（环境科学专业论文）珠江三角洲沉积模式研究——应用长周期数值模型的实验.pdf

实验模拟，是一次初步的探讨，而对在实际中可能遇到的复杂情况，将在下一步 工作中逐步解决。 关键词：珠江三角洲，沉积模式，e c o m s e d ，长周期模拟技术 as t u d yo nt h ed e p o s i t i o nm o d i 强o ft h ep e a r lr i v e rd e l t a 矧e x p e r i 胍n t a t i o na p p r o a c hb yl o n p t e 跳n t 砸r i c a lm o d e l m a j o r ：e n v i r o n m e n t a ls c i e n c e n a m e ：t a ny a n h u i s u p e r v i s o r ：p r o f e s s o rw uc h a o y u a b s t r a c t t h ep e a r lr i v e rd e l t aw i t ht h en e t w o r ks y s t e ma n de s t u a r i n eb a y si s as p e c i a la n do n eo ft h em o s tc o m p l i c a t e dl a r g e s c a l ee s t u a r i n es y s t e m s i nc h i n a i t se v o l u t i o np r o c e s s e sh a v em u l t i p l i c a t ed e p o s i t i o nm o d e s ， i n c l u d i n gs k i r td e p o s i t i o n ，b i d i r e c t i o nj e td e p o s i t i o n ，p a r a l l e lo u t l e t d e p o s i t i o ne t c b e s i d e se s t u a r yb a rt h a tisac o e m o ne s t u a r yp r o c e s s t h e c h a r a c t e r so ft h ed e l t ad e v e l o p m e n ta r eo r i g i n a t e df r o mt h ee f f e c t so f t h em o r p h o d y n a m i cs t r u c t u r e s t h et h e s i ss i m u l a t e st h et y p i c a ld e p o s i t i o nm o d e so ft h ep e a r lr i v e r d e l t a 。s u c ha se s t u a r yb a r ，b i d i r e c t i o nj e td e p o s i t i o n ，s k i r td e p o s i t i o n a n dp a r a l l e lo u t l e td e p o s i t i o n b ye c o m s e d3 dn u m e r i c a lm o d e la n d l o n g - t e r ms i m u l a t e dt e c h n o l o g yw i t hi d e a ll a n d f o r 卫l s 、a n dt h e nd i s c u s s e s t h ed y n a m i c a ls t r u c t u r eo ft h e s em o d e sa sw e l la st h e i rt y p e so f t r a n s p o r t a t i o n ，d e p o s i t i o na n de r o s i o nu n d e rac e r t a i nm a t t e rs u p p l y c o n d i t i o n f r o mt h ee x p e r i m e n tw ec o n s i d e rt h a t ，e s t u a r yb a ri sap r o c e s so f t r a n s p o r t a t i o na n dd e p o s i t i o no fs a n db ye s t u a r yj e t se f f e c t t h e e s t u a r yu n i d i r e c t i o nj e ti st h ep r i m a r yd y n a m i c s ，a n dt h ep o s i t i o n ， m o r p h o l o g ya n dq u a n t i t yo ft h es e d i m e n ta r em o s t l yc o n t r o l l e db yt h e i n t e n s i t yo ft h ej e t b i d i r e c t i o nj e ts y s t e m sf l o o da n de b bt i d ej e t a r ea s y m m e t r y ，w h i c hr e s u l ti nd i f f e r e n td e p o s i t i o nw a y sa n dt h eg r a d u a l i l l c h a n g ef r o mb i d i r e c ti o nj e ts y s t e mt ou n i d i r e c t i o nj e ts y s t e m r o c k y i s l a n d si n f l u e n c et h ew a t e rf l o w ，a n db e c o m et h es a n d sd e p o s i t i o nc o r e a r o u n dt h ei s l a n d s ，s k i r td e p o s i t i o ng r o w su p ，a n dt h e na c c e l e r a t e st h e d e l t a sd e v e l o p m e n t w h e nc h a n n e l sa r ep a r a l l e l ，t h ei n t e r a c t i o nb e t w e e n t w oe s t u a r yj e ts y s t e m sw i l lc r e a t es p e c i a lp a r a l l e lo u t l e td e p o s i t i o n a n dw h e nt w oe s t u a r yj e t sm e e td e c u s s a t e l y ，t h e i ri n t e r a c t i o nw i l lm a k e d i f f e r e n td e p o s i t i o n t h ee x p e r i m e n th a da l r e a d ys i m u l a t e dt h ed e l t am o d e s d y n a m i c a l m e c h a n i s m ，d e p o s i t e ds t r u c t u r e sa n dp r o c e s s e si nr e a s o n ，a n da c c o r d e d w i t ht h ep e a r lr i v e rd e l t a sa c t u a l b u tt h i si sj u s tap r i m a r yr e s e a r c h s o m ec o m p l i c a t e dt h i n g st h a tw em a ym e e ti nt h ea c t u a lw i l lr e s o l v ei n t h en e x tw o r k k e yw o r d s ：t h ep e a r lr i v e rd e l t a ，d e p o s i t i o nm o d e ，e c o m s e d ，l o n g t e r m s i m u l a t e dt e c h n o l o g y 第l 章引言 1 1 问题的提出 第1 章引言 三角洲是一个十分复杂的沉积学体系，它的沉积和发育是一个受自然条件影 响和人类活动干扰的复杂过程，尤其是珠江三角洲这种网河区与河口湾并存的复 合体系，其演进过程更为引人关注，是十分值得研究的。 珠江三角洲是一个特殊的三角洲，它主要由西江、北江、东江在湾内堆积复 合而成，具有世界上最为复杂的网河水系与独特的河口湾组合。三角洲内有约五 分之一的面积是星罗棋布的丘陵、台地、残丘，水道分八个口门出海( 自东向西 分别为虎门、蕉门、洪奇沥、横门、磨刀门、鸡啼门、虎跳门以及崖门) 。“三江 汇合，八口分流”，河道纵横，岛丘林立，都成为了珠江三角湘的地貌特色。正 是由于珠江三角洲具有的独特的地质地貌条件，以致早期的研究者甚至对于它是 否是三角洲而有过多年的争论嘲。直至保存完好的海蚀平台和颡状石等典型的 海蚀地貌遗迹在广州市郊的七星岗被发现和确定以后“，关于珠江三角洲是否是 三角洲的争论才最终偃旗息鼓。如今已经没有人会怀疑珠江三角洲的存在了，然 而，相比起世界其他的海岸平原河口，珠江口的许多方面确实有其特殊之处，影 响着珠江河口三角洲的动力一沉积一形态的平衡嘲。 近年来，关于珠江河口三角洲的研究已有不少进展，但是对于它是如何形成 和发展的，至今尚未有一致的认识。珠江三角洲地区，并不是经典的吉尔伯特型 湖相三危洲，也不是密疆西比河那种以河流作用为主的进积型三角洲，这是由它 独特的沉积环境所决定的“。为了更好地研究珠江三角潮的形成演变，吴超羽教 授主持的珠江河口门的沉积动力课题组开发了研究珠江三角洲长周期形态演 变的模型p r d l t 删，并且模拟了自末次海进盛期以来的珠江三角洲发育演变。初 步的研究结果发现，珠江三角洲的发育具有阶段性、多样性和不平衡性等特点。 在时空变化过程上，珠江三角洲j 姆形成演变是充填式发展的、是个不均衡沉积 的过程。珠江三角洲这种发展演变模式的产生主要源自其独特的地貌环境( 岛丘 林立) 和沉积动力结构( 门及其双向射流动力体系) 。 三角洲沉积模式是三角洲形威特点与过程本质的揭示秘理论概括。由于珠江 第l 章引言 三角洲所处的区域构造背景，加上特有的地理环境和河口动力，其发展演变具有 自己的特色，而且时空的变化过程也十分复杂。现阶段的研究显示珠f t - - 角洲形 成过程中存在着多种沉积模式( 过程) ，除了一般海岸平原河口普遍存在的河1 2 1 拦门沙沉积过程，还有不少是珠江三角洲独特的、典型的沉积模式，比如岛屿丘 陵周边沉积、平行出海水道间沉积、双向射流系统等，每种沉积模式都有其较为 稳定的、明确的驱动力和相应的小尺度动力结构。p r d l t m m 模型从整体上反映 了这种复杂的沉积过程，但是这些沉积模式所具有的动力结构，及其在一定的物 质供应条件下形成的输运与沉积一侵蚀类型需要更深入的了解，它们对三角洲发 育演变的影响更需要系统的探讨。 对珠江三角洲独特的地貌环境和沉积动力结构产生的特殊沉积模式( 过程) ， 从动力学的角度进行机理性的研究，正是论文要探讨的主要问题。 1 2 研究的意义 珠江三角洲是我国三大大河三角洲之一，也是我国南部经济最为发达的地 区，与其他大河三角洲相比，珠江三角洲是一个极为特殊的三角洲。多沙的黄河 河1 3 - - 角洲有多条废河道，行水的主河道只有一、两条，形成了伸入海中的沙咀 和沙咀间烂泥湾相间的地貌特征；长江口三角洲呈岬状，分汉不多，河口拦门沙 形成的洲岛明显，如崇明岛等；而珠江三角洲与一般的淤涨式三角洲不同，它是 在一个到现在还未充填满的河口湾内不断堆积充填而成的，三角洲平原上丘陵、 台地、残丘林立，河道纵横交错。 珠江河口也是我国一个重要河口，但它又有别于长江、黄河河口。珠江河口 是一个三角洲网河和残留河口湾并存且河口湾内岛屿星罗棋布的河口，三角洲网 河区与河口湾通过门这一特殊的动力结构单元相连，所以有“三江汇合，八 口分流”之说。由此可见，对于珠江三角洲这一特殊的河口三角洲的演变模式的 研究，意义非浅。 对于河口地形演变的研究多数集中于河口拦门沙沉积方面，我们可以找到很 多这方面的研究文献，特别是对黄河三角洲与长江三角洲的河口拦门沙( 正如前 面提到的，长江三角洲由拦门沙形成的洲岛明显) 沉积演变的研究。这些研究在 长时间尺度( 千年尺度以上) 上多是从地质、地貌、层序地层学、沉积学等方面 2 第1 章引言 进行研究，较短时间尺度( 十到百年尺度) 的研究则多借助于水下地形图和地质 学研究方法并结合河口地区水动力特征进行分析，而利用数学模型对河口三角洲 的长期沉积演变过程( 或沉积模式) 进行模拟研究，分析沉积过程的物理过程和 动力机制方面则少有涉及。 同样的，尽管许多学者对珠江三角洲的形成发育演变和珠江河口的特性进行 了大量的研究，但是这些研究大多是从珠江三角洲发育演变的地质地貌和沉积学 的角度去分析的；而对于珠江网河的形成则是主要从地质构造，流域的水沙条件 和科氏力对河流分汉的作用等方面探讨。这些研究成果对于进一步探讨不同时间 尺度下珠江河口动力一沉积一形态奠定了基础。但是，他们的研究着重于从描述性 的沉积与地貌学的研究为主，而着重过程、机制的量化与模型化的研究基本是空 白。而且，他们也很少把珠江三角洲独特的地貌环境( 岛丘林立) 和沉积动力结 构( 门及其双向射流动力体系) 与珠江三角洲的形成及网河的发育联系起来。 更不要说对珠江三角洲这一独特河口系统发育形成的沉积动力过程进行深入研 究了。 论文将利用目前世界上应用较广的e c o m s e d 数学模型，结合长周期的模拟技 术进行模拟实验，对珠江三角洲的典型沉积模式进行初步的探讨。希望能够通过 多学科综合理论，借助数值模型，模拟出几种典型的沉积模式，并对结果进行分 析，以探讨珠江三角洲沉积演变过程的动力机制，为更深一层的研究珠江三角洲 发育演变提供参考和基础。论文的研究，将可以深化对珠江河口与三角洲动力沉 积与地貌发育模式的了解和研究，丰富和发展三角洲发育演变的理论，为反演珠 江河口、三角洲历史发育演变过程及其陆海相互作用提供有价值的参考基础。 3 第2 章研究动态与研究方法 2 1 研究动态 第2 章研究动态与研究方法 2 1 1 大河三角洲的河口海岸演变研究方法 对河流入海通量及边界条件发生变化时的河口海岸演化机制研究，已经成为 了当前国际全球变化研究的前沿课题之一，特别是大河三角洲区域的河口海岸演 变。通常研究的长期海岸变化，不仅时间跨度大，涉及的空间范围从数千米到数 万米，而且动力条件也常常随着径流与泥沙的入海通量及边界条件的改变而变 化，因此海岸演变的物理机制非常复杂。 长期以来国内外学者对入海通量( 径流与泥沙) 变化条件下的大河三角洲河 口海岸长期演化机理研究，从解决问题方法的角度来看，归纳起来基本是按照统 计模型、几何模型、沉积动力模型，以及数值模拟模型四种技术路线进行的“1 。 数学模型是研究大河三角洲河口海岸演化效果较理想的工具，它不存在比尺 效应等问题，改变模型参数很容易实现，而且在合理考虑各种因素时，其结果可 达到相当高的精度。 用数值方法模拟近海和河口的动力一沉积一形态过程，近年来由于计算机 技术的进步有了长足的进展。通过模拟技术再现或展示河口过程对研究河口沉积 动力不失为一个有效的途径，因此河口数模受到广泛的重视。 2 1 2 长周期数值模拟的发展 陆海相互作用及其所产生的海岸带环境变异是一个长期的过程，要从根本上认 识这一过程，把握其机理，预测其趋势，就必须了解其发展演化历史。长时间尺度 海岸海洋过程的深入研究需要发展新的理论基础，需要多学科在深层次的交叉与 渗透。由于长时间尺度的环境效应的预测理论与方法一直为海洋工程、特别是重 大工程迫切需要。因此近年来长时间尺度的动力、沉积、形态过程一直为地貌、 海岸工程、河口海岸学、地质学、海洋科学所关注并投入大量的研究力量，并正 兰! 主翌塞塾查兰堕壅查垫一 在取得迅速的发展与令人兴奋的研究成果。 长周期动力形态模型的发展，实现了将小尺度过程藕合到大空间尺度和长时 间尺度上，模拟大尺度过程的运动变化规律。但由于其复杂性，海岸过程的长周 期模拟研究仍很不成熟。在过去的t 0 年里，通过多学科的学者交流、合作，大 大加快了对河口海岸地区的长周期动力地形过程的认识和研究。长周期模型的应 用和效果在很大程度上依赖于其他学科的研究成果。然而，当模型建立运行后将 能提供合理而更详细的量化结果。 2 。1 3 关于河口射流 射流是河口沉积过程中比较重要的动力条件之一，特别是珠江河口由基岩控 制的门的沉积动力体系。论文中所研究的几种沉积模式中，大部分都与射流 这种动力机制有一定关系，因此了解河口射流的基本理论是十分必要的。关于河 口射流机制的研究，w r i g h t 和c o l e m n ”1 做了比较详细的总结与论述：在通常条 件下，河口射流的惯性力与牯性力的比值( 即雷诺数r ) 会超过l o ，符台紊动 射流模型。 在紊动射流中，紊动漩涡引起射流体与周围水体的交换和瀹合，速度和输运 能力减小，泥沙沉辫，同时，紊动区向海的方向发育，因此射流体照与出口距离 的增加而扩展。射流主要由两个区域组成：初始段与主体段。前者表现为中心部 分保持原来出口流速不变。后者则是紊动充分发展后的部分。在射流主体段，中 轴线速度随着射流与周围水体的慢慢混会以及横向和垂向的扩散面逐步减小，各 断面的纵向流速呈高斯概率分布。( 见圈2 - 1 ) w r i g h t 和c o l e 髓n 对射流研究的总结论述，为后来一些关于射流与沉积的 研究提供了很好的参考。 对于珠江口伶仃洋的射流结构与沉积的关系，范信平。1 也作了研究和讨论。 他认为，口门形态、径流潮流特性，以及受水盆地的深度都影响了射流结构，伶 仃洋西侧三个以河流动力控制为主的口门( 蕉门、洪奇沥、横门) 一般情况下是 紊流射流，并且控制了西滩的生长发育，而虎门是不太典型的潮汐为主的河口， 塑造了伶仃拦江沙和矾石浅滩。伶仃洋的沉积类型中有和射流结构对应得很好的 例子，如万顷沙；也有和射流结构对应得不太好的例子，如中潍。形态和沉积部 5 第2 章研究动态与研究方法 位的多样性反映了成因类型的多样性，因此仅用理想的射流结构来解释全部三角 洲沉积类型是不够的。 2 1 4 关于三角洲的动力、沉积与演变的研究 一、自5 0 年代开展对密西西比河三角洲的大规模研究以来，三角洲的沉积 演变模式已成为沉积学研究最为详尽的内容之一，密西西比河三角洲、长江三角 洲的发育是单陆源河流三角洲演变模式的代表；而珠江三角洲的发育则是多条 陆源河流形成的复合三角洲演变模式的典型代表。 密西西比河三角洲只有一条陆源河流，河口潮差较小( o 5 m ) ，故密西西比 河三角洲的沉积作用主要受河流作用控制，以一种冲缺模式向海推进，其展 布格局以鸟足状为主，河道穿插叠量，废弃过程十分显著；长江三角洲潮差较大 ( 2 m 多) ，在落潮流和科氏力的影响下，河道分叉后其右侧汉道发育而左侧汉道 淤塞废弃，展布格局以雁行状为特征0 1 。珠江三角洲是由多条陆源河流沉积而成 的复合三角洲，相比之下，其演变模式要复杂得多。 二、确认了珠江三角洲的存在以来，诸多的学者对它做过研究。早在1 9 4 7 年吴尚时与其学生曾昭璇脚就对珠江三角洲做过系统的研究，经过实地考察就珠 江三角洲的存在、形成和各种地貌形态傲了详尽的论述；1 9 8 2 年黄镇国等“”则 从地质、地貌、沉积的角度并利用1 4 c 、微量元素、重矿物、硅藻、孢粉分析等 手段对珠江三角洲的沉积旋回、气候变迂、海平面变化、发育演变和河道的冲淤 变化等方面第次比较系统、全面地研究探讨，对珠江三角洲的形成、发育、演 变过程都有了较为明确的认识；1 9 9 0 年赵焕庭“”则从河口湾动力学的角度就珠 江河口湾的自晚更新世以来海陆变迁情况进行了论述，并对现在珠江口的自然环 境、地质地貌、河口区的动力特点( 径流、泥沙、潮汐、波浪、威淡水混合、河 口环流等) 、沉积物特征、河口演变、自然资源和口门的开发与整治等问题都进 行了较为详细的论述；1 9 9 1 年李平日等“”利用孢粉、动植物遗体化石、硅藻等 标志物对珠江三角洲一万年来的气候变化、海陆变迁、海平面变化、滨线演进等 都做了探讨；1 9 9 7 年龙云作等“”则从沉积地质学的角度就珠江三角洲的地层层 序、沉积相、沉积模式以及三角洲的形成演化和控制因素等方面进行了研究。 近年来更是有大批学者对于珠江三角洲的河网和珠江口的水动力傲过研究， 6 第2 章研究动态与研究方法 叶汇开创了珠江下游河道变迁的研究，早期对北江下游河道变迁，思贤滔等进行 了初步研究，上个世纪八十年代“”又提出科氏力对珠江下游网河河汊发育的影 响；侯晖昌“”认为珠江三角洲河网的出现是主汉与支汊、主干与汉河、大流域与 小流域之间的相互和反复溢流贯流与袭夺的结果，李春初、杨干然“”1 9 8 5 年从 研究河口动力特性及其泥沙运动规律对三角洲网河特点和河床演变进行分析认 为珠江下游的河床演变是由河道的来水来沙状况决定的；珠江口水动力的研究集 中在伶仃洋河口湾，对伶仃洋的水文、水动力状况和沉积特征等进行了系统的研 究，其内容涉及广泛，包括伶仃洋水下地形与演变“”“、水文特征“”“1 、 伶仃洋的射流结构脚、河口最大浑浊带“、纵向环流与物质输运、黄茅海河口 小尺度动力结构及其沉积嘲3 等等。 三、由于珠江三角i f i 的特殊性，对其形成演进模式的观点是百花齐放。归纳 起来，对珠江三角洲的发育演变的研究主要有以下凡种观点：( 1 ) 张虎男。5 3 1 9 8 0 年、黄玉昆汹1 1 9 8 3 年从区域地质构造资料分析，珠江三角洲是在断裂构造控制 的断块下陷区发育起来的，因此强调珠江三角洲形成的构造条件，提出了“断块 型三角洲”的观点；( 2 ) 李春初、杨干然1 9 7 6 年认为珠江三角洲在全新世海平 面上升条件下，河口后退，发生溯源沉积，在水平方向上形成老、新两个三角洲； ( 3 ) 曾昭璇、黄少敏断1 1 9 8 0 年提出了珠江三角洲的“复合的冲决三角洲”模式， 每个冲决三角溯是由汉道穿过两个岛丘之间后在海湾里堆积而威；黄镇国、李平 臼等“”1 9 8 2 年将此观点进一步深化，根据珠江三角洲沉积与地貌，将晚更新世 中期以来的珠江三角洲在垂直方向分为古、老、新三期三角洲，分别由1 9 、1 4 和9 个组成冲决三角洲 ( 4 ) 赵焕庭脚1 1 9 8 2 年、龙云作等阿1 9 8 5 年分析珠江三 角洲自晚更新世中期以来先后发生了两次海进，在垂直方向上为湾头充填、复合 成老新两期叠覆三角洲。 四、为了从动力一沉积一地貌角度对珠江三角洲与河网的形成演变进行多 学科的，着重过程、机制的量化与模型化的研究，吴超羽教授等开发了一个在 1 0 - 1 0 0 ，1 0 0 1 0 0 0 年的典型时间尺度研究珠江三角洲长周期形态演变的动力形 态模型p r d l t m m 。数十个1 c 测年钻孔资料初步验证了模型的合理性，一些古 文化遗存证据也印证模拟结果。初步的模拟研究揭示出末次海进盛期以来珠江三 + 李春初，扬干然珠江三角洲的形成、发育和演变中山大学地理系印，1 9 7 6 , 7 第2 章研究动态与研究方法 角洲的时空演进过程具有一些与己有研究成果不大相同的新的特征。 前人研究结果认为珠江三角洲是由北向南、由陆向海推进的( 如黄镇国，李 平日等1 ) 。这反映了珠江三角洲与网河发育的总体趋势，在大体上是正确的。 但是珠江三角洲发展演变的时空变化过程要更加复杂。首先珠江三角洲演进有几 个趋势：除了自陆向海，自北而南的总体沉积方向，还呈现了岛屿丘陵周边沉积 趋势，以及河阏河道自河流出口与峡口两端向中间发育的趋势。 另外，曾昭璇、黄少敏1 9 8 0 年曾提出复合冲决三角渊的演变模式，黄镇 国、李平日等“”1 9 8 2 年也将此观点进一步发展。但就冲决而言，洪水频繁冲决 天然堤，形成新的冲决扇( c r c v 鹪s es p l a y s ) 以及由此丽带来的主要河道的摆动 ( s w i t c h i n g ) 是密西西比河三角洲演变发育的主要过程。海进盛期以来在千年时 间尺度，密西西比河三角洲发育了4 个主要三角洲叶( d e k al o b e s ) 。在1 0 1 0 0 年时间尺度和较小的空间尺度，现代三角溯叶发育了6 个冲决扇或称子三角洲 ( s u b d e h a ) 。而珠江古河口湾。特别是内古河口湾的沉积环境与墨西哥湾密西西 比河口的沉积环境相去甚远。黄镇国等“”1 9 8 2 年较详细地描述了珠江三角洲的 冲缺方式，指出冲缺三角洲是河流通过丘陵峡口产生射流及相应堆积过程的产 物，并从地表高程印证冲缺三角洲的存在，这并不同于密西西比河的冲决过程。 事实上，峡口射流及特殊的堆积过程是客观存在的，但冲决三角洲的具体的沉积 学证据，作用机理以及在珠江三角洲形成中的重要性有待进一步研究1 。 初步的研究认为，珠江三角洲发育演变及其特征在很大程度上源自其继承性 的地质地貌构造所造成的独特古海湾构造形态及其对河流与海洋动力分布的改 造重塑。珠江河口的门及其双向射流动力体系对珠江河网，特别是口门的形 成演变起了控制性的作用。模拟结果也表明，古珠江河口湾中散落的众多基岩岛 丘边沿沉积是珠江三角洲长期演变的一个重要部分。 2 2 研究方法 论文的研究是应用e c o m s e d 数学模型( 主要是运用其水动力和泥沙的计算模 块) ，结合长周期模拟技术，设计了一些与珠江河口类似的简化的实验地形、动 1 吴超羽，任杰等6 0 0 0 年以来珠江河口三角洲及嘲河形成演变的数值模拟与地貌动力学分析待刊 8 第2 章研究动态与研究方法 力和物质供应条件，模拟河口拦门沙沉积、相邻出海水道阿沉积、岛屿丘陵周边 沉积和双向射流“动力一沉积一地貌”系统这四种主要的沉积模式，以分析、阐 明各种沉积模式的动力机制。下面首先介绍e c o m s e d 模型水动力模块和泥沙输运 模块的主要计算原理。 2 2 1e c o m s e d 模型简奔2 e c o m s e d 模型是目前世界上发展成熟，应用广泛的模型之一。它是在海洋 p o m ( p r i n c e t o no c e a nm o d e l ) 模式及其后来发展的浅海e c 伽( e s t u a r y ，c o a s t a n do c e a nm o d e l ) 模型的基础上发展起来的功能较为强大的模式，是一个具有发 展前景的水动力和泥沙输运模型，它可以较为真实地模拟环流、温度盐度、粘性 与非粘性泥沙的输运、沉积与再悬浮。完整的e c o i s e d 包括以下几个模块；水动 力模块、泥沙输运模块、风驱波浪模块、热通量模块和粒子示踪模块。其中水动 力模块和泥沙输运模块是本文对沉积模式的模拟中所最关心的。 一、水动力模块 水动力模块为三维海岸海洋模型，耦合了一个湍流封闭模型，诊断变量为流 速、温度、盐度、湍流动能、湍流尺度。这里描述的水动力模块e c o m 由b l u m b e r g a n d l e i i o r ( 1 9 8 0 ，1 9 8 7 ) 发展，随后在许多海洋、海岸、和河口水域得到了广 泛的应用。e c o i 采用基于静力和b o u s s l n e s q 近似下的海洋原始方程，水平正交 曲线网格，垂向a 坐标，变量空间配置a r a k a w ac 格式，自由海表面，2 5 阶湍 流闭合模型求解垂向湍流牯滞和扩散系数，水平湍流粘滞和扩散系数基于 s m a g o r i n s k y 参数化方法，耦合了完整的热力学方程。 下面只简单介绍在笛卡儿坐标下的原始控制方程： l 、在流体不可压缩、b o u s s i n e s q 近似和流体静力学近似下的河口海岸海洋 原始控制方程组： 连续方程： v 办警。o 1 ) 此 其中，旷是水平速度矢量，由u 、v 两个分量组成；w 是垂向流速分量；自由表 2 本节的理论、公式等参考) 0 m s e d 楱型的用户手册( 酬m 0 i i 她h c ) 9 第2 章研究动志与研究方法 面z = t l ( x ，y ，t ) ，底部z = - l t ( x ，y ) ；v 是水平梯度算予。 雷诺动量方程： 塑w v u + w a 瑟u 一一瓦1i0pot+ 鲁( 警) + 足 a z 。 风缸娩i ”赴j 6 里+ 旷。v n w o v 拉+ 一一石l 可o p + 矾o k，o赴vot ) + f y 拉 。 p 。却瑟i ”赴j 1 a p 昭一i ( 2 2 ) ( 2 3 ) ( 2 4 ) 其中，风是参考密度。p 是环境密度，g 是重力加速度，f 是科氏参数，p 是压 力，k m 是湍流混合的垂向涡动扩散率。 温度和赫度的输运方程： 詈叭w o o 拉一言卜卦b s ， 秕a z 赴i “拉i ” 7 詈+ 矿+ 怂+ v y o s 瑟= 丢 誓 + b c z 删 矾瑟瑟l “钯i 。“” 状态方程： p = p ( o ，s ) ( 2 7 其中，8 为位温，s 为盐度；k 。是温盐的湍流混合的垂向涡动扩散率。 2 、湍流嘲合模型采用的方程： 河口浅海动力学的最基本特征是动量方程和物质输运方程中的垂向湍流扩 散项起着决定性的作用。垂向湍流扩散系数随时间和空间变化。在e c o m 中，采 用2 5 阶湍流闭合模型求解垂向湍流扩散系数。湍流动能输运方程为： 望+ 矿勖。+ 缈望； 郑卦m 阿+ ( 剐+ 2 风g k a 叱p 百2 q 3 + 湍流混合长度输运方程为： 捌o t 谚v 排捌o z ；旦o z 阵旦o z ”7 i j + 暇 ( 警) 2 + ( 詈) 2 】+ 警誓一妄矿+ e 其中，q 2 t 2 是湍流动能，l 是湍流混合长度。 另外，痧为侧壁迫近函数，痧- 1 + e ：f 考) ( 2 一l o ) 这里，伍) - ( 叩一z ) 4 + + z ) 。1 ( 2 一1 1 ) 在接近表面处，z r 和l 都与跟表面的距离相等( k = o 4 是卡门常数) ，这样 谚1 + e ，。在远离表面处， l ，则形m l 。 二、泥沙输运模块 s e d 模块是h y d r 胡u a l 最有前景的3 d 泥沙输运模块。它可以真实地模拟水域系 统( 如湖泊、河流、 可口湾和海岸水体) 粘性泥沙与非粘性泥沙的运动。在9 0 年代中，粘性泥沙的再悬浮、沉降和固化的理念( l i c ke ta 1 ，1 9 8 4 ) 整合进 e c 0 5 f 模式创建t e c o m s e d 。在随后的几年时间内，e c o m s e d 又添加修正了如下模 块：开边界条件，示踪迹，底边界剪切应力，表面风一波模式，非粘性泥沙输运， 溶解示踪迹和s e d i m e n t b o u n d 示踪迹输运。在很多泥沙输运的研究中都用到了 e c o m s e d ，包括：p a w t u x e tr i v e ri nr h o d ei s l a n d ( z i e g l e ra n dn i s b e t ，1 9 9 4 ) ， w a t t sb a rr e s e r v o i ri nt e n n e s s e e ( z i e g l e ra n d n i s b e t ，1 9 9 5 ) ，l a v a c ab a y i 1 3t e x a s ( h y d r o o u a l ，1 9 9 8 ) ，t a n n e r yb a yi nm i c h i g a n ( c a n n e l t o n l l 第2 章研究动态与研究方法 i n d u s t r i e s ，1 9 9 8 ) ，a n d6 r e e nb a yi nw i s c o n s i n ( s h r e s t h ae ta 1 ，2 0 0 0 ) s e d 模块与水动力模块耦合在一起，使用同水动力部分一样的数值网格，结 构和计算构架。泥沙动力包括粘性和非粘性泥沙再悬浮、输运和沉积。粘性泥沙， 这里主要指细颗粒泥沙，粒径小于7 5 姗( 淤泥一粉砂范围) ，而非粘性泥沙是指 较粗的泥沙，粒径为7 5 5 0 0 姗( 卜4 中) ( 细砂一中砂范围) 。对于粒径大于5 0 0 啪 的粗砂和砾石，以床砂质( b e dl o a d ) 形式搬运，它们不在模型考虑的范围，因 为粗粒径的泥沙在河口或海洋环境，通常仅占极小的部分。床砂质的输运对模型 结果的影响应该可以忽略。 下面只简单介绍粒级k ( k = l ，2 ) 的泥沙三维平流一扩散方程： 坠+ 业型+ 业型+ 坐型一! 虹生鱼2 ； m觑却a z如 去( 如鲁) + 专一等) + 虱0k 日鲁) 边界条件： 冬， d z k h 鼍咀一d k z = r z | 一h ( 2 - 1 3 ) 式中，q = 粒级k 的悬沙浓度( k 为1 或2 ，分别指粘性泥沙和非粘性泥沙) 爿。= 水平扩散系数；瓦，d i = 粒级k 的悬沙再悬浮与沉积的通量。 2 2 3 长周期数值模拟方法简介3 河口的沉积过程是一个长期的过程，要研究其发育演变的历史过程，需要考 虑运用长周期模拟方法。 首先，地形的变化是一些在短时间尺度上不断变化的动力因子，如波浪、潮 3 参考任杰博士论文第六章长周期模拟技术探讨) 第2 章研究动态与研究方法 流等的作用结果。而由这些动力因子的作用引起海岸或者床底地形的显著变化， 所需的时间会在月、年、十年，甚至百年以上。地形变化的精确计算需要整个时 阔尺度上连续的流和悬沙的输运过程，这样，要模拟长对期的地形交化，计算量 会十分巨大，因而需要进行信息的简化。 对繁杂信息的简化涉及多个层次的简化：输入简化，物理系统或模型简化， 输出简化等。下面主要介绍模拟实验中用到的输入简化和模型简化闯题： 一、输入简化主要是模型边界条件的滤波，在本文来说，就是要找出接近实 际的，具有代表性( 典型) 的输入条件。边界输入的简化就是要略去影响较小的 行为或过程，只考虑主要的长周期影响医素，比如，对于沉积作用雨言，正压作 用要比斜压更为重要，所以在理想实验中会忽略密度变化的影响。输入简化对于 计算量的节省具有重要意义。 另外，在论文实验孛，模型边界可以采用两种形式：潮位( 潮汐分潮) 和流 量在实验中，陆域边界大部分采用流量，而海域边界则多为潮位( 分潮) 。原 因在于：( 1 ) 论文所讨论的是沉积模式，研究的是理想地形在一定的物质( 水沙) 条件下的动力遗貌交化，对于理想地形下，陆域边界的水位交化的给定是比较困 难的，加上陆域边界的潮汐曲线特性( 潮差、涨落潮历时、水位坡降、相位) 受 地形变化的影响较大，所以如果用水位边界会较难控制；( 2 ) 相比之下，实验中 的海域边界可以根据实际的潮汐调和常数进行近似推算，并假设在模拟时闻尺度 内变化较小。再者，外海流量也不易设定，所以海域边界采用潮位( 分潮) 的边 界形式。 二、模型筒化。在长周期模拟中，潮流模型和悬沙模型计算通常耗费时间较 长，所以还必须考虑到计算约减的处理方法。 地形演变方法主要是指长周期模拟中地形时间步长( m o r p h o l o g i c a lt i m e s t e p ) 延长及动力场更新的模型约筒方法，这对提高长周期模拟效率至关重要。 与此同时，地形的更新，也需要更新在新地形条件下的动力场，因为外部动力条 件的变化固然会影响泥沙的输运沉积及地形的变化，但反过来地形的变化也会影 响潮流波浪的运动。避免频繁调用复杂的菲线性潮流或波浪运动方程计算新动力 场的一个有效的方法是“连续修正( c o n t i n u i t yc o r r e c t i o n ) ”。这也是缩短计 算时间的长周期模拟方法之一。 第2 章研究动态与研究方法 “连续校正( c o n t i n u i t yc o r r e c t i o n ) ”是长周新模拟中常用的技术之一，其 原理可表示为珊阶段性常量，式中，u 是速率，h 是水深。这种方法在很多 环境下都有应用意义。 在长周期地形模拟中，为了避免每个潮计算之后都去更新地形的还有一个有 效办法是延伸地形模型的时间步长，主要有直接推延、时间中心推延，潮汐延展 及泥沙输运率公式线性化等4 种方法。这几种方法各有优劣，在论文的理想实验 中采用了较简单的直接推延法。 直接推延( s t r a i g h t f o r w a r de x t r a p o l a t i o n ) 法是最简单的一种延长地形时间步 长的方法。假定在一个相对床底变化a h h 的阀值亭之下，流不受床底地形变化 的影响。设第一个潮内床底变化h ，将其直接推延到n 个潮，则n + 1 个潮的的 床底变化为n a b ( 图6 - 6 ) ，其中最大的整数n 应满足： m a x ( n a h h ) s 拿 鎏荛l 与h 与底床李化h 3 等七上鎏嘉n 水1 ) 图2 2 、直接推延原理简图 正是基于这些长周期模型约减方法的使用，长周期模拟才可以进行。 参考上述长周期模拟方法，结合论文研究的方向，对珠江三角洲沉积模式的 长周期模拟实验研究。生要有下面方法： l 、输入简化。因为时闻长度的特殊性以及实验的特殊性，不可能以真实的 自然条件进行输入，因站流量边界输入的个考虑因素是珠江流域平水年份的平 均状况。而对于潮位边界的输入，则选用s 。、地、k 、0 。四个分潮的调和常数为 代表，以体现大小潮变化的影响。 2 、地形时间的步长延长。在模型计算中，将用一种取代方法，就是用个 短时间的地形变化( 泥沙沉积量) 与常数k 相乘来代替一个长时间的地形变化。 本文的具体做法是以1 0 年为一个循环，计算区域水下撼形每计算1 0 年更换一次， 然后再利用各个历史时期的水下地形计算流场和泥沙的输运沉积。 “ 第3 章珠江三角洲区域背景及其发育演变 第3 章珠江三角洲区域背景及其发育演变 3 1 珠江三角洲基本概况 3 。l - 1 珠江河口水动力特征 河口的水动力状况与泥沙搬运和堆积有密切的关系，论文研究珠江三角洲的 沉积模式，进行模拟实验，也需要考虑水动力状况。 一、珠江三角洲是由西江、北江、东江以及潭江、绥江、流溪河、增江等在 珠江河口湾内堆积形成的复合三角洲。其中西江、北江、东江是珠江三角洲的主 要建造者。 珠江三角洲介于北纬2 1 。3 0 - - 2 3 。4 07 之间，地处北纬季风热带亚热带， 热量充足，雨水丰沛，且雨热同季。年降水量1 ，6 0 0 2 ，3 0 0 m ；汛期( 4 - 9 月) 降水量占年降水量的8 2 8 5 ；年径流蠡3 ，3 3 8x1 0 8 m 3 ；珠江平均悬沙浓度为 0 2 8 4k g m 3 ，年均输沙重8 ，8 7 2 x1 0 t 。在珠江三角洲的营造过程中，西江起主 要作用( 西江径流量占总径流量的7 6 6 ，输沙量占总输沙量的8 7 4 ) 。 各江进入珠江三角洲后，经由八大口门入海，东部的虎门、蕉门、洪奇沥、 横门构成伶仃洋河口，南部的磨刀门和鸡啼门构成磨刀门河口，虎跳门和崖门构 成崖门河口。伶仃洋河口接纳了珠江的6 0 的水量和5 0 的沙量。 二、海洋动力作用对珠江三角洲建造的影响主要是潮汐和波浪。 珠江河口属于弱潮地区( 平均潮差1 1 m ) 。但潮流对三角洲地形演进的影响 是深刻和长远的，尤其是在海侵时被淹水域的岛间海峡( 如虎门、崖门等峡口) 地段，因为峡口效应，潮流作用显著，潮流对原沉积物的侵蚀一堆积改造作用， 使得峡口易于形成冲刷深槽，并且在峡口内外发育放射状的涨、落潮流沙脊或者 沙岛。 由于珠江三角洲形成于一个独特的古海湾之内，古海湾沿岸被山丘台地包 围，湾口和湾内有众多的基岩岛屿，使得湾内的能量难以聚集，构成个低能量 的半封闭的海湾。由于湾头向里深入较远，加之岛内有诸多岛屿屏障，波浪作用 较弱，浪积地形( 沙堤) 发育不充分脚。 第3 章珠江三角洲区域背景及其发育演变 3 1 2 珠江口的入海泥沙特征 在海、河两大动力交互作用和影响下，珠江三角洲的沉积作用、沉积类型也 呈现出复杂性和特殊性。 珠江口泥沙来源主要为径流携带的下行流域来沙，随潮上溯的以及被波浪、 海流搬运入湾的泥沙大多是流域来沙在海洋动力作用下的再搬运，真正来自陆架 海域本身的泥沙数量是很少的。其中约有4 0 的泥沙( 主要为 4 中床沙质组分) 落淤三角洲网河区，约6 0 的泥沙( 主要为4 中悬移质组分) 注入河口湾。珠江 入海泥沙粒度较细，悬移质的粉砂约占5 0 ，粘粒级成分约占4 0 ，河床质组分 不到1 0 ，平均中值粒径( m d a ) ) 为8 ；粗、细泥沙的分布以中值粒径为界其季 节变化明显：洪水期( 4 9 月) ，粒径 8 m 的悬浮体一般不随着涨、落潮产生变化。枯水期由于径流作用减弱，潮 流作用增强，悬浮体的高含量区总是出现于河口湾的湾腰地段呻“”“。 总体上，珠江口分流河口及附近主要以砂质堆积为主，中值粒径驸中= 1 5 ， 而在此以外的广大浅滩浅海则以粉砂、粘土占优势，中值粒径m d 一5 9 。据统 计，珠江口悬沙粒径细于5 m 的占6 1 一8 4 ，珠江口各口门附近水体悬沙含量 平均为0 1 6 一o 2 2 k g m s ，最大可达0 3 0 4 k g m 3