长江口及杭州湾泥沙输运研究
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摘要
本文就国内外泥沙数值模拟研究的历史和现状，特别是长江口及杭州湾海域的泥沙研究进行回顾，在前人工作的基础上针对长江口及杭州湾的实际工程需求和科学问题提出了三个有待深入研究的颗题：深水航道工程风暴回淤研究、深水航道治理二期工程后航道在W23段过度淤积问题以及长江口、杭州湾这两大河口作为统一系统的泥沙数值模拟研究。主要工作简述如下：
1、论文首先改进和优化了华东师范大学河口海岸国家重点实验室的长江口南港冲淤预测模型系统。通过建立底床泥沙起动分层模型，使底沙输运计算更加合理，同时为方便模型的使用将台风场、波浪场、流场、盐度场、全沙场等各子模型进行集成和嵌套。利用改进后的模型系统对近五年影响长江口主要台风引起北槽航道冲淤变化逐个进行后报检验与分析，进一步率定了模型中的有关参数，深化了对长江口北槽航道风暴冲淤的认识，大大提高了长江口北槽航道风暴冲淤的预测精度。通过这一工作得到以下结论：台风过程均能不同程度地引起航道内淤积；航道自然回淤量(不受风暴和工程等影响)呈现大小潮规律的变化；航道总淤积量除受台风过程影响外，还受大小潮汛、滩地泥沙供给、水深地形、整治工程以及疏浚抛泥等多种因子影响，为各因素共同作用的结果。
2、利用长江口南港冲淤预测模型系统从工程前后流场、泥沙场和滩槽地形变化三方面对深水航道二期整治工程后航道在W23段过度淤积问题展开初步成因分析。通过实测数据资料的整理分析和数值模拟，发现二期工程后，由于北槽下段的整治建筑物工程已经完成，所以航道上段至下段水面比降减小，使得航道上中段之间即W23的流速减弱，流向与航槽夹角变大；从工程前后的泥沙场变化总的趋势来讲，由于双导堤对两边浅滩起拦沙作用，泥沙来源得到控制，因此悬沙浓度呈减小趋势；但二期工程后含沙量相对高值区出现在航道中上段即W23段，同时利用通量分析方法计算悬沙的输运能力，发现二期后航道中部悬沙输运能力跟以前相比减弱，即悬沙向下游输移的少，有在本区段增加淤积的趋势；底沙的模拟结果也显示二期后航道中上段的淤积为最强。双导堤内滩槽地形变化的分析结果显示，工程进展过程中深槽始终都在变宽，应该有利于人工航道的维护。但二期工程后航道上段7米等深线宽度变大不大，而8和9米等深线之间的间距反而随着工程进展变小，使得上段双导堤内滩槽高程差变大。而下段航道7、8和9米等深线宽度始终维持变宽的趋势，滩槽环境呈冲刷趋势，从而造成航道中上段滩槽高程差变大，地形变陡，泥沙容易落入航槽中而不容易被冲起带走，W23段相当于形成了一个“蜂腰捕沙器”，泥沙容易淤积。
3、长江口为我国第一大河口，杭州湾为我国著名的强潮海湾。在前面研究工作中发现长江口、杭州湾海域的悬沙平面分布特征迥异，垂向分布结构类型也有所不同，三维特点明显。对于深水航道整治工程、洋山港工程和东海大桥等长江口、杭州湾海域大型重大工程来说，三维悬沙数值模式的研究更符合实际情况和工程需求，因此本论文基于ECOMSED模式的改进和优化，建立长江口、杭州湾三维泥沙数值模型系统，通过依托“长江口及毗邻海域生态环境调查科研项目”和“国家重点基础研究发展规划项目——长江口及其邻近海域细颗粒泥沙沉积动力过程”等科研项目的数据对模型系统进行率定验证，进行长江口、杭州湾海域三维悬沙数值模拟的初步研究。基于改进后ECOMSED模式的数值实验发现，波浪在近岸潮滩区域对泥沙启动的作用不可忽视，模拟结果还表明杭州湾悬沙浓度平面分布表现为西高东低，大—小潮周期变化显著，潮周期内悬沙浓度呈明显的周期变化，较好地反映了该海区悬沙浓度的变化过程。悬沙模拟计算结果量级、潮周期变化过程跟观测值一致，同时泥沙平面时空分布跟已有观测资料和结论符合，表明本文的三维泥沙数值模式能够应用于长江口和杭州湾海区。
Researches about numerical model of sediment transport, especially in the Yangtze Estuary and Hangzhou Bay, are reviewed in this thesis. And three questions such as Siltation in YEDWC (Yangtze Estuary Deep Water Channel)、excessive siltation in the upside of YEDWC after the second phases of the deep water channel regulation project have been completed and the numerical simulation of three-dimensional cohesive sediment transport in Hangzhou Bay and Yangtze Estuary, China are pointed here according to the need of engineer and science research. The main fruits are as following:
1、First based on the Numerical Model for Siltation Prediction in Yangtze Estuary Deep Water Channel, some ameliorations are carried through. And a Grant- Madsen Model is introduced into the new model to calculate the shear stress of wave and current. To realistically simulate the effects of sequential deposition and erosion, a vertically segmented model of the cohesive sediment bed is constructed. In order to be available in the use of models, These sub-models such wind model, wave model, sediment transport model、salinity model、Grant-Madsen model and sediment-bed model are integrated as a whole system. Siltations of North passage channel in Yangtze Estuary induced by storm are simulated since 2000, and coefficients of numerical model are betterment in reason. According to the results of numerical simulation, the following conclusions are determined: Channel siltation is caused certainly by the storm; The channel natural silations (not including storm and engineering)shows pronounced time-scale variations, i.e. the neap-spring cycle. The total volumes of silitation are affected by such as Typhoon process, tidal range, beach sand supply, water depth topography, rectification works and dredging throw mud, and other factors.
2、A preliminary analysis included tidal flow, sediment and topography changes is done by use of Prediction Model of Erosion and Deposition in The Yangtze Estuary. The measured data analysis and numerical simulation results show that under the guide of the fairway embankment of the second phase project, the flow between the front and middle of channel is weakened. Because the engineering blocked sediment source of the tidal flat from Hengsha Shoal, suspended sediment concentration decreases; But after the second phase project of sediment relatively high value zone appears in the middle of the channel that is paragraph W23. After the second phase of project The width of channel is gradually widened, but the pitchs ofthe isobath among 7, 8 and 9 m in the upside of channel are smaller since project began; underwater topography of the channel is more steep, so sediment is more easily deposition into the channel.
3、Sediment transport in the Hangzhou Bay and Yangtze Estuary is extremely complicated due to its bathymetry and hydrodynamic conditions. The ECOMSED model is employed to simulate three-dimensional (3-D) cohesive sediment transport in Hangzhou Bay. Dynamical factors such as Coriolis force, tides, salinity, river discharges, and waves are considered in the model. The wave parameters, including the significant wave height, period, and direction, are calculated with the SWAN model. The Grant-Madsen model is introduced for the bed shear stress due to the combined effect of waves and currents. The formulation of bed shear stress used to calculate the sink/source terms is modified based on previous research that sufficiently validated the formulation with measurement data. The integrated model of the above-mentioned models is applied to simulate sediment transport in Hangzhou Bay. The results of the simulation agree well with field observations concerning the distribution of suspended sediment, indicating that the sediments are remarkably suspended in Hangzhou Bay under the action of waves and currents.
1、论文首先改进和优化了华东师范大学河口海岸国家重点实验室的长江口南港冲淤预测模型系统。通过建立底床泥沙起动分层模型，使底沙输运计算更加合理，同时为方便模型的使用将台风场、波浪场、流场、盐度场、全沙场等各子模型进行集成和嵌套。利用改进后的模型系统对近五年影响长江口主要台风引起北槽航道冲淤变化逐个进行后报检验与分析，进一步率定了模型中的有关参数，深化了对长江口北槽航道风暴冲淤的认识，大大提高了长江口北槽航道风暴冲淤的预测精度。通过这一工作得到以下结论：台风过程均能不同程度地引起航道内淤积；航道自然回淤量(不受风暴和工程等影响)呈现大小潮规律的变化；航道总淤积量除受台风过程影响外，还受大小潮汛、滩地泥沙供给、水深地形、整治工程以及疏浚抛泥等多种因子影响，为各因素共同作用的结果。
2、利用长江口南港冲淤预测模型系统从工程前后流场、泥沙场和滩槽地形变化三方面对深水航道二期整治工程后航道在W23段过度淤积问题展开初步成因分析。通过实测数据资料的整理分析和数值模拟，发现二期工程后，由于北槽下段的整治建筑物工程已经完成，所以航道上段至下段水面比降减小，使得航道上中段之间即W23的流速减弱，流向与航槽夹角变大；从工程前后的泥沙场变化总的趋势来讲，由于双导堤对两边浅滩起拦沙作用，泥沙来源得到控制，因此悬沙浓度呈减小趋势；但二期工程后含沙量相对高值区出现在航道中上段即W23段，同时利用通量分析方法计算悬沙的输运能力，发现二期后航道中部悬沙输运能力跟以前相比减弱，即悬沙向下游输移的少，有在本区段增加淤积的趋势；底沙的模拟结果也显示二期后航道中上段的淤积为最强。双导堤内滩槽地形变化的分析结果显示，工程进展过程中深槽始终都在变宽，应该有利于人工航道的维护。但二期工程后航道上段7米等深线宽度变大不大，而8和9米等深线之间的间距反而随着工程进展变小，使得上段双导堤内滩槽高程差变大。而下段航道7、8和9米等深线宽度始终维持变宽的趋势，滩槽环境呈冲刷趋势，从而造成航道中上段滩槽高程差变大，地形变陡，泥沙容易落入航槽中而不容易被冲起带走，W23段相当于形成了一个“蜂腰捕沙器”，泥沙容易淤积。
3、长江口为我国第一大河口，杭州湾为我国著名的强潮海湾。在前面研究工作中发现长江口、杭州湾海域的悬沙平面分布特征迥异，垂向分布结构类型也有所不同，三维特点明显。对于深水航道整治工程、洋山港工程和东海大桥等长江口、杭州湾海域大型重大工程来说，三维悬沙数值模式的研究更符合实际情况和工程需求，因此本论文基于ECOMSED模式的改进和优化，建立长江口、杭州湾三维泥沙数值模型系统，通过依托“长江口及毗邻海域生态环境调查科研项目”和“国家重点基础研究发展规划项目——长江口及其邻近海域细颗粒泥沙沉积动力过程”等科研项目的数据对模型系统进行率定验证，进行长江口、杭州湾海域三维悬沙数值模拟的初步研究。基于改进后ECOMSED模式的数值实验发现，波浪在近岸潮滩区域对泥沙启动的作用不可忽视，模拟结果还表明杭州湾悬沙浓度平面分布表现为西高东低，大—小潮周期变化显著，潮周期内悬沙浓度呈明显的周期变化，较好地反映了该海区悬沙浓度的变化过程。悬沙模拟计算结果量级、潮周期变化过程跟观测值一致，同时泥沙平面时空分布跟已有观测资料和结论符合，表明本文的三维泥沙数值模式能够应用于长江口和杭州湾海区。
Researches about numerical model of sediment transport, especially in the Yangtze Estuary and Hangzhou Bay, are reviewed in this thesis. And three questions such as Siltation in YEDWC (Yangtze Estuary Deep Water Channel)、excessive siltation in the upside of YEDWC after the second phases of the deep water channel regulation project have been completed and the numerical simulation of three-dimensional cohesive sediment transport in Hangzhou Bay and Yangtze Estuary, China are pointed here according to the need of engineer and science research. The main fruits are as following:
1、First based on the Numerical Model for Siltation Prediction in Yangtze Estuary Deep Water Channel, some ameliorations are carried through. And a Grant- Madsen Model is introduced into the new model to calculate the shear stress of wave and current. To realistically simulate the effects of sequential deposition and erosion, a vertically segmented model of the cohesive sediment bed is constructed. In order to be available in the use of models, These sub-models such wind model, wave model, sediment transport model、salinity model、Grant-Madsen model and sediment-bed model are integrated as a whole system. Siltations of North passage channel in Yangtze Estuary induced by storm are simulated since 2000, and coefficients of numerical model are betterment in reason. According to the results of numerical simulation, the following conclusions are determined: Channel siltation is caused certainly by the storm; The channel natural silations (not including storm and engineering)shows pronounced time-scale variations, i.e. the neap-spring cycle. The total volumes of silitation are affected by such as Typhoon process, tidal range, beach sand supply, water depth topography, rectification works and dredging throw mud, and other factors.
2、A preliminary analysis included tidal flow, sediment and topography changes is done by use of Prediction Model of Erosion and Deposition in The Yangtze Estuary. The measured data analysis and numerical simulation results show that under the guide of the fairway embankment of the second phase project, the flow between the front and middle of channel is weakened. Because the engineering blocked sediment source of the tidal flat from Hengsha Shoal, suspended sediment concentration decreases; But after the second phase project of sediment relatively high value zone appears in the middle of the channel that is paragraph W23. After the second phase of project The width of channel is gradually widened, but the pitchs ofthe isobath among 7, 8 and 9 m in the upside of channel are smaller since project began; underwater topography of the channel is more steep, so sediment is more easily deposition into the channel.
3、Sediment transport in the Hangzhou Bay and Yangtze Estuary is extremely complicated due to its bathymetry and hydrodynamic conditions. The ECOMSED model is employed to simulate three-dimensional (3-D) cohesive sediment transport in Hangzhou Bay. Dynamical factors such as Coriolis force, tides, salinity, river discharges, and waves are considered in the model. The wave parameters, including the significant wave height, period, and direction, are calculated with the SWAN model. The Grant-Madsen model is introduced for the bed shear stress due to the combined effect of waves and currents. The formulation of bed shear stress used to calculate the sink/source terms is modified based on previous research that sufficiently validated the formulation with measurement data. The integrated model of the above-mentioned models is applied to simulate sediment transport in Hangzhou Bay. The results of the simulation agree well with field observations concerning the distribution of suspended sediment, indicating that the sediments are remarkably suspended in Hangzhou Bay under the action of waves and currents.
引文
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