長江口水沙運動及三維泥沙模型研究.pdf

1、河口的泥沙運動是河口最復(fù)雜的問題,物理模型、數(shù)學模型和原型觀測是研究河口泥沙運動最重要研究手段,近幾十年來,這三種研究手段都得到了長足的發(fā)展。河工物理模型試驗仍然是現(xiàn)在河口工程中越來越重要的研究手段,能用來研究目前許多無法使用數(shù)學表達來準確描述泥沙運動過程的問題,如底沙運動、建筑物穩(wěn)定性等問題。數(shù)學模型正成為研究泥沙問題的重要手段,由于自然界中,泥沙的對流、擴散、沉降、再懸浮,這些現(xiàn)象都是三維的物理過程,所以要準確描述泥沙運動過程,三維

2、泥沙數(shù)值模型必然是泥沙研究的發(fā)展方向。原型觀測是研究泥沙運動規(guī)律的最直接、最有說服力的研究手段,原型觀測往往能夠觀測一些尚未被認識的水流泥沙運動規(guī)律。本文主要采用這三個研究手段研究長江口泥沙運動的一些規(guī)律。
　　 長江口灘槽交替,河勢極為復(fù)雜。沙頭沖刷后退、沙尾淤積下移是長江口沙體運動的普遍形式,底沙運動在此過程中扮演重要角色。通過現(xiàn)場取樣,獲得長江口南支、南北港的底沙資料,并且通過水槽試驗選擇合適模型沙,在完成水流驗證的物理模

3、型上系統(tǒng)地研究了長江口南支、南北港分漢口各沙體頭部和主要河槽泥沙輸移路徑和淤積位置。結(jié)果表明南北港分漢口三個沙體沖刷下泄的泥沙,大部分進入南港,只有中央沙北側(cè)和新瀏河沙北側(cè)少部分泥沙進入北港。沙體沖刷下泄泥沙對南港影響比對北港影響大。新瀏河沙沖刷下泄泥沙對南港影響最大,接下來依次為中央沙和新瀏河沙包。南北港分漢口的六條分流通道:寶山南、北水道、南沙頭通道沖刷下泄泥沙進入南港,另外三條通道沖刷下泄泥沙進入北港。南沙頭通道下泄泥沙對南港影響

4、最大,接下來依次為寶山北水道、寶山南水道,分流北港的三條通道基本不對南港造成影響。
　　 中子活化示蹤是一種高靈敏度、適用范圍廣、對環(huán)境無污染、能真實模擬天然沙運動的一種泥沙運動觀測方法。通過中子活化示蹤沙技術(shù)對擬選拋泥區(qū)的泥沙運移擴散規(guī)律進行現(xiàn)場試驗研究,研究發(fā)現(xiàn)在北槽S7～S8丁壩之間航道南側(cè)擬選拋泥區(qū)示蹤砂的運移擴散方向在導(dǎo)堤內(nèi)基本上與航道平行,近似呈長帶形分布,出導(dǎo)堤后示蹤沙向東南方向運移。示蹤砂主要在與航道平行的區(qū)域內(nèi)

5、運移和沉積,在導(dǎo)堤內(nèi)進入和越過航道的量很少,進入外航道的量亦很少,出導(dǎo)堤后泥沙主要向東南方向運動,而外航道向東方向伸展。
　　 長江口深水航道遇到了回淤強度大,回淤分布集中的問題。在深水航道回淤嚴重的W3節(jié)點上下游布置了4個座底式近底觀測系統(tǒng)觀測了水沙鹽度過程,研究發(fā)現(xiàn)W3節(jié)點上下游近底層余流出現(xiàn)相反方向并且W3節(jié)點附近出現(xiàn)了一個富集區(qū)域。實測數(shù)據(jù)揭示了W3節(jié)點下游測站出現(xiàn)了經(jīng)典的河口環(huán)流結(jié)構(gòu),并且余流的垂直剖面存在螺旋結(jié)構(gòu)。上

6、下游測站在漲急時刻存在最大的鹽度梯度,證明了存在強鋒面的存在,從而導(dǎo)致了泥沙捕集的發(fā)生。在W3節(jié)點附近的四個站點的近底層泥沙余通量產(chǎn)生一個富聚環(huán)流。近底懸沙通量的富集區(qū)域的出現(xiàn)說明了泥沙不能立即直接輸移到海域。
　　 通過在南導(dǎo)堤和南灘地上開展一系列觀測,研究結(jié)果表明在南導(dǎo)堤被淹沒期間,除S3～S4丁壩段有微弱的由北槽指向九段沙的泥沙凈輸移運動外,其余區(qū)段均有較強的由九段沙指向北槽的泥沙凈輸移運動,從整個南導(dǎo)堤來看,指向北槽的凈

7、輸沙運動占絕對優(yōu)勢。越堤進壩田的相對高含沙水流并不能直接輸向航道。
　　 本文在ECOM-si模型的水動力和鹽度模塊的基礎(chǔ)上,并建立了三維泥沙輸移模塊,采用TVD格式來計算泥沙沉降過程,從而更加準確地刻畫了泥沙的沉降過程,并考慮了鹽度和含沙量對絮凝沉降速度的影響,構(gòu)造了便于計算使用的絮凝沉降公式,考慮了波浪對紊動的作用和對底部切應(yīng)力的作用影響。采用現(xiàn)場座底式三角架近底觀測系統(tǒng)觀測的含沙量、流速剖面和河床沖淤變化資料計算了北槽臨界

8、起動切應(yīng)力、臨界淤積切應(yīng)力、侵蝕率和沉積率,為計算泥沙場提供了關(guān)鍵性參數(shù),通過這些工作,本泥沙模型計算的含沙量驗證結(jié)果良好,可以用來進一步研究長江口泥沙運動過程。
　　 采用建立并驗證的泥沙模型系統(tǒng)研究了長江口泥沙輸移機制。研究結(jié)果表明長江口主槽的泥沙Eular輸移通量主要指向海域,而灘地上的泥沙Eular輸移通量主要指向上游或者灘面。Stocks輸移在主槽削弱指向口外泥沙Eular輸移,而在灘地上增強泥沙向灘面輸移。Lagra