黄河口泥沙输运三维数值模拟_黄河口切变锋
河口泥沙研究综述
人类活动加剧情况下渤海湾河口泥沙运动及减淤研究一、研究目的与意义泥沙运动问题的早期关注起因于海洋暴风潮和波浪对海岸、滨海地区的破坏及其由此引发的洪水问题，其它相关问题还包括：全球海平面变化引起的海岸缓慢侵蚀，海岸土地资源流失及海滨亲和环境丧失；可通航水道因泥沙淤积而断航，港口疏浚与维护，船舶在海图未标明浅滩上搁浅；海底人为垃圾、重金属和辐射等污染物堆积而导致的泥沙颗粒污染物藏匿等等。
土木工程师由于直接负责防浪墙、码头、海岸治河工程、港口疏浚等工程设计，因而他们对于泥沙运动研究的重要性体会最为深刻[1]。
河口是河流沉积物向海传输的通道，动力环境和盐淡水混合，使得河口泥沙传输过程相当复杂。
河口泥沙运动是河口地区可持续发展中的重要科学问题之一。
如：长江口的航道整治、黄河口造陆过程和湿地演变、海河口的河道萎缩等等。
全球河流每年向海洋输送的泥沙约为100～200亿t，主要部分沉积在河口三角洲区域，同时河流沉积物是诸多化学物质的输运载体。
因此河口泥沙输运过程不仅是河口陆海相互作用的重要研究内容，对研究河口和近岸生物地球化学循环也有很好的参考意义[2]。
尤其是近年来关于河口生态环境与泥沙输运过程关系问题，都需要对河口泥沙输运的基本规律进行深入的研究[3-4]。
河口泥沙运动是河口地区可持续发展中的重要科学问题之一。
如：长江口的航道整治[5-6]、黄河口造陆过程和湿地演变、海河口的河道萎缩等等，尤其是近年来关于河口生态环境与泥沙输运过程的关系问题，都需要对河口泥沙输运的基本规律进行深入的研究[3]。
渤海占我国4大海区总面积的1.6%，面积近8万km2，从环渤海地区中的黄河、海河、辽河、滦河、鸭绿江、锦江等河流输往渤海的沉积物通量达7.5×108t/a的量级，从地质尺度来看，这意味着渤海环境的巨大变化，在短短十几年至数十年的尺度上，入海沉积物的输运和堆积可以使渤海的物理环境发生显著的变化，直至渤海的消失。
我国河流水流泥沙数值模拟技术进展与应用
我国河流水流泥沙数值模拟技术进展与应用张明进;张华庆;白玉川【摘要】文章对我国水运工程领域河流水流泥沙数值模拟技术的发展过程和技术创新成果进行了系统的总结.对一维、二维和三维水沙模型在模拟系统和计算方法等方面近年来的技术进展给予了归纳,并对几个模拟系统的一些具体工程应用进行了简要介绍.目前,一、二维水沙数学模型已相对比较成熟,三维模型也能应用来解决一些具体问题.河流水沙数值模拟技术今后的发展主要在于基础理论的创新,观测技术的提高,观测资料的系统化与公开化,以及数值模拟成套技术的标准化,实现数学模型的开放性检验与应用等.%The development and applications of simulating technology for river flow and sediment in water transport engineering domain of China have been summarized systematically.In this paper,the progress of calculation methods and simulation systems in recent years were analyzed,and examples of its application for 1-D,2-D and 3-D mathematical models were given.At present, 1-D and 2-D mathematical models have already reached a relatively riper stages,3-D mathematical model can also solve some engineering problems.The future development of simulating technology for river flow and sediment include the following areas.The first is the innovation of theories on flow and sediment transport.The second is the improvement on observation technology and observation data systematic and opened to public.The third is the whole set of numerical simulating technologies and make the models opened to public,verified and used by public.【期刊名称】《水道港口》【年(卷),期】2011(032)005【总页数】7页(P329-335)【关键词】河流;水流泥沙;数学模型;模拟技术【作者】张明进;张华庆;白玉川【作者单位】天津大学建筑工程学院,天津300072;交通运输部天津水运工程科学研究所工程泥沙交通行业重点实验室,天津300456;交通运输部天津水运工程科学研究所工程泥沙交通行业重点实验室,天津300456;天津大学建筑工程学院,天津300072【正文语种】中文【中图分类】TV142;O242.1河流水流泥沙数值模拟始于20世纪60年代，20世纪70年代以后逐步成熟。
黄河口泥沙输运三维数值模拟Ⅱ——河口双导堤工程应用
黄河口泥沙输运三维数值模拟Ⅱ——河口双导堤工程应用王厚杰;杨作升;李海东
【期刊名称】《泥沙研究》
【年(卷),期】2006()2
【摘要】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。
【总页数】8页(P29-36)
【关键词】黄河口;双导堤工程;数学模型;泥沙通量;拦门沙
【作者】王厚杰;杨作升;李海东
【作者单位】中国海洋大学河口海岸带研究所
【正文语种】中文
【中图分类】TV147
【相关文献】
1.黄河口泥沙异重流的数值模拟 [J], 庞重光;杨作升
2.丰水期珠江口黏性泥沙输运的三维数值模拟 [J], 朱泽南;王惠群;管卫兵;曹振轶
3.黄河钓口河口行水期泥沙输运过程的三维数值模拟 [J], 邢国攀;宋振杰;张勇;吴晓;毕乃双;王厚杰
4.黄河口泥沙输运三维数值模拟Ⅰ——黄河口切变锋 [J], 王厚杰;杨作升;毕乃双因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。
河口海岸泥沙数学模型研究
河口海岸泥沙数学模型研究河口海岸是地球上一种独特而重要的地理环境，具有复杂的动力和物质输运过程。
其中，泥沙输运是河口海岸过程的重要部分，它影响着河口海岸的形态、地貌和生态系统的功能。
为了更好地理解和预测河口海岸的行为，我们构建并研究了一个新型的泥沙数学模型。
我们的模型基于以下假设：河口海岸的泥沙输运主要受到水文条件、地形和海洋环境的影响。
我们用一系列偏微分方程来表达这个系统，包括水流速度、泥沙浓度、地形变化等。
我们还考虑了泥沙的沉积和侵蚀，以及与周围环境的相互作用。
我们选取了一个具体的河口海岸作为案例，将我们的模型应用于此，以检验其有效性和准确性。
通过与实地观测数据进行比较，我们的模型在预测泥沙输运、沉积和侵蚀方面表现出良好的性能。
这表明我们的模型可以有效地应用于实际问题的解决。
我们的模型具有几个主要的优点。
它考虑了多种影响因素，如水流、泥沙浓度、地形等。
我们的模型具有良好的灵活性，可以适用于不同的河口海岸环境。
然而，我们的模型还有一些局限性，例如在处理一些极端环境条件时，可能需要更复杂的物理机制和更精确的参数设定。
我们的河口海岸泥沙数学模型提供了一种有效的工具，可以帮助我们理解和预测河口海岸的行为。
尽管还有改进的空间，但这个模型已经展示出其在研究和应用中的重要价值。
希望我们的工作能为未来河口海岸研究提供有价值的参考和启示。
我们将继续研究和改进我们的数学模型，以更好地理解和预测河口海岸的行为。
我们将以下几个方面：一是提高模型的精度和适应性，以应对更复杂的环境条件和需求；二是将模型与其他相关模型进行集成，形成更完整的河口海岸系统模型；三是加强模型的验证和测试，以确保其准确性和可靠性。
我们也将利用先进的计算技术和算法，提高模型的计算效率和性能。
这将使我们能够更有效地解决实际问题，并为河口海岸的研究和管理提供更强大的支持。
河口海岸泥沙数学模型研究是一项富有挑战性和实用性的工作。
通过建立和应用数学模型，我们可以更好地理解和预测河口海岸的行为，为相关研究和应用提供有力的支持。
黄河三角洲海岸冲淤及泥沙输运模型数值模拟分析
黄河三角洲海岸冲淤及泥沙输运模型数值模拟分析王奎峰;张太平;宋新强;许国辉;尚桂勇;郑建国【摘要】黄河三角洲是陆海交界地带,陆地海洋相互作用显著,泥沙所引起的岸滩演变、港口航道的淤积、水动力环境的改变等问题比较复杂.该文采用三维HEM-3D 数值模型对黄河三角洲海域流场变化、盐度、悬浮泥沙浓度及海岸冲淤分布进行了潮流周期内的数值模拟分析.结果表明,黄河三角洲海域的悬浮泥沙浓度分布与潮流场变化和河口泥沙输入有密切的关系,在三角洲北部受五号桩外强潮流区的影响,近岸海底的泥沙发生明显的再悬浮,并在涨潮流向南输送,含沙量达1.5 g/L左右.在三角洲南部(现行河口区域和莱州湾区域),受现行河口入海泥沙扩散的影响显著.海域年冲淤分布,在北部废弃三角洲区域,由于海洋动力作用强烈,浅水冲刷,海底侵蚀显著,形成了明显呈沿岸展布的侵蚀中心,在侵蚀中心以外,侵蚀快速减弱.在现行河口区域,以淤积为主,在羽状流扩散的控制下,泥沙入海后向南输运,至莱州湾区域逐渐减弱.数值模拟的结果与卫星遥感解译的岸线变化基本一致,效果良好.【期刊名称】《山东国土资源》【年(卷),期】2018(034)011【总页数】10页(P22-31)【关键词】三维数值模型;海域流场;悬浮泥沙;海岸冲淤;黄河三角洲【作者】王奎峰;张太平;宋新强;许国辉;尚桂勇;郑建国【作者单位】山东省地质科学研究院,国土资源部金矿成矿过程与资源利用重点实验室,山东省金属矿产成矿地质过程与资源利用重点实验室,山东济南 250013;山东大学土建与水利学院,山东济南 250061;山东省沉积成矿作用与沉积矿产重点实验室,山东青岛 266590;山东省地质科学研究院,国土资源部金矿成矿过程与资源利用重点实验室,山东省金属矿产成矿地质过程与资源利用重点实验室,山东济南250013;东营市国土资源局河口分局,山东东营257100;中国海洋大学环境科学与工程学院,山东青岛 266100;东营市公路管理局河口分局,山东东营 257200;中国海洋大学环境科学与工程学院,山东青岛 266100【正文语种】中文【中图分类】P737河口是河流沉积物向海域传输的通道，河口泥沙传输过程相当复杂，河口泥沙输运过程对于研究河口陆海相互作用及近岸地质环境演化有重要的参考意义[1-2]。
黄河口近60年来潮流特征演化过程
黄河口近60年来潮流特征演化过程白玉川，谢琦，徐海珏（天津大学水利工程仿真与安全国家重点实验室，天津300072）摘要：本文利用1962年、1986年以及2015年的三个典型年代的实测资料建立黄河口数学模型，并对河口潮流场和潮流特征进行模拟，借用MATLAB 软件进行分潮调和分析，得到黄河口近60年潮流特征以及各个阶段的潮流演化过程，得出以下结论：（1）1962年河口流场较为平整，有明显切变锋形态，该阶段存在两个较为明显的高流速区并且潮流在河口处呈现为往复流；（2）1986年黄河三角洲岸线曲折多拐，从湾湾沟到清水沟滋生了多个小型高流速区群，并且潮流在滨海处呈现往复流的形态而在远海处为旋转流；（3）2015年涨落潮时潮流在河口处形成明显的环流，此时在沿线凸出沙嘴处会形成3个明显的高流速区,并且潮流在大部分区域呈现旋转流而在河口东北向远海处部分区域呈现往复流的特征。
关键词：黄河口；河口流场;高流速区；调和分析；潮流演变中图分类号：TV147；TV148文献标识码：A文章编号：1001原6932（圆园19）02原园141原09收稿日期：2018-04-18；修订日期：2018-07-05基金项目：河口海岸异重沙流成因机制与输移动态预测（41576093）。
作者简介：白玉川(1967原)，博士，教授，主要从事泥沙运动及河流研究，电子邮箱：ychbai@ 。
通讯作者：徐海珏，博士，副教授，电子邮箱：xiaoxiaoxu_2004@ 。
The evolution process of tidal characteristics in the last 60years of the Yellow River EstuaryBAI Yu-chuan袁XIE QI袁XU Hai-jue渊State Key Laboratory of Hydraulic Engineering Simulation and Safety袁Tianjin University袁Tianjin 300072袁China冤Abstract ：This research utilizes the nautical charts of the year 1962,1976and 2015to establish the mathematical model which is used to simulate the flow field in the last 60years of the Yellow River Estuary.Then tidal harmonic analysis are derived with MATLAB,the tide ellipse figures are plotted.The conclusions of the present study are as follows:(1)In 1962,the flow field near the estuary which had apparent shear front was relatively smooth,and there were two high velocity zones in that period.The tide current appeared reversing currents near the estuary ;(2)The shoreline of the Yellow River delta appeared winding in 1986,which resulted in the large amount of small high velocity zones along the shoreline,and the current form was rotational flow in the open sea;(3)There was obvious circulation at the estuary in the year 2015and there were three high velocity zones at the sand spits.The current was reversing flow at the most region of the area except the northeastpart far from the estuary.Keywords ：Yellow River estuary ;flow field曰high velocity zone ;harmonic analysis曰tide current evolution黄河是河流研究领域的重点对象。
黄河三角洲洪_枯季泥沙冲淤的数值模拟_李谊纯
黄河三角洲洪、枯季泥沙冲淤的数值模拟李谊纯 孙效功 李瑞杰 吕丹梅(中国海洋大学海洋地球科学学院,青岛266003)摘 要 本文针对黄河三角洲海岸潮间带广阔、黄河入海水沙变化剧烈、近岸及河口区水动力条件复杂的特点,建立了1个潮流作用下的平面二维动边界全沙数学模型。
动边界的处理采用窄缝法,并利用此模型对黄河三角洲洪、枯季时悬沙分布以及底床的冲淤进行了数值模拟,进而据此探讨了黄河三角洲洪、枯季的冲淤变化规律。
关键词 黄河三角洲;泥沙冲淤;数值模拟;窄缝法中图法分类号 TV 148+·1 文章编号 1001-1862(2003)02-281-06近年来,在相对于比较完备的悬移质扩散理论的基础上,泥沙输运、冲淤数值模拟的研究工作比较多,如曹祖德等[1]建立的波浪潮流共同作用下的悬沙输运模型、张东升等[2]建立的灌河口二维不平衡悬沙输运模型、白玉川等[3]的潮流波浪联合输沙模型、丁平兴等[4]建立的湛江湾全沙模型。
黄河三角洲地区海岸线曲折,潮间带广阔,动力作用十分复杂,尾闾河道摆动频繁,黄河入海沙多水少,而且来水来沙量在不同月份、不同年份变幅巨大。
以前学者对此地区进行的泥沙输运、冲淤的数值模拟大多为河口附近的入海泥沙的悬移输运模型,如曹文洪等[5]建立的黄河口海岸二维非恒定水流泥沙数学模型、孙琪等[6]建立的套儿河口动边界悬沙输运模型。
目前对大面积海域进行的模拟还不多。
黄河三角洲潮滩广阔,因而本文模型采用的是动边界模型。
另外,由于其潮滩滩面的泥沙主要以推移质由岸向海运移[7],所以本文考虑了推移质造成的输沙。
但目前尚无成熟、完善的理论公式计算推移质输沙,推移质输沙率的计算主要是采用经验、半经验公式。
本文的推移质输沙率计算参照文献[8]的公式。
1 数学模型1.1基本方程 从Navier-Stokes 方程出发,利用窄缝法推导出的二维动边界潮流模型的控制方程组为:1.1.1连续方程Z t +1F (z ) U X +1F (z ) V Y=0第33卷 第2期 2003年3月 青岛海洋大学学报J OU RNAL O F OCEAN UNIV ERSITY OF QINGDAO 33(2):281～286M arch ,2003 责任作者国家自然科学基金项目(40076026)和教育部重点基金项目(01109)资助收稿日期:2002-04-01;修订日期:2002-07-04李谊纯,男,1977年12月出生,硕士生。
黄河河口不同流路入海泥沙对下游影响二维数模分析
ｔｈｅ ｂｌｏｃｋｉｎｇ ａｃｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｔｉｄａｌ ｃｕｒｒｅｎｔ ａｎｄ ｓａｎｄｂａｒｓ． Ｂａｓｅｄ ｏｎ ｔｈｅ ｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｄ ｔｗｏ⁃ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌ ｍａｔｈｅｍａｔｉｃａｌ ｍｏｄｅｌ ｏｆ ｅｓｔｕａｒｉｎｅ ｗａｔｅｒ ａｎｄ
ｓｅｄｉｍｅｎｔ， ｔｈｅ ｔｙｐｉｃａｌ ｗａｔｅｒ ａｎｄ ｓｅｄｉｍｅｎｔ ｐｒｏｃｅｓｓｅｓ ｏｆ Ｎｏｒｔｈ Ｂｒａｎｃｈ ｅｓｔｕａｒｉｎｅ ｏｆ Ｑｉｎｇｓｈｕｉｇｏｕ， Ｄｉａｏｋｏｕ Ｒｉｖｅｒ ｅｓｔｕａｒｉｎｅ ａｎｄ Ｓｈｉｂａｈｕ Ｒｉｖｅｒ ｅｓ⁃
国家重点实验室，北京 １０００８４； ４．青海大学 省部共建三江源生态与高原农牧业国家重点实验室，
青海 西宁 ８１００１６； ５．浙江水利水电学院 水利与海洋工程研究所，浙江 杭州 ３１００１８；
６．浙江海洋大学 船舶与海运学院，浙江 舟山 ３１６０２２）
摘 要：黄河河口入海泥沙在涨潮流和拦门沙的阻滞作用下对黄河下游泥沙运动产生重大影响。 以已建立的河口海洋水沙二维数
位维持在 １０．２３ ～ １１．１８ ｍ。 结合黄河三角洲高效生态经济区发展需求，清水沟和刁口河联合运用方案为最优方案，十八户流路海域
封闭且海洋动力比较弱，可以作为远景备用流路。
关键词：黄河河口；二维数学模型；入海泥沙；黄河下游；清水沟流路；刁口河流路；十八户流路
中图分类号：ＴＶ１４２；ＴＶ８８２．１ 文献标志码：Ａ ｄｏｉ：１０．３９６９ ／ ｊ．ｉｓｓｎ．１０００－１３７９．２０２１．０５．００４
划》 在涉及“ 黄河长治久安的重大战略措施” 时还特别
强调：“ 为了尽量减少河口淤积延伸对下游河道的反
此基础上预判了清水沟清 ８ 汊河的稳定性，提出近期
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动力学边界条件
:ρAv
H
9z
u
z=1
= τsx
,ρAv
H
9z
v
=τsy ,其中海面风应力项τsx 和τsy 由下式确定 :
2006 年 4 月
泥沙研究 Journal of Sediment Research
第2期
黄河口泥沙输运三维数值模拟 Ⅰ
———黄河口切变锋
王厚杰 ,杨作升 ,毕乃双
(中国海洋大学 河口海岸带研究所 ,山东 青岛 266003)
摘要 :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 。 关键词 : 黄河口 ;泥沙输运 ;数学模型 ;切变锋 ;地貌响应 中图分类号 :TV147 文献标识码 :A 文章编号 :04682155X(2006) 0220001209
(5)
0
0
对连续方程 (4) 在垂向区间 (0～1) 内积分 ,并考虑运动学边界条件 (在自由表面处和海底边界上的
垂向速度分量为 0) ,有
∫ ∫ 1
1
9x my H ( u - udz) + 9y mx H ( v - vdz + 9z ( mw) = QH - QH
(6)
0
0
经过坐标变换后的垂直方向的速度分量 w 与坐标变换前的流速分量 w 3 存在如下关系
1
模型研究结果中得到反映 ,关于切变锋对河口悬浮泥沙捕集效应的研究鲜有报道 。本文采用三维数学 模型对黄河口的水动力场和泥沙输运过程进行数值模拟 ,力图揭示河口切变锋的特征 ,分析切变锋对河 口泥沙的捕集效应 ,讨论其对河口演变的影响 。
2 研究区域
研究区域为 1996 年 5 月黄河现行清水沟流路改
3 数学模型
311 数学模型简介 HEM - 3D 模型是由美国佛吉尼亚海洋研究所 (VIMS) 开发的三维数学模型 ,在结构上可分解为水动
力模块 、泥沙输运模块 、毒质污染物输运模块和波浪导致的近岸泥沙输运模块 。在海底边界上考虑泥沙
沉降和再悬浮过程 、絮凝及悬沙浓度对泥沙沉速的影响 ,在水平边界上考虑随时间变化的物质输入和输 出过程 。
-
Ab H
9z
C
-
Ws C = J o
(10)
在海底边界 z = 1 处 :
-
Ab H
9z
C
-
Ws C = 0
(11)
313 模型求解
模型求解采用模态分离方法 (Mode2splitting procedure) ,将含自由面的三维流动问题分成表面波的传
播问题 (外模态) 和内波的传播问题 (内模态) ,外模态求解采用半隐式差分格式 ,而内模态求解采用隐式
w
=
w3
-
z ( 9ζt +
um
x
1
9xζ
+
vm
y
1
9yζ)
+ (1 -
z)
(
um
x
1
9x
h
+
vm
y
1
9y
h)
(7)
盐度方程
9t ( mHS ) + 9x ( my HuS) + 9y ( mx HvS ) + 9z ( mwS)
= 9x
my mx
H
KH
9x
S
+ 9y
mx my
HKH
9y
S
+ 9z ( mH- 1 Ab 9zS ) + QS
312 模型方程 潮流模型 模型控制方程是基于平面上曲线 —正交坐标变换和垂向上 Sigma 坐标变换而导出 。 动量守恒方程
9t ( mHu) + 9x ( my Huu) + 9y ( mx Hvu) + 9z ( mwu) - ( mfe + v9x my - u9y mx ) Hv = - my H9x ( gζ + p) - my ( 9x h - z 9x H) 9z p + 9z ( mH- 1 Av 9z u)
项 ,包括降雨 、蒸发以及边界入流和出流等物理过程 ; QH 为体积源汇项沿水深的积分平均。fe = ( = f -
u m
9y mx
+
v m
9x my ) 为有效柯氏力系数
,ρ和ρ0
为水体实际密度和参考密度
,
b(
=
ρ- ρ0 ρ0
)
为浮力项
。
在湍流粘性系数 Av , AH 和扩散系数 Ab (采用 Mellor & Yamada[27] 提出的湍流封闭模型) 以及源汇项
1 引言
河口是河流沉积物向海传输的通道 ,动力环境和盐淡水混合 ,使得河口泥沙传输过程相当复杂 。全 球河流每年向海洋输送的泥沙约为 100～200 亿 t[1] ,主要部分沉积在河口三角洲区域 ,同时河流沉积物 是诸多化学物质的输运载体 。因此河口泥沙输运过程不仅是河口陆海相互作用的重要研究内容 ,对研 究河口和近岸生物地球化学循环也有很好的参考意义 。黄河多年平均输沙量约为 1018 亿 t[2] ,主要来 自中游的黄土高原 。自 1855 年以来 ,形成了以宁海为顶点 、陆地面积约 5000 余平方公里的扇形现代黄 河三角洲 ,平均淤进速率约为 25km2 / yr[3] 。超过 80 %的黄河入海泥沙沉积在河口三角洲区域[4] ,而河口 动力过程则是形成这种三角洲沉积格局的重要原因 。除了河流动能快速耗散所引起的河口泥沙快速落 淤外 ,河口切变锋是黄河入海泥沙在河口区域快速沉积的一个控制性动力因子[5 ,6] 。
切变锋是由于锋面两侧水动力特征差异显著而导致的水流剪切界面 ,在锋面附近水流速度 、含沙量 以及温度盐度等存在很强的梯度 ,是一种瞬时的且与河口地形和局地动力环境密切关联的动力现象[7] , 在河口沉积及演变过程中有重要作用 。Ingram[8] 根据圣劳伦斯河口的观测资料 ,首次提出切变锋问题 , 随后在其它河口也有相关研究报道[5 ,9 - 12] 。黄河口切变锋在一个潮周期内存在两种不同形态 ,对河口 泥沙有重要的捕获作用[5] 。然而 ,目前对于切变锋运动特征的结论与实际观测不一致 ,也缺乏对切变锋 区附近泥沙输运特征的深入了解 。Wang et al . [6] 根据 1995 年多船同步观测资料分析了黄河口切变锋的 运动过程 ,首次提出了锋区泥沙输运的基本概念模式 ,但是由于实测资料在时空尺度上的局限性 ,该模 式还需要更为深入的检验 。
河口数学模型是研究河口沉积动力过程的有效手段之一 ,可以在一定程度上克服现场观测的时空 限制 。黄河口泥沙输运数学模型研究已经取得了很多成果[13 —17] ,但是黄河口切变锋并没有在上述数学
收稿日期 :2005203214 基金项目 :国家自然科学基金项目 (40306008) ;国家“973”基础研究计划 (2002CB412404) 作者简介 :王厚杰 (1972 - ) ,男 ,山东高密人 ,博士 ,副教授 ,主要从事河口海岸沉积动力学研究 。
道清 8 汊河的入海河口 ,河口走向为东北方向 (图 1) 。
黄河口的潮汐为不规则半日潮 ,涨潮流为东南方向 ,落
潮流为西北方向 ,基本上为与岸线平行的往复流 (图
1) 。在河口附近 ,平均潮差为 0173 - 1177m ,在五号桩
附近存在一个 M2 分潮无潮点 ,潮差小 ,流速大 (图 1) , 潮差沿三角洲海岸大致呈马鞍型分布[18] 。河口区域的
确定的情况下 ,上述方程构成了一个求解变量 u , v , w , p ,ζ,ρ, S 和 T 的封闭方程组 。
泥沙输运模型 HEM - 3D 模型对输运方程的对流项的求解采用了高阶迎风差分格式 ,尽管对数值
耗散问题进行了考虑 ,但是水平耗散仍然存在 。因此在泥沙输运方程中忽略了水平扩散项
9t ( mHC) + 9x ( my HuC) + 9y ( mx HvC) + 9z ( mwC) - 9z ( mWs C)
=
9z(Biblioteka mAb H9z
C)
+
QsE
+
QsI
(9)
其中 , C 为悬沙浓度 ,泥沙的源汇项分为两个部分 ,外部源汇项 QsE (包括点源或非点源的泥沙源汇) 和内
部源汇项 QsI (主要包括有机悬浮物的分解 、絮凝或解絮过程) , Ws 为泥沙的沉降速度 。
垂直边界条件 :
在自由表面 z = 0 处 :
表层余流约为 20 - 30cm/ s ,在冬季为南向 ,在夏季为北
向 ;底层余流基本为向河口方向的补偿流 ,流速约为 5 - 15 cm/ s[19 ,20] 。黄河口为弱潮河口 ,感潮河段仅有 10
- 20km 左右 ,随径流和潮汐的强弱变化稍有波动 。黄
河口区域的波浪特征要素有明显的季节性变化 ,与季
(8)
上述方程中 , u , v 分别为 x , y 方向上的水平流速分量 ; mx 和 my 分别为 x , y 方向上的尺度变换因 子 , m = mx my ;全水深定义为水下深度 h 与自由表面位移ζ的代数和 ,即 : H = h +ζ; g 为重力加速度 ; p