波流共同作用下河口泥沙运动及地形演变数值模拟研究进展

-精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 1 波流共同作用下河口泥沙运动及地 形演变数值模拟研究进展 【摘 要】河口区域动力环境复 杂，河流动力、海洋动力在此交汇。波 浪、潮流是泥沙运动的主要动力，河口 区域泥沙活动剧烈，长期来看影响河口 地形发育演变，因此对波流耦合作用下 河口泥沙运动及地形演变进行数值模拟 具有重要的实用价值及工程意义。本文 介绍了在河口区域波流共同作用数值模 拟、在波流共同作用下泥沙运动及地形 演变模拟方面的研究进展。 中国论文网 /1/view-12949142.htm 【关键词】波流共同作用；泥沙 运动；数值模拟；地形演变 河口区域动力环境复杂，河流动 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 2 力、海洋动力在此交汇，泥沙活动剧烈。 波浪、潮流是泥沙运动的主要动力， “波 浪掀沙、潮流输沙” 是波流共同作用下 的河口泥沙运动的重要机制，在波流作 用下泥沙起动、输运、沉积、再悬浮， 长期来看影响着河口地形的发育演变。 目前国内外许多地区已开展关于波流共 同作用对河口演变影响的研究。 一、国外研究进展 Wright （1977，1980 ）描述并分 析了波浪作用下的河口地貌特征及河口 沉积过程1-2。Howard N. Southgate（1995）研究了波浪对中到长 周期（几周到几十年）地貌演变产生的 影响，为分析波序列以及波浪对海床和 海滩平面发育演变的影响提供了方法3。 Bernabeuet al.（2003）将波浪与潮流耦 合，建立了一个模拟海滩剖面地貌变化 的模型4。Matthieuet al.（2013）以印 度海的马约特岛（Mayotte Islands）为 例，关注了无河流注入的海岸的泥沙运 移过程和地貌演变特征。他们通过分析 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 3 波浪在近岸处能量衰减的特征，研究了 地貌对波浪作用的响应5。Saruwatariet al.（2013）在奥克尼群岛（Orkney Islands）应用 SWAN 模型对波流共同作 用下海洋能与电能转化进行研究。通过 改变流的强度，以及相应的波向，分析 不同波气候时潮能和波能的变化6。 Bola?os et al.（2014）结合实测数据， 使用先进的模型对潮控河口进行了对波 流共同作用下波场和流场特征的模拟。 水动力模型建立时考虑了潮流、径流以 及气压引起的正压力与斜压力，并与波 谱模型和湍流模型耦合。模拟结果表明 河口处潮流对波浪的改变明显，有效波 高和波周期主要由随时间变化的水深控 制，同时波周期还受到流产生的多普勒 频移影响7。 二、国内研究进展 国内对波流共同作用的研究主要 集中在黄河、南渡江、长江等大河河口。 朱大奎（1997）应用大量实测波浪资料， 从波浪动力的角度揭示了波浪作用对黄 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 4 河三角洲地形演变的影响8。虞志英等 （2002）调查分析了废黄河河口水下三 角洲的水动力及泥沙特征，对水下三角 洲的平坦海床、水下斜坡和近岸浅滩三 个地貌单元分别计算波流和潮流作用下 底部泥沙的横向冲刷率，并预测了水下 三角洲的地貌演变模式。龚文平、王宝 灿（1998） ；陈沈良（1998） ；戴志军、 陈子粲、欧素英（2000） ；罗宪林，李 春初，罗章仁（2000）等从不同方面分 析研究了南渡江三角洲海岸的波浪动力 过程，及其引起的沿岸泥沙运移，探讨 了泥沙在波浪作用下的沿岸运动状态与 地貌发育演变规律9-16171813。 刘红，何青，吉晓强等（2008）通过对 海滩剖面、悬沙粒度与表层沉积物的实 测资料分析，研究了长江口崇明东滩在 波流共同作用下潮滩剖面沉积物以及地 貌的分异规律，并分析了沉积物的运移 机制。他们认为随波浪的分选作用由破 波带向两侧逐渐变差，表层沉积物中值 粒径随之变细。破波带内泥沙以“波浪 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 5 掀沙”机制引起的分选运移为主，破波 带两侧处泥沙以潮流的“ 平流输沙 ”机制 为主14。苗丽敏、杨世伦、朱琴等 （2016）以长江口与杭州湾两大水系交 汇处的南汇潮滩为例，探讨了波流联合 剪切应力作用下潮滩悬沙浓度和悬沙输 运对风暴事件的响应过程及其动力机制 15。 三、波流耦合数学模型研究进展 自 20 世纪 60 年代起，潮流的研 究开始以数值模拟为主16，在 Longuet-Higgins 等（1960 ，1962）提出 辐射应力理论后17-18 ，波浪对潮流驱 动作用的研究取得突破性的进展，为波 流共同作用的研究提供了理论基础。近 年来，波流耦合数学模型蓬勃发展，在 河口研究方面得到了广泛的应用。河口 海岸泥沙运动的机理为“ 波浪掀沙、潮 流输沙”。由于波浪的周期较潮汐周期 小，数学模型对波流共同作用通常使用 两种不同的方法对波或流加以概化处理。 其一是将周期变化的潮流概化为具有某 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 6 一特征的恒定流，与波浪运动方程叠加 来模拟波流运动结构在短时间内发生的 变化；另一种方法是把波浪过程概化为 一个潮周期中具有平均意义的波浪流要 素，与潮流运动方程叠加，计算长时段 的水流及泥沙运动的变化。后者能更好 地体现悬沙浓度变化和地形冲淤过程的 周期性规律。王厚杰，李瑞杰（1999） 在前人研究的基础上考虑了波生流场 浪场的影响，建立了一个讨论近岸 波流耦合作用的二维数学模型，并采用 Dingemans 的地形对模型进行验证分析， 结果表明近岸处波流随时耦合，在研究 近岸泥沙运移、岸滩演变和近岸工程设 计时， 应予以充分的考虑19。Prandle et al（2000）以 Holderness 海岸为例， 建立了波流耦合的二维悬沙模型，分析 了近岸处潮流和波浪的相互作用及二者 的基本特性20 。王彪等（2012）考虑 了波浪和潮流对泥沙运动的共同作用， 概化波浪运动为潮周期中时均的波浪流 分布场，耦合潮流运动方程、泥沙运动 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 7 方程与波浪摩阻力和波浪挟沙力等要素， 建立了一套波流共同作用下的泥沙运动 模型21。孙丽等（ 2014）将波浪的辐 射应力和底切应力同潮流运动方程和悬 沙输运方程耦合，在大连湾建立波流共 同作用的二维悬沙数学模型，并在纯潮 流、常浪和极端天气三种状况下分析对 比波浪对流场、悬沙浓度和底床冲淤演 变的影响22 。何用等（2014）对珠江 口泥沙的起动、絮凝以及波浪作用下的 挟沙力等问题进行探讨，建立了珠江口 波浪、潮流、盐度、泥沙的耦合模型， 除了增加波浪作用下泥沙的起动判别外， 还考虑了盐度对泥沙絮凝的影响23。 李大鸣等（2014）考虑了潮流、波浪和 泥沙的相互作用机制，将浪场产生的 “波浪辐射应力 ”和“波流挟沙能力”作为 对潮流场和泥沙运动的重要影响因子， 构建了一套考虑波浪动力的潮流泥沙数 学模型，并应用于对锦州港港区潮流场 和地形冲淤变化的模拟，取得了良好的 结果16。许婷等（ 2015）采用波流共 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 8 同作用下二维水沙模型模拟了韩江河口 附近大型离岸人工岛群工程建设后潮流 和泥沙的运动及海床冲淤变化规律24。 张心凤（2017）以为例，利用波流耦合 作用下三维悬沙数学模型模拟珠海高栏 港区深水航道在大风天的泥沙运动和骤 淤规律，并预测了 50 年一遇情况下航 道的骤淤情况25 。 为满足河口 研究的需求，许多成熟的数学模型被开 发为软件的形式，已被应用到实际的研 究和工程中去，如 DELFT3D（刘曙光， 201026） ，MIKE21（许婷， 201027） ， SWAN（王殿志，200428；郝宇驰， 陶建华，200729 ；王道龙，华锋，江 志辉，201030 ）等。TELEMAC 数值 模拟系统基于非结构化网格，采用有限 元方法，对地形复杂的河口海岸区域十 分适用。Andreas Malcherek（2000）将 TELEMAC-2D 模型用于 Weser 河口潮 能耗散的模拟31 ；R.Kopmann ， M. Markofsky（ 2000）利用 TELEMAC-3D 建立了三维水质模型32 ；J. Eric -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 9 Jones， Alan M. Davies（2005）通过对 英国西海岸潮汐的模拟，对比了有限差 和有限元（TELEMAC）方法模拟结果 的不同33。 J. Eric Jones， Alan M. Davies（2006 ）利用 TELEMAC 模拟了 爱尔兰海的风生环流34 ； Samaras et al.（2013）以意大利南部的布林迪西口 岸为研究区域，对比 TELEMAC 和 MIKE-21 两种数学模型对波流共同作用 和波浪传播的模拟，发现在破波带处对 波高模拟的差异最为明显35。范平易 （2010）利用 TELEMAC-2D