黄河下游河道准二维泥沙数学模型研究

本文首先简要回顾了以往黄河河道泥沙数学模型研究成果,再以水流运动方程及经过作者修正的泥沙运动方程为基础,同时引入与实测资料相符合的水流挟沙力、动床阻力、泥沙级配等计算公式作为补充方程,构造出黄河下游河道准二维泥沙数学模型。然后,采用1986年11月-1996年10月这10年长系列实测资料,开展了验证计算。其结果表明,该模型不仅能计算黄河下游河道一般洪水引起的河床冲淤变形,还能成功地模拟出大沙年下游处于强烈淤积时的规律。     

黄河下游河床边界条件变化对河道冲淤影响计算研究

本文采用通过系统验证的黄河下游准二维泥沙数学模型,以2000年汛后地形为初始边界条件,对1960年～1962年实测来水来沙过程可能发生的黄河下游河道冲淤情况进行了模拟计算。计算结果与1960年～1962年实测值对比,发现两者表现出的河道冲淤量及冲淤沿程分布有明显的差异,本文对其原因进行了详细分析。该研究成果可为黄河下游河道整治及小浪底水库运用方式研究提供参考。     

1996年汛期黄河下游河道及河口冲淤演变特性

１９９６年汛期黄河下游枯水中沙，是１９８６年以来的第１１个枯水年份，７－１０月下游河道共淤积泥沙６亿ｔ左右，其中７月份淤积泥沙４．２７亿ｔ，占相应少量的８１％，分析了１９９６年汛期下游河道及河口段的冲淤情况在时间、空间上的分布，综述了１９８６年以来的河道冲淤特点及河道萎缩情况，对下游洪水位进行计算分析。     

黄河口演变对下游河道反馈影响的计算研究

利用适合于黄河下游河道和黄河口水域的一、二维连接泥沙数学模型，计算研究了黄河口演变、入海流路的淤积延伸对下游尾闾河道的反馈影响。通过比较考虑和不考虑入海流路淤积延伸2种情况的计算水位和淤积量的变化得出：单一的河口延伸对下游河道淤积的影响过程是一个相对较长的过程，需要几年、甚至十几年的发展，影响程度自下游到上游逐渐减弱。     

河口河道延伸对黄河下游河道淤积影响分析

利用黄河下游大断面观测数据、水文站日水沙数据和近河口断面水位变化等资料,构建黄河下游5个河段河道断面平均冲淤量与水沙因子和河段比降之间的关系式,进而计算分析了黄河下游1976—1996年来水来沙条件下两种情景中河口延伸对下游的增淤作用。这两种情景中,一是对比了现状与1976年河口改道后河口河道未再延长情况下下游淤积量的差异;二是对比了黄河河口继续走刁口河情况下下游的淤积量与现状淤积量的差异。结果显示:此期间河口延伸增淤主要发生在泺口以下河段,并且在该河段淤积量中占较大的比例,其中第一种情景下20 a累计增淤占比超过50%,但20 a河口延伸累计增淤量低于整个下游总淤积量的5%。这一时段河口延伸增淤量占比较小与历史上黄河输沙量长期增加、下游冲积平原构造下沉和三角洲建造有关。分析认为2000年以来黄河下游经历来水来沙量显著减小后的持续冲刷过程,但是近年随着冲刷减缓,下游趋向输沙平衡发展,河口延伸增淤对下游冲淤过程的影响程度将相对加大,并且在长期缓慢但不断积累的河口延伸中使下游转向低强度淤积状态。     

黄河河口对下游河道反馈影响研究

以花园口河段和利津椨嫱莺佣挝对黄河河口给下游河道带来的反馈影响进行了研究,认为:花园口河段短时段的冲淤主要与来水来沙条件有关,而利津至改道点河段短时段的冲淤则主要受制于河口基准面的状况;黄河下游同流量水位、河段冲淤量和尾闾河段河长3方面演变发展过程的转折点均位于与河口改道相关的1953年、1975年和1996年;河口河段和下游河道的冲淤及水位升降均与河口尾闾入海流路的长度相应,只有当尾闾入海流路的长度超过改道前流路长度时,河口河段和下游河道水位方出现不再下降的稳定升高.同时证实了河口尾闾入海流路的绝对长度是河口河段及下游河道冲淤幅度和发展趋势的制约因素;黄河下游宏观的淤积趋势属于溯源淤积性质,河口基准面的影响波及整个黄河下游冲积性河段.     

小浪底水库拦沙对黄河下游河道的减淤作用

在小浪底水库蓄水拦沙期,进入黄河下游河道的水沙条件发生显著变化,含沙量急剧降低,中水流量持续时间增长,水库调水调沙提高了河道输沙能力,改善了泥沙淤积部位。拦沙期(1999年10月—2018年10月),黄河下游河道共计冲刷21.015亿m~3。分析小浪底水库运用以来黄河下游河道泥沙冲淤时空变化特性及水库对水沙的调控效果,对比计算有、无小浪底水库两种工况下黄河下游河道冲淤量变化及减淤作用。水库拦沙期黄河下游河道减淤比为1.373∶1,其拦沙减淤效果与水沙条件、水库运用方式及河道边界等因素有关。     

对黄河下游河道冲淤问题的认识

概述了黄河下游河道冲淤情况,从输沙平衡临界流量、平衡趋向性、冲河南淤山东还是淤河南冲山东等问题入手,提出了对黄河下游河道冲淤的几点认识:①黄河下游的冲淤受水沙条件、河床边界、河口基准面三大要素制约,三者缺一不可,分析研究下游河道的冲淤时不与河口尾闾的影响相联系是不全面的;②输沙率法、同流量水位法和断面法均有局限性和各自的优越性,应取长补短,以达到真实反映下游河道冲淤规律的目的;③黄河艾山以下河段的冲淤与河口基准面的状况相对应,输沙能力不足不是黄河下游淤积的主因,将临界流量作为判断艾利河段冲淤的条件是不当的和缺乏依据的;④冲河南淤山东还是淤河南冲山东的问题,在短时段的冲淤情况十分复杂和不稳定,从长时段宏观上看,上下河段的冲淤始终是趋向于河流自身的相对平衡,二者的冲淤过程大体是同步的,不存在哪个河段多冲多淤的问题;⑤现阶段黄河下游的淤积主因是来沙量巨大,其淤升幅度受制于河口基准面,属于溯源淤积的性质,解决黄河下游淤积的关键是"抓两头",即首先减少上游流域进入下游的沙量,特别是粗沙量,其次是减缓河口淤积延伸的速率;⑥拖淤、挖沙、放淤、调水调沙和借清刷浑等措施均具有局限性,在解决局部淤积问题和兴利方面有实用价值,但欲凭借这些措施解决黄河下游河道长时段宏观的淤积问题,则难见实效。     

黄河中下游大型水库对下游河道的减淤作用

本文采用泥沙数学模型分别对小浪底水库单独运用以及小浪底与古贤水库联合运用的20个可能运行方案条件下,黄河下游河道的冲淤过程和发展趋势进行了计算研究。结果表明,在黄河上修建大型水利枢纽工程对减轻黄河下游河道淤积,遏制河床抬升具有明显作用。结合三门峡水库运用以来的实测资料,分析了大型水利枢纽工程运用与下游河道演变的内在规律,建立了小浪底水库出库水沙与下游河道泥沙冲淤的量化关系,给出了维持下游河道冲淤平衡的临界条件,为通过大型水利枢纽工程运用来减轻黄河下游河道泥沙淤积提供科学依据。     

黄河口输沙及冲淤变形计算研究

建立了河口的二维动边界冲计算模型，为黄河口的规划设计提供依据，对其冲淤规律进行了计算研究。探讨了入海水沙与潮流、风吹流相互作用下的冲淤规律以及絮凝的影响，进而根据多沙河口的水沙特点及冲淤变化规律，以此模型为基础，通过系列累积的办法，对黄河口进行了较长时期的冲淤计算，力求反映河口淤积－－延伸－－摆动的动态变化，用实测的冲淤地形对计算结果进行了验证，大致相符。又实际计算了几种河口的规划方案，供规划设计部门参考。     

黄河河口水沙运动的二维数学模型

本文针对黄河河口河道水沙潮波的特点，从水流连续方程、运动方程，泥沙运动方程出发，补充了潮流挟沙能力的计算公式，建立了黄河河道河口二维数学模型。以1982年实测资料，从潮位过程、流速大小和方向及海底冲淤变形等方面对数学模型进行了验证计算。在此基础上开展了典型水沙条件下黄河河口泥沙运动规律的模拟研究。其结果揭示了黄河河口清水沟所处海域的潮流潮汐特性和泥沙输移规律。这些成果与实测资料以及卫星遥感分析结果一致，进一步表明了模型的可靠性。     

强潮河口拦门沙航道回淤及治理措施

针对瓯江口边界地形复杂、岛屿众多、口门以上河段存在高含沙量浑浊带以及底沙级配分布宽的特点，分析了强潮河口拦门沙演变规律及成因，应用波浪与潮流共同作用下的二维泥沙数学模型，研究拦门沙航道开挖后的回淤及治理措施。数学模型中引进前期含沙量的概念，得到了潮流挟沙能力公式，给出了波浪作用下浮泥引起航槽回淤的模拟方法。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回淤的验证计算，计算的淤积厚度及沿航线分布趋势与实测值比较接近。在此基础上，研究了瓯江口拦门沙航道治理原则、措施及工程对水动力泥沙环境的影响。     

海湾型潮汐通道中大型深水港开发的水沙问题研究

正在建设中的我国钢铁基地曹妃甸的前沿深槽属于典型的海湾型潮汐通道,潮流在深槽内基本为东西向的往复流,是维持深槽水深的主要动力;其泥沙的运动受波浪与潮流共同作用,风浪掀沙作用对含沙量场影响明显。针对这类海湾型潮汐通道的波浪、潮流、泥沙及海床演变的特点,建立了波流共同作用下的二维泥沙数学模型,并进行了2006年冬、夏季大小潮潮流、泥沙的验证。验证结果表明,本海域潮位及15条同步垂线流速、流向、含沙量过程的计算值与实测值吻合良好,矿石码头港池前沿计算的冲淤厚度及其分布趋势与实测值接近。在此基础上,研究了曹妃甸深水港开发引起甸头以南深槽、老龙沟深槽、各港池的流速变化及港池航道内的回淤和台风暴潮引起的骤淤等问题,为论证沿海潮汐通道的保护利用以及港口工业的发展等提供依据。     

波浪潮流共同作用下长兴岛海区二维悬沙输运数值模拟研究

根据近岸地区波浪、潮流与泥沙运动的规律,把波浪运动概化为在潮周期中具有时均意义的波浪流分布场,将波浪辐射应力以及波流底部剪切应力耦合到潮流运动方程和悬沙输运方程中,建立了非结构网格下近岸波浪和潮流共同作用下的二维悬沙输运数值模型。时间离散采用欧拉向前格式,空间离散采用有限体积法的显式格式。将模型应用于矩形海湾实验和大连长兴岛附近海区悬沙冲淤过程的实际算例。结果表明:波浪对潮位影响很小,但是对近岸流速有较为明显的影响;波流共同作用对近岸泥沙浓度影响比单纯考虑潮流作用可提高40%～100%的幅度。     

大窑湾潮及悬浮物沉降扩散的数值模拟

本文结合大窑湾港区建设的实际工程，计算了大窑湾潮流场及悬浮物浓度的沉降扩散。采用垂向平均的二维潮流场模型，其开边界条件考虑了海湾内潮波反射的影响，潮流场的计算结果与实测值比较符合。对具有沉降项的悬浮物浓度对流扩散方程也采用垂向平均处理，给出了其合理的表达，结合潮流场的实测及计算数据，确定了沉降项中的参数，计算的浓度分布结果为工程环境评价提供了有益的依据。     

SUSPENDED SEDIMENT TRANSPORT IN THE OFFSHORE NEAR YANGTZE ESTUARY

Based on the Estuarine, Coastal and Ocean Modeling System with Sediments （ECOMSED） model, a 3-D hydrodynamic-transport numerical model was established for the offshore area near the Yangtze Estuary in the East China Sea .The hydrodynamic module was driven by tide and wind. Sediment module included sediment resuspension, transport and deposition of cohesive and non-cohesive sediment. The settling of cohesive sediment in the water column was modeled as a fimction of aggregation （flocculation） and deposition. The numerical results were compared with observation data for August, 2006. It shows that the sediment concentration reduces gradually from the seashore to the offshore area. Numerical results of concentration time series in the observation stations show two peaks and two valleys, according with the observation data. It is mainly affected by tidal current. The suspended sediment concentration is related to the tidal current during a tidal cycle, and the maximum concentration appears 1 h-4 h after the current maximum velocity has reached.     

甬江及河口附近海域枯季水沙特性分析

基于2016年1月甬江及河口附近海域水文、泥沙观测资料,从水动力条件和泥沙环境两方面分析该水域枯季水沙特性。分析表明:①甬江最高潮位沿程变化不大,最低潮位沿程下降,最大潮差沿程增大;甬江河口附近海域的最高潮位、最大潮差和平均潮位都呈西北高于东南的特点。②甬江流速从上游至下游逐渐增加,河口附近海域流速总体上呈北强南弱的平面分布特点。③甬江从上游至下游含沙量先增后减,大潮含沙量大于小潮。河口附近海域西北侧含沙量大于东南侧,大潮含沙量大于小潮。输沙量和含沙量的规律较为一致。④甬江在同一个涨落潮周期内,含沙量存在两个峰值,分别出现在涨急、落急之后1~2 h。河口附近海域与河道内不同,含沙量存在单峰和双峰两种情况。     

伶仃洋海区二维不平衡非均匀输沙数学模型

采用贴体正交曲线坐标下的水流运动方程及悬移质平衡输移方程等建立了伶仃洋海区二维不平衡非均匀输沙模型。其中泥沙输移的非均匀性采用分组粒径法来模拟，根据实测的泥沙级配资料，模型将泥沙分13组。针对河口泥沙双向交换的特点，对泥沙冲淤函数作了改进。并采用最新的实测地形资料和洪、枯两组水文组合条件对伶仃洋海区主要水文站点的实测资料进行验证，其水流、泥沙运动验证精度基本都能达到规范要求，海区含沙量分布与遥感图十分相似。     

河道及河口一维及二维嵌套泥沙数学模型

建立了一种河道及河口一、二维嵌套的泥沙数学模型，对基本的控制方程、方程的离散和求解方法、嵌套连接条件以及非均匀沙的处理等问题进行了研究。以非恒定非均匀不平衡输沙理论作为本文建模的基础，为方便处理，通过交界面的水位、流量和含沙量等的传递，在每一迭代内进行耦合计算。数值模拟结果与实测资料吻合较好，且计算省时，表明本文建立的嵌套模型是一种解决某些实际工程问题的可靠的和高效的工具。     

珠江磨刀门河口洪季悬沙与沉积物颗粒度分布及交换过程

基于洪季磨刀门河口实测水沙观测资料和河床表层沉积物数据,通过对不同区域不同时刻悬沙浓度和粒度、沉积物粒径组成分析,运用因子分析和粒度谱等统计计算方法,重点研究近期洪季磨刀门河口及滨海水域悬沙与河床沙交换过程及其动力机制。结果表明:磨刀门河口拦门沙内河道及汊道口区域的动力以径流为主的涨落潮流流系,悬沙与河床沙交换过程较弱;拦门沙浅滩区域泥沙运动表现为"波浪掀沙,潮流输沙"特性,再悬浮泥沙平均量占实测悬沙浓度的32%;拦门沙外滨海水域悬沙组成受径流与潮汐相对强度影响显著,构成上大潮时以再悬浮泥沙为主,小潮时则以径流下泄悬沙沉积为主,而悬沙输运方向受到东南向波浪和沿岸流控制。