（海洋地质专业论文）黄河口悬浮泥沙扩散规律及其数值模拟研究.pdf

黄河入海悬浮泥沙扩散输运规棒及其数值模拟 黄河口悬浮泥沙扩散规律及其数值模拟 摘要 黄河三角洲处于河流与海洋相互作用的过渡带，其陆海相互作用强烈，是黄 河入海物质的主要“汇 ，同时还是这些入海物质向渤海扩教的“源。隽了深入 系统地研究黄河入海物质( 水、沙、营养盐和主要污染物) 的输运、转化和归宿， 本论文依托予“9 7 3 项銎“中国典型河口一近海陆海相互作用及荬环境效应 第四子课题“黄河三角洲海岸蚀积转换机制和趋势预测 ，首先对黄河口2 0 0 3 年 两次黄河露海洋环境综合调查数据资料进行详细分析，研究了桔季的承文、泥沙 基本特征，重点讨论了淡水扩散、盐淡水混合、盐水入侵过程、泥沙输运、河口 密度环流等；在此基础上，将e o m s e d 数僮模型应用到黄河e l ，根据黄溺霹的实 际岸线和地形，建立了一个基于正交曲线网格的三维黄河口水沙输运数值模型。 逶过与实测资料对比验证，证骧该模型可以较为真实的反映黄河霹水沙扩散的基 本情况。利用该模型成功的模拟了黄河口不同流量条件下水沙输运的过程，得到 了以下a 赢结论： 1 1 9 9 6 年改道后，黄河口悬浮泥沙通量指向河口西北方，余流对泥沙的净搬运 起到了重要影响，致使新游西惫河西左侧生长。而原清承沟流路时鬏河嘴向 右侧生长，与现行河嘴生长方向相反。 2 本文基于数值模型方法，首次通过计算对黄河口悬浮体锋面懑现的时刻、其 分布形态以及形成的动力机制进行了详细的探讨。当近岸流场转为涨潮流 时，黄河入海泥沙羽状流被海水顶托，扩散范蠢仅局限于河髓东南铡，此处 随径流扩散的高浓度含沙羽状流与海水之间形成一条悬浮体锋面；而部分泥 沙随羽状流绕过流场切变带后受到远岸端落潮流的影畹向落= l 艺方向扩散，此 处随潮流扩散的羽状流与海水之间形成了另一条悬浮体锋面，其形成机制与 近岸端的悬浮体锋面并不相霜。巍近岸流场转流至落潮流时，入海泥沙随羽 状流向河口西北扩散，受流场切变带阻隔，大部分泥沙被阻挡在切变带近岸 侧，形成随径流扩散的高浓度含沙羽状流与海水之闻的一条悬浮体锋面；丽 部分泥沙绕过流场切变带后随远岸端涨潮流向东南扩散，形成随潮流扩散的 高浓度泥沙羽状流与海承之闻的另一条悬浮体锋西。流场切变带的存在阻挡 了泥沙向外扩散，使得泥沙沿流场切变带在河口两侧扩散沉积。 黄河入海悬浮泥沙扩散输运规律及其数值模拟 3 分析了不焉流量条件下黄河瑟淡水扩散规律，指出不同流量状态下黄河淡水 都是以异轻羽状流的形式向海扩散。低流量状态下，淡水扩散伴随着盐淡水 混合，河蠢水体总体面畜属于部分混合型，仅在泛四前缘水体分层较为明显； 高流量状态下，淡水扩散范围较大，河口附近海区水体垂向分层明显。 4 在低流量状态下，模型模拟结果可以看出整个潮周期内，溺瑟拦门沙附近悬 浮泥沙浓度均高于其两侧，然而在涨、落潮交替时发育最为充分。高、低流 量状态下，河豳最大浑浊带发育位置随盐水楔前端位置不同丽有所差别：高 流量状态下，盐水楔未能侵入河口，因此最大浑浊带位于河口拦门沙外缘； 低流量状态下，盐水楔深入河嚣最远可达5 k m ，最大浑浊带发育于河口拦门 沙附近。 关键词：黄河口；悬浮泥沙；悬浮体锋面；e c 。麓s e d ；盐水入侵 i l 黄河入海悬浮泥沙扩散输运规律及其数值模拟 3 dn u m e ric aisim ula tio na n da n aiy siso ft h e t r a n s p o r t a t io no fs u s p e n d e ds e dim e n tint h eh u a n g h e e s t u a r y a b s t r a c t y e l l o wr i v e rd e l t ai sl o c a t e di nt h et r a n s i t i o n a lz o n eo ft h ef i v e r - s e ai n t e r a c t i o n , w h e r el a n da n ds e ai n t e r a c ti n t e n s e l y t h i sa r e ai sn o to n l yt h es i n ko ft h em a t e r i a l s f r o my e l l o wr i v e ri n t ot h es e a , b u ta l s ot h es o u r c eo ft h ey e l l o wr i v e rm a t e r i a l d i s p e r s a ls y s t e mi n t ot h eb o h a is e a i no r d e rt os y s t e m a t i c a l l ys t u d yo nt h e t r a n s p o r t a t i o n , t r a n s f o r m a t i o na n dt h ef a t eo ft h es u s p e n d e ds e d i m e n ta n df r e s hw a t e r f r o my e l l o wr i v e ri n t ot h es e a , t w os y n t h e t i cs u r v e y s d a t aa tt h eh u a n g h ee s t u a r y a r e aa r ea n a l y z e da n dd i s c u s s e d t h e nt h ee c o m s e dn u m e r i c a lm o d e li sa p p l i e dt o t h eh u a n g h ee s t u a r y a3 dt r a n s p o r t a t i o ns i m u l a t i o nm o d e l 、析t l lt h eo r t h o g o n a l c u r v i l i n e a r 西dw h i c hi sb a s e do nt h ec o a s t a ll i n ea n dt e r r a i no fh u a n g h ee s t u a r yi s b u i l tu p w i t ht h i sm o d e l ，t h et r a n s p o r t a t i o n p r o c e s s e so ft h ef r e s hw a t e ra n d s u s p e n d e ds e d i m e n to nt h en u a n g h ee s t u a r yu n d e rl o w h i g hd i s c h a r g ec o n d i t i o na r e s u c c e s s f u l l ys i m u l a t e dr e s p e c t i v e l y t h ef o l l o w i n gr e s u l t sa r eo b t a i n e dt h r o u g h o u tt h e w o r k ： i s u s p e n d e ds e d i m e n ti st r a n s p o r t e dt o w a r d st h en 彤t h em o u t ho fy e l l o wr i v e r w i l lg r o wl e f t h a n d e d t h i st r e n do f d e v e l o p i n gi sa b s o l u t e l yo p p o s i t ew i t l lt h a to f t h ea b a n d o n e dq i n g s h u i g o up r o m o n t o r yw h i c hg r e wr i g h t - h a n d e dw h e ni tw a si n u s e 2 t w ot y p e so fs h e a rf r o n tr e s u l t i n gf r o mt h ep h a s ed i f f e r e n c eb e t w e e nt h en e a r s h o r ea n do f f s h o r et i d e sa p p e a ro f ft h er i v e rm o u t ho v e rt i d a lc y c l e a sar e s u l t , t w ot y p e so fr i v e r - l a d e ns u s p e n d e ds e d i m e n td i s p e r s a lp a t t e r n sf o r mi nt h es h e a r f r o n t a lz o n e t h ef r e s ha n dh i g h l yt u r b i dr i v e re f f l u e n t sd i s c h a r g et ot h es e a d u r i n ge b bt i d e sa n da r et r a n s p o r t e dn o r t h w e s t w a r d si n s i d et h es h e a rf r o n tu n d e r t h ec o m b i n e di m p a c t so fn o r t h w a r de b bc u r r e n t s ，d o w n - s l o p et r a n s p o r to f h y p e 叩y c n a lf l o wa n dc o n f i n i n ga c t i o no fs h e a rf r o n t ；a f t e rp a r t i a l l ym i x i n gw i m i i i 黄河入海悬浮泥沙扩散输运规律及其数值模拟 t h ea m b i e n ts e a w a t e rt h ef i v e re f f i u e n t sa r et h e nt r a n s p o r t e ds o u t h e a s t w a r d s o u t s i d et h es h e a rf r o n ta l o n gt h ef l o o dc u r r e n t s ，c a u s i n gt h ei n t e r m i t t e n ti n c r e a s e i ns 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 na n dc o r r e s p o n d i n gd e c r e a s ei ns a l i n i t y o u t s i d et 1 1 es h e a rf r o n t w h e nt h en e a r - s h o r ea r e at u r nt of l o o dw h i l eo f fs h o r e a r e ai se b b i n g ，t h es u s p e n d e ds e d i m e n td i s p e r s a lp a ：t t e mi st h eo p p o s i t e 3 w h e t h e rt h er i v e rd i s c h a r g ei sl o wo rm g l l ，t h e 毹s h 咖d i s p e r s ei nt h es u r f a c e l a y e ra st h eh y p o p y c n a lf l o w w h e nt h er i v e rd i s c h a r g ei sl o w , t h es a l tw a t e r 。 i n t r u d e si n t ot h ec h a n n e lw i t ht h em a x i m u md i s t a n c ea b o u t5 k m ，w h i l et h es a l t w a t e rm i x e sw i t hf r e s hw a t e rd u r i n gt h i sc o u r s e w h e nt h er i v e rd i s c h a r g et u r n h i g l l ，t h es a l tw a t e ro n l yi n f l u e n c e dt h er i v e rm o u t hb a ra r e a , t h ew a t e ri s l a m i n a t e d 4 ，n l ee s t u a r i n em a x i m u mt u r b i d i t yz o n eo c c u r so v e rt i d a lc y c l eb u ts i g n i f i c a n ta t t h et i m ew h e ne b ba n df l o wa l t e r n a t e sa n dt h et i d es p e e di sr e l a t i v e l yl i t t l e i ti s l o c a t e da tt h ef r o n to ft h es a l t w a t e rw e d g e ，w h i c hi so nt h er i v e rm o u t hb a ra r e a w h e nr i v e rd i s c h a r g ei sl o ww h i l eo nt h eo u ts i d eo fr i v e rm o u t hb a rw h e nr i v e r d i s c h a r g ei sh i 曲 k e yw o r d s ：h u a n g h ee s t u a r y ：s u s p e n d e ds e dim e n t ：s u s p e n d e ds e dlm e n t d i s p e r s a ip a t t e r n ：e c o m s e d ；s a i tw a t e ri n t r u s i o n i v 独创声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其 他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含未获得 ( 注；如遣直墓他盂蔓挂别直明的：奎拦互窒2 或其他教育机构的学位或证书使 用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明 确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名： 妞街 j 签字日期：硼年l ，月i o 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，有权保留并 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人 授权学校可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用 影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。同时授权中国科学技术信息 研究所将本学位论文收录到中国学位论文全文数据库，并通过网络向社会公 众提供信息服务。( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名： 妞访 导师繇鹞彬 黄河入海悬浮泥沙扩散输运规律及其数值模拟 0 引言 河口海岸带是岩石圈、大气圈、水圈和生物圈四大圈层的交汇地带，是通往 海洋的门户，是物流和能流的重要聚散带，对各种变量因素反应敏感，与全球变化 息息相关。全世界8 0 以上人口超过百万的大城市位于海岸带，而全球河流入海 悬浮物质、生源要素及污染物的7 5 9 0 归宿于海岸带，海岸带已成为人类经济 文化活动最为频繁的区域，也是开发和利用海洋资源最为重要的地带。目前，海 岸带陆海相互作用( l o i c z ) 的研究已成为国际地圈生物圈计划( i g b p ) 的核 心计划之一。 黄河是中国第二大河，以水少沙多著称，其径流量仅相当于长江径流量的 4 ，珠江的1 3 ，密西西比河的7 ，而含沙量却为长江的4 7 倍，珠江的8 4 倍，密西西比河的4 2 倍( 叶青超，1 9 9 4 ) 1 1 0 黄河以其独特的沉积动力现象，被 称为“天然实验室力，其沉积动力学研究对整个河口海岸学的研究具有重要的理 论意义。同时，黄河携带大量泥沙入海并在河口地区快速落淤，对黄河三角洲的 岸线演化和近海生态环境影响深远。此外，现代黄河三角洲具有丰富的土地、海 洋、石油等资源，是山东省能源、石油化工和农牧渔基地，也是我国新的开发热 点之一。因此，深刻认识和把握黄河入海水沙的输运规律及其沉积动力过程、分 析研究黄河三角洲冲淤演变趋势，对黄河三角洲的规划治理、国土整治以及油气 资源的开发具有十分重要的指导意义。 黄河入海泥沙运动规律复杂，以往进行的大量调查研究主要集中在底坡的泥 沙运动，包括各种泥沙异重流、河口异重流等方面，以适应海洋过程地基失稳的 需求( 王厚杰，1 9 9 9 ) “1 。而近年来针对黄河悬浮泥沙输运过程的调查受到天气 等自然因素影响，取得的实测资料极其有限，对悬浮泥沙的研究工作还较为欠缺。 而数学模型在给定准确的实测资料作为定解条件的前提下，经过实测资料的校正 和验证可以较为准确地模拟河口地区水沙运动规律，可以作为一种有效的方法来 弥补野外观测的不足。 为了更好地揭示黄河入海泥沙输运规律，本文将通过实际调查资料分析和数 值模型模拟相结合的方法来进一步研究黄河口泥沙运动的规律，力图对不同流量 下黄河口泥沙输运的过程及其规律进行较为深入细致的研究和探讨。 黄河入海悬浮泥沙扩散输运规律及其数值模拟 o 1 河口海岸冲淤演变研究现状 目前，国内外对河口海岸冲淤演变的影响因素研究已取得了大量成果。著名 的海岸学家b i r d 曾在阐述海滩侵蚀的原因时指出：没有一个冲淤事件是单因子 引起的，也没有一种解释是全球通用的( b i r d ，1 9 8 5 ) 3 1 ，并指出了2 0 种导致或 加速海滩侵蚀的因素( b i r d ，1 9 8 6 ) t 4 1 。尽管如此，对世界上大多数河口三角洲 来说，河流输沙是其形成和发展的物质来源，因而三角洲的冲淤演变极易受河流 入海泥沙量的影响( c h e ne ta 1 ，1 9 9 8 ) “1 。近几十年来，由于自然和人为因素 的影响，世界上许多重要河流入海泥沙呈下降趋势，并已严重影响和制约着河口 三角洲的可持续发展，也引起了各国研究者的关注。尼罗河是2 0 世纪流域人类 活动导致河流入海水沙锐减进而引起三角洲环境剧烈响应最为显著的事例：尼罗 河三角洲曾一直向海延伸，但过去1 5 0 年人类对尼罗河下游系统的改变，使尼罗 河三角洲不再向海淤进( f a n o s ，1 9 9 5 ) 1 ，甚至出现蚀退，其岸线蚀退速率达到 1 0 4 1 0 6 m a ，部分岸段蚀退速率可以达到l o o m a ( s m i t ha n da b d e l k a d e r ， 1 9 8 8 ：f r i h y ，1 9 8 8 ：f i r t h ya n dk h a f a g y ，1 9 9 1 ；f r i h ya n dk o m a r ，1 9 9 3 ：f a n o s e ta 1 ，1 9 9 5 ； a h m e d ，2 0 0 0 ) 7 1 2 1 。在欧洲，多瑙河的供沙量在过去几十年也 出现了递减的趋势，特别是在1 9 7 0 年i r o ng a t e s 坝修筑后，多瑙河入海泥沙量 仅为原来的3 0 - 4 0 ，三角洲河口区泥沙供应量的减少直接导致三角洲岸线的蚀 退( p a n i na n dj i p a ，2 0 0 2 ) n 。而密西西比河三角洲自6 0 年代以来也由于入 海泥沙减少了4 0 而出现蚀退( t r n h a i l e ，1 9 9 7 ) e 1 4 0 亚洲地区河流携带入海泥 沙量占全球入海泥沙总量的4 0 ，同时，这些地区河流流域人口密集，受人类活 动的影响也非常强烈。在近半个世纪以来，受流域人类活动的影响，印度河( i n d u s r i v e r ) 入海泥沙量缩减7 5 左右( s a m i n a ，1 9 9 9 ) i l s i , 加之海岸区的强波能作用， 三角洲遭受严重侵蚀，红树林湿地正在逐渐消失( c o l e m a na n do s c a r ，2 0 0 3 ) n 阳。 中国近代海岸侵蚀自上世纪7 0 年代以后日渐加剧( 夏东兴，1 9 9 3 ) 1 7 1 , 侵蚀岸 线长度已占全国大陆岸线总长度的1 3 以上( 季子修，1 9 9 6 ) 1 8 1 。我国第一大河 长江自1 9 6 0 年代以来平均输沙率也呈明显下降趋势，长江口门外的水下三角洲 淤积速率从1 9 5 8 1 9 7 8 年时段的5 5 m m a 下降为1 9 7 8 - 1 9 9 8 年时段的1 1m m a ( 杨 世伦等，2 0 0 3 ) 1 钉。三峡大坝的启用和南水北调工程的实施，将会导致长江入海 泥沙进一步减少，河口三角洲的增长将会停滞，甚至会出现侵蚀( 杨世伦等，2 0 0 3 ) 2 黄河入海悬浮泥沙扩散输运规律及其数值模拟 n 钉。作为世界上输沙量最大的黄河，由于入海水沙近年来急剧下降，三角洲也 出现了严重蚀退。 大量研究表明，河口海岸带的冲淤演变与河流来水来沙关系密切。作为泥沙 含量最高的河流，黄河巨量泥沙入海之后输运扩散规律的研究对三角洲冲淤演变 及合理开发利用自然资源都具有十分重要的意义。 0 2 黄河三角洲研究现状 对于黄河三角洲这一受黄河巨量来沙影响的典型三角洲而言，一直以来都是 国内外河口海岸研究领域的一个热点和难点。自上世纪8 0 年代起，中国海洋大 学分别与美国、法国合作( 1 9 8 5 1 9 8 7 ) 进行黄河口沉积动力学调查；中国科学 院海洋研究所( 1 9 8 5 1 9 8 8 ) 利用遥感资料对黄河三角洲沉积物扩散、岸滩演变 进行了研究；原地矿部青岛海洋地质研究所与荷兰合作( 1 9 8 6 - 1 9 8 9 ) 进行了比 较沉积学研究，重点探讨了黄河三角洲现代沉积作用和沉积模式。庞家珍呦 2 1 1 ( 1 9 7 9 ，1 9 8 0 ) 等对黄河河口演变近代历史变迁、河口的水文特征及泥沙淤积分 布等都做了详细介绍，并利用地图比较的方法，对黄河入海泥沙淤积的数量分布、 泥沙扩散范围、三角洲岸线推移及延伸造陆的速率等问题进行了研究，指出黄河 入海流路初期陆上泥沙淤积量较多，输入外海的数量较少，随着河道发育成熟， 陆上淤积量逐年减少，输往外海的量逐年增多。侍茂崇等阮1 ( 1 9 8 5 ) 对黄河口 附近温、盐、悬移质含量和潮流等进行了实地观测，对老清水沟流路时期黄河口 海域的水文特征进行了详细分析。黄世光等嘲1 ( 1 9 9 0 ) 利用历史海图探讨了黄 河三角洲海域的冲淤变化、冲淤量、冲淤特征及其规律，指出：截至1 9 8 4 年， 黄河入海泥沙9 3 8 淤积在5 m 等深线以内区域，而黄河三角洲冲淤围绕新老河 口进行。杨作升等d ( 1 9 8 5 ) 根据实测黄河口海域表层底质沉积物分析结果确 定了黄河口海区细粒沉积物某些成分特征及其分布特点，并对黄河沉积物入海后 的运移扩散进行了分析，指出黄河口海区沉积物运移一方面受海流影响，另一方 面还受到黄河入海密度流的影响，在汛期，这一作用对近岸泥沙运移起到较大的 作用。李栓科晒1 ( 1 9 8 9 ) 论述了近代黄河三角洲沉积物的数量特征、粒度特征 及其分布、结构与构造特征，指出沉积颗粒粉砂粘土占优势。李泽刚m ( 1 9 8 4 ) 对黄河口附近海区潮流特性分布规律进行了观测资料的统计分析及调和计算，并 黄河入海悬浮泥沙扩散输运规律及其数值模拟 探讨了其对泥沙输移的作用。王风聪等弛订( 1 9 8 9 ) 根据1 9 8 5 - 1 9 8 7 中美联合调 查观测结果计算了黄河口海域粗糙度参量z 0 值的分布，指出黄河口滨海区z 。值 分布规律为近岸大于远海，主要取决于粒径；另外还给出了潮流流速铅直分布与 相对粗糙度参量的关系。刘风岳舶1 ( 1 9 8 9 ) 对黄河冲淡水入海后混合锋面进行 了三次跟踪定位观测，分析了锋面分布位置、其与泥沙搬运及河口拦门沙的相互 关系等。 9 0 年代以来，随着调查手段和研究资料的丰富以及现代数学、计算机功能 的迅速发展，对黄河三角洲的研究从定性走向定量，从较为单一的方法走向多种 方法尤其是数学方法的综合，从区域研究走向整体性研究，进入横向铺展和纵向 深入的研究阶段。胡春宏等汹1 ( 2 0 0 3 ) 根据实测资料分析、数学模型计算等方 法，对黄河口潮汐特性、潮流特性、河口流路演变及对下游河道的反馈影响，河 口异重流的形成与发展，河口三角洲湿地的发展等进行了系统的研究，并将其与 世界其它主要河口进行了比较。在三角洲冲淤演化方面，尹延鸿等咖( 2 0 0 4 ) 通过不同年代海图或地形图对比、不同年代卫片对比、野外地质调查、不同年代 潮滩剖面测量及对比等，探讨了现代黄河三角洲海岸带不同时期的冲淤速率及其 发展演化趋势；庞家珍等3 1 1 ( 2 0 0 3 ) 利用2 0 世纪后半个世纪的完整的实测资料， 研究了河口径流量与输沙量的变化自5 0 年代以来明显递减，对黄河口水文特征， 包括水情、沙情、断流、离子流量、滨海潮汐、潮流、余流、温盐分布、风暴潮、 拦门沙与盐水楔等都做出了定性和定量的论述，对断流的危害、成因及缓解对策 作出了分析，并对河口淤积、延伸、改道对黄河下游的影响也做出时空上的定量 分析；师长兴等n 2 1 ( 2 0 0 3 ) 通过大量资料和采样分析得到了多种沉积环境下沉 积物干容重的计算模型，结合黄河三角洲沉积结构分析和利用地形测量数据，计 算了黄河口刁口流路时期亚三角洲不同时期的沉积量，指出刁口河三角洲前缘亚 三角洲泥沙平均干容重为1 3 6 9 c m 3 ，这一干容重用于估算其它亚三角洲沉积量 不会造成明显误差；许炯心等汹1 ( 2 0 0 4 ) 利用海图和遥感影响资料，确定了不 同时期黄河三角洲的造陆速率，并将速率变化与流域降水和人类活动变化关系进 行了分析，指出：年降水量越大三角洲造陆速率越大，梯田、林草面积和淤地坝 造地面积越大，人类净引水量越大，三角洲造陆速率越小；关于黄河入海水沙输 运方面，李广雪等啊峭1 结合实测资料和遥感资料探讨了黄河入海水沙在上游及 4 黄河入海悬浮泥沙扩散输运规律及其数值模拟 河口段的输运扩散结构和特征( 1 9 9 8 ) ，水下三角洲的沉积演化模式( 2 0 0 0 ) 以 及沉积动力现象( 2 0 0 1 ) ；张士华等啪1 ( 2 0 0 4 ) 建立了一个垂直平均二维沉积物 输运数学模型，结合潮流和沉积物资料，模拟研究了黄河水下三角洲沉积物输运 机制和海底冲淤演变过程，指出：垂直河口射流的潮流决定了该区沉积物净输运 的总体格局，凤应力对悬浮泥沙和推移质泥沙运动起到了重要作用；张世奇勰1 ( 1 9 9 0 ) 建立了河口的二维动边界冲淤计算模型，探讨了入海水沙与潮流、风吹 流相互作用下的冲淤规律以及絮凝的影响，进而通过系列累积的办法，对黄河口 进行了较长时期的冲淤计算，设计了黄河入海流路的三种方案并进行了比较；李 国胜等嘲1 ( 2 0 0 5 ) 以利津站代表的黄河入海径流和泥沙数据驱动e c o m s e d 模型， 对黄河入海泥沙悬移输运过程的逐月时空变化、输送通量以及海底沉积效应进行 了数值模拟实验，指出忽略再悬浮作用的条件下，黄河入海泥沙输运扩散过程具 有明显的季节变化规律，且这种变化具有年际相似性，黄河入海泥沙主要沉降在 黄河口附近，渤海海域泥沙悬移输送过程受潮汐动力、余流和底层流场等因子的 制约；庞家珍等m 1 ( 1 9 9 7 ) 通过实测资料分析了黄河口拦门沙对于黄河入海泥沙 沉积的影响，并总结了黄河口拦门沙及盐水楔特征与演变规律；庞重光等“ ( 2 0 0 1 ) 采用平面二维模式，考虑了泥沙平面扩散并加入潮汐影响，模拟了黄河 口泥沙异重流现象，分析了黄河口泥沙异重流的显著特点；l ie ta 1 脚1 ( 2 0 0 1 ) 利用实测资料及卫片资料，对黄河口锋面特征及其对悬浮泥沙输运的影响进行了 分析，指出河口锋是导致黄河口泥沙快速落淤的重要动力因素；w a n ge ta 1 n 3 1 ( 2 0 0 7 ) 根据对实测资料的分析，指出黄河口河口锋的形成是受到近岸与远岸端不 同性质的潮流影响，它对黄河入海悬浮泥沙输运扩散有重要的作用。 ，上述诸多方面的研究都取得了丰硕的成果，为今后进一步研究三角洲发展演 化并提出相应的治理方案提供了科学依据。然而大多数的研究工作都是基于实测 资料或是遥感影像资料，由于时间上和空间上的限制，使得对黄河入海泥沙输运 过程及其动力影响因素的研究都存在一定的困难。 0 2 河口海岸水沙数值模拟研究进展 0 2 1 河口海岸潮流数值模拟 河口海岸数学模型研究始于2 0 世纪6 0 年代，是计算数学、流体力学、泥沙 5 黄河入海悬浮泥沙扩散输运规律及其数值模拟 动力学等综合起来的一门新兴的边缘学科。它除了具有耗资省、速度快、修改灵 活等优点外，还可以作为“模拟实验室 用来试验研究相关现象的机制，并发现 尚未被发现的规律，具有其它模拟技术难以甚至不能达到的解决问题的能力，因 而其应用的领域已日益广泛。随着高速度大容量电子计算机的发展和河口动力理 论的不断完善，采用数学模型研究河口及河口工程的可行性越来越普遍，并逐渐 为工程界所信任和采纳。从总的情况而言，7 0 年代以河口一维潮流计算为主， 8 0 年代以后，除继续应用和推广一维潮流计算外，大多采用二维潮流数学模型。 近年来，三维潮流模型也已逐步展开，并取得了一些颇有价值的研究成果。 河口海岸数学模型从理论上讲，可以从雷诺应力平均的纳维一斯托克斯方程 ( r e y n o l d sa v e r a g e dn - se q u a t i o n s ) 出发建立三维水动力数学模型。同时， 对于河口海岸环境而言，潮流的水平空间尺度远大于垂直空间尺度，因此可以看 作一种准平行流动，此时水质点运动的垂直加速度远小于重力加速度，垂直方向 流体运动方程退化为静压方程，即静压假定。此时，利用水位变化代替压力变化， 得到三维浅水运动方程，使得求解的数学问题得到简化。为更好的模拟河床地形 变化，p h i l i p s 1 ( 1 9 5 7 ) 提出的仃坐标变换被应用到河口海岸三维数值模型中， 该坐标变换也成为垂向伸缩坐标系统( s t r e t c h e dv e r t i c a lc o o r d i n a t e ) ，这种 经过仃坐标变换后的垂直坐标系统可以在不同的水深处进行均匀分层，而且岸边 界的处理也变得极为方便。为了较为严格地确定涡粘性系数和扩散系数，潮流模 型中引入了湍流模式理论，应用最为广泛的是m e l l o r & y a m a d a 提出的两方程湍封 闭模式。以p r i n c e t o n 大学m e l l o r 教授为首的海洋动力环境数值模拟小组从2 0 世纪8 0 年代开始，致力于三维数值模型的开发与应用研究，其代表性软件为p o m ( p r i n c e t o no c e a nm o d e l ) 。该模型在垂直方程采用仃坐标系，水平方向采用正 交曲线坐标系，但数值求解过程仍在无力平面上进行。为了提高计算效率，p o m 采用了模态分裂法，将自由面的三维流动问题分成表面波的传播问题( 外模态) 和内波的传播问题( 内模态) 。w a n g “5 1 ( 1 9 9 4 ) 将三维水动力模型的控制方程用 普遍张量的形式表示，复演了美国g a l v e s t o n 海湾的三维流动和盐度分布。国内 也已广泛开展了河口三维水动力学数学模型的研究。赵士清1 ( 1 9 8 5 ) 采用固 定分层法，建立了较为简单的数值模式，对长江口南槽和口外海域的三维潮流进 行了数值模拟。韩国其等“ ( 1 9 8 9 ) 采用仃坐标系和算子分裂技术建立了三维 6 黄河入海悬浮泥沙扩散输运规律及其数值模拟 潮流数值模型。窦振兴等“8 1 ( 1 9 9 3 ) 采用仃坐标系和模态分裂法对渤海湾的三 维潮流进行了数值模拟。宋志尧等4 ( 1 9 9 8 ) 基于模态分裂法和a d i 格式建立 了三位潮流计算模式，并应用于海岸辐射沙洲的潮流场分析。刘桦等咖1 ( 2 0 0 0 ) 建立了涉及河口密度分层效应的三维潮流、盐度数学模型，垂直方向为仃坐标系， 水平放香味笛卡尔直角坐标系，经模态分离后，外模态用改进的a d i 法求解；该 模型首次复演了完整的长江口三维潮流场，并对三维盐度场进行了初步模拟。张 越美、孙英兰等5 n ( 2 0 0 2 ) 基于e c o m 模型，引入干湿网格法，建立了渤海湾三 维动边界潮流模型。 0 2 2 河口海岸水沙数学模型 研究近岸泥沙输移及岸滩演变具有十分重要的意义，也是海岸研究中最困难 的课题之一。利用泥沙运动的数学模型来模拟泥沙输移是近几十年发展起来的。 由于现场观测困难，且海岸泥沙输运过程中影响因素众多，如：波浪、水流( 包 括潮流、径流等) 、底部剪切应力、紊动强度、水下地形、泥沙类型、底床侵蚀 及泥沙沉积等，至今还没有一套成熟的输沙公式，一般还是套用河流泥沙研究成 果，加上一些适当的修正。泥沙理论的研究始于b r a h m s ( 1 7 5 3 ) ，他提出了泥沙 的起动流速。d u b o y s ( 1 8 7 9 ) 和s c h m i d t ( 1 9 2 5 ) 分别最早提出了推移质和悬移 质的理论。随着泥沙运动研究的深入，波浪作用下的泥沙运动也得到了深入的研 究。b a g n o l d ( 1 9 4 7 ) 根据实验得到了泥沙起动公式，并从能量的角度导出波浪 作用下的全沙输沙率( 1 9 6 3 ) 。近年来，波、流共同作用下泥沙运动研究有了进 一步发展，练继建6 2 ( 1 9 9 3 ) 对波、流作用下的边界层及床面剪切力进行了研 究。q u a c k 5 3 1 ( 1 9 8 3 ) 、窦国仁阳1 ( 1 9 9 5 ) 等给出了波、流共同作用下的输沙率 公式。曹祖德等5 5 1 ( 1 9 9 3 ) 给出了一个波、流共同作用下的泥沙输移数学模型。 v a nr i j i n ( 1 9 8 7 ，1 9 9 0 ) 提出了只适用于渐变流的三维悬沙数学模型并探讨了 模型中各参数对结果的影响。 目前，二维泥沙模型广泛应用于悬沙及底沙输移和底床的演变研究中，国际 上，t e i s s o n 哺1 ( 1 9 9 1 ) 建立考虑粘性泥沙絮凝、沉降、侵蚀和固结过程的平 面二维数学模型，在模型中考虑了浮泥的流动。w o l a n s k i “ ( 1 9 9 5 ) 等应用平 面二维数值模型证明了f l y 河口最大浑浊带的形成与潮泵作用、床面侵蚀、沉降 过程、垂直密度环流和沉降速度等因素有重要关系。j i n g ，l o u 隅1 ( 1 9 9 7 ) 建立 7 黄河入海悬浮泥沙扩散输运规律及其数值模拟 的模型中包括波流传播模型、波浪底边界模型和以深度平均的二维悬沙模型为基 础的准三维悬沙输运模型。m e a d 的1 ( 1 9 9 9 ) 建立了垂向二维和平面二维数学模 型，用于研究在河口区的淤积问题，并对两者的优缺点进行比较：平面二维模型 可以反映底质供给程度对结果的影响，垂向二维模型可以反映垂向上流场的辐聚 和辐散对挟沙力的影响。国内众多学者也对河口海岸二维数值模型进行了大量研 究，如叶锦培等咖1 ( 1 9 8 6 ) 以珠江磨刀门水道为模拟河段，建立了珠江河口输 沙数学模型，用有限差分隐式稀疏矩阵解法和近似差分法分别求解水流运动方程 和输沙连续方程，反应水动力因素与河床变化和悬移质泥沙运动相互作用的关 系。此模型适用于单一河段和任意有限个汉口的网河潮流输沙计算。罗肇森等“1 1 ( 1 9 8 7 ) 以悬沙输移为主的杭州湾为对象，研究了不平衡输沙条件下强混合河口 的悬移质含沙量及河床变形的二维数值模拟，得到了较好的结果。张世奇鹪1 ( 1 9 9 0 ) 在黄河口建立了二维动边界冲淤计算模型，考虑了潮汐、径流、风，特 别是絮凝作用的影响，计算了多种水沙及风力条件下输沙及冲淤变形，并对长期 的冲淤演变进行了累计计算，力图反映河口淤积一延伸一摆动一改道的复杂现象， 这一模型计算得到的冲淤量与实测值大致相符。朱玉荣6 ( 1 9 9 9 ) 建立了渤海、 黄海、东海的二维潮流数学模型，在此基础上，计算了古长江河口湾及周围海域 8 种粒径泥沙的潮平均悬沙质与推移质输沙率，并根据输沙率散度的正负，划分 了海底冲刷区与淤积区。李东风旧1 ( 2 0 0 4 ) 利用二维数学模型分别计算了刁口 河道分洪泥沙、清水沟汊河流路入海泥沙对东营港的冲淤影响。庞重光，杨作升 “”( 2 0 0 1 ) 利用二维的输沙模型对黄河口异重流进行数值模拟研究，提出了黄 河口利用异重流输沙的观点。 泥沙三维数学模型起步于2 0 世纪8 0 年代，标志性的成果为c h e n 纠( 1 9 8 6 ) 和m c a n a l l y 嘲1 ( 1 9 8 6 ) 利用三维模型计算了河口的泥沙输运问题。0 c o n n o r 和 n i c h o l s o n 嘟1 ( 1 9 8 6 ) 建立了一个三维的粘性泥沙输运模型，在模型中包括了粘 性泥沙絮凝、侵蚀、沉降、浮泥的固结和浮泥的流动等过程，并将该模式应用到 港口的淤积问题，得到较为满意的结果。m a l c h e r e k 等6 ( 1 9 9 3 ) 建立了 p e t r o v g a l e r k i n 有限元三维模型并模拟了河口泥沙输移，得到了较好的成果。 c a n c i n o 和n e v e s 旧1 ( 1 9 9 9 ) 建立了一个全三维的考虑斜压效应的水动力泥沙 数学模型，将三维悬沙对流扩散方程用于模拟粘性细颗粒泥沙的输运，模型中与 8 黄河入海悬浮泥沙扩散输运规律及其数值模拟 细颗粒泥沙侵蚀、沉降和絮凝有关的参数通过现场实测数据确定。b r e n o n 和l e h i r p 荫1 ( 1 9 9 9 ) 一运用平面二维和三维数学模型结果的比较，反映了潮泵作用 是最大浑浊带形成的主要因素，盐度导致的环流起到维持河口细粒泥沙的作用， 并增加盐水楔处悬沙含量。l o u 和r i d d 7 0 1 ( 1 9 9 7 ) 建立了波流共同作用下准三 维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。在国内， 周华君7 ( 1 9 9 2 ) 建立了基于曲线网格的水流泥沙三维模型，并应用于长江口 最大浑浊带附近的泥沙输运研究。陆永军等7 2 ( 2 0 0 3 ) 根据紊流随机理论，导 出了各向异性紊流的r e y n o l d s 应力的数值格式，将精细壁函数应用于边壁处理， 将传统的悬沙运动、床沙级配控制方程推广到三维模型，给出了床面附近含沙量 表达式，建立了三维紊流悬沙数学模型。王厚杰2 1 ( 1 9 9 9 ) 利用三维数学模型对 黄河口悬浮泥沙的沉积动力过程进行了较为系统的描述分析。王崇浩等 3 1 ( 2 0 0 6 ) 提出了具有二阶精度、建立在9 结点有限单元上的三维水动力及泥沙输移模型， 模型考虑了由水平密度梯度引起的斜压项、引用2 5 阶m e l l o r - y a m a d a 紊流模型 耦合计算水流的涡动粘滞性系数与物质的紊动扩散系数；模型采用破开算子法求 解控制方程：用欧拉一拉格朗日法求解水平对流项，用有限元法求解水平扩散项， 有限差分法求解垂向扩散项，并利用该模型对珠江口泥沙运动进行了模拟，计算 结果与实测结果吻合较好。 一 国内外学者对于河口海岸水沙数学模型的研究已经取得了丰硕的成果，然而 由于河口泥沙运动的复杂性及目前观测手段制约，使得对于泥沙运动的物理模式 的认识及精确的数学描述尚有不足，存在很多不确定性，还不能准确的反映河口 海岸泥沙运动的实况。今后还需进一步加强对水沙数学模型的基本理论的发展和 完善。 0 3 本文研究内容和主要任务 针对目前黄河三角洲研究中现场观测资料不足，泥沙数值模型多使用二维模 型等局限，本文将立足于大量的实测资料，并基于三维e c o m s e d 数值模型，从实 测资料分析和三维数值模拟入手，试图详细刻画不同来水来沙条件下黄河入海悬 浮泥沙的输运过程，并对其影响因素进行深入讨论。为此，提出本论文的主要研 9 黄河入海悬浮泥沙扩散输运规律及其数值模拟 究内容和任务： 1 立足2 次黄河口海洋环境综合调查实测数据，分析黄河入海泥沙输运规 律并探讨其影响因素。 2 建立黄河口三维水沙输运模型，对不同来水来沙条件下黄河入海悬浮泥 ，沙的输运过程进行模拟，从完整的时间和空间尺度上详细刻画这一过程 中的沉积动力现象及其机制。 这些研究对于黄河口沉积动力学研究具有重要的理论意义，同时对于黄河三 角洲的可持续发展亦具有非常重要的实际应用价值。本论文的研究也是国家9 7 3 项目“中国典型河口一近海陆海相互作用及其环境效应”第四子课题“黄河三角 洲冲淤转换机制及趋势预测的重要研究内容之一。 l o 黄河入海悬浮泥沙扩散输运规律及其数值模拟 1 研究区域概况 现代黄河三角洲( 如图1 - 1 所示) 是指1 8 5 5 年8 月黄河自河南铜瓦厢决口 夺大清河入渤海以来形成的巨大的扇形堆积体，