现代黄河口沉积动力过程与地形演化

【摘要】本文基于黄河三角洲及莱州湾多年历史资料，以水环境动力学模型（MIKE3）为基础，建立起一系列沉积动力模型。通过实测资料对模型的率定与验证，模拟了1976年黄河改道清水沟流路以来，河口的潮流、切变锋及波浪各时期的特征并分析讨论了其演变过程。通过对模拟结果和实测地形冲淤变化分析，综合研究了黄河口潮流切变锋在一个完整黄河流路期内的演变规律和成因，潮流切变锋在大风及地形共同作用下的变化规律及成因，黄河口动力变化下的工程波浪安全隐患等问题，发现了落潮切变锋强度始终强于涨潮的规律，阐述了黄河口沉积动力演变与地形演变的相互作用关系和模式，揭示了以风致切变锋变化为基础的河口冬季泥沙扩散新动力机制，提出了黄河口特有的海洋工程环境动态参数设计理念及预警防护建议。研究表明，黄河口潮流切变锋和潮流场于1976~1996年黄河清水沟流路行河的20年间，在空间、时间和强度上均具有显著的演化规律。其根本原因是水深地形的变化。进一步，切变锋演变反应了潮流场的演变，后者与河口地形的演化存在双重相互作用关系，表现为河口增长会促进潮流增强并限制河口增长，最终在一定径流输沙范围内稳定；河口蚀退会使潮流减弱，使侵蚀由强变弱，侵蚀速率由快变慢。大风过程对黄河口潮流切变锋具有明显的影响。6级大风即可使切变锋产生变化，风力越大，变化越明显。大风通过在近岸浅水区生成风生流使切变锋发生变化，平行锋面的大风增加其强度，垂直锋面的大风减弱其强度；偏北向大风加剧涨、落潮切变锋强度“落强涨弱”形势，偏南向大风则相反。河口地形是使各风向大风对切变锋产生不同影响的决定条件和必要条件。潮流切变锋在冬季偏北向大风的作用下，存在着切变锋强度减弱、口门锋面消失以及涨潮切变锋基本消失三种有利于河口泥沙扩散的变化，使大量波致再悬浮泥沙在多种情况下突破原有锋面阻挡，向莱州湾中部或湾口扩散。风致切变锋变化是泥沙“冬输”动力机制中不可忽略的重要因素之一。黄河口潮汐过程由于存在不对称性，落潮流流速、历时均大于涨潮流，使得落潮切变锋在长度、历时和剪切强度等方面均强于涨潮切变锋，且在常见偏北向大风影响下，二者差异被放大，甚至在较少情况下涨潮切变锋接近消失。落潮切变锋强度大于涨潮切变锋的这一规律在潮汐不对称性和季风影响下长期存在。黄河口重现期大浪受地形变化影响显著。清水沟流路老河口海域平均水深每增加1m，50年一遇NE向有效波高增加约0.4m，1996~2012年平均增长约1.1m，增长率约为0.07m/a。根据波高变化可将黄河口地区分为三部分：新河口安全区，新老河口间隐患区，老河口危险区。未来10年，隐患区和危险区均面临着由岸线继续蚀退所带来的陆地环境浅海化、浅海波浪增强等安全隐患。根据动力与地形相互作用的理论研究结果，对黄河口河道备选流路，近海工程海洋环境快速变化引发的安全性隐患等实际问题提出了相关建议。着重阐述了推广海洋工程环境动态参数设计理念及预警防护建议的迫切性和必要性，并对该理念的施行提出了多套参数设计、定期调查与预警防护补救措施等建议。最终，通过近3年的研究工作，本文具有如下创新点：（1）揭示了黄河口潮流切变锋在一个完整黄河流路期内的演化规律及其成因，并阐述了河口地形演化与潮流场演化的相互作用关系及过程。（2）发现了黄河口潮流切变锋对大风过程的响应规律及其机制，并从该角度揭示了黄河口冬季泥沙扩散新的动力机制，完善了河口泥沙“冬输”过程的动力机制研究。（3）明确了黄河口涨、落潮切变锋在常规与极端气象条件下的变化过程，发现了落潮切变锋强度始终强于涨潮这一规律及其成因。（4）研究了黄河口重现期大浪对地形演化的响应，提出黄河口海洋工程环境动态参数设计理念及预警防护建议。
【作者】王楠；
【导师】李广雪；
【作者基本信息】中国海洋大学，海洋地质，2014，博士
【关键词】黄河口；沉积动力；地形；切变锋；波浪；演变；数值模拟；MIKE；

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