潮汐河口河槽悬沙侧向捕集机制研究

【摘要】河口河槽水动力结构及悬沙侧向捕集模式直接制约着河槽地貌和生态环境的演变趋势,一直以来也受到众多研究者的关注。早期的研究主要侧重于野外观测和室内分析,近年来,在此基础上的水动力及悬沙输运解析模型模拟分析逐渐受到重视。美国切萨比克湾(ChesapeakeBay)James河口和我国长江口南港的潮动力均以半日分潮为主。James河口余流驱动因子以水平密度梯度为主,径流量非常小,而长江口南港的余流驱动因子以径流为主,水平密度梯度非常小。相应地,James河口中大量悬沙捕集在河槽南侧浅滩,而长江口南港中大量悬沙捕集在河槽北侧深槽。为解释潮汐河口悬沙的侧向捕集机制,Huijts等(2006)曾建立了包括M2分潮和水平密度梯度等为主要驱动力的潮汐河口悬沙侧向输运解析模型,并成功模拟分析了美国Chesapeake湾南部James河口悬沙在河槽南侧浅滩的捕集机制。但是,该模型没有考虑James河口较弱的径流作用,还忽略了风应力、潮致余流、M4分潮、沉降滞后等因子,而这些因子却是众多河口河槽动力沉积地貌的重要驱动因子。为此,本文在Huijts等(2006)的解析模型基础上,构建综合考虑M2分潮、水平密度梯度、风应力、潮致余流、M4分潮、空间沉降滞后等多个悬沙驱动因子的潮汐河口悬沙侧向捕集模型。本文构建的解析模型适用于岸线顺直的河段。水动力计算采用惯性坐标系下的三维浅水navier-stokes方程。水体表层考虑风应力；底部采用无滑移边界条件；外海开边界由M2分潮和M4分潮驱动；河口上游由径流驱动。含沙量计算采用泥沙质量守恒方程。模型考虑非粘性细颗粒均匀泥沙；水体表层不考虑悬沙与外界交换；河槽近底悬沙与床沙交换量在潮周期内平衡；含沙量的垂向分布取决于近底水流剪切力,侧向分布取决于动力地貌平衡条件,即认为潮周期内河槽侧向净输沙量内为零。通过对模型中水沙方程及其边界条件的无量纲化及摄动分析,从而将各控制方程组线性化,获得各物理量的解析解。为对解析模型中各个独立的水动力因子驱动的流场结构进行验证,本文首先采用无结构海洋数值模式(FVCOM)对M2和M4分潮潮流和由风应力、径流、潮流、密度梯度等驱动的余流解析解进行对比验证。验证结果表明解析解与数值解基本一致或差异较小,因此认为该潮汐河口悬沙侧向捕集模型基本合理。James河口潮流以半日分潮为主,余流主控于水平密度梯度,径流影响微弱。在侧向密度梯度的驱动下,河口横断面上形成一个顺时针环流(河口向上游),致使大量悬沙从河口南侧深槽向北侧浅滩输运,并捕集于此。另一方面,观测资料与模拟分析结果均显示河槽北侧也捕集了少量泥沙,其主要由M4分潮输沙和悬沙沉降滞后贡献,前者将泥沙向河槽北侧深槽输运,后者则致力于将悬沙从水动力较强的河槽向水动力较弱的浅滩输运。M2分潮输沙和径流驱动的余流输沙等相对较小。长江口南港潮流以半日分潮为主,日分潮相对较小,余流主控于径流,水平密度梯度微弱。河槽侧向余流在科氏力的偏转下形成的逆时针环流将底部大量悬沙向河槽北侧输运,导致大量悬沙聚集在河槽北部。另外,强劲的M2分潮潮流输沙也是大量悬沙向河槽北侧输运的主要动力因子。M4分潮输沙和风生余流输沙等相对较小。鉴于James河口河槽悬沙侧向捕集的主要驱动因子是密度梯度,而长江口南港河槽悬沙侧向捕集的主要驱动因子是径流和M2分潮,两者虽然悬沙捕集模式不同,但却同时捕集于水深较浅的区域。因此,在已构建的潮汐河口水动力模型基础上,进一步发展了河槽侧向地貌演变解析模型。地貌演变模型中不考虑地貌平衡动力条件,悬沙可与底沙自由交换,其余边界条件与悬沙捕集模型一致。为讨论不同动力类型河口中的悬沙捕集模式及地貌演变趋势,本文分四种情景模式,将已构建的潮汐河口河槽悬沙侧向捕集模型和地貌演变模型应用于理想河口中。每一种情景模式分别对应于Prichard对河口按驱动力及地貌形态划分的一种河口类型。讨论结果如下：1)在诸如Chesapeake湾顶端河槽的平原型河口,水动力仅由M2分潮控制,侧向输沙的主要贡献因子是M2分潮,其将悬沙从河槽中央向两侧输运,并使悬沙捕集于两侧浅滩,与Chesapeake湾顶端河槽悬沙捕集的观测结果一致。这种动力类型的河口河槽中部与两侧浅滩略有淤积,其左、右侧深槽略有冲刷,总体来说冲淤幅度小,河槽形态稳定。2)在诸如James河口的平原型河口,水动力由M2分潮和水平密度梯度控制,侧向输沙的主要贡献因子包括侧向密度梯度和M2分潮,前者将悬沙从河槽右侧往左侧输运,后者将悬沙从河槽中央向两侧输运,并使大量悬沙捕集于河槽左侧,少量悬沙捕集于河槽右侧,与James河口悬沙捕集的观测结果一致。这种动力类型的河口河槽左侧淤积,逐渐发展成为浅滩,右侧冲刷,逐渐发展成为深槽。3)在诸如长江口南港的径流优势型河口,水动力由M2分潮和径流控制,侧向输沙的主要贡献因子包括径流和M2分潮,两者均将悬沙从河槽左侧往右侧输运,并使大量悬沙捕集于河槽右侧,这与长江口南港的观测结果一致。这种动力类型的河口河槽右侧淤积,逐渐发展成为浅滩,左侧冲刷,逐渐发展成为深槽。4)在平原型和径流优势型过渡的河口,水动力同时由M2分潮、径流和水平密度梯度控制。取水平密度梯度为(dp/dx,dp/dy)=5×10-4kgm-4,当径流量较小时(500m3s-1),侧向输沙的主要贡献因子是侧向密度和M2分潮,悬沙大量捕集在河槽左侧：当径流量较大时(5000m3s-1),侧向输沙的主要贡献因子是径流和M2分潮,悬沙大量捕集在河槽右侧；若取径流量为3500m3s-1,径流输沙和潮流输沙基本抵消,M2分潮输沙占主要地位,悬沙捕集于河槽两侧浅滩。同时,本文还针对长江口南港,对风暴潮、盐水入侵及洪水三种极端天气或水文条件下南港的悬沙捕集模式及地貌演变趋势做了模拟分析。本解析模型虽较好地模拟分析了不同动力类型潮汐河口的水动力特征及悬沙捕集模式,但主要在以下几个方面急需进一步改进：考虑水沙结构的纵向变化；考虑更多频率的潮动力；模拟河口中长期地貌演变。
【作者】杨忠勇；
【导师】程和琴；
【作者基本信息】华东师范大学，自然地理学，2014，博士
【关键词】潮汐河口；悬沙捕集；地貌演变；解析模型；FVCOM；James河口；长江口南港；

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