波浪、潮流和风暴潮耦合模式及悬沙输移规律的研究

近年来，由于河口、海岸地区的泥沙运动与港口、航道以及海岸的冲淤有着直接的关系，对一些海岸建筑物比如防波堤、护岸工程等造成一定的威胁，甚至于使其完全丧失使用价值，造成巨大的损失。为此人们越来越重视对这一问题的研究。本文为估计岸滩的冲淤变化和了解岸滩的演变规律，对影响泥沙运动的海洋动力要素进行了研究。 为研究悬沙的输移规律，建立了一个由两部分组成的二维悬沙模型系统：①水动力模式。建立了一个综合多因素的二维波浪、潮汐和风暴潮耦合模式，以此来研究波、潮、风暴潮间的相互作用，并为泥沙计算提供流速场。②二维悬沙模式。运用得出的流场来研究悬沙的输移扩散规律。其中所采用的波浪模式是将流对波浪场的影响同时加以考虑的耦合数学模型，将流速加入波能方程，并考虑由于水面的升降而产生的不定常水深对波浪场的影响，再将波浪场对流场的影响通过辐射应力、考虑波浪影响的底应力以及依赖波龄的表面风应力耦合到流场中，从而建立了一个综合多种因素的波浪、潮汐、风暴潮联合作用下的二维悬沙模型系统。并在此模型系统的基础上，对黄河口泥沙的输移问题作了探讨，为今后的防堤、护岸工程提供依据。     

潮流、波浪综合作用下河口二维悬沙数学模型

本文根据河口水流动力特性和泥沙变化规律，把波浪运动概化为具有时均意义的波浪流分布场，将“波流幅射应力”、“波流摩阻力”以及“波流挟沙力”三个要素归纳到水流运动方程和悬沙输送方程中去，构成潮流、波浪综合作用下河口二维悬沙数学模型计算系统。通过对珠江口黄茅海悬沙冲淤过程的实际算例，表明该系统模拟河口悬沙在潮流和波浪综合作用下的分布特性和冲淤趋势方面，具有良好的应用前景。     

波浪与潮流对潮滩悬沙含量贡献的现场观测

通过实时观测黄河口洪季(9月)潮滩潮周期内悬沙浓度和波潮流等水动力因素的变化,并结合边界层悬浮物剖面测量仪(ASM-4)数据,讨论了悬沙浓度在潮周期内的变化及其影响因素,计算了再悬浮通量、分析了悬沙浓度的垂向分布特征。结果表明,一级海况下海流对再悬浮的贡献较大,二级海况下波浪对再悬浮的贡献较大。观测点悬沙浓度多以浓度峰的形式出现,既有潮流冲刷床面所引起的悬沙浓度峰,也存在由波致再悬浮和潮流输运所引起的悬沙浓度峰。     

洋山港海域水体和悬沙输运机制研究

对洋山港海域水体和悬沙长期输运速度分离,并进行机制分解,分析各种物理过程对水体和悬沙长期输运速度所起的作用.结果表明,水体和悬沙输运存在明显差异,直接描述悬沙净输运更准确合理;欧拉余流在水体长期输运中占主导地位,平流输运和潮泵输运是洋山港海域悬沙输运的主要动力因素,由于潮动力混合较强,垂向输运作用很小.     

潮流作用下河口悬沙运动二维数学模型

对于粉沙淤泥质河口和第底泥沙受潮流作用主要以悬沙形式输运。在这样的海区建港与疏浚航道,需要首先先进泥沙淤积问题的研究,本文采用潮流作用下不平衡方程式,挟沙能力公式和起动流速公式,建立了潮流作用下河口悬沙运动二维数学模型,一维悬沙不平衡输沙方程和海底变 方程进行离散时直接采用显式迎风格式,得到了较好的结果。     

海岸破波带内悬沙空间分布试验研究和解析表达式

关于海岸破波带内悬沙浓度水平和垂向分布的研究对于计算海岸输沙率和地形演变具有重要意义。本研究进行了规则波、波群和不规则波三种波浪情况破波带内悬沙浓度的水平和垂向分布的试验测量。试验在大尺度波浪水槽进行,接近实际海岸波况尺度。给出了破波带内多断面悬沙垂向分布的细致测量结果,并以此为基础给出了预报实际海岸破波带内悬沙浓度水平和垂向分布解析表达式,讨论了形成这些分布的物理原因和不同波况、不同破波带区域对分布的影响。     

二维悬沙长期输运速度的定义和机理分析

将悬沙和水体的长期输运分离研究,给出二维悬沙长期输运速度的定义。从理论上分析了各种物理过程对二维悬沙长期输运速度的影响机理。采用部分观测资料,对长江口二维悬沙长期输运速度及其机理作了初步的计算分析,结果表明：在最大浑浊带,悬沙和水体长期输运有明显的差别;在描述悬沙长期输运时,二维悬沙长期输运速度比二维水体长期输运速度更合理;潮泵作用和垂向切变作用是造成两者差别的主要原因。     

舟山沈家门海域悬沙输运特征研究

通过对舟山沈家门海域水文泥沙观测站位数据进行处理和分析,探讨了区域悬沙浓度时空分布及影响因素;对各站位单宽净输沙量和输运方向进行了计算,揭示了海域悬沙输运机制。结果表明:受长江、钱塘江等大河泥沙注入和周边岛屿物质输入影响,海域悬沙浓度较高;平面分布上,悬沙浓度有从东北向西南减小趋势,位于莲花洋的C1站位浓度最大,峙头洋C4站位悬沙浓度较小;悬沙浓度垂向上随水深的增加,逐渐升高;在涨、落潮流的影响下悬沙起动、悬扬、沉降、落淤,浓度随潮流流速变化具较高的相关性;通量机制分解计算表明海域悬沙输运以平流输沙项为主导,单宽净输运率大潮期大于小潮期;总体上,泥沙输运有沿水道走向离岸向海运动趋势。     

废黄河口海域的悬沙输运机制研究

废黄河三角洲是南黄海内陆架的重要物源。为深入探索废黄河口海域沉积物输运机制,利用2015~2016年夏季与冬季在废黄河口外海域10个站位获取的现场沉积动力数据,计算潮不对称参数、余流、悬沙输运量等。分析结果表明,废黄河口海域沉积物输运模式存在显著的空间差异,大部分海域悬沙沿等深线向南输运,仅在近岸侧局部悬沙向岸或向北输运、离岸最远处站位向北输运但输运率较小;近岸浅水海域以平流输沙为主,其他离岸区域以再悬浮作用为主。由于流速和悬沙浓度之间的相位差,导致余流(净水输运)方向与净悬沙输运方向存在差异。研究沉降速度与悬沙输运涨落潮不对称的关系,发现沉降速度越大,悬沙输运的不对称性就越显著;沉降速度是造成近底部流速与悬沙浓度相位差的主要原因,导致废黄河口外净悬沙输运存在显著的垂向差异。     

近岸波、流作用下结构物附近海岸演变的数值模拟

针对与砂质海岸在波浪作用下的演变有关的波浪、近岸流及输沙问题进行了系统的研究,并对结构物附近海岸演变进行了数值模拟。考虑了波浪折射-绕射及波浪破碎的综合作用,在近岸流场的模拟中用沿水深积分形成的K方程模型确定涡粘系数。计算岸滩地形变化时,综合波浪、近岸流作用的底沙和悬沙输沙率,并考虑波浪对泥沙作用的影响。模型对防波堤和近岸沉船附近地形变化进行了模拟,效果良好。