（水力学及河流动力学专业论文）椒江口二维潮流泥沙数学模型研究及其应用.pdf

浙江大学硕士学位论文 摘要 入海航道露于局部浅段静存在，致使靛遂承深严蘩不跫，镱l 终了港鞠瓣发袋。 而浚深航道以提高通j 虢能力，需要研究海域水渤力变化并预测疏浚槽的阿淤。采 用数德穰拟进行挖槽试验较物理模型和戮场试挖槽试验具有闺麓短、费餍少的优 势，因而用潮流泥沙数学模型研究挖槽后床面变形及水动力场变化具有熏要的应 赙玲馑 。水滚捩沙齄力悬泥沙数学模溅麴关键参数，丽潮汐河姻熬沙运魂极其复 杂，至今对河口挟沙熊力的研究十分眷限，进步研究潮流挟沙能力具商重要的 瓒论意义。 本文裰撰教江西实溺农文魄形资耩，觚平街二维永流淀沙基零方程和基本毽 论出发，采用三角单元有限差分法对水流泥沙方程显示求解，对椒江口潮流漉沙 进行了数值模拟，模型简单实用，较好地再现了具有旋转潮波性质的撒渡河口水 流运动特征，含沙量场也褥到了基本正确的威映。 现有水流狭汐能力公式蕉立在潮袋平均静概念之上，不能笈浃萁隧潮交纯瓣 特性。本文麸水漉挟沙能力酶蓥本橇念密发，认为在潮流宓l 逮过程中东滚挟沙栽 力大于实际含沙照，而在减速过程中水流挟沙能力小于实际含沙篷，放寅采用最 大或竣小含沙餐及相碰水动力参数来建立潮汐河口水流挟沙能力关系。由此确定 水流挟沙能力般结构式中的参数，得到椒江河口与时变参数有关的水流挟沙能 力公式。计算结果表明，该公式较好地反殃檄江河口的水流挟沙鲤镣。 将本文掰建立熬模黧应弼予椒江涎搿靛邀爨帮浅段试挖耩礤究，邋避诗翼分 析发现，工程厝挖稽上、下游涨落潮流遽均有所增加，这有莉予上游浅段的利深 和下游水深酾维护。丽稽内及其两德浅漆永域流速都商不同程度的减小，挖稽黼 淤是必然的，流速变化以挖槽两端最为明显。 对挖漕静惹糖内及舔透露霆肄淤变豫分毫蓐表龌，携楼上下游警遮 l 瓣，滓捌 分毒澎嚷冀受竞，糟滩交嚣笼巍骧有冲铡，净戴强菠以杰匡横秀端妁舷遴邀域最大。 淤积主要分布在疏浚槽内及槽两衡浅滩医域，淤积强度良挖稽上游灞为袋大。 不论是瀛场还是溅涉冲淤，不同挖耩方案下的变化越势慕本相同，而变纯瞧 度主臻受疏浚深度影响，疏浚越深，变化幅度也越大。 浙江大学硕士学位论文 通过对多种不同方案的数值试验，得到挖槽后床面变形及水动力变化的一般 规律，可用以指导工程实践，减小实际挖槽过程中的盲目性。 关键词：椒江口，潮流，泥沙输移，数学模型，挟沙能力，试挖槽，回淤 浙江大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h es h a l l o ww a t e ra r e ai na ne s t u a r y , w h e r et h ed e p t ho f f l o wi si n s u f f i c i e n tf o r n a v i g a t i o n ，r e s t r i c t st h ed e v e l o p m e n to ft h ep o r t i m p r o v i n gt h en a v i g a b l ec a p a b i l i t y o fw a t e r w a y , i ti sn e c e s s a r yt os t u d yt h ec h a n g e so fh y d r o d y n a m i cc o n d i t i o na n dt o p r e d i c tt h ea m o u n to fs e d i m e n td e p o s i t i o ni nt h ed r e d g e d c h a n n e l i nc o m p a r i s o nw i t h p h y s i c a lm o d e la n di ns i r eo b s e r v a t i o no f t h ed r e d g e dc h a n n e l ，m a t h e m a t i c a lm o d e li s c h a r a c t e r i z e db ys h o r tc y c l e ，l o wc o s ta n dh i g he f f i c i e n c y t h e r e f o r e ，i t sv a l u a b l et h a t m a t h e m a t i c a lm o d e li su s e dt op r e d i c tf l o wv a r i a t i o na n dr i v e r - b e dd e f o r m a t i o n t h e s e d i m e n t l a d e nc a p a c i t yi sak e yp a r a m e t e rt ot h em a t h e m a t i c a lm o d e lo fs e d i m e n t t r a n s p o r t ，w h i c hi sn o tw e l lu n d e r s t o o df o rt h ec o m p l e x i t yo fs u s p e n d e ds e d i m e n t m o v e m e n ti nt h et i d a le s t u a r y , s oi t st h e o r e t i c a l l ys i g n i f i c a n tt os t u d yf u r t h e rt h e s e d i m e n t - l a d e nc a p a c i t yo f t i d a lf l o w b a s e do nt h et h e o r yo ft i d a lf l o wa n ds e d i m e n tm o t i o n ，a2 - dd e p t h - i n t e g r a t e d m a t h e m a t i c a lm o d e lf o rt h ej i a o j i a n ge s t u a r yi sd e v e l o p e db yu s i n ge x p l i c i ts c h e m e o ff i n i t ed i f f e r e n c eo nt h et r i a n g l ee l e m e n t s t h er e s u l t ss h o wt h a tt h er o t a r yc u r r e n t s o c c u r r i n gi n t h i s a r e ac a nb es i m p l ya n de f f e c t i v e l ys i m u l a t e db yt h em o d e l m e a n w h i l e t h es u s p e n d e ds e d i m e n tc o n c e n t r a t i o ns i m u l a t e di si na g r e e m e n tw i t l lt h e f i e l dd a t a p r e v i o u sf o r m u l a sw h i c hw e r es e tu pi n l i g h to fs e m i - t i d a lo rt i d a l a v e r a g e d c a n n o td e s c r i b et h ev a r i a t i o no fs e d i m e n t l a d e n c a p a c i t y w i t ht h et i d a lf l o w a c c o r d i n gt o t h ec o n c e p to fs e d i m e n t - l a d e nc a p a c i t y , i ti sc o n s i d e r e dt h a tt h e s u s p e n d e ds e d i m e n tc o n c e n t r a t i o nr i s e sw i t ht h ei n c r e a s i n go ft h et i d a lf l o wv e l o c i t y a n dd i m i n i s h e sw i t ht h ed e c r e a s i n go ft h et i d a lf l o wv e l o c i t y i ti sm o r er e a s o n a b l et o s e tu pt h ef o r m u l ab a s e do nt h em a x i m u mo rm i n i m u ms e d i m e n tc o n c e n 仃a t i o na n d t h ec o r r e s p o n d i n gh y d r o d y n a m i cp a r a m e t e r t h ec o e f f i c i e n ta n de x p o n e n ti nt h e f i m c t i o no fs e d i m e n t - l a d e nc a p a c i t yc a nb ed e t e r m i n e db yr e g r e s s i o na n a l y s i s ，a n dt h e f o r m u l ao fs e d i m e n t - l a d e nc a p a c i t yi so b t a i n e d ，w h i c hb e r e rd e s c r i b e ss e d i m e n t t r a n s p o r ti nt h ej i a o j i a n ge s t u a r y f l o wf i e l d sb e f o r ea n da f t e r d r e d g i n gs h o wt h a tt h ev e l o c i t yo ft i d a lf l o w i n c r e a s e si nt h eu p s 打e a ma n dd o w n s t r e a ma r e a so ft h et r i a l - e x c a v a t i o n ，w h i c ha r i s e s t h ee r o s i o ni nt h e s ea r e a s w h i l ei n s i d ea n dt w os i d e so ft h et r i a l e x c a v a t i o nt h e v e l o c i t yo ft i d a lf l o wd e c r e a s e s i ti so b v i o u st h a td e p o s i t i o nw i l lt a k ep l a c ei nt h e 浙江大学硕士学位论文 t r i a l e x c a v a t i o n t h ec a l c u l a t e dr e s u l t so fr i v e r - b e dd e f o r n q a t i o n1 n d i c a t et 1 1 a tt h er i v e r - b e di nt h e u p s t r e a ma n dd o w n s t r e a ma r e a so ft h et r i a l e x c a v a t i o ni su n i v e r s a l l yd e e p e n e d ，s oi s o nt 1 1 eo u t e re d g e so ft h et r i a l e x c a v a t i o n t h ee r o s i o nd i s t r i b u t i o ni sl i k eas h e l li n s h a p e w h i l eo b v i o u sd e p o s i t i o no c c u r si n s i d et h et r i a l e x c a v a t i o n t h em a x i m u m d e p o s i t i o nt a k e sp l a c ei nt h et r i a l e x c a v a t i o nh e a d i ti sf o u n df r o mt h ec a l c u l a t e dr e s u l t st h a tt h ev a r i a t i o nt r e n do ft i d a lf l o w v e l o c i t ya n dr i v e r - b e dd e f o r m a t i o ni st h es o d l l eu n d e rv a r i o u sp r o j e c t s t h ed r e d g i n g d e p t ha f f e c t st h ee x t e n to f v a r i a t i o n 眦i s t h ed e e p e r ，t h el a r g e r t h eg e n e r a lp r i n c i p l e so ft h er i v e r - b e dd e f o r m a t i o na n df l o wv a r i a t i o na f t e r d r e d g i n ga r eo b t a i n e d ，w h i c hc a nh eu s e dt od i r e c tp r a c t i c a lp r o j e c ta n da v o i dt h e b l i n d n e s si nc h a n n e ld r e d g i n g k c y w o r d sj i a o j i a n ge s t u a r y , t i d a lf l o w , s e d i m e n tt r a n s p o r t ，m a t h e m a t i c a lm o d e l ， s e d i m e n t - l a d e nc a p a c i t y , t r i a l e x c a v a t i o n ，d e p o s i t i o n 浙江大学硕士学位论文 1 1 研究的背景和意义 第一章绪论 位于浙江东南部的椒江河口是我省独流入海的第三大河口，口门处的台州港 ( 原海门港) 北邻宁波、南靠温州，是台州市的货物集散枢纽，也是浙江省中南 部地区的重要出海口之一。台州市国民经济发展处于浙江省中上水平，跻身于全 国发达沿海城市行列，而水运条件已明显落后于经济发展步伐，成为制约当地经 济高速增长的“瓶颈”。加快台州市港口建设，实现浙江省“水运强省”的目标， 对满足浙江中部广大地区的社会物流需求和促进区域经济发展显得十分必要和 迫切。 椒江口外自午头颈以下两岸急剧展宽，形成喇叭状河口湾称台州湾。由于落 潮流扩散和涨潮流壅水作用，入海航道存在长约十多公里的拦门沙浅段，水深严 重不足( 小于3 m ) ，大于5 0 0 0 吨级轮船需候潮进港【l 】。而台州大陆海岸天然深水 岸线资源较为有限，玉环岛的大麦屿港区又离台9 、i t 中心城市椒江市较远，头门岛 深水岸线开发利用的条件尚未成熟，这对台州港的发展极为不利。在当前经济发 展水平下，通过包括浚深在内的工程或非工程措施进一步治理航道以提高拦门沙 进港航道的通航能力，从而发展海门港区，应该是适宜的。鉴于此，需要对椒江 口水动力场和泥沙输移过程进行深入研究，从而为椒江口外航道整治提供依据。 1 2 河口潮流泥沙数值模拟的研究现状及发展趋势 1 2 1 潮流数值模拟研究现状 潮流数值模拟始于2 0 世纪6 0 年代，国内稍晚，始于7 0 年代。海岸河口属 于广阔水域地区，一般都采用二维或者三维数学模型。由于海岸河口地区大多属 于宽浅型水域，在实际应用中常采用将三维水流运动方程沿垂线积分得到的二维 水流模型。目前，在海岸河口地区实施的航道开挖、围海造陆、排污入海等一系 列工程中，二维潮流模型都得到了广泛的应用，获得了不少的经验。 二维水流数值模拟方法按离散的基本原理可以分为有限差分法、有限单元 浙江大学硕士学位论文 法、有限体积法、边界元法、有限分析法等。按差分网格形状可以分为三角形、 矩形、四边形、多边形、曲线坐标网格以及不同网格的组合等【2 j 。 有限差分法是历史上最早采用的一种数值方法，其理论较为成熟而且应用最 为广泛。它是建立在经典数学逼近理论基础之上，将微分方程中的导数项以差商 形式代替，从而将微分方程转化成易于求解的代数方程，数学概念清晰、简单， 效率较高。它的误差估计、收敛性和稳定性理论趋于成熟和完善。早期的差分计 算都是基于矩形网格，对复杂边界的适应性不是很好，给计算精度带来影响。为 能较好地拟合复杂的固岸边界和水下地形，不少学者【3 _ 5 l 提出了三角形网格差分 法。三角形网格差分法原理简单、解法直观、易编程序、节省内存、节点编号随 意、拟合地形和固岸边界好，有较好的稳定性、收敛性和较高的计算精度，在海 岸工程潮流场计算中深受欢迎，获得了广泛的应用。林建国【6 通过对时间项的二 次插值，对的时间偏导数项离散进行了改进，提高了三角形网格差分法数值计算 的稳定性和精度；周发毅等【7 】使用三角形网格差分法对大范围多岛屿海区的潮流 场进行了计算；李孟国【8 】对三角形网格在水动力和水环境数学模型中的若干实用 技术作了综合介绍。 有限单元法是基于变分原理和加权余量法所得出的一种求解椭圆型方程的 有效方法。起初主要应用于固体力学当中，从2 0 世纪7 0 年代开始应用于计算流 体力学。该方法具有网格划分灵活，拟合复杂岸边界和地形容易，网格节点可局 部加密等优点，但数学推导繁锁，不易编程，通常需要求解庞大的代数方程组， 占用内存大，耗费机时多，不够经济，而且在误差估计、收敛性和稳定性等方面 的理论研究远未及有限差分法成熟和完善。目前，国内外学者和研究人员己提出 了不少有限元方法叫”。李世森旧等应用变网格有限元方法，采用四边形等参单 元离散横向积分的n a v i e r - s t o k e s 方程，建立了简单有效的河口潮流垂向二维数 学模型。江春波等【l3 】将分步有限元法引入浅水方程的求解，并采用了一些增加计 算稳定性的因素，开发了适用于模拟具有复杂边界浅水流动的计算模式。p e t e r a 和n a s s e h i 口4 】基于拉格朗1 3 流体质点追踪体系的二维浅水方程建立了河口潮动力 有限元模型，u n n i k r i s h n a n l l 5 采用a d c i r c 软件包开发了一有限元模型对印度卡 奇湾潮波和潮流进行了模拟。虽然目前对隐式有限元繁杂求解过程有所改进，但 有限元方法在公式推导、编制程序等方面仍比有限差分法繁难得多。 有限体积法的基本原理【1 6 】是将计算区域划分成若干个规则或不规则的单元 2 浙江大学硕士学位论文 控制体，每个控制体都有一个节点作代表。通过将守恒型的控制方程对控制体做 积分来导出离散方程，求解得到每个网格节点的值。在导出过程中需要对界面上 的被求函数本身及其导数的构成做出假定。有限体积法导出的离散方程可以保证 具有守恒特性，物理意义明确，数学概念清晰，稳定性好等优点。但它也有类似 于有限差分的网格规则布景带来的一些缺陷。 随着计算机和数值模拟技术的发展以及工程项目的需要，近年来三维模型的 研究和应用日趋广泛，取得了一些颇有价值的研究成果。韩国其等m 采用。坐标 系和算子分裂技术建立了三维潮流数值模型。刘桦等【i8 】建立了涉及河口密度分成 效应的三维潮流、赫废模型。陈倩等【1 9 l 采用三维陆架海模式( h a m s o m ) 对浙 江近海的潮汐、潮流进行了模拟。s t a n s b y 2 0 1 基于静水压强假定，采用。坐标系 以及七一f 紊流模型建立了浅水水流和物质输移的三维半隐士有限体积计算模 式。b e n o i t ”j 利用改进的封闭方程建立了三维有限元模型对亚德里亚海的潮波运 动进行了数值模拟。但是三维模拟中仍然存在一些困难和不足，由于三维模拟的 复杂性，大多数研究成果都是在二维的基础上延伸得到，而且三维模型需要已知 的条件多、算法复杂( 如自由表面和床面边界条件的处理) ，所以计算结果并不 一定比二维模型来得精确。对于大范围海域来说，三维模拟在工程应用中远不及 二维模拟实用和广泛。 1 2 2 泥沙数值模拟研究现状 河口泥沙运动一直以来是河口地区研究的重要内容之一。河口航道的疏浚整 治、航道回淤计算、岸滩地形的演变等与泥沙输移存在着非常重要的关系，因此 进一步研究海岸河口地区泥沙输移规律是必要而又意义的。 国内外学者在这方面已经做了几十年的研究工作，早在2 0 世纪5 0 年代，一 维泥沙数学模型就被开始用于水库泥沙淤积、坝区河段局部冲刷及河流裁弯取直 的河床变形计算。汉森最早开展对河口海岸二维泥沙数学模型的研究。目前，运 用一维泥沙数学模型来解决长河段长时间段的泥沙运动和河床变形问题，相对已 比较成熟。二维泥沙数学模型也迅速发展，被广泛应用于悬沙和底沙输移以及河 床演变研究中。周济福等【2 2 】以长江口南槽为研究对象，建立一个二维泥沙数学模 型来计算和分析不同径流、潮流组合条件下的泥沙输移和河床变化。白玉川等【2 3 l 浙江大学硕士学位论文 在考虑近岸带及河e l 区动力特征与水流内部湍流结构特征的前提下，建立了潮流 和波浪联合输沙理论体系，进而对潮流波浪联合输沙海床冲淤演变进行数值模 拟。柳海涛等【2 4 】采用迎风有限元和特征有限元法耦合求解，探讨了有限元数值解 法在泥沙计算中的可行性。h u 等【2 5 】采用混合有限分析方法求解悬沙输移方程， 提出了计算悬沙输移的二维数学模型。s h a p i r 0 1 2 6 1 建立了平面上采用数值模拟和 垂向上采用数值分析相结合的2 5 d 浅海泥沙输移模型，模型考虑了由于艾克曼 螺旋流引起的流速改变以及由此引起的悬沙输移方向与输沙率的改变。随着计算 机性能的提高以及对泥沙运动机理认识的深入，近年来，三维泥沙数学模型也得 到了迅速的发展。丁平兴等【2 7 】从理论上推导出了波流共同作用下的三维悬沙扩散 方程。李蓓等f 28 利用坐标变换法建立了三维潮流盐度泥沙的数值模拟。陆永军【2 9 】 应用窦国仁的紊流随机理论，建立了三维紊流泥沙数学模型。陈晓宏等【3 0 】建立了 珠江口海域三维悬浮泥沙的非饱和输沙数学模型，并与珠江口三维水动力斜压模 型耦合，对悬沙迁移分布进行了模拟。l o u 和r i d d 【3 1 建立了波流共同作用下准 3 一d 悬沙输移耦合模型并应用于克利夫兰湾水流泥沙的数值模拟，指出大浪是该 水域泥沙悬浮的主要动力机制，也是导致该水域含沙量高的重要因素。s a n d r i n e 等【3 2 】应用三维水动力和悬沙输移模型模拟气候事件河口悬移质泥沙通量，其中泥 沙扩散方程采用湍流封闭模式。 1 2 3 潮流泥沙数值模拟发展趋势 目前国内外学者对于潮流泥沙数学模型的研究已取得了较为丰硕的成果，但 仍有许多问题没有得到解决。今后潮流泥沙数值模拟的发展趋势主要在于 3 3 - 3 7 】： ( 1 ) 河口地区在非恒定流作用下泥沙大部分理论还是建立在一维恒定均匀流 的基础上，糙率、挟沙力、恢复饱和系数等参数的确定常常带有一定的经验性质， 因此对非恒定非平衡输沙理论的研究将进一步推动河口泥沙数学模型的发展。在 海岸河口地区，污染物、盐度和泥沙相互影响，波流共同作用下悬沙等物质的运 动和输移规律都是非常模糊而又亟待解决的问题。另外，紊流对重颗粒物质的起 动和落淤起着决定性的作用，目前对紊流猝发更多的集中在河流和水槽中，尚需 进一步加强紊动猝发理论在河口海岸地区的应用研究。 ( 2 ) 水平二维模型的发展己相对成熟，而能正确描述水流垂向结构的三维河 4 浙江大学碗士学位论文 在考虑近岸带及河口区动力特征与水流内部湍流结构特征的前提f ，建立了潮流 和波浪联合输沙理论体系，进而对潮流波浪联合输沙海床冲淤演变进行数值模 拟。柳海涛荨口4 l 采t j 迎风有限元和特征有限元法耦合求解，探讨了有限元数值解 法在泥沙计算中的可行性。h u 等1 2 5 l 采用混合有限分析方法求解悬沙输移方程， 提出了计算悬沙输移的二维数学模型。s h a p i r o ( “l 建立了平面r 采用数值模拟和 垂向上采用数值分析相结台的2 印浅海泥沙输移模型，模型考虑了由于艾克曼 螺旋流引起的流速改变以及由此引起的悬沙输移方向与输沙率的改变。随着计算 机性能的提高以及对泥沙运动机理认识的深入，近年来，三维泥沙数学模趔也得 到了迅速的发展。丁平兴等口”从理论上推导出了波流共同作用下的三维悬沙扩散 方程。李蒂等1 2 8 1 n 用标变换法建立了三维潮流盐度泥沙的数值模拟。陆永军口w 应用窦国仁的紊流随机理论，建立了三维紊流泥沙数学模型。陈晓宏等 3 0 l 建立了 珠江口海域三维悬浮泥沙的非饱和输沙数学模型，并与珠江u 三维水动力斜压模 型耦台，对悬沙迁移分布进行了模拟。l o u 和r i d d 口“建立了波流共同作用下准 3 一d 悬沙输移耦合模型并应用于克利夫兰湾水流泥沙的数值模拟，指出大浪是该 水域泥沙悬浮的主要动力机制，也是导致该水域含沙量高的重要因素。s a n d rj n e 等口2 】应用三维水动力和悬沙输移模型模拟气候事件河口悬移质泥沙通量，其中泥 沙扩散力程采用湍流封闭模式。 1 2 3 潮流泥沙数值模拟发展趋势 目前国内外学者对于潮流泥沙数学模型的研究已取得了较为丰硕的成果，但 仍有许多问题没有得到解决。今后潮流泥沙数值模拟的发展趋势主要在于1 3 3 - 3 1 ： ( 1 ) 河口地区在非恒定流作用下泥沙大部分理论还是建立在雏恒定均匀流 的基础上，糙率、挟沙力、恢复饱和系数等参数的确定常常带有一定的经验性质， 因此对非恒定非平衡输沙理论的研究将进一步推动河口泥沙数学模型的发展。在 海岸河口地区污染物、盐度和泥沙相互影响，波流菇同作用下悬沙等物质的运 动和输移规律都是非常模糊而又亟待解决的问题。另外，紊流对重颗粒物质的起 动和落淤起着决定性的作用，目前对紊流猝发更多的集中在河流和水槽巾，尚需 进一步加强紊动猝发理论在河口海岸地区的应用研究。 ( 2 ) 水平二维模型的发展已相对成熟，而能正确描述水流垂向结构的三维河 ( 2 ) 水平二维模型的发展已相对成熟，而能正确描述水流垂向结构的三维河 浙江大学硕士学位论文 口水动力泥沙数学模型的研究和应用将得到加强。三维数学模型对计算格式和求 解方法要求更加严格，结构复杂，计算量远大于二维模型，这就要求三维模型要 有较高的效率和稳定性。现有数值计算方法还不能很好地体现浅水流动的物理本 质。对非结构化网格离散方法及在真实物理域中求解基本方程尚有待进一步研 究。 ( 3 ) 现行数模软件结果的可视化程度相对还较差，随着计算机技术日新月异 的发展，尤其是计算机图形技术的发展，其三维建模和动态演示功能可将抽象难 懂的数值结果转化为清晰的物理图像的多煤体可视化成果，能直观、全面、生动 地反映河口潮流运动、泥沙输移及河床演变过程。采用c a d 、g i s 等技术对模型 进行前、后处理也是水沙模型发展的一个重要趋势。同时，将潮流、泥沙数值模 拟的全过程软件化，加强其通用性，必将更好地促进河口水动力泥沙数学模型的 研究和应用。数学模型与计算机模型相结合，实现数值模拟的可视化和软件化将 进一步推动潮流泥沙数学模型向前发展。 1 3 本文研究内容 本文主要在分析现有椒江口实测水文测验资料和地形资料的基础上，从平面 二维水流泥沙的基本方程和基本理论出发，采用三角单元有限差分法对水流泥沙 方程显示求解，对大范围开敞浅滩水域进行水流泥沙数值模拟，并将模型应用于 椒江河口航道局部浅段试挖槽研究。为此，本文将主要完成以下几个方面的工作： ( 1 ) 根据平面二维潮流运动方程、悬沙方程和河床变形方程，建立椒江口 平面二维潮流模型和悬移质不平衡输沙模型。 ( 2 ) 在原有潮流计算程序的基础上，编写基于三角单元有限差分格式的悬 移质输沙计算程序。 ( 3 ) 对模型中关键参数( 如水流挟沙能力等) 进行研究，使模型能更好地 适应椒江河口地区。 ( 4 ) 通过不同试挖槽方案下的数学模型试验研究，计算不同方案下航道回 淤域、回淤量。在此基础上，对不同试挖槽方案下水动力场变化及其对挖槽回淤 的影响进行初步分析，从而为椒江口外航道拦门沙整治提供参考。 浙张大学硕士学位论文 第二章椒江口自然特性及其演变规律 椒江河口位于浙江沿海中部，其上游汇合灵江和永宁江于三江口，中部自三 江翻至牛头颈，溜段顺矗，出牛头颈进入台矮湾。台髑湾怒椒江潮汐河口的口外 海滨段，除主要控制于潮流外，还受山溪性、诃流径流特别是洪水影响，经长期的 动力调整，其河床形态是挟沙水流自行塑造的结果，取决于流域与海域来水来沙 条搏。衷海海域和椒江滚域的自然特性对螽州湾瓣水滚泥沙和海廉演变均枣十分 重要的作用。 2 1 形态特征 椒江口呈喇叭形，自老鼠山鬣白沙约1 7 k m ，河宽由1 9 k m 放宽至2 7 k m 。在 鼗医段，掰津潮阕带发弯，瘩岸蠢赛溪数螽列浅滩，j l 撵浅滩较窜。盎沙激东承 域开阔，自南到北有上大陈岛，一江山岛，头门岛，田岙，雀儿褥等众多岛屿。 海门至老鬣窿东深穗对较滚，一般为5 ? 艳，老鼠涵激下肇鑫沙黄琅一线海 域水深较浅，大多为2 3 m ，局部区域水深不足2 m ，白沙以东水深逐渐增大，5 m 等深线位于头f 1 黄琅一线辩遥水域，1o m 等深线处在键，l 岙一菠山一线 水域，等深线基本为南北志向，海门至白沙等深线走向与岸线基本一致( 见图1 ) 。 1 2 1 4 。2 5 乍1 2 1 吓3 , - 3 6 。- e 美选手= = 、脚 图2 1 椒江口形势 1 2 1 辐e 6 2 2 气候条件 浙江大学硕士学位论文 椒江口属亚热带季风气候区，四季分明，多年平均气温为1 7 1 ，最高月平 均气温( 7 - 8 月) 2 7 9 。c ，最低月( 1 月) 平均气温6 * c 3 8 1 。雨量丰沛，多年平 均降水量为1 5 9 6 5 n m a ，其中4 0 集中在6 - 9 月份，1 2 月至翌年1 月的降水量仅 占年降水量的1 0 ，年最大降水量为2 1 0 0 m m 3 8 】。空气湿润，多年平均相对湿度 为8 2 ，春夏季潮湿，冬季干燥。 2 3 径流 椒江河1 5 属于典型的山溪性强潮河口，流域洪水暴涨暴落、径流量变幅极大。 径流主要来自灵江，据河口控制站统计，椒江多年平均径流总量为5 1 7 x 1 0 8 m 3 。 径流年内分配不均，洪枯季径流量变化悬殊，汛期( 5 月一1 0 月) 径流量占年径 流总量的四分之三，枯期( 1 1 月一翌年4 月) 径流量占全年的四分之一。流量变 率极大，曾记录到最大洪峰流量为1 6 3 0 0 m 3 s ( 1 9 6 2 9 6 ) ，最小流量不到1m 3 s ， 仅为o 3 9 m 3 s ( 1 9 6 7 9 1 9 ) ，多年平均流量1 6 3 m 3 s ，丰水年平均流量为 2 8 9 m 3 s ，而枯水年平均流量仅7 2 m 3 s ，若最大流量和最小流量取多年平均值， 流量变率可达1 4 8 0 0 9 1 。 2 4 潮汐特陛 椒江河1 ：3 潮汐属非正规半日潮，头门以东水域具有正规半日潮的特性，海域 潮差较大，其平均潮差在4 m 左右，最大潮差超过6 m ，历年最高潮位为6 9 m ( 吴 凇基面以上，下同) ，最低潮位一0 9 1 m 1 4 0 1 ，属于我国东部强潮海区。潮波在传播 过程中受台州湾浅海地形和喇叭形岸线约束影响而发生变形，呈不对称型，潮差 沿程增大，潮流动力强劲。涨落潮历时差自口外至口内逐渐加大。在头门、壳塘 山、大陈构成的南北断面上涨落潮历时几乎相等，在白沙黄琅一线，涨落潮历 时相差也不大，而位于口门附近的海门站的落潮历时比涨潮历时长约两个多小 时。进入海门断面的年平均涨潮量是年平均径流量的4 0 多倍，潮量是塑造椒江 河口区的主要动力之一。 浙江大学硕土学位论文 2 5 潮流分布 潮流是椒江河口地区的主要动力因素，椒江口外流场基本特征是，白沙以西 水域基本为往复流，流路与河口河道走向基本一致，涨潮流指向口内，落潮流基 本与涨潮流方向相反。白沙一黄琅一线以东海域潮流旋转流性质渐渐明显，其旋 转性自东向西渐小。头门与一江山之间的潮流受地形影响近似为往复流性质，但 涨落潮主流不在一条直线上。大潮涨潮时潮流经头门一大陈水道由东向西进入台 州湾，受地形影响水流分成两股，一股继续西进进入河口，另一股经由白沙至头 门之间的潮汐通道北上；落潮时水流基本按原路返回，由椒江口返回的落潮水流 与由白沙头门之间南下的水流汇合，然后向东南偏东流去。白沙向西由于湾口地 形缩窄，水深变浅，潮能集中，潮流流速逐渐增大，在海门附近水流最强，最大 流速在1 8 m s 左右，白沙以东水域，流速稍小。在垂向上，流速基本均匀一致， 一般表层流速稍大，底层稍小，但表底层相差不超过2 0 。小潮时流路与大潮基 本一致，只是涨潮时白沙一头门间未出现北上水流，而且流速也较大潮明显减小。 2 6 泥沙 河口区泥沙以海域来沙为主，流域来沙量较少，而主要呈推移质运动的砂性 物质则全部来自流域。泥沙输移以悬移质为主，中径约为o 0 0 6 8 0 0 0 8 4 m m 。流 域多年平均输沙量1 2 2 万吨，平均含沙量0 2 3 6 k g m 3 ，枯季潮流输泥、洪水径 流输沙，丰水年和枯水年输沙量分别为3 7 5 8 万吨和1 6 6 万吨，流域年产沙量约 与平均径流量的2 2 3 次方成正比，即导= o 8 3 9 3 ( 箬，2 2 “【3 9 】。 u。厶 含沙量由口外海域向河口沿程递增，白沙一黄琅一线以东实测大潮平均含沙 量为0 1 o 5 k g m 3 ，小潮平均含沙量为o 1 0 2 k g m 3 ，以西大潮平均含沙量为 1 o 4 5 k g m 3 ，小潮平均含沙量为0 2 1 5 k g m 3 ，大潮含沙量大于小潮含沙量。 老鼠山以上河口段存在高含沙量区( 或最大浑浊带) ，其垂线平均含沙量为5 6 k g m 3 ，底部常伴有浮泥发育，河口段高含沙量区的存在对1 3 外浅滩的形成有 重要作用。含沙量垂线分布差异随流速的增大而减小。 2 7 风浪 浙江大学硕士学位论文 椒江口夏季盛行偏南风，冬季以西北风为主。口内外风况相差较大，口外大 陈岛常风向为n n e ，最大风速为2 4 m s ；据椒江市气象站1 9 5 1 1 9 8 5 年的统计资 料，海门常风向为n w 、n n w ，多年平均风速3 8 m s ，最大风速2 0 m s l l 】。椒江口 外北、东、南三个方向风的吹程较长，风浪是该区域的重要动力要素之一。根据 大陈站1 9 6 7 年至1 9 8 0 年波浪观测资料统计，台州湾水域常浪向为e n e 向，其次 为e 向，多年平均波高为1 3 m ；强浪向的分布范围较广，在e 方向出现最大波 高，次大波高出现在e s e 方位【3 引。椒江口外水域雀儿岙、田岙、头门、一江山、 上大陈等众多岛屿的存在，对外海波浪有一定的遮挡作用，涌浪较难进入台州湾， 但由于椒江口外水深相对较浅，风浪可引起床面泥沙的悬浮，一部分随潮进入椒 江口门作为高浓度含沙量的来源，另一部分参与椒江口外台州湾浅滩的塑造。 2 8 椒江河口的演变特性 2 8 1 口内河床的演变规律 椒江河口河床沉积覆盖在浅海相淤泥层之上，河岸由久经密实的滨海相淤泥 组成，其可冲性较河底为小。椒江河口延程受各基岩节点的控制( 参见图2 2 ) ， 限制了河道的横向摆动，河床形态相对稳定。底沙输移参与造床作用，促使洲滩 的塑造和变迁。洪季洪峰下泄时径流作用占优势，洪水携带的悬沙细颗粒物质很 难在本河段内落淤，而以推移方式运移的较粗颗粒泥沙，极易在局部低洼地区形 成边滩或心滩等堆积地貌。栅浦往下至牛头颈间河段，其上下游断面较窄，中间 宽，洪水下泄时由于上游河道的放宽以及下游卡口壅水作用的影响，动力作用有 所减弱，洪水所挟带的粗颗粒泥沙在此沉降而形成葭芷心滩。葭芷心滩把河段分 为南北两槽，减小了过水面积，有利于两槽的稳定及其水深条件的维护。葭芷心 滩的演变发展对南北槽河床演变具有十分重要的作用。 1 9 7 2 年杭州大学地理系等单位首次组织了对椒江的大规模水文钡4 验，总结 了椒江1 9 6 0 年以前的河床演变规律，认为1 9 6 0 年以前的十几年间，椒江河床的 地貌基本轮廓变化不大，河床地貌和动力条件之间的关系基本平衡。1 9 6 2 年以 后由于工程措施的影响，上游下泄径流减少，纳潮量也大幅减小，原来的平衡遭 浙江大学硕士学位论文 到破坏，下游的葭芷心滩逐渐上移萎缩，南北槽并立的优良河势被破坏，海门一 栅浦河段河床强烈淤积，导致海门港水深条件日益恶化。1 9 8 7 长顺坝方案实施 以来，经过多年的冲淤调整，河床不断地向动态平衡方向演变，南槽逐渐刷深， 深槽展宽，北槽北边滩逐渐淤积，主槽刷深，断面趋于窄深【4 叭。毕敖洪、孙志林 对椒江口底沙运动影响下的洲滩塑造和变迁做了总结，并探讨了椒江季节性冲淤 变化和河床多年冲淤变化，认为当上游径流较小时，除特大潮差外，具有“大潮 大淤，小潮小淤”的规律。年际间有丰水年河床刷深，枯水年河床淤浅的规律， 并对椒江冲淤的空间差异做了初步探讨【3 9 1 。 图2 2 椒江口内堆积地貌示意图( 1 9 7 2 年) 【4 0 2 8 2 口外航道自然演变 椒江床面的大部分，台州湾底部及其两侧全部由淤泥组成，口内外均有细颗 粒泥沙可以充分补充。由于椒江口外台州湾水域潮流强劲，不但能起到搬运泥沙 的作用，也对床沙的起动、悬浮有重要影响。台州湾底部及两侧潮坪被波浪和潮 流掀起的泥之k 一部分将随潮流进入椒江口门，成为口内高含沙量区悬沙的来源， 而另一部分将在台州湾内重新分布，成为口外水下浅滩新淤的物质来源。泥沙的 净输移因洪、枯季节的不同、径流量的多寡、潮流势力的强弱而异。一般在径流 量较小，潮流较强时，净输沙方向指向上游，悬沙上溯，海床冲刷：在径流较大， 潮流相对较弱时，净输沙方向则指向下游，下泄的泥沙在口外因地形展宽流速减 小而落淤，从而对拦门沙的形成和变化起到重要作用，即涨落潮流的输沙不平衡， 造成了台州湾的局部浅段包括拦门沙浅段。 椒江口外航槽剖面形态单一，走向基本稳定，表2 1 列出了航道平均水深沿 程变化情况，从表中可见，1 9 7 7 年1 9 8 9 年间，航道入口a 点至b 点的航道平 1 0 浙江大学硕士学位论文 均水深变化较小，b 至c 航道浅段水深略有增加，c 至d 航段水深增幅相对大一 些，d 至e 间航道浅段水深有增有减，从口外航道整体来看，航道水深是增加的， 平均水深增深0 3 m 左右。图2 3 所示的航槽沿深泓线的水深有类似的变化趋势。 由图2 3 中比较可见：7 7 年8 9 年问，涛江浦至松浦闸问浅段略有冲刷，但冲 刷的幅度逐年减小。c d 段航道普遍冲刷，最大刷深近o 8 m ，平均刷深0 3 9 m 。 d e 段航道浅段有冲有淤，总体有微淤的趋势。航槽的横向床面形状基本呈单 一的抛物型，深泓线位置变化不大，床面比较稳定。可以认为，多年来口外航道 包括拦门沙的水深变化不大，近年来有冲刷的趋势。 表2 1 航道平均水深变化( 吴淞基面 f ，单位：m ) 位置 abcde 平均水深 1 9 7 7 3 2 2 2 2 2 2 42 5 航段 1 9 8 23 32 42 62 62 7 平均 1 9 8 43 22 42 52 62 7 水深 1 9 8 9 3 3 2 6 2 8 2 52 8 浙江大学硕士学位论文 第三章潮汐河口平面二维潮流泥沙数学模型 3 1 平面二维潮流数学模型 3 1 1 基本方程 采用基于b o u s s i n e s q 假定、刚盖假定、不可压缩假定和静水压强假定简化得 到的平面二维潮流控制方程【4 1 1 ： 连续方程： 要+ 曼( 旧) + 芸( 蹦) ：0 ( 3 1 ) 优o x出 动量方程： 詈+ u 詈+ 矿詈= 一g 篆+ a h i 阳d 2 x ：等) + 面1 、z 。一) c 。z ， 百a v + u 警+ 矿詈= 一一g 等+ 南( 窘+ 塑a y 2 ) 1 + 面1 、t 掣一) c s s ， 其中x ，y 为直角坐标系坐标；u ，v 分别为沿x ，y 方向的流速分量； h = 矗+ f ，h 为海底到静止海面的距离( 静水深) ，f 为自静止海面向上起算的海 面起伏( 潮位) ；f 为科氏系数，f = 2 国s i n # ，其中缈为地转加速度，为计算 区域纬度；k ，勺分别表示表面风应力在工，y 方向上的分量，分别 表示底部切应力在x ，y 方向上的分量，g 为重力加速度，a 。为水平方向紊动粘 性系数。 表面和底部切应力可分别用下列经验公式确定： 玉：4 挈i p i 自：f 女彬1 w ( 3 4 ) 号= 4 乱_ 舌叩i s ， 式中彬代表风速风量，l l 表示风速的模，k 为经验常数；u f 代表流速分量， u l 表示流速的模；c = 三r 帕为谢才系数，以为糙率，r 为水力半径，对于宽浅 n 浙江大学硕士学位论文 海域r “h 。 由于实测风场资料相对缺乏，本文不考虑风应力的作用，