4最大值变化量-0.78+0.31-0.42平均值变化量-0.50+0.06-0.23连续不宜取水天数/d540注: + 表示增加, - 表示减少分析认为青草沙水库和陈行水库盐度降低与工程建设阻碍涨潮流有关㊂东风西沙水库盐度上升主要由于上下扁担沙的潜堤工程造成附近水流不畅,涨潮高盐水经南门附近的涨潮沟进入东风西沙附近,但落潮低。

长江福山倒套二维水沙数值模拟
吴挺峰;胡艳;崔广柏
【期刊名称】《泥沙研究》
【年(卷),期】2009(0)2
【摘要】由对历年实测地形资料分析发现,福山倒套目前正处于淤积阶段,其水沙状况主要受控于上部串沟及下部串沟来水来沙。

借助EFDC模型中的水动力及泥沙模块,对倒套水沙状况进行数值模拟实验,结果表明:(1)倒套内部水位降低,但变化不明显;(2)倒套内部流场流速整体下降,尤其是倒套口门处流速值减小较大;(3)倒套淤积加速,但倒套口门段较为稳定。

因此,适时疏浚上部串沟是维持倒套稳定之关键。

【总页数】7页(P46-52)
【关键词】河床演变;福山倒套;EFDC模型;淤积
【作者】吴挺峰;胡艳;崔广柏
【作者单位】中国科学院南京地理与湖泊研究所湖泊与环境国家重点实验室;河海大学水文水资源与水利工程科学国家重点实验室;太湖流域管理局
【正文语种】中文
【中图分类】TV147
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长江感潮河段平面二维潮流数值模拟
曾小辉;李国杰;姜昱
【期刊名称】《水运工程》
【年(卷),期】2012(000)004
【摘要】基于正交曲线网格下的有限体积法,建立河口潮汐的水深平均二维模型,运用Simple算法求解河口潮汐的二维浅水方程.以长江下游江阴水道为计算实例,用“露滩冻结”动边界技术处理方法模拟江阴水道二维潮流场,较好地解决了边滩、浅滩边界随水位的变动问题.实例和验证结果表明:计算的潮位和潮流过程与实测过程吻合较好,计算的流场合理.对计算结果的前后可视化处理,采用AutoCAD的DXF 数据接口生成流场和网格图,以便更好地进行直观分析.
【总页数】5页(P12-16)
【作者】曾小辉;李国杰;姜昱
【作者单位】中交第二航务工程勘察设计院有限公司,湖北武汉430071;中交第二航务工程勘察设计院有限公司,湖北武汉430071;中交第二航务工程勘察设计院有限公司,湖北武汉430071
【正文语种】中文
【中图分类】TP391
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