細顆粒泥沙近底邊界層觀測和模型研究.doc

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1、細顆粒泥沙近底邊界層觀測和模型研究細顆粒泥沙近底邊界層觀測和模型研究細顆粒泥沙近底邊界層觀測和模型研究【摘要】：本論文設計和實現(xiàn)了長江口灘和槽的近底水沙現(xiàn)場觀測系統(tǒng),利用該系統(tǒng)在河口灘、槽典型區(qū)域獲取了包括流、浪和泥沙變化過程的系列寶貴數(shù)據(jù);以觀測數(shù)據(jù)為主開展分析研究;結合邊界層和一維數(shù)學模型探討了近底泥沙運動的計算方法和變化機制。獲得的主要認識包括:長江口南槽近底懸浮泥沙濃度隨動力的響應近底懸浮泥沙濃度隨動力的響應過程受到多方面因素的影響,主要有水流的動力、床面泥沙的供應量(涉及到床面泥沙的沉積和固結過程)

2、、泥沙的沉降以及由此涉及到的粘性細顆粒泥沙的絮凝現(xiàn)象等。近底懸浮泥沙濃度的變化和動力的響應關系總體可以歸為四類過程:第一類過程——懸浮泥沙濃度隨流速的增大而增大,原因是:該階段床面泥沙的侵蝕量占據(jù)該過程的主導地位,它遠遠要大于向上的紊動擴散及泥沙的沉降的綜合作用;第二類過程——懸浮泥沙濃度隨流速的增大而減小,原因是:該階段水體紊動作用增強,向上的紊動擴散作用加大,然而床面可供侵蝕的沉積物不多,使得該階段的侵蝕量減小了,向上的紊動擴散作用成為該階段的主導因素;第三類過程——懸浮泥沙濃度隨流速的減小而增大,原因是

3、:由于該階段流速減小,水體的紊動擴散作用減小,中上層水體向近底層水體沉降的泥沙量增大,使得其成為該階段的主導因素;和第四類過程——懸浮泥沙濃度隨流速的減小而減小,原因是:中上層水體的懸浮泥沙大部分已經(jīng)在上一過程中沉降到近底層,近底層懸浮泥沙的沉降量成為該階段的主導因素造成的。其中第二類過程,即懸浮泥沙濃度隨流速的增大而減小,是垂線六點法和垂線平均水沙觀測所難以發(fā)現(xiàn)的。根據(jù)1DV點模型計算得到的泥沙濃度過程和水流過程數(shù)據(jù),對近底懸浮泥沙濃度隨動力的響應過程進行了分析。分析結果同樣得到了近底懸浮泥沙濃度隨動力響應

4、的四個過程。這說明近底懸浮泥沙濃度隨動力的響應過程代表了一類較為典型的過程,正如概化模型所分析,它是水流動力、床面泥沙供應量、泥沙沉降等多因素的綜合作用結果。灘地懸浮泥沙濃度動力響應過程灘地懸浮泥沙濃度的一個顯著特征是泥沙濃度峰值出現(xiàn)在漲潮初期和落潮末期。灘地懸浮泥沙濃度隨動力的響應分析表明:灘地懸浮泥沙濃度隨流速的響應關系不明顯。觀測時段內(nèi),只有少數(shù)幾個潮周期懸浮泥沙濃度和流速的關系呈現(xiàn)比較明顯的正比關系。盡管當時當?shù)氐膽腋∧嗌碀舛群土魉俪尸F(xiàn)很微弱的相關關系,但是潮周期平均懸浮泥沙濃度和潮周期平均流速卻呈現(xiàn)

5、出很好的正相關關系。在光灘上和鹽沼中,它們的相關系數(shù)R~2分別為0.80和0.87。在每一個潮周期內(nèi),灘地懸浮泥沙濃度和均方根波浪軌跡流速呈反比關系。懸浮泥沙濃度和均方根波浪軌跡流速的這種反比關系并不是由它們之間的相互作用導致的,即不是一種懸浮泥沙隨均方根波浪軌跡流速的響應關系。它們之間的這種關系的形成的一種解釋是:他們的這種關系實際上完全是由均方根波浪軌跡流速自身隨水深發(fā)生同步相應的變化而形成的。另一種可能的解釋是:漲潮初期的高懸浮泥沙濃度峰值要大于此時的水流挾沙能力,即此時為過飽和輸沙,所以在接下來均方根

6、波浪軌跡流速逐漸增大過程,看到了懸浮泥沙濃度反而降低這種現(xiàn)象。和水流類似,潮周期平均懸浮泥沙濃度和潮周期平均均方根波浪軌跡流速呈現(xiàn)正比關系。在光灘上,它們之間的關系差一些。但是,在鹽沼中,它們之間的相關性較好,相關系數(shù)為0.79。潮周期平均懸浮泥沙濃度隨潮周期平均的潮流速和均方根波浪軌跡流速的正相關性,說明了灘地懸浮泥沙的一類周期為“潮周期”的動力響應關系。灘地水流能量來源和灘地沖淤模式不論何種潮型,在鹽沼中的潮流速要遠小于光灘上的潮流速,但是在鹽沼中的均方根波浪軌跡流速仍然較大。說明在光灘上,水流的主要能量

7、來源于潮流和波浪。然而,在有植被覆蓋的鹽沼中,水流的能量來源主要是波浪。崇明東灘東面是開闊的海域,一年四季都處于風浪的作用下,波浪成為水流能量的主要來源。光灘的沖淤變化受潮周期動力情況影響。潮周期動力增大,灘地發(fā)生沖刷;潮周期動力減小,灘地發(fā)生淤積。整個觀測期間沖淤幅度最大達8.7cm。鹽沼沖淤幅度要遠小于光灘,其沖淤變化周期也要更長。站點C-1和站點C-2的沖淤幅度分別為0.2cm和0.3cm,而相應時段內(nèi)光灘(站點A)的沖淤幅度變化為1.1cm和6.5cm。當站點C-1和站點C-2經(jīng)過人為割草之后,站點C

8、立即發(fā)生沖刷,沖刷幅度達到0.8cm。從這里可以看出,互花米草(Spartina)在護灘方面起到了相當重要的作用?；谟^測資料的分析,提出了崇明東灘沖淤模式:1)有風浪作用。由于波浪的作用,光灘和鹽沼中的水流能量都較高,高含沙濃度能夠出現(xiàn)在鹽沼帶中。鹽沼植被發(fā)揮對懸浮泥沙的捕集及其護灘作用,有利促使鹽沼植被帶灘地發(fā)生迅速淤漲;2)無風浪作用。懸浮泥沙隨著上灘水流和水體能量的降低,發(fā)生沿程淤積,高含沙