长江口南槽河道水沙特性及河床沙再悬浮研究

为研究河口地区泥沙在陆海动力共同作用下的再悬浮过程和机制,基于长江口南槽河道连续8 d的水文泥沙同步观测数据,对拦门沙河道潮流速、悬沙浓度、悬沙粒径随时间变化和河床沉积物再悬浮进行了分析研究。结果表明:涨、落潮的水动力和历时存在不对称性;水体悬沙浓度随小潮到大潮的变化而逐渐增加;水体悬沙粒径也随小潮至大潮的变化而不断粗化,但细砂含量略有增加,致使细砂类出现再悬浮现象;一个潮周期内,出现3次悬沙浓度峰值;水体悬沙浓度以及悬沙粒径的变化与流速及底床切应力都有着显著相关性。     

金塘水道的悬沙输运和再悬浮作用特征

根据1986年秋季和1987年春季金塘水道内十个站点的大、中、小潮的流速和悬沙浓度的同步观测资料,利用悬沙质量守恒原理,分析了金塘水道的悬沙输运和再悬浮作用特征。水道与外海的悬沙交换、水道内悬沙与底质的泥沙交换分别使水道内的悬沙质量平均每小时发生2%~10%和7%~14%的变化,前者小于后者。水道与外海进行悬沙交换时,水道向外海输出悬沙,大潮周日输出的悬沙质量比小潮大2个数量级。在悬沙与底质的泥沙交换过程中,大潮和中潮以再悬浮作用为主,小潮以沉降作用为主,在一个大小潮周期中,再悬浮作用强于沉降作用,水道底床发生侵蚀。再悬浮通量与流速、(τ-τcr)/τcr具有一定的正线性关系(τ为底部切应力,τcr为临界再悬浮切应力)。再悬浮系数处于10-4kg.m-2s-1量级,与(τ-cτr)/τcr不具有明显关系,底质沉积特征是影响再悬浮作用和再悬浮系数的重要因素。     

太湖湍流特征及其对表层沉积物起悬机制的影响

太湖是一个典型的浅水大湖泊且富营养化严重,动力扰动引起的水-土界面沉积物起悬与太湖蓝藻水华的暴发有密切联系。基于声学多普勒流速仪、OBS浊度仪、pH-ⅡHandheld手持式气象站等仪器监测得到的原位高频气象、水动力、水质同步数据,分析了湖泊水-土界面悬浮物浓度与风速、切应力及湍流特征的关系。研究结果表明:观测期间,湖心区底泥沉积物再悬浮过程中由波切应力起主导作用,观测的切应力临界值为0.08 N/m~2,临界风速为4 m/s。底泥再悬浮主要是由拟序结构中短时内间歇性猝发引起的,短时大振幅事件对底泥垂向扩散起关键作用。研究结果可为进一步研究与湍流密切相关的太湖内源释放发生机制提供参考。     

黄河2009年调水调沙期间河口水动力及悬沙输移变化特征

根据2009年7月黄河第九次调水调沙期间和结束后在黄河口两个站位观测的水文泥沙资料,对调水调沙期间和结束后河口的水动力和悬沙分布特征进行了对比分析,并对潮周期内悬沙输移过程进行了探讨.结果表明:调水调沙期间相比于结束后,落潮动力加强,涨潮动力有所减弱,尤其在水体表层表现明显,河口切变锋类型不同,其出现时间长度亦不同;调水调沙期间含沙量较大,垂向分布较复杂,而结束后含沙量低,垂向梯度变化较小;此外,调水调沙期间河口悬沙在输移过程中以沉降作用为主,并在涨急和落急时刻伴随着底沙的再悬浮,而结束后悬沙浓度降低幅度较大,泥沙再悬浮作用较强.     

现代黄河三角洲废弃神仙沟-钓口叶瓣的演化及其动力机制

自1976年黄河尾闯河道由钓口流路改道清水沟流路以来,由于水沙供应断绝,神仙沟-钓口三角洲叶瓣由向海淤进转为快速向岸蚀退,该区域的地貌形态发生了重大变化.对神仙沟-钓口三角洲滨海测深资料、悬浮体浓度分布和卫星遥感资料的综合分析表明,1976-1990年期间在神仙沟-钓口三角洲叶瓣前缘形成一弯月状的沿岸侵蚀区,最大侵蚀深度达8m左右,卫星影像显示在与侵蚀区相对应的位置上存在着稳定的高浑浊区,这主要是近底泥沙在动力作用下的再悬浮所致,而非现行黄河人海泥沙扩散.针对这一区域作用强烈的东北向波浪进行了数值模拟,结果表明,向东北方向凸出的三角洲叶瓣与来自东北向的强浪产生强烈的相互作用,在4～10m水深处波浪能量辐聚,最大波致剪切应力分布也与强侵蚀区和高浑浊区的位置相对应,表明波浪过程是导致该区域近底泥沙再悬浮的主要动力机制.神仙沟-钓口叶瓣区断面测深资料显示自1976年以来水下底坡逐渐趋于平缓,其上段和下段在1976-1986年期间均受到侵蚀,而在1986-1996年期间,上段继续受到侵蚀,而下段则形成堆积.浅水区域(<10m)和深水区域(>10m)底质沉积物的粒度组成产生明显分异,这在一定程度上指示了泥沙的输送方向,即浅水区域由波浪过程导致的粉砂通过再悬浮进入浮泥层,在重力控制下沿水下底坡向深水输送并在深水区沉积.90年代以来黄河人海水沙量剧减,泥沙供应不足使得现行河口三角洲局部区域也出现蚀退,废弃神仙沟-钓口三角洲的演化过程和机制对现行河口三角洲有重要参考意义.     

长江河口北港河道泥沙特性及河床沙再悬浮研究

基于北港上段和下段以及南支河道三个站点的7天连续同步水沙观测数据(包括潮流、悬沙含量和表层沉积物样品),通过对不同时刻悬沙浓度、悬沙和沉积物粒径组成分析,以及基于沙量平衡的粒度谱计算,对长江口北港河道泥沙特性和河床沉积物再悬浮作用进行了研究.结果表明:北港上段河道落潮时水动力强于涨潮,单宽输沙量表现为净向海输沙;河床沉积物颗粒较粗,细砂和粉砂含量可达90％以上;近底层悬沙浓度在一个涨或落潮周期内可存在两个峰值;河床沉积物再悬浮作用落潮强于涨潮.     

壳聚糖改性黏土作用下湖泛致黑悬浮物的沉降特性研究

为了探讨湖泛致黑物质在壳聚糖改性黏土作用下的絮凝沉降以及再悬浮的规律,利用柱状水槽再悬浮发生模拟装置,选取壳聚糖改性黏土(1 g/L硅藻土+0.2 g/L壳聚糖)作为絮凝剂,进行了风浪扰动作用下太湖湖泛的絮凝及再悬浮过程的室内模拟试验。结果表明:当模拟流速产生的切应力超过0.042 N/m~2时,低浊度组中的黏土絮体产生了明显的再悬浮现象;当流速产生的切应力超过0.109 N/m~2时,高浊度组发生再悬浮。对比太湖不同风速所产生的切应力,发现4 m/s以下的太湖风情产生的湖流切应力不会使黏土絮体发生再悬浮。研究旨在为太湖湖泛的应急处置提供参考。     

局部冲刷坑发展过程的泥沙输运特性

为揭示水流作用下沙质河床结构物周围床面冲刷过程中的泥沙输运特性,采用三维紊流、考虑推移质和悬移质运动的河床变形数值模拟,研究了清水冲刷和动床冲刷条件下,墩柱型结构物局部冲刷过程中悬移质和推移质泥沙输运贡献及其与马蹄涡流特征量、床面切应力以及泥沙悬浮指数的相关性。研究发现,清水冲刷条件下,悬移质输运占比较小,推移质泥沙输运占优;动床冲刷条件下,悬移质输运的贡献随悬浮指数的减小迅速增大;冲刷过程中悬移质和推移质输沙率与床面切应力变化趋势一致,结构物周围局部切应力的大小与马蹄涡涡量呈正相关关系。     

粉砂含量对环形水槽混合床面冲刷特性的影响

粉砂介于黏土与细砂之间,其运动特性独特。开展粉砂运动特性研究,有助于进一步完善泥沙运动基础理论,提升混合泥沙运动数值模拟的精度。基于环形水槽实验,研究了底床粉砂含量对粉砂-砂混合床面冲刷特性的影响。结果表明:当底床粉砂含量在36%～60%之间时,粉砂-砂底床抗冲刷能力增强,且呈现出较好的相似性,当水流流速位于区间0.27～0.41 m/s时相似性更为明显。进一步分析发现,这与底床泥沙的混合效应以及底部切应力的分布有密切关系。上述发现可为粉砂质海岸泥沙运动、海床演变、保护利用等相关研究提供参考。     

沉积物再悬浮测量方法综述

为了研究沉积物侵蚀、再悬浮、运输等一系列行为机制,从实验室装置模拟法、室外原位装置测量和野外直接测量3个方面总结了沉积物再悬浮测量方法。将沉积物再悬浮测量装置分为循环水槽、直流水槽及其他仪器,描述了各类装置的基本工作原理、优缺点及适用环境,并对不同装置的测量结果进行对比。基于现有的技术和方法,主要是通过测量底床侵蚀剪切力和悬浮物浓度变化来定量分析沉积物再悬浮现象,剪切力施加方式、测试时间及仪器大小等因素的不同造成了各类装置测量结果的差异性。     

长江口浑浊带近底泥沙浓度变化

基于近底边界层四角架系统观测的水沙过程完整资料,对近底悬浮泥沙浓度的变化及其动力响应关系进行了分析.结果表明:1)近底悬浮泥沙浓度变化过程的特征是多峰性.在一个潮周期内,一般会出现四次明显的悬浮泥沙浓度峰值;2)水体中始终存在一个背景含沙浓度;3)流速的大小并不是决定近底悬浮泥沙浓度大小的唯一决定性因素.潮流加速度、憩流阶段形成的背景泥沙浓度以及床面可供起动的泥沙量同样起重要的作用;4)泥沙浓度变化和动力的响应关系可以归为四类:第一类正响应过程(悬浮泥沙浓度随流速的增大而增大)、第一类负响应过程(悬浮泥沙浓度随流速的增大而减小)、第二类负响应过程(悬浮泥沙浓度随流速的减小而增大)和第二类正响应过程(悬浮泥沙浓度随流速的减小而减小).综合分析紊动扩散作用、泥沙的起动和沉降作用及床面泥沙的供应率,对近底层悬浮泥沙浓度和动力响应变化的四个过程进行了详细的解释.     

台风期间长江口南槽近底部沉积动力过程

2017年10月在超强台风"兰恩"发生期间,使用三脚架坐底观测系统在长江口南槽进行了15个潮周期的大潮-小潮的连续观测,获得高精度的盐度、波浪和近底部沉积动力数据。分析表明:台风期间的浪流联合作用控制着南槽的沉积动力过程,实测最大波高为2.1 m,波浪对提高底床切应力有显著贡献;波浪存在明显的涨落潮变化,涨潮阶段有效波高是落潮的1.5～2.7倍,导致涨潮时波浪切应力显著大于落潮;台风对南槽的潮流过程和盐淡水混合程度有明显影响,西北风会抑制涨潮流速并增强水体层化;台风使南槽悬沙浓度显著提高,台风后期近底悬沙浓度高达10 kg/m~3,底床上出现厚度超过1.15 m的浮泥层。     

泥沙起动过程中床面切应力与含沙量关系的试验研究

以长江口细颗粒泥沙为样本进行环形水槽起动试验,给出了三组不同中值粒径泥沙的起动流速和临界起动应力,同时用湍动能法(TKE)估算不同含沙量水体的床面切应力,给出了泥沙起动过程中床面切应力与含沙量之间的关系。床面切应力随着含沙量的增加而增加,当含沙量达到某一浓度后,床面切应力增长缓慢,随着含沙量的再增加,床面切应力再次迅速增高,而不同中值粒径的泥沙,增长速度并不一致,说明泥沙对床面切应力的影响并不仅仅表现在含沙量上,粒径大小也是影响床面切应力的重要因子之一。     

现行黄河口区的水沙动力与汊道演变

近年来黄河入海水沙量持续减少,河口水沙动力和地貌演变出现了新的情势。基于黄河口区实测水文泥沙和利津站水沙数据等,阐述目前黄河口的水沙动力与汊道演变。研究发现,现行黄河口区潮汐存在“潮位一升一降,潮流二次往复,流速四峰四谷”的特征,形成了涨潮北流、涨潮南流、落潮北流和落潮南流4种流动形式,以及近岸与远岸对峙的余流场;河口径流量减少,潮流界和潮区界有所上溯;口门东、北两汊涨落时刻不同步,形成了短时汊道环流。剪切应力计算结果显示,口外悬沙含沙量主要取决于床面的泥沙动态,悬沙含沙量主要受泥沙的沉降和再悬浮控制。口门进出潮水量计算结果显示,口门进潮量北汊大于东汊,而入海水量北汊小于东汊,表明目前北汊趋于衰退,而东汊将逐渐成为径流入海的主汊。     

国内含植物水流中泥沙问题研究进展

将含植物水流中泥沙问题的研究归纳为沙棘植物"柔性坝"、河湖湿地植物和海岸盐沼植物3类,回顾了国内含植物水流中泥沙问题研究的主要成果。沙棘植物"柔性坝"的泥沙问题研究针对挺水植物对推移质泥沙运动的影响,来源于工程实践,拦沙固土效果较好,但缺少系统的理论研究。河湖湿地植物的泥沙问题研究内容丰富,成果较多,固沙机理主要有:改变水动力结构,降低水流能量,促使泥沙淤积;稳定床面,防止泥沙再悬浮;植物的茎叶对细颗粒泥沙的吸附。海岸盐沼植物泥沙问题的研究主要针对非恒定流条件下,潮流、波浪、风对悬浮泥沙的影响。     

黄骅港外航道整治工程对风暴潮流下泥沙输运的影响

2003年10月黄骅港海区的一次强寒潮风暴潮造成了港口和外航道泥沙淤积严重,为减少外航道淤积保证外航道正常通航,2004年5月开始实施外航道整治工程。本文建立了黄骅港海域二维水动力和泥沙输运数学模型,模拟在ENE向8级大风作用下整治工程前后风暴增水引起的潮流动力和含沙量变化过程。分析表明:大风作用使黄骅港海区潮流动力失衡,涨落潮输沙不等,同时沿堤流及沿岸流作用加强;整治工程后涨落潮过程中水体交换大幅减少,防波堤的阻水效应增强,阻碍了两侧区域的悬沙输运,近岸区域悬沙浓度相比一期工程有了明显的降低。     

梅山水道避风锚地潮流泥沙数值计算

在地形及水文测验资料收集整理的基础上,建立了梅山水道附近海域平面二维潮流泥沙数学模型,模型经水流泥沙运动相似验证后在典型大、小潮水文条件下进行了工程方案计算,分析研究了梅山水道潮汐通道封闭后其附近海域潮流动力及泥沙冲淤变化情况。研究结果表明,梅山水道潮汐通道涨、落潮量占周边其他水道比例较小,工程的实施未改变周边海域整体潮流场结构及海床冲淤基本平衡的格局,工程后拟建南、北两堤近堤附近海域海床因流速减小形成缓流、回流区,从而使泥沙产生累积性淤积,附近水利设施的运行将受到不同程度影响。     

闹德海水库水沙特征分析

水库改变了河流的水流条件和泥沙运动状态,造成了泥沙在水库库区的泥沙淤积。开展闹德海水库水沙特征分析研究的目的是掌握水库淤积的规律,为水库淤积的治理提供科学依据。对闹德海水库1965—2010年水文泥沙资料及库区淤积测量成果的分析表明:闹德海水库的水沙年内分配明显不均,入库水沙量年际变化较大,总体呈逐年减少的趋势;水沙输入具有明显的异源性,上游三站来沙量对水库淤积的贡献率为石门子站三家子站白庙子站。     

太湖湖流、波浪、沉积物的三维数值模拟

运用ECOMSED模拟风速为6.5 m/s定常东南风作用下太湖流场及波浪场,对模型的适用性及可靠性进行验证;在此基础上进行波流共同作用下沉积物再悬浮数值模拟,得出沉积物-水界面切应力及水体中悬浮物浓度分布。结果表明:太湖有效波高范围在9~29 cm之间,有效波高的空间分布与风速、风向和水深有很大的关系,同时波浪对切应力会产生很大影响,而切应力的分布决定了悬浮物浓度的分布,风浪及地形要素是导致太湖悬浮物浓度变化的重要因子。模拟结果与现有实验成果较吻合,说明运用该模型模拟太湖沉积物再悬浮的结果可靠。     

黏性泥沙絮凝-沉降-再悬浮运动过程数学模型研究

黏性泥沙运动特性是河流海洋泥沙动力学研究热点之一。为研究紊动水体中黏性泥沙运动过程及其机理,以絮凝动力学方程为基础,通过设置不同粒径级别的泥沙絮团再悬浮量为下边界条件来反映黏性泥沙絮团的再悬浮,建立了黏性泥沙絮凝-沉降-再悬浮动态过程数学模型。模型验证结果表明,新建模型可用于描述黏性泥沙絮凝-沉降-再悬浮运动过程,且具有一定的精度。最后以泥沙絮团体积分布为指标,探讨了强紊动水体中絮凝、沉降和紊动扩散在这一动态过程中的作用。研究结果表明,强紊动水体中,上层区域泥沙絮团分布的决定因素是沉降和紊动扩散;中部区域是絮凝;下层区域是絮凝和紊动扩散。